郭永建，謝永利，牛富生

（1.同濟(jì)大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092；2.長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安710064）

隨著我國西部山區(qū)高速公路建設(shè)的不斷發(fā)展，人為開挖產(chǎn)生的大量巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性影響著公路安全運(yùn)營.一般在設(shè)計(jì)與施工中均對(duì)該類邊坡進(jìn)行錨桿支護(hù)，若能夠?qū)χёo(hù)錨桿進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)邊坡的安全狀況，則既經(jīng)濟(jì)又能及時(shí)預(yù)警.

在巖質(zhì)邊坡的失穩(wěn)過程中，研究人員可以通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)的方式獲得應(yīng)力的變化規(guī)律，繼而提出應(yīng)力監(jiān)測(cè)的預(yù)警值.因此如何獲取應(yīng)力變化規(guī)律變得尤為重要，僅僅依靠現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)很難滿足預(yù)警研究的要求.鑒于此，本文提出離心模型試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的研究手段來實(shí)現(xiàn)巖質(zhì)邊坡內(nèi)部應(yīng)力變化規(guī)律的獲取.離心模型試驗(yàn)的機(jī)理是通過增加巖體的自重使邊坡失穩(wěn)，更加真實(shí)地重現(xiàn)實(shí)際邊坡在重力作用下的失穩(wěn)過程.

巖質(zhì)邊坡離心模型試驗(yàn)的研究由來已久.Stewart等［1］利用離心模型試驗(yàn)研究邊坡的傾倒破壞，是使用離心模型試驗(yàn)研究邊坡失穩(wěn)的首次嘗試.陳祖煜等［2－5］將傾斜臺(tái)與離心機(jī)相結(jié)合研究巖質(zhì)邊坡的傾倒破壞，同時(shí)首次將錨固系統(tǒng)施加到邊坡當(dāng)中，并利用“人造石”作為巖體替代材料，模擬結(jié)構(gòu)面存在時(shí)的巖質(zhì)邊坡破壞模式.鄧衛(wèi)東等［6］采用碎石加泥漿膠結(jié)的方式模擬完全碎裂型路塹巖質(zhì)邊坡的破壞形式，并利用離心模型試驗(yàn)得出了碎裂邊坡的破壞形式是自上而下的過程.馮振等［7］通過離心模型試驗(yàn)重現(xiàn)了斜傾厚層巖質(zhì)斜坡視向滑動(dòng)的“后部塊體驅(qū)動(dòng)－前緣關(guān)鍵塊體瞬時(shí)失穩(wěn)”模式.在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究上，何滿潮等［8－9］在利用超前滑動(dòng)力的物理模型試驗(yàn)驗(yàn)證應(yīng)力監(jiān)測(cè)可行性的基礎(chǔ)上，將應(yīng)力監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)相結(jié)合，對(duì)多處滑坡做出了及時(shí)預(yù)警.

已有的文獻(xiàn)中，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于巖質(zhì)邊坡破壞機(jī)理進(jìn)行離心模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)研究［10－20］，取得了一定的成果.但對(duì)于加入錨固系統(tǒng)并進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)的離心模型試驗(yàn)研究還較少.因此，開展應(yīng)力監(jiān)測(cè)下的巖質(zhì)邊坡破壞過程的土工離心模型試驗(yàn)具有較大的研究和參考意義.本文以廣陜高速公路的一段巖質(zhì)邊坡工程為例，采用離心模型試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法對(duì)應(yīng)力監(jiān)測(cè)存在的問題做進(jìn)一步研究.

1 工程概況

廣陜高速K54＋240～K54＋336位置處的巖質(zhì)邊坡為三級(jí)邊坡，高30m，每級(jí)邊坡高均為10m，其中一、二級(jí)邊坡坡度為1.00∶0.75，三級(jí)邊坡坡度為1∶1.工程地質(zhì)概況如圖1所示，該邊坡為砂巖夾泥巖，受多組結(jié)構(gòu)面與軟弱泥巖夾層的影響，實(shí)際巖層為單斜結(jié)構(gòu)，巖層產(chǎn)狀為339°∠8°.根據(jù)地表地質(zhì)調(diào)繪和邊坡區(qū)基巖露頭量測(cè)統(tǒng)計(jì)，主要發(fā)育兩組裂隙：∠67°，微張，裂隙面較平直；∠75°，閉合～微張，裂隙面較平直.結(jié)合地質(zhì)勘察資料，認(rèn)為該邊坡潛在的滑動(dòng)面有三種可能，如圖2所示，分別為3 6 7型、2 5 6 7型、1 4 5 6 7型三種.

