高濕陷性黃土路塹邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測研究

陶卓

（甘肅綠洲新生態(tài)環(huán)境建設(shè)有限公司，甘肅 蘭州 730010）

1 項目背景

G30 連云港至霍爾果斯高速公路清水驛至忠和段擴容改造（北繞城東段）試驗段為新建高速公路。根據(jù)《公路路基設(shè)計規(guī)范》對路塹邊坡安全系數(shù)的規(guī)定，可以把該項目的高邊坡按照穩(wěn)定性分為以下三類：①不穩(wěn)定邊坡，各工況穩(wěn)定性小于相應的安全系數(shù)；②各工況穩(wěn)定性介于安全系數(shù)之間，或接近安全系數(shù)；③各工況穩(wěn)定性大于其對應的安全系數(shù)。根據(jù)設(shè)計文件，該項目處于不穩(wěn)定狀態(tài)的邊坡如表1 所示。

表1 試驗段深挖路塹區(qū)段統(tǒng)計

2 高濕陷性黃土路塹邊坡穩(wěn)定性研究

2.1 路塹邊坡的變形破壞類型分析

高濕陷性黃土路塹邊坡的破壞類型一般可分為沖刷、坍塌、剝落以及滑坡等4 種[1]。沖刷和剝落為表面破壞，主要原因為在黃土地區(qū)降雨較少，植物防護難以長成，且常年受風沙侵蝕，從而導致沖刷和剝落現(xiàn)象；坍塌及滑坡則屬于邊坡坡體破壞。大量證據(jù)證明，邊坡表面破壞是高濕陷性黃土路塹邊坡中最常見的破壞形式之一，常見的表現(xiàn)有邊坡表面形成沖溝、表皮剝落等。表皮剝落的形狀主要有片狀剝落、層狀剝落、魚鱗片狀剝落等。沖刷主要表現(xiàn)形式主要有坡肩受到?jīng)_刷而坍塌、坡面形成樹枝狀沖溝等。在甘肅及陜西部分地區(qū)的路塹邊坡坡面上還有風蝕坑以及風蝕槽等破壞形式。

2.2 高濕陷性黃土路塹邊坡滑坡的特性

在我國，高濕陷性黃土主要集中在北方，尤其是西北地區(qū)。形成的主要原因是由于風力的作用，導致形成質(zhì)地較為均勻、單一的土體。黃土最主要的特征則為其地層較為完整、全面，黃土層層厚較大，形成的原因極為復雜。黃土區(qū)域的路塹高邊坡的滑坡多具有范圍廣、數(shù)量多、規(guī)模大、危害性高等特點[2]。

2.3 路塹邊坡穩(wěn)定性計算分析

路塹高邊坡收到較大的外力后，將達到某個屈服點，從而到塑性變形，進而造成路塹高邊坡滑坡。為研究這一問題，需要選擇較為合適的彈塑性結(jié)構(gòu)模型，本次研究主要采用摩爾-庫侖屈服準則[3]，滿足下式：

式中，σ1代表最大主應力；σ3代表最小主應力；c代表內(nèi)粘聚力；φ 代表內(nèi)摩擦角。

本次研究選擇以更新世Q3馬蘭黃土為邊坡主要土體。黃土邊坡在降雨條件下穩(wěn)定性會發(fā)生比較大變化，目前已有多名學者對其進行了非常深入的研究。為搞清楚Q3均值黃土邊坡可能形成破裂面的位置的變化，評價黃土邊坡的穩(wěn)定性變化大小。根據(jù)前人對均勻黃土邊坡穩(wěn)定性研究的情況，選擇較為合適的邊坡坡率，選擇了邊坡坡率為1:0.75，高37.8 米（試驗段最高路塹坡高）的路塹高邊坡，網(wǎng)格劃分如圖1 所示。

圖1 黃土邊坡模型尺寸（單位：m）

考慮水位變化，考慮降雨不利條件下邊坡穩(wěn)定性隨降雨時長、入滲深度不同變化情況。邊界條件為：邊坡下方采用橫向和豎向的剛性邊界，左右側(cè)為可以水平滑動的橫向約束，豎直方向可以自由滑動；上方為自由邊界。路塹高邊坡的各項參數(shù)如表2 所示。

表2 自然狀態(tài)下各土層參數(shù)

