基于應(yīng)變評價邊坡-地基失穩(wěn)的過程控制

黃詩淵，王俊杰，簡富獻(xiàn)，熊建寧

(1.重慶交通大學(xué) 重慶市高校水工建筑物健康診斷技術(shù)與設(shè)備工程研究中心，重慶 401120；2.重慶交通大學(xué) 水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074；3.重慶市水利電力建筑勘測設(shè)計研究院，重慶 401120)

邊坡的失穩(wěn)破壞，一般都有從漸變到突變的發(fā)展過程和破壞前的某種征兆，因此，現(xiàn)場監(jiān)測是防治邊坡失穩(wěn)破壞的一個主要手段，實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠給邊坡的安全穩(wěn)定評價提供數(shù)據(jù)支持，是工程預(yù)警的重要支撐[1]。由于影響邊坡安全的因素較為復(fù)雜，邊坡巖土體的力學(xué)參數(shù)和安全狀態(tài)不僅難以確定，而且也是不斷變化的[2]，應(yīng)依靠設(shè)置各種監(jiān)測儀器對邊坡的巖土體進(jìn)行精細(xì)監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)對邊坡安全狀態(tài)發(fā)展變化的監(jiān)測。傳統(tǒng)的邊坡安全監(jiān)測手段大致有兩類，即大地測量和物理傳感器測量方法[3-5]。常規(guī)的大地測量方法具有測量精度高、適用范圍廣、數(shù)據(jù)可靠、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，但同時也存在著效率低、易受環(huán)境和天氣影響、作業(yè)辛苦及對監(jiān)測網(wǎng)布設(shè)要求較高等缺點(diǎn)。物理學(xué)傳感器方法根據(jù)形變的物理特征，深入變形體內(nèi)部獲得相對變形信息，該方法能夠長期埋設(shè)在變形體內(nèi)部進(jìn)行自動化觀測，缺點(diǎn)是只能觀測有限的局部變形。不過，由于高效率及自動化的優(yōu)點(diǎn)，后者在邊坡工程運(yùn)用更為廣泛，目前常見的主要是借助測量或傳感器(測斜儀、引伸計)等手段監(jiān)測邊坡位移(主要是水平位移、沉降數(shù)據(jù))，通過一定的方法和模型描述邊坡的變形趨勢，進(jìn)而對邊坡進(jìn)行變形預(yù)測預(yù)報。

隨著光纖傳感技術(shù)的高速發(fā)展，已逐步運(yùn)用于各種邊坡、滑坡工程的監(jiān)測中[6-8]。該方法主要通過監(jiān)測坡體內(nèi)部的應(yīng)變指標(biāo)對邊坡進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。相對位移而言，應(yīng)力、應(yīng)變的累積更能夠表征邊坡劣化過程，根據(jù)應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果，可重構(gòu)邊坡內(nèi)部應(yīng)變場，對坡體內(nèi)部滑動面進(jìn)行預(yù)測并實(shí)現(xiàn)邊坡失穩(wěn)過程的評價。

本文根據(jù)光線傳感監(jiān)測原理，基于應(yīng)變評價指標(biāo)，針對西南山區(qū)常見的堆載邊坡(邊坡坡頂建設(shè)構(gòu)筑物，文中稱邊坡-地基)[9-11]，對其失穩(wěn)破壞過程進(jìn)行探討分析。

1 計算模型

圖1 模型示意Fig.1 Schematic diagram of model

為簡化問題，建立邊坡-地基簡化模型[8]。坡頂處設(shè)一條形基礎(chǔ)，緊鄰坡肩，且認(rèn)為基礎(chǔ)埋深為0，邊坡模型及尺寸、材料參數(shù)見圖1，不考慮土體抗拉強(qiáng)度，采用莫爾-庫侖模型進(jìn)行分析計算。為達(dá)到邊坡-地基災(zāi)變失穩(wěn)過程的實(shí)時監(jiān)測目的，于豎直方向每隔2 m設(shè)一水平監(jiān)測線(光纖傳感器監(jiān)測)，即H1～H6，于坡肩處設(shè)1條垂直監(jiān)測線(測斜儀監(jiān)測)，即V1。此外，為提高計算準(zhǔn)確性，網(wǎng)格尺寸設(shè)為0.2 m。