2 邊坡離心模型試驗(yàn)方案

2.1 替代材料的選擇

模型試驗(yàn)所采用的設(shè)備為TLJ－3 型土工離心機(jī)，最大離心加速度為200g，最大容量為60g·t，有效半徑為2.0m，模型箱尺寸為70cm×50cm×36 cm（長×寬×高）.在離心模型試驗(yàn)中所選擇的模型與原型尺寸相似比為1∶100.

砂巖替代材料采用重晶石粉、石英砂、石膏、水按照不同配比制備，巖石材料的相似主要考慮彈性模量、抗剪強(qiáng)度、重度的相似，砂巖替代材料的選取如表1所示，其中以石膏作為膠結(jié)劑.通過材料的對(duì)比得出替代材料基本同砂巖的剛度與強(qiáng)度以及重度相似，可以利用替代材料制備的巖體進(jìn)行試驗(yàn).其中，弱風(fēng)化砂巖的重度要稍大于替代材料，但是由于弱風(fēng)化巖位置不處于滑動(dòng)面，所以較小的重度差異造成的影響基本可以忽略.

結(jié)構(gòu)面與強(qiáng)風(fēng)化泥巖位置處為邊坡潛在滑動(dòng)面位置，主要考慮抗剪強(qiáng)度的相似.用拌合好的泥漿模擬近似垂直的結(jié)構(gòu)面和泥巖夾層，抗剪強(qiáng)度為13 kPa，內(nèi)摩擦角為19°，在強(qiáng)度上基本與實(shí)際結(jié)構(gòu)面和泥巖夾層處的強(qiáng)度相似.

測(cè)試用全長黏結(jié)型錨桿替代材料應(yīng)與實(shí)際錨桿保持彈性模量和錨桿直徑的相似，若根據(jù)相似比選擇錨桿尺寸，錨桿的替代材料類似極細(xì)的鐵絲，直徑數(shù)量級(jí)約為10－2cm，除無法貼設(shè)測(cè)試元件以外，更無法模擬錨桿與注漿體的黏結(jié)效果.通過試驗(yàn)分析采用加工高剛度、高強(qiáng)度鋼片（截面為矩形，彈性模量可達(dá)200GPa）進(jìn)行錨桿的模擬，鋼片截面積尺寸為1.5cm×0.5cm，鋼片上部貼設(shè)應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)應(yīng)力變化.錨桿軸力的計(jì)算按照彈性問題進(jìn)行分析，錨桿的彈性模量和應(yīng)變測(cè)量值與加速度沒有換算關(guān)系，即錨桿應(yīng)力也不隨加速度改變，但軸力數(shù)值是與錨桿截面積相關(guān)的量，由于截面積隨速度值變化轉(zhuǎn)化為原型時(shí)也不斷變化，軸力表達(dá)式可表述為

式中：F為軸力，n為離心加速度，σ為應(yīng)力，A為錨桿模型截面積.

2.2 試驗(yàn)方案的選取

試驗(yàn)設(shè)計(jì)邊坡與實(shí)際邊坡的開挖支護(hù)形式相同，圖3a為邊坡實(shí)際支護(hù)與監(jiān)測(cè)方式，二、三級(jí)采用錨桿支護(hù)，現(xiàn)場(chǎng)邊坡開挖支護(hù)采用的是由上而下開挖，開挖完成二、三級(jí)邊坡后再支護(hù)的形式，應(yīng)力監(jiān)測(cè)部位為三、二級(jí)邊坡的S1與S2兩處的錨桿.圖3b為試驗(yàn)采用的應(yīng)力監(jiān)測(cè)位置圖，選擇A～F點(diǎn)位作為離心模型試驗(yàn)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，利用激光位移傳感器對(duì)坡頂一點(diǎn)的豎向位移進(jìn)行監(jiān)測(cè).模型試驗(yàn)的工況為：①無開挖狀態(tài)的邊坡在100g離心加速度下運(yùn)行30min；②停機(jī)開挖三級(jí)邊坡，在100g離心加速度下運(yùn)行30min；③停機(jī)開挖二級(jí)邊坡，在100g離心加速度下運(yùn)行30 min；④停機(jī)開挖一級(jí)邊坡，并支護(hù)監(jiān)測(cè)三級(jí)、二級(jí)邊坡，之后不斷增加離心加速度直至邊坡破壞.