土水特性曲線pF 坐標系中x 坐標是體積含水率θ和含水率w 轉(zhuǎn)化關(guān)系式：

通過上述公式計算可知，孔隙率n=0.36～0.40，飽水狀態(tài)下的含水率為θsat=0.42～0.45。

通過以上計算結(jié)果來看，考慮到各種因素影響，為保證施工期施工期間安全，應采取措施增加邊坡開挖過程的穩(wěn)定性，并對其進行施工安全監(jiān)測。邊坡加固處理措施可按圖2～3 進行。

圖2 邊坡支護設(shè)計立面圖

圖3 邊坡支護設(shè)計剖面圖

3 監(jiān)測方案設(shè)計

3.1 變形監(jiān)測

針對上述研究中邊坡的穩(wěn)定性，本次監(jiān)測研究主要使用單點位移計對高濕陷性黃土路塹高邊坡表面水平位移以及錨桿（索）框架梁的水平位移進行監(jiān)測,以便于能及時掌握邊坡變形情況，指導施工[4]。依據(jù)變形監(jiān)測測點布置原則, 在路塹高邊坡上所選監(jiān)測剖面的錨索或者錨桿的端頭處布置單點位移計。安裝時應選擇無雨水、雪等良好天氣,安裝前應進行全面檢查。邊坡位移計測點布置如圖4～5 所示,共計18 個。

圖4 邊坡分級開挖變形監(jiān)測測點示意圖

圖5 單點位移計布置圖

3.2 應力監(jiān)測

3.2.1 錨桿應力監(jiān)測。本次研究所選擇的2 處路塹高邊坡有錨桿及錨索框架梁植草防護。因此，可以采用鋼筋應力計監(jiān)測各剖面錨桿隨高度不同而產(chǎn)生的應力變化，以及每根錨桿沿長度方向的應力變化。以此作為一個因素分析判斷加固后邊坡穩(wěn)定性狀況，為邊坡提供預警。

邊坡1 鋼筋應力計布置在所選監(jiān)測剖面的第三級錨桿上焊接鋼筋應力計。自錨桿端頭位置開始，在依次間隔2m、2m、3m 位置處布置應力計，每根錨桿布置四個，共計16 個。

邊坡2 鋼筋應力計布置如圖6 所示。在所選監(jiān)測剖面的第一級、第二級和第四級錨桿上焊接鋼筋應力計。其中，第一級和第二級的每根錨桿各布置兩個鋼筋計，自錨桿端頭位置開始，間隔3m；第四級的每根錨桿除在錨桿端頭布置一個鋼筋計之外，從錨固段開始，間隔3m進行布置，共計20 個。

圖6 邊坡鋼筋應力計布置圖

3.2.2 錨索應力監(jiān)測。在邊坡1 監(jiān)測剖面的第1 級、第2 級的每一束錨索體上均配置錨索測力計，共計6 個。待框架梁混凝土錨固段強度達到設(shè)計強度后，在張拉錨索之前，按要求把錨索測力計安裝與墊板之上，并將測力計專用傳力板安裝在孔口墊板上[5]。錨頭詳圖如圖7所示。

圖7 錨索測力計安裝詳圖

3.3 材料種類及數(shù)量

根據(jù)試驗方案中的布點原則，確定該試驗所用的各類傳感器的數(shù)量、類型，并由此配置出數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其中，單點位移計合計18 個，錨索測力計合計6 個，鋼筋計96 個，自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)合計3 個。傳感器導線長度：單點位移計419m，鋼筋計4497m，總計5563m；錨索測力計60m。位移計測桿長度：431m。監(jiān)測儀器和設(shè)備清單如表3 所示。

表3 監(jiān)測儀器和材料清單表

4 結(jié)論

通過對高濕陷性黃土路塹邊坡穩(wěn)定性進行分析研究，采取對路塹邊坡變形監(jiān)測、錨桿及錨索的應力監(jiān)測等一系列監(jiān)測手段，有效的控制了路塹邊坡沉降變形及位移，提高了工程質(zhì)量，降低了施工安全風險。從監(jiān)測到的數(shù)據(jù)反映的變形規(guī)律來看，未加固條件下，為控制黃土高邊坡土體變形，路塹邊坡在開挖后4 到8 天內(nèi)進行加固防護，對保護邊坡穩(wěn)定效果比較好，采取加固措施后，邊坡變形逐步趨于穩(wěn)定，再次證明邊坡加固的必要性。