高速公路高邊坡分級(jí)開(kāi)挖施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與仿真模擬分析

楊韜

摘要：以某市北環(huán)路邊坡開(kāi)挖為例，選取典型斷面Ⅰ-Ⅰ進(jìn)行觀測(cè)，里程為K1+150，對(duì)邊坡無(wú)支護(hù)、錨桿支護(hù)、框架錨桿支護(hù)的三種狀態(tài)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，通過(guò)三種狀態(tài)的對(duì)比，闡明了錨桿與框架錨桿對(duì)邊坡的加固作用。

關(guān)鍵詞：邊坡；施工監(jiān)測(cè)；仿真模擬

隨著山區(qū)工程的不斷增加，勢(shì)必會(huì)對(duì)自然山坡進(jìn)行人工改造，從而使山體邊坡的應(yīng)力重新分布，因此在施工過(guò)程中，邊坡的穩(wěn)定性是動(dòng)態(tài)變化的。在開(kāi)挖過(guò)程中，施工的支護(hù)順序、降雨都會(huì)對(duì)邊坡的穩(wěn)定性造成較大影響。因此，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、穩(wěn)定性分析顯得尤為重要。

1 工程概況

本文以某市北環(huán)路高邊坡路段為背景，邊坡共498m，最高邊坡位于道路左側(cè)，高度56m，級(jí)數(shù)為7級(jí)。每級(jí)坡率分別為：一級(jí)1：0.5，二一五級(jí)1：0.75，六-七級(jí)1：1，每級(jí)高8m，設(shè)2m寬平臺(tái)，其中三級(jí)平臺(tái)加寬3m，六級(jí)平臺(tái)加寬8m，并在中間設(shè)置排水溝。每級(jí)用框架錨桿加固。

山麓地帶表層以下人工填筑土為主，用作為材料堆放，部分路段設(shè)磚廠和預(yù)制件堆放場(chǎng)區(qū)。開(kāi)挖山坡頂部有第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土覆蓋，中部第三系紅色疏松砂巖，坡腳為黃土。線路右側(cè)土體構(gòu)成，上部為填筑土，下部為粉質(zhì)粘土，卵礫石層。其中，粉質(zhì)粘土較純，呈淺黃，含少量植物根系；黃土土質(zhì)均勻，厚度10～20m；砂巖結(jié)構(gòu)疏松，含有石英、長(zhǎng)石，遇水易軟化，易風(fēng)化。

2 施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

2.1 邊坡變形監(jiān)測(cè)的方法

邊坡變形的監(jiān)測(cè)，設(shè)置四個(gè)觀測(cè)斷面，每級(jí)邊坡的中點(diǎn)上設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)的布置應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況以及測(cè)量原則，在邊長(zhǎng)約為4cm、中間鉆有小洞的有機(jī)玻璃上，膠粘上預(yù)制好的測(cè)點(diǎn)作為現(xiàn)場(chǎng)的觀測(cè)點(diǎn)。

2.2 邊坡施工期現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

選取典型斷面Ⅰ-Ⅰ進(jìn)行觀測(cè)，并做詳細(xì)的分析，斷面里程為K1+150。

隨著施工的進(jìn)行，根據(jù)分析斷面上七個(gè)觀測(cè)點(diǎn)水平位移變化可知：

（1）隨開(kāi)挖的進(jìn)行，測(cè)點(diǎn)水平位移的累計(jì)值有增大趨勢(shì)；

（2）測(cè)點(diǎn)的水平位移受下一級(jí)邊坡開(kāi)挖的影響很大，應(yīng)該及時(shí)進(jìn)行支護(hù)處理；

（3）最大水平位移為4.20m，出現(xiàn)在3#測(cè)點(diǎn)；

（4）從前3個(gè)測(cè)點(diǎn)可以看出，水平位移出現(xiàn)最大位置在邊坡坡腳位置，但是由于監(jiān)測(cè)是在開(kāi)挖完成后，以及停工的影響，后幾個(gè)測(cè)點(diǎn)沒(méi)有完全反映這種趨勢(shì)。

隨著對(duì)邊坡開(kāi)挖的進(jìn)行，從七個(gè)測(cè)點(diǎn)豎向位移變化圖，可知：

（1）隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，測(cè)點(diǎn)位移累計(jì)值有增大趨勢(shì)；