表1 模型試驗(yàn)相似材料設(shè)計(jì)Tab.1 Similarity material design of model experiment

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)完成時(shí)的邊坡破壞形式如圖4 所示，滑動(dòng)面為圖2所示的1 4 5 6 7型滑動(dòng)面，屬于最深層的破壞形式.圖5為邊坡開挖支護(hù)后直至邊坡破壞時(shí)的錨桿軸力變化圖，其中軸力數(shù)據(jù)換算為實(shí)際邊坡尺寸下的錨桿軸力值.邊坡破壞時(shí)的離心加速度為132g，軸力最大點(diǎn)為C和F兩點(diǎn)，均為1 4 5 6 7型滑動(dòng)面上的點(diǎn)位.圖6 為換算為實(shí)際邊坡尺寸下的坡頂點(diǎn)位的豎向位移隨離心加速度變化曲線，與錨桿軸力逐漸變化的曲線相比，位移曲線存在一定的滯后性和突變性，位移值在加速度110g以前基本為零；在加速度增大為122g時(shí)位移突然出現(xiàn)明顯變化，位移值為12.3cm；在128g時(shí)，位移值增大到1.02m；最終在132g時(shí)，位移突變?yōu)?.51m，邊坡破壞.由此可得，采用對(duì)邊坡頂面位置的點(diǎn)位進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)的方法對(duì)邊坡失穩(wěn)進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)警，將存在一定難度.

圖6 位移－加速度曲線Fig.6 Displacement－acceleration curve

對(duì)C和F兩點(diǎn)的軸力－加速度變化曲線進(jìn)行分析，根據(jù)曲線形狀，采用冪函數(shù)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如圖7所示，兩者均具有較高的擬合度，可以反映開挖支護(hù)后至邊坡失穩(wěn)前的錨桿軸力變化情況.兩者均符合冪指數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)形式，在機(jī)理上具有相通性，可以用來擬合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)得出的曲線，并預(yù)測(cè)其可能的應(yīng)力增長規(guī)律.文獻(xiàn)［8］所示的預(yù)應(yīng)力錨索與文獻(xiàn)［20］所示的全長黏結(jié)錨桿在邊坡失穩(wěn)前的應(yīng)力變化規(guī)律［8，20］，也大致符合冪函數(shù)的增長形式，表明離心模型試驗(yàn)的結(jié)果是合理的.

圖7 軸力－加速度擬合曲線Fig.7 Axial force－acceleration fit curves

根據(jù)圖7 所示的軸力－加速度擬合曲線和擬合式，提出以離心加速度為105g～115g作為加速度預(yù)警范圍，此時(shí)對(duì)應(yīng)的C點(diǎn)的軸力預(yù)警范圍為175～208kN，為最大軸力的60%～73%；F點(diǎn)的軸力預(yù)警范圍為210～255kN，為最大軸力的67%～82%.通過抗拔試驗(yàn)獲得現(xiàn)場(chǎng)錨桿的極限抗拔力值為184 kN，由此可以根據(jù)預(yù)警百分比求解現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)力監(jiān)測(cè)的軸力預(yù)警范圍為：C點(diǎn)的軸力預(yù)警范圍為113～134kN；F點(diǎn)的軸力預(yù)警范圍為125～151kN.

以下通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方式對(duì)應(yīng)力監(jiān)測(cè)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，并將離心模型試驗(yàn)提出的預(yù)警范圍進(jìn)行應(yīng)用.

