巖土工程中邊坡穩(wěn)定性分析及監(jiān)測方法研究①

王偉星 韓侃 蔣育華 朱兆榮 王秉勇

(中鐵西北科學研究院有限公司 甘肅蘭州 730000)

巖土工程項目邊坡的穩(wěn)定性對于施工安全可靠的開展有著至關重要的作用，各種各樣的工程項目建設離不開對邊坡的穩(wěn)定性分析。通過邊坡穩(wěn)定性分析，能夠準確判斷邊坡破壞的程度以及相應的檢測和補救方法，從而能夠有效減少由于邊坡破壞而造成的安全事故，保證施工安全持續(xù)的開展。

1 巖土工程中邊坡穩(wěn)定性的分析方法

1.1 瑞典圓弧法

瑞典圓弧法是比較常見的邊坡穩(wěn)定性分析方法，瑞典圓弧滑動面分裂法首先假設滑動面上方的土壤被劃分成多個垂直的土棒。同時，明確每個土層上力矩平衡以及力的分布狀態(tài)可以得到土體穩(wěn)定的安全系數(shù)當。土壤決定坡度和滑坡面時，可以將砂土假定為近似平面，粘土假定為碗狀或者圓柱狀，滑動力矩和抗滑力矩之間的比值為邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)。瑞典圓弧法是條分法中最為簡單和可行的方法，在當前巖土工程邊坡穩(wěn)定性檢測中有著十分廣泛的應用價值[1]。

1.2 簡化Bishop法

簡化Bishop法是當前邊坡穩(wěn)定性分析和檢測領域應用最為廣泛的一種非嚴格條分法，Bishop法在計算過程中沒有考慮豎向剪切力，只考慮水平作用上的力，相關工程項目計算人員可以假設條塊之間只存在水平的推力作用，豎向不存在相互的剪切作用力。通過這些簡化的計算方法，可以建立起坡體的力矩平衡方程以及整體平衡方程，并根據(jù)極限平衡條件以及實際的工程項目建設情況求解安全系數(shù)。但是簡化Bishop法沒有充分考慮到條塊間豎向剪切力的作用，而且沒有考慮每一條塊的力矩平衡條件，使得求解計算量大大減少。因此，也存在一定的缺陷，使得最終的計算結果以及計算精度并不高，在工程項目建設要求較嚴的項目中應用不多[2]。

表1 邊坡穩(wěn)定監(jiān)測技術

圖1 邊坡穩(wěn)定監(jiān)測系統(tǒng)結構圖

1.3 極限平衡法

極限平衡法是基于靜態(tài)平衡的理論應用的一種邊坡穩(wěn)定分析方法，在進行參數(shù)分析的過程中，既需要充分了解邊坡的應力狀態(tài)，而且還需要明確邊坡抗滑力的作用。同時，要確定邊坡應力與抗滑力之間的關系，通過滑動體分塊的力學平衡方程計算參數(shù)。在這個過程中，計算人員可能遇到非靜態(tài)的問題，這時需要依托于邊坡的應力應變關系進行改進，這樣雖然會造成計算的嚴密性以及分析的準確性不佳，但是并不會影響整體邊坡穩(wěn)定性計算的精度和準確度[3]。

1.4 數(shù)值分析法

數(shù)值分析法在邊坡穩(wěn)定性分析中的主要應用包括有限元分析法、邊界單元法、不連續(xù)變形分析方法以及離散單元方法等。數(shù)值分析方法在邊坡穩(wěn)定性分析中的應用可以結合巖體的破壞規(guī)則以及巖體的實際狀態(tài)，確定邊坡的拉裂區(qū)、壓碎區(qū)以及塑性區(qū)，從而能夠有效得到巖質邊坡的位移場和應力場。首先，通過計算出邊坡那個單元的應力，然后結合實際產(chǎn)生的剪應力和滑裂面的抗剪強度的比值求得安全系數(shù)。可以將巖土邊坡的安全系數(shù)看作是邊坡，能夠剛好達到臨界收斂狀態(tài)時對巖土體的剪切強度進行折減的程度。

2 巖土工程中邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測方法

2.1 設置邊坡穩(wěn)定監(jiān)測管理系統(tǒng)

在進行邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測（見表1）之前，工程項目建設人員需要針對邊坡的實際工作條件以及實際受力情況進行系統(tǒng)科學的分析，設計系統(tǒng)全面的邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)（見圖1），及時發(fā)現(xiàn)邊坡使用過程中存在的問題和風險，并采取有效措施進行解決，減少由于邊坡破壞而造成的風險事故。邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)自動檢測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、應急監(jiān)測服務中心這四部分組成。數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)可以使用各種動態(tài)信息采集設備對現(xiàn)場的邊坡工作狀況進行全面監(jiān)督，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要工作包括控制監(jiān)測儀器存儲數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和PC端的通信以及嵌入式計算機的應用等。

2.2 聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)

聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)主要是由波導管和傳感器進行連接的，檢測巖土工程邊坡穩(wěn)定性的重要手段，聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)在導管內(nèi)部安裝一個功能全面低壓電能機，從而可以實現(xiàn)對聲發(fā)射的監(jiān)測，聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)具有監(jiān)測范圍大，可以實時提供信息的特點，在邊坡監(jiān)測當中，應用聲發(fā)射監(jiān)測技術不僅可以有效監(jiān)測對邊坡穩(wěn)定性造成破壞的地層，而且還能夠系統(tǒng)監(jiān)測邊坡變形情況。在聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)實際工作的過程中，巖體受力與巖體聲發(fā)射現(xiàn)象有著很大的聯(lián)系，可以有效監(jiān)測巖體的動態(tài)表征，而且能為工作人員提供比較直觀的結果，極大地提升了監(jiān)測的有效性和科學性，減少監(jiān)測所需耗費的時間。

2.3 邊坡雷達監(jiān)測方法

邊坡雷達監(jiān)測技術在邊坡穩(wěn)定性的監(jiān)測過程中有著十分重要的應用價值，該監(jiān)測技術融合了SAR技術具有良好的監(jiān)測效果，而且監(jiān)測精度優(yōu)良。當前邊坡雷達系統(tǒng)發(fā)展的已經(jīng)相對比較完善，距離分辨率能夠達到50cm作用的距離，在300～2000m之間對于邊坡形變的測量精度可以達到0.5mm。工作人員在進行測量的過程中，可以通過相位變化的信息對形變信息進行評估，從而可以有效提升邊坡測量的精度和準確性。在邊坡穩(wěn)定性檢測的過程中，工作人員需要借助邊坡穩(wěn)定雷達裝置進行監(jiān)測，充分發(fā)揮邊坡雷達監(jiān)測系統(tǒng)的掃描功能，掃描進毫米精度的不同邊坡并進行多次掃描，以保證掃描數(shù)據(jù)的真實性和準確性。

3 結語

綜上所述，巖土邊坡穩(wěn)定性分析和監(jiān)測直接關系著巖土工程項目的建設質量和建設水平，需要加強對巖土邊坡穩(wěn)定性分析及監(jiān)測工作。通過各種理論和方法促進巖質邊坡穩(wěn)定性分析工作的發(fā)展，并加強對數(shù)學模型力學機理、智能評價體系及計算方法的研究，使得可以在實際邊坡工程中高效準確的服務，保證工程項目順利穩(wěn)定的建設，促進我國建設行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。