詹偉

摘 要：通過對某高速公路邊坡防護(hù)結(jié)構(gòu)開展實(shí)時應(yīng)力監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析判斷邊坡施工過程中的穩(wěn)定狀態(tài)以及應(yīng)力損失情況，結(jié)合數(shù)值分析模型模擬應(yīng)力損失后的土體受力和位移情況，分析結(jié)果表明，監(jiān)測邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：應(yīng)力；監(jiān)測；邊坡；穩(wěn)定性

中圖分類號：U416 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）17-0008-03

Abstract： Through the real-time stress monitoring of the slope protection structure of a certain expressway， the stable state and the stress loss of the slope during the construction process are analyzed and judged according to the monitoring data. Based on the numerical analysis model to simulate the stress loss of soil force and displacement， the analysis results show that the monitoring slope is in a stable state.

Keywords： stress； monitoring； slope； stability

某山區(qū)高速公路沿線部分邊坡開挖高度高，多采用錨固防護(hù)形式，而支護(hù)結(jié)構(gòu)的工作應(yīng)力是影響防護(hù)結(jié)構(gòu)安全的重要因素。如果支護(hù)結(jié)構(gòu)的工作應(yīng)力過高，可能使防護(hù)設(shè)施發(fā)生突然破壞，成為工程中的“定時炸彈”；反之，如果工作應(yīng)力衰減過大，則起不到主動加固巖土體的作用。因此，有必要開展基于支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測的邊坡穩(wěn)定性分析技術(shù)研究，評估邊坡穩(wěn)定性和安全防護(hù)有效性，保證錨固結(jié)構(gòu)安全和邊坡穩(wěn)定性。

1 工程概況

本項(xiàng)目選擇位于浙江省某山區(qū)高速公路LP02合同段一路塹高邊坡作為監(jiān)測研究對象。該邊坡最大開挖高度54.5m，分八級開挖支護(hù)，各級防護(hù)措施分別為：第一級設(shè)擋墻防護(hù)，第二、三級設(shè)錨桿框格防護(hù)，第四、五級設(shè)錨索框格植被防護(hù)，第六級骨架植草防護(hù)，第七、八級邊坡高次團(tuán)粒防護(hù)。錨索錨固段全部進(jìn)入中風(fēng)化巖層。邊坡地質(zhì)情況如下：坡表分布厚度不等的殘破積粉質(zhì)黏土層，局部為含碎石粉質(zhì)黏土層，褐黃色，可塑，碎石含量在25%左右，風(fēng)化強(qiáng)烈，厚約1.0～4.8m，屬普通土（Ⅱ）；下伏基巖為片麻巖：全風(fēng)化，淺黃色、淺灰褐色，砂土狀，具有可塑性，厚約10.7～26m，屬普通土（Ⅱ）；強(qiáng)風(fēng)化，變晶結(jié)構(gòu)，片麻狀結(jié)構(gòu)，裂隙發(fā)育，巖芯呈碎塊狀及碎屑狀，屬軟石（Ⅳ）；中風(fēng)化，變晶結(jié)構(gòu)，片麻狀結(jié)構(gòu)，節(jié)理裂隙較發(fā)育，裂隙間由方解石脈充填，屬次堅(jiān)石（Ⅴ）。

2 監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)

針對試驗(yàn)監(jiān)測邊坡的防護(hù)工程情況，在邊坡第四、五級預(yù)應(yīng)力錨索框格防護(hù)工程中選擇兩個監(jiān)測斷面，每個監(jiān)測斷面設(shè)置4個測點(diǎn)，開展應(yīng)力監(jiān)測。該邊坡錨索設(shè)計(jì)長度為27m～36m，錨固段長度設(shè)計(jì)值均為12m，錨固力設(shè)計(jì)值為780kN。監(jiān)測原理是采用彈性波錨頭激振方法實(shí)時監(jiān)測預(yù)應(yīng)力變化，具體監(jiān)測方法是選擇典型錨索埋設(shè)壓力環(huán)進(jìn)行長期預(yù)應(yīng)力監(jiān)測，并對無損檢測技術(shù)提供驗(yàn)證；采用錨頭激振技術(shù)對預(yù)應(yīng)力錨索的工作應(yīng)力進(jìn)行無損檢測，對邊坡預(yù)應(yīng)力錨索工作應(yīng)力的整體情況進(jìn)行評估。

測力計(jì)在安裝前可以根據(jù)工程實(shí)際情況進(jìn)行現(xiàn)場率定。為了保證錨索測力計(jì)能夠真實(shí)反映受力狀況，需要在測力計(jì)兩個端面放置承載墊板，使加載荷載呈均勻分布。同時，承載墊板在加工時應(yīng)格外小心，表面應(yīng)平整，如果墊板表面有焊渣等異物，可能導(dǎo)致加載過程中出現(xiàn)讀數(shù)誤差。在正式加壓前，應(yīng)先預(yù)壓二次，預(yù)壓時應(yīng)緩慢施壓，并在最大壓力處保持一分鐘以上。預(yù)壓結(jié)束，測力計(jì)應(yīng)靜止10分鐘后才能進(jìn)行正式率定。

根據(jù)邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)要求，測力計(jì)安裝在錨固端。安裝時鋼絞線或錨索從錨索計(jì)中心穿過，測力計(jì)處于鋼板和工作錨之間。錨索測力計(jì)典型安裝示意圖見圖1所示。