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分為應(yīng)力監(jiān)測(cè)與深部位移監(jiān)測(cè)，根據(jù)離心模型試驗(yàn)所揭示的邊坡潛在滑動(dòng)面形式，選擇監(jiān)測(cè)部位如圖3a所示，應(yīng)力監(jiān)測(cè)部位為三、二級(jí)邊坡的S1 與S2 兩處的錨桿，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位表示為a～f點(diǎn)；作為對(duì)比，在二級(jí)平臺(tái)位置處埋設(shè)長18 m 的測(cè)斜管監(jiān)測(cè)邊坡內(nèi)部的水平位移.圖8和9為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果，二級(jí)邊坡錨桿軸力最大值出現(xiàn)在g點(diǎn)（對(duì)應(yīng)于離心模型試驗(yàn)的F點(diǎn)），數(shù)值為47.1 kN，三級(jí)邊坡錨桿軸力最大值出現(xiàn)在c點(diǎn)（對(duì)應(yīng)于離心模型試驗(yàn)的C點(diǎn)），數(shù)值為13.6kN，出現(xiàn)較大數(shù)據(jù)變化的點(diǎn)位同離心模型試驗(yàn)基本相同，均未達(dá)到離心模型試驗(yàn)得出的預(yù)警值.通過監(jiān)測(cè)結(jié)果近似可以推斷該邊坡可能產(chǎn)生的滑動(dòng)面類型為1 4 5 6 7型，與離心模型試驗(yàn)所揭示的滑動(dòng)面形式相同.

初始監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)錨桿軸力變化很小，邊坡開挖后的應(yīng)力釋放并沒有造成太大的下滑力，但在監(jiān)測(cè)時(shí)間進(jìn)行到2010年5月11 日左右時(shí)，錨桿軸力突然出現(xiàn)急劇的增加，二級(jí)邊坡g點(diǎn)的錨桿軸力在20天的時(shí)間內(nèi)由3kN 劇增到47.1kN.對(duì)應(yīng)利用離心模型試驗(yàn)得出的預(yù)警范圍125～151kN，此時(shí)尚未達(dá)到預(yù)警值，沒有預(yù)警.但針對(duì)該現(xiàn)象的出現(xiàn)相應(yīng)地增加監(jiān)測(cè)頻率，當(dāng)監(jiān)測(cè)持續(xù)到2010年6 月17 日時(shí)錨桿軸力開始下降，并在數(shù)值上穩(wěn)定于28.5kN左右.

出現(xiàn)這種錨桿軸力劇增與下降的原因是由于該邊坡附近的一處巖質(zhì)邊坡支護(hù)不利，受強(qiáng)降雨等因素影響而失穩(wěn)滑塌，在破壞之前產(chǎn)生的下滑拉力對(duì)該邊坡造成影響，該影響通過應(yīng)力監(jiān)測(cè)得到了很好的把握.

邊坡深部位移監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖10所示，位移在深度為8m 位置處變化明顯，該位置位于1 4 5 6 7型滑動(dòng)面處，同離心模型試驗(yàn)與應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果相一致.通過對(duì)比錨桿軸力變化圖8和9與深部位移監(jiān)測(cè)圖10，可以得出錨桿軸力在2010年5 月11日左右出現(xiàn)明顯變化，而位移則在2010 年6 月10日后才出現(xiàn)明顯變化，位移變化明顯的時(shí)間要稍滯后于應(yīng)力.長期位移監(jiān)測(cè)結(jié)果得出邊坡變形趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定時(shí)的變形量約為13.7mm.

綜合應(yīng)力與位移監(jiān)測(cè)的結(jié)果，認(rèn)為該邊坡經(jīng)歷旁側(cè)邊坡失穩(wěn)的影響后已基本趨于穩(wěn)定.

5 結(jié)論

（1）結(jié)合離心模型試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)的結(jié)果確定了巖質(zhì)邊坡的潛在滑動(dòng)面.

（2）應(yīng)用離心模型試驗(yàn)揭示了邊坡失穩(wěn)之前的應(yīng)力變化規(guī)律，利用冪函數(shù)對(duì)得出的監(jiān)測(cè)曲線進(jìn)行擬合，得出較好的擬合效果.

（3）基于離心模型試驗(yàn)，提出了采用預(yù)警百分比的方法來定量地確定應(yīng)力監(jiān)測(cè)預(yù)警值的方法.

（4）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明在復(fù)雜的工程現(xiàn)場(chǎng)條件下，產(chǎn)生邊坡失穩(wěn)的因素眾多，采用應(yīng)力監(jiān)測(cè)將能夠及時(shí)預(yù)警各類因素誘發(fā)的滑坡.

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