首先，采用有限元增量加載法對基礎(chǔ)逐級加荷，每級加荷10 kPa，加荷至80 kPa時發(fā)現(xiàn)計算不收斂，說明此時邊坡-基礎(chǔ)已經(jīng)達(dá)到破壞狀態(tài)[12-13]。同時，采用簡化Bishop法對每級加荷時的邊坡-地基進(jìn)行邊坡穩(wěn)定計算，當(dāng)基礎(chǔ)荷載為80 kPa時，穩(wěn)定性系數(shù)為1.044，可認(rèn)為邊坡基本處于極限失穩(wěn)狀態(tài)，根據(jù)文獻(xiàn)[14]，說明80 kPa也是該邊坡-地基結(jié)構(gòu)的極限荷載值，此時地基也達(dá)到極限狀態(tài)。

簡化Bishop法計算的理論滑動面見圖2中藍(lán)色虛線，與文獻(xiàn)[8]一致，也是從坡腳延伸至基礎(chǔ)左緣。

圖2 坡體不同高程處的水平應(yīng)變分布Fig.2 Horizontal strain distribution at different elevations of slope

2 基于變形的路基過程控制分析

2.1 堆載過程中坡體水平應(yīng)變監(jiān)測

通過對邊坡-地基進(jìn)行加載模擬，得到了坡體不同高程處的水平應(yīng)變分布曲線(見圖2，其中正值表示拉應(yīng)變，負(fù)值表示壓應(yīng)變)。

從圖2(a)可看出，基礎(chǔ)所處位置處(水平坐標(biāo)為14～20 m)的水平應(yīng)變值主要為壓應(yīng)變，而在基礎(chǔ)左側(cè)部位水平應(yīng)變主要為拉應(yīng)變。隨著荷載的增加，各位置的水平應(yīng)變值逐漸增大。當(dāng)荷載施加至60 kPa后，水平應(yīng)變隨水平位置的變化發(fā)生改變，H6測線上的水平應(yīng)變最大值所處位置逐漸向右移，壓應(yīng)變逐漸變小進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)變，在80 kPa時，也就是基礎(chǔ)處于失穩(wěn)破壞狀態(tài)時，理論滑面位置處的拉應(yīng)力發(fā)生突變，較前一級荷載時的應(yīng)變值增大了近10倍。值得指出的是，條形基礎(chǔ)左端與理論滑動面恰好相交，同時80 kPa又是有限元增量加載法計算得到的極限承載力，因此該位置的水平應(yīng)變發(fā)生突變也可能是邊坡-地基上發(fā)生地基破壞的標(biāo)志。

而對于坡中區(qū)域(坡高2～8 m范圍，H2～H5)(圖2(b)～(e))，當(dāng)坡頂基礎(chǔ)荷載較小時，坡體內(nèi)部大部分區(qū)域的水平向應(yīng)變?yōu)槔瓚?yīng)變，隨著坡頂荷載的增大，坡體各部位的拉、壓應(yīng)變值都迅速增大，不過，理論滑面位置處的水平應(yīng)變并未達(dá)到最大值。但可以發(fā)現(xiàn)一個規(guī)律，當(dāng)荷載增加至邊坡接近破壞時，理論滑面兩側(cè)的水平拉應(yīng)變均發(fā)生陡增現(xiàn)象，呈駝峰型分布，靠近坡面?zhèn)鹊乃綉?yīng)變峰值較大。

對于坡底測線(圖2(f))，水平應(yīng)變最大值出現(xiàn)位置的水平坐標(biāo)為29.8 m，也并未處于理論滑動面上，在水平坐標(biāo)為30 m時，水平應(yīng)變最大值發(fā)生驟減。

為何H6測線上的水平應(yīng)變峰值出現(xiàn)于理論計算滑面，但H1～H5測線上的水平應(yīng)變峰值出現(xiàn)位置卻并不在理論計算滑面上？為分析該原因，根據(jù)有限元增量加載法的計算結(jié)果，給出邊坡-地基在10，40，60和80 kPa下的水平應(yīng)變云圖和等效塑性應(yīng)變云圖，見圖3和圖4。

圖3 坡體水平應(yīng)變演化過程Fig.3 Horizontal strain evolution process of slope

圖4 坡體剪切應(yīng)變云圖(Q=80 kPa，F(xiàn)s=1.044)Fig.4 Shear strain of slope (Q=80 kPa, Fs=1.044)