測力計(jì)安裝完成后，各模塊與數(shù)據(jù)采集儀之間通過電纜連接組成一套完成的應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)，為了方便野外長期監(jiān)測，為整套監(jiān)測系統(tǒng)安裝了太陽能供電系統(tǒng)，保證監(jiān)測系統(tǒng)的長期穩(wěn)定工作。監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場布設(shè)圖見圖2。

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

應(yīng)力監(jiān)測設(shè)備安裝完成后，采用BSIL-MICRO-MCU測量系統(tǒng)對應(yīng)力開展實(shí)時監(jiān)測，通過對前期監(jiān)測數(shù)據(jù)整理，得到各監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線圖，其中一個監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖3。從監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線圖來看，該邊坡錨索預(yù)應(yīng)力趨于穩(wěn)定，說明該邊坡施工過程中處于穩(wěn)定狀態(tài)。從監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可以看出，當(dāng)錨索鎖定后，隨著時間的推移，會發(fā)生荷載損失，損失率大約在10%～20%。這主要是由于巖土體的壓縮、錨索材料的變形松弛等原因造成的。

4 穩(wěn)定性分析

根據(jù)監(jiān)測點(diǎn)邊坡斷面截面尺寸及錨索布置情況，采用FLAC 3D數(shù)值分析軟件建立邊坡模型開展邊坡穩(wěn)定性分析，如圖4所示。模型建立時的假設(shè)條件包括：不考慮Y方向不平衡力對邊坡穩(wěn)定性的影響。邊坡側(cè)面采用法向約束，底面采用固定約束。模型建立的過程：先采用彈性模型生成初始地應(yīng)力場，再降土體定義為摩爾庫倫模型，最后添加錨索構(gòu)件，開始計(jì)算分析。

模型分析計(jì)算中采用的方法是強(qiáng)度折減法。該方法將邊坡剛好達(dá)到臨界破壞狀態(tài)時巖土體的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行折減的程度定義為邊坡安全系數(shù)，也就是巖土體實(shí)際抗剪強(qiáng)度與臨界破壞時的折減后剪切強(qiáng)度的比值。在分析計(jì)算結(jié)果時，當(dāng)安全系數(shù)大于1時，邊坡處于相對穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)安全系數(shù)小于1時，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，需要加固措施。

在開展計(jì)算分析前，先計(jì)算開挖后未采取防護(hù)措施時的邊坡安全系數(shù)，計(jì)算結(jié)果：安全系數(shù)0.92，小于1，說明此時邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。邊坡剪切計(jì)算云圖中可以發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)了塑性貫通區(qū)，見圖5，即出現(xiàn)了潛在滑動面，邊坡可能發(fā)生失穩(wěn)破壞。

正式開展計(jì)算時，在邊坡分析模型中施加防護(hù)措施，再次計(jì)算邊坡的安全系數(shù)，結(jié)果為1.39，大于1.0，說明邊坡在加固后已處于穩(wěn)定狀態(tài)。模擬開挖施加防護(hù)工程后的邊坡剪切應(yīng)變云圖見圖6所示，說明錨索加固措施有效阻斷了潛在滑動面的發(fā)展，邊坡防護(hù)工程取得了較好的效果，邊坡達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

實(shí)際工程中，錨索的錨固效果取決于預(yù)應(yīng)力引起的附加應(yīng)力，而錨索受到巖土體的壓縮、錨索材料的變形松弛等諸多因素的影響后，產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力損失，使錨固效果產(chǎn)生影響。從現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，該邊坡的預(yù)應(yīng)力損失在10%～20%左右，本研究采用數(shù)值分析模型模擬錨索預(yù)應(yīng)力損失后的土體受力和位移情況，從穩(wěn)定性分析結(jié)果來看，邊坡仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，說明邊坡錨索預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)時，已考慮了足夠的安全冗余，在長期預(yù)應(yīng)力損失達(dá)到20%左右時，仍能保證邊坡的安全穩(wěn)定。

從計(jì)算模型分析中可以發(fā)現(xiàn)，在錨索發(fā)生預(yù)應(yīng)力損失后，土體中產(chǎn)生的附加應(yīng)力場發(fā)生了改變，防護(hù)結(jié)構(gòu)對邊坡的主動防護(hù)效果有所下降。實(shí)際工程中，提高預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)值可以增強(qiáng)加固效果，但是施工時要求更高的施工工藝、更好的錨索材料以及更高的砂漿強(qiáng)度等，成本大量增加，工程防護(hù)的經(jīng)濟(jì)性有所降低。因此，應(yīng)根據(jù)邊坡實(shí)際情況合理設(shè)計(jì)防護(hù)結(jié)構(gòu)，并考慮預(yù)應(yīng)力長期損失后，使剩余應(yīng)力能夠滿足邊坡穩(wěn)定的要求。

5 結(jié)束語

通過對邊坡防護(hù)結(jié)構(gòu)開展實(shí)時應(yīng)力監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析判斷邊坡施工過程中處于穩(wěn)定狀態(tài)。結(jié)合數(shù)值分析模型模擬加固前后以及錨索預(yù)應(yīng)力損失后的土體受力和位移情況，從穩(wěn)定性分析結(jié)果來看，邊坡仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，說明邊坡錨索預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)時，已考慮了足夠的安全冗余，在長期預(yù)應(yīng)力損失達(dá)到10%～20%時，仍能保證該邊坡的穩(wěn)定性。

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