（2）測(cè)點(diǎn)位移隨開(kāi)挖的進(jìn)行，先增大，然后隨開(kāi)挖的完成慢慢趨于穩(wěn)定；

（3）從測(cè)點(diǎn)位移來(lái)看，沉降量最大位置出現(xiàn)在坡頂，約為4.8cm；

（4）5#，6#，7#測(cè)點(diǎn)的沉降位移較小，可能是邊坡卸載，有向上的回彈力，抵消了一部分沉降。

各觀測(cè)點(diǎn)的水平和豎向位移速率圖，如圖1、圖2所示。由圖可知，邊坡在2014/9-10時(shí)間段內(nèi)水平豎向位移速率較大，這是由于第七級(jí)邊坡的開(kāi)挖所引起的。而在2014/11-2015/1以及2015/7-2015/8時(shí)間段內(nèi)，邊坡水平位移速率較小，原因在于停工修養(yǎng)。在2015/3-2015/4，2015/5-2015/6和2015/9-2015/12時(shí)間段內(nèi)，位移速率相對(duì)較大，這是由于后續(xù)邊坡開(kāi)挖，打破了原有平衡，導(dǎo)致位移速率相應(yīng)的增大。

3 邊坡加固仿真模擬

對(duì)邊坡的無(wú)支護(hù)狀態(tài)、錨桿支護(hù)、框架錨桿支護(hù)三種狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬，以說(shuō)明錨桿與框架錨桿對(duì)邊坡的作用。

3.1 錨桿的作用

根據(jù)邊坡第四級(jí)開(kāi)挖時(shí)，無(wú)支護(hù)和錨桿支護(hù)下，水平、豎向位移最大剪應(yīng)力和主應(yīng)力變化來(lái)分析錨桿對(duì)邊坡的加固作用。

（1）加錨桿前后邊坡水平位移結(jié)果

比較兩者水平位移，無(wú)支護(hù)8cm，支護(hù)7.4cm，比無(wú)支護(hù)下降了7.5%，而且在加錨桿后，加固區(qū)的位移以及變形明顯區(qū)域都隨之減小，這說(shuō)明錨桿抑制了邊坡滑動(dòng)，加固了邊坡。

（2）加錨桿前后邊坡豎向位移結(jié)果分析

從數(shù)據(jù)分析可知，無(wú)支護(hù)時(shí)豎向最大位移為4.2cm，而加錨桿支護(hù)時(shí)為3.8cm，下降了9.5個(gè)百分點(diǎn)，且錨固區(qū)明顯被壓縮，說(shuō)明錨桿支護(hù)后，對(duì)邊坡滑動(dòng)起了抑制作用。

（3）加錨桿前后邊坡最大剪切應(yīng)變

邊坡最大剪切應(yīng)變都出現(xiàn)在坡腳附近，即坡腳附近最易發(fā)生剪切破壞。加錨桿支護(hù)后，相對(duì)而言最大剪切應(yīng)變條帶明顯減小，說(shuō)明錨桿的加固提高了邊坡的抗剪強(qiáng)度和韌性。

3.2 框架錨桿的作用

根據(jù)邊坡第四級(jí)開(kāi)挖時(shí)，無(wú)支護(hù)和框架錨桿支護(hù)下，水平、豎向位移最大剪應(yīng)力和主應(yīng)力變化來(lái)分析框架錨桿對(duì)邊坡的加固作用。

（1）邊坡水平方向位移結(jié)果分析

邊坡在框架錨桿支護(hù)下，最大水平位移為6.2cm，比無(wú)支護(hù)狀態(tài)下降了22.5個(gè)百分點(diǎn)，且邊坡在框架錨桿支護(hù)下，比其他兩種狀態(tài)都要穩(wěn)定。

（2）邊坡豎向位移結(jié)果分析

框架錨桿支護(hù)下，邊坡最大沉降位移為2.9cm，比無(wú)支護(hù)下降了31個(gè)百分點(diǎn)，即相對(duì)于其他兩種工況，沉降位移最小，而且從云圖可看出，被加固區(qū)壓縮得也最明顯。

（3）邊坡最大剪切應(yīng)變結(jié)果分析

對(duì)比邊坡三種狀態(tài)，框架錨桿支護(hù)使最大剪切應(yīng)變條帶下降最明顯，說(shuō)明框架錨桿支護(hù)對(duì)邊坡加固效果最好。

（4）邊坡最大主應(yīng)力結(jié)果分析

最大主應(yīng)力分布與上相同，但是框架錨桿支護(hù)情況下，邊坡表面的最大拉應(yīng)力為32.4k Pa，比其他兩種情況都要小。

由此可知，相比于錨桿支護(hù)，框架錨桿支護(hù)對(duì)邊坡加固效果更好，安全系數(shù)最高，如表1所示。

綜上，邊坡位移變形、最大剪應(yīng)變、主應(yīng)力，在框架錨桿支護(hù)下比其他兩種工況都要小，且安全系數(shù)最高，即框架錨桿支護(hù)對(duì)邊坡的土體有良好的加固效果，對(duì)邊坡滑動(dòng)的抑制效果也最佳。

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