在坡頂加荷過程中，邊坡-地基失穩(wěn)變形破壞為漸進(jìn)性發(fā)展過程。首先在坡腳附近發(fā)生應(yīng)變集中區(qū)，并隨著荷載的增加，坡體的應(yīng)變集中現(xiàn)象也越來越明顯，但并不是沿著簡化畢肖普計算滑面進(jìn)行滑動，實(shí)際計算的塑性區(qū)從坡腳開始發(fā)展，將逐步延伸至坡頂基礎(chǔ)中部位置(圖3)。有限元計算的滑面與H6～H2測線交點(diǎn)的水平坐標(biāo)分別為16.8，18.0，19.4，21.8和25.0 m，代入圖2(b)～(d)中，發(fā)現(xiàn)H5～H2測線上的水平應(yīng)變最大值所處位置明顯與有限元計算的滑面相對應(yīng)。而實(shí)際滑面在H1略上方側(cè)剪出，并未與H1測線相交，故可以解釋圖2(f)中的水平應(yīng)變分布規(guī)律。

此外，從圖4可發(fā)現(xiàn)，在基礎(chǔ)加荷過程中，基礎(chǔ)下方出現(xiàn)了明顯的楔形體狀塑性區(qū)，即經(jīng)典極限承載力分析理論中的朗肯主動區(qū)，說明在基礎(chǔ)加荷過程中其破壞為“邊坡-地基”共同破壞機(jī)制。在荷載加至80 kPa時，邊坡剪切塑性應(yīng)變區(qū)并未貫通至坡頂，而是先出現(xiàn)了地基破壞的塑性區(qū)，因此可以說明為何圖3中H6測線上水平應(yīng)變發(fā)生突變的位置首先出現(xiàn)于基礎(chǔ)左側(cè)。

圖5 測線V1位移隨高程變化Fig.5 Displacement changes of V1 with elevation

綜上可見，由于極限平衡法引入了一些關(guān)于滑動面形狀、條間作用力等的簡化假定，其計算的滑面較為單一，不能考慮變形協(xié)調(diào)條件及漸進(jìn)破壞過程，而有限元法考慮了土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及變形協(xié)調(diào)問題，可以重現(xiàn)邊坡-地基的破壞過程，且易觀察破壞過程中危險滑弧的位置及演化過程。

2.2 堆載過程中坡體位移監(jiān)測

從圖5可發(fā)現(xiàn)，隨著荷載的增加，最大水平位移出現(xiàn)點(diǎn)的高程先減后增，然后保持不變，當(dāng)荷載加至60 kPa后，位移變化幅度較大，整個過程中最大位移約14 mm，最小位移小于2 mm，但數(shù)量級太小，實(shí)際工程中不易監(jiān)測。此外，垂直測線V1上的水平位移最大值并不能預(yù)測滑動面位置，因?yàn)榛嫔戏酵馏w質(zhì)點(diǎn)的水平位移一般都比滑面上質(zhì)點(diǎn)的水平位移更大，而且判定滑動面通過的標(biāo)準(zhǔn)是采用剪應(yīng)變增量最大值點(diǎn)的連線作為滑動面。

2.3 水平應(yīng)變與穩(wěn)定性的關(guān)系

通過水平應(yīng)變的監(jiān)測數(shù)據(jù)，將測線(H1～H6)水平應(yīng)變峰值與對應(yīng)的穩(wěn)定性系數(shù)的關(guān)系作于圖6。從圖中可發(fā)現(xiàn)，隨著水平應(yīng)變峰值不斷增大，邊坡-地基的穩(wěn)定性逐漸劣化，說明水平應(yīng)變數(shù)據(jù)能夠較好地反映坡體的破壞過程。

圖6 邊坡穩(wěn)定性與各測線最大水平應(yīng)變的相關(guān)關(guān)系Fig.6 Relationships between slope stability and maximum horizontal strain of each measuring line

通過圖中數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)對數(shù)函數(shù)能夠很好地描述兩者的關(guān)系(見圖6)，相關(guān)系數(shù)R2均在0.9以上。根據(jù)R2的相關(guān)程度，坡體內(nèi)部的相關(guān)程度較坡頂?shù)母谩Ｆ渲衅马敎y線H6的相關(guān)系數(shù)R2為0.903 0，因?yàn)檫吰聺撛诨瑒用娌⑽磾U(kuò)展至坡頂，而是條形基礎(chǔ)先發(fā)生破壞，導(dǎo)致在荷載加至80 kPa時，條形基礎(chǔ)左端水平應(yīng)變響應(yīng)更為劇烈。因此，在對邊坡-地基監(jiān)測過程中，在綜合監(jiān)測精度及經(jīng)濟(jì)性的情況下，可以主要對坡中區(qū)域布線進(jìn)行監(jiān)測。

