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(xiàng)目背景

G30 連云港至霍爾果斯高速公路清水驛至忠和段擴(kuò)容改造（北繞城東段）試驗(yàn)段為新建高速公路。根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》對路塹邊坡安全系數(shù)的規(guī)定，可以把該項(xiàng)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(yīng)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(yīng)的安全系數(shù)。根據(jù)設(shè)計(jì)文件，該項(xiàng)目處于不穩(wěn)定狀態(tài)的邊坡如表1 所示。

表1 試驗(yàn)段深挖路塹區(qū)段統(tǒng)計(jì)

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?yàn)樵邳S土地區(qū)降雨較少，植物防護(hù)難以長成，且常年受風(fēng)沙侵蝕，從而導(dǎo)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(fēng)蝕坑以及風(fēng)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(fēng)力的作用，導(dǎo)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(fù)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(diǎn)[2]。

2.3 路塹邊坡穩(wěn)定性計(jì)算分析

路塹高邊坡收到較大的外力后，將達(dá)到某個(gè)屈服點(diǎn)，從而到塑性變形，進(jìn)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(zhǔn)則[3]，滿足下式：

式中，σ1代表最大主應(yīng)力；σ3代表最小主應(yīng)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(xué)者對其進(jìn)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(jià)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(yàn)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(shí)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(xiàng)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(biāo)系中x 坐標(biāo)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(jì)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(jì)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(yīng)采取措施增加邊坡開挖過程的穩(wěn)定性，并對其進(jìn)行施工安全監(jiān)測。邊坡加固處理措施可按圖2～3 進(jìn)行。

圖2 邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)立面圖

圖3 邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)剖面圖

3 監(jiān)測方案設(shè)計(jì)

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(diǎn)位移計(jì)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(jìn)行監(jiān)測,以便于能及時(shí)掌握邊坡變形情況，指導(dǎo)施工[4]。依據(jù)變形監(jiān)測測點(diǎn)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(diǎn)位移計(jì)。安裝時(shí)應(yīng)選擇無雨水、雪等良好天氣,安裝前應(yīng)進(jìn)行全面檢查。邊坡位移計(jì)測點(diǎn)布置如圖4～5 所示,共計(jì)18 個(gè)。

圖4 邊坡分級開挖變形監(jiān)測測點(diǎn)示意圖

圖5 單點(diǎn)位移計(jì)布置圖

3.2 應(yīng)力監(jiān)測

3.2.1 錨桿應(yīng)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(hù)。因此，可以采用鋼筋應(yīng)力計(jì)監(jiān)測各剖面錨桿隨高度不同而產(chǎn)生的應(yīng)力變化，以及每根錨桿沿長度方向的應(yīng)力變化。以此作為一個(gè)因素分析判斷加固后邊坡穩(wěn)定性狀況，為邊坡提供預(yù)警。

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

邊坡2 鋼筋應(yīng)力計(jì)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(yīng)力計(jì)。其中，第一級和第二級的每根錨桿各布置兩個(gè)鋼筋計(jì)，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(gè)鋼筋計(jì)之外，從錨固段開始，間隔3m進(jìn)行布置，共計(jì)20 個(gè)。

圖6 邊坡鋼筋應(yīng)力計(jì)布置圖

3.2.2 錨索應(yīng)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(jì)，共計(jì)6 個(gè)。待框架梁混凝土錨固段強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，在張拉錨索之前，按要求把錨索測力計(jì)安裝與墊板之上，并將測力計(jì)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(jì)安裝詳圖

3.3 材料種類及數(shù)量

根據(jù)試驗(yàn)方案中的布點(diǎn)原則，確定該試驗(yàn)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(diǎn)位移計(jì)合計(jì)18 個(gè)，錨索測力計(jì)合計(jì)6 個(gè)，鋼筋計(jì)96 個(gè)，自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)合計(jì)3 個(gè)。傳感器導(dǎo)線長度：單點(diǎn)位移計(jì)419m，鋼筋計(jì)4497m，總計(jì)5563m；錨索測力計(jì)60m。位移計(jì)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(jìn)行分析研究，采取對路塹邊坡變形監(jiān)測、錨桿及錨索的應(yīng)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(fēng)險(xiǎn)。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(jìn)行加固防護(hù)，對保護(hù)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。