綜上，通過應(yīng)變與穩(wěn)定性的相關(guān)關(guān)系，說明采用水平應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)反映邊坡在不同過程中穩(wěn)定狀態(tài)是合理可行的。

2.4 基于應(yīng)變的路基災(zāi)變過程控制方法

由前文可知，監(jiān)測過程中的水平應(yīng)變均是隨著荷載而增大，且應(yīng)變與邊坡穩(wěn)定系數(shù)呈較好的對數(shù)關(guān)系。但在實(shí)際工程中，若能通過實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)判斷邊坡的安全狀態(tài)，則可使光纖傳感監(jiān)測技術(shù)實(shí)現(xiàn)更為有效的運(yùn)用。

一般而言，邊坡內(nèi)部應(yīng)變集中首先在坡腳位置出現(xiàn)。根據(jù)應(yīng)變響應(yīng)量，可以對邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性過程預(yù)測，因此應(yīng)優(yōu)先選取邊坡內(nèi)部位置進(jìn)行監(jiān)測。本文的H1測線與滑動面未相交，且H6測線設(shè)置在坡頂，實(shí)際工程中不太好鋪設(shè)，故排除H1和H6測線，認(rèn)為H2～H5等4條測線的監(jiān)測數(shù)據(jù)較優(yōu)。因此，對坡中區(qū)域測線的監(jiān)測數(shù)據(jù)加以處理并分析。

定義基礎(chǔ)加載過程(10～80 kPa)中的分析增量步為時間步T(T=1～8)，定義水平應(yīng)變速度、加速度分別如下式：

vε=(εt-ε0)/△T

(1)

aε=(vεt-vε0)/△T

(2)

圖7 應(yīng)變加速度與穩(wěn)定性系數(shù)的關(guān)系曲線(H2～H5，坡中)Fig.7 Relationships between strain acceleration and stability coefficient (H2～H5, middle slope)

通過對H2～H5測線的應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，發(fā)現(xiàn)水平應(yīng)變加速度aε與穩(wěn)定系數(shù)Fs曲線存在一定規(guī)律(圖7)。從圖7可見，在基礎(chǔ)荷載不斷增大過程中，水平應(yīng)變加速度剛開始可以認(rèn)為處于勻速變化的穩(wěn)定過程，當(dāng)穩(wěn)定系數(shù)降低至1.12時(圖中虛線)，應(yīng)變加速度發(fā)生突變，開始劇烈增大的過程，此時邊坡已開始接近失穩(wěn)狀態(tài)。從曲線整體來看，可以分為穩(wěn)變段、突變段兩個區(qū)域，根據(jù)這兩個階段的臨界點(diǎn)，可以及時對邊坡進(jìn)行控制。

綜上，說明采用水平應(yīng)變加速度評價指標(biāo)可對邊坡在堆載過程中的劣化趨勢進(jìn)行預(yù)測，當(dāng)坡體內(nèi)部水平測線的加速度發(fā)生突變增大時，可以說明該邊坡正趨于失穩(wěn)狀態(tài)，需要及時進(jìn)行支護(hù)處理，進(jìn)而使得邊坡處于穩(wěn)定可控的范圍內(nèi)。

3 結(jié) 語

采用基于應(yīng)變指標(biāo)的評價方式，開展了邊坡-地基變形失穩(wěn)的過程控制研究，得到以下結(jié)論：

(1)在基礎(chǔ)荷載較小時，邊坡-地基的塑性區(qū)先從坡腳開始，然后朝坡頂方向向內(nèi)部發(fā)展，當(dāng)荷載增加到一定程度時，地基下部產(chǎn)生楔形體狀塑性區(qū)，邊坡-地基共同破壞。

(2)采用水平應(yīng)變指標(biāo)可以較好體現(xiàn)邊坡-地基的變形過程，坡體內(nèi)部不同高程處的水平應(yīng)變與穩(wěn)定性系數(shù)具有較好的相關(guān)性，呈對數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2均能達(dá)到0.9以上。

(3)引入水平應(yīng)變加速度指標(biāo)，可預(yù)測邊坡-地基的穩(wěn)定性劣化趨勢，實(shí)現(xiàn)過程控制，進(jìn)而使其處于穩(wěn)定可控的范圍。