魏愷泓，裴向軍，張世殊，冉從彥，崔中濤，李青春，李進元

1.中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，成都 610072 2.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，成都 610059

0 引言

在黃土地區(qū)開展工程建設(shè)通常需要采用“挖山填溝”的方式，從而達到最大程度的空間利用[1]。然而，在大型填方工程中，邊坡的穩(wěn)定直接關(guān)系著工程的安全。不少學(xué)者[2-4]認(rèn)為，填方邊坡穩(wěn)定性影響因素主要為邊坡工程地質(zhì)條件、填料工程特性、降雨入滲以及填筑工藝等。若這些因素在勘察、設(shè)計、施工過程中被忽略或不加以控制，極可能誘發(fā)不均勻沉降、崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害[5]，同時給人民的生命財產(chǎn)帶來巨大損失。為了加固穩(wěn)定填方坡體，支擋結(jié)構(gòu)一般采用重力式擋墻、樁板墻(錨索樁板墻)、加筋土擋墻以及聯(lián)合支護等方式[6-7]，但由于設(shè)計、施工中存在的風(fēng)險因素很有可能導(dǎo)致支護失效；因此實時掌握坡體穩(wěn)定以及支護結(jié)構(gòu)功效需采取有效的監(jiān)測方法，以保障工程施工期、運營期的安全。

相比全站儀、水準(zhǔn)儀等常規(guī)測量儀[8-10]，地形微變監(jiān)測儀(IBIS-L)監(jiān)測系統(tǒng)具有空間連續(xù)覆蓋、精度高等特點，其不僅可對滑坡[11-13]等地表變形進行靜態(tài)監(jiān)測，也可對建筑物、橋梁、大壩等設(shè)施進行動態(tài)監(jiān)測。其精度可達到亞毫米級[14-16]。本文將IBIS-L應(yīng)用于黃土填方邊坡支護結(jié)構(gòu)監(jiān)測，并結(jié)合大體積混凝土溫度響應(yīng)特征，分析其變形規(guī)律及特征，以期為預(yù)防坡體失穩(wěn)、災(zāi)害發(fā)生提供技術(shù)支撐。

1 工程概況

研究區(qū)位于河南省，原始地形較復(fù)雜，為黃土丘陵地貌，細溝、淺溝、切溝均較為發(fā)育，地貌上形成天然的Ⅰ溝、Ⅱ溝，原始坡度為50°～70°，高程為408～446 m。填方區(qū)域原始邊坡呈南北走向，地層巖性為全新統(tǒng)沖洪積物(Q4al+pl)，地基土具有輕微濕陷性，填料為未經(jīng)工程改良的重塑馬蘭黃土(Q3eol)。

在實際工程中，采用先支擋后填土的施工順序進行，主要分為填筑和加載2個階段：1)填筑階段將408～430 m高程范圍內(nèi)的溝壑填平，施工時間為2014-03—2014-06；2)加載階段是將高程為430～446 m的填土壓實，該部分支擋結(jié)構(gòu)采用加筋擋土墻，部分填土作為進山公路路基，時間為2014-12-16—2015-01-02。

該工程填方總量達5.12×104m3，最大填方高度約40 m。填方形成長約180 m、平均寬度30 m、坡率為7%的進山公路。邊坡采用加筋土擋墻(上部)和錨拉樁板墻(下部)直立護坡形式，平面呈“弧形”分布，抗滑樁共計55根(編號24#—78#)(圖1)，設(shè)計尺寸為1.5 m×2.0 m～1.6 m×2.4 m，懸臂段20 m，嵌固深度10 m，樁身混凝土強度等級為C30，樁間距3.5 m。錨索采用7 s(1 s錨索長度=15.2 m)，共6道，豎向間距3 m，錨固段長5.0～11.5 m。

2 支護結(jié)構(gòu)變形現(xiàn)狀及規(guī)律

據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，填方邊坡支護結(jié)構(gòu)表征的變形現(xiàn)象為樁基沉降、樁體彎曲、樁板墻開裂(表1)。

初步分析，樁基沉降原因主要為躍進渠溝壁錯裂流水滲入對樁基周土產(chǎn)生軟化作用，土體遇水后軟化，承載力降低，導(dǎo)致樁體冠梁產(chǎn)生明顯下?lián)犀F(xiàn)象，最大沉降量約20 cm。樁體彎曲是由于墻背土壓力以及剩余下滑力對樁體產(chǎn)生剪切作用[17]，在不同樁截面產(chǎn)生彎矩，剪力和彎矩的共同作用造成懸臂段發(fā)育“危險截面”。同樣，當(dāng)荷載強度達到設(shè)計的抗彎強度時，樁板墻會產(chǎn)生簡支梁“鼓脹變形”，背土側(cè)表面為受拉面，拉應(yīng)力過大導(dǎo)致張拉裂縫逐漸形成，裂縫呈張開度“外大內(nèi)小”的形態(tài)，尤其當(dāng)填土加載時(平均加載速率為0.86 m/d)變形表現(xiàn)得尤為劇烈。根據(jù)現(xiàn)場跟蹤統(tǒng)計的加載階段59#—60#段樁間板裂縫發(fā)育過程，分析認(rèn)為樁板墻裂縫發(fā)育數(shù)量及延伸高度均與填土高度呈線性關(guān)系(圖2)。

圖1 填方邊坡工程地質(zhì)平面示意圖Fig.1 Sketch map of geological plane of slope embankment

變形現(xiàn)象變形強烈區(qū)裂縫類型裂縫發(fā)育特征典型照片樁基沉降37#—43#段張拉裂縫頂部冠梁發(fā)育兩類裂縫。Ⅰ類:平行于坡體走向,共35處,最大縫寬約8 mm;Ⅱ類:順坡向,共24處,最大縫寬約15 mm樁體彎曲34#—60#段剪切裂縫裂縫形成高度為0.6～5.0 m,一般縫寬≤1 mm。Ⅰ類:始于樁體兩側(cè)向外表面延伸,發(fā)育部位距離嵌固點較低,貫通率較高;Ⅱ類:始于外表面向兩側(cè)延伸,發(fā)育部位距離嵌固點較高樁板墻開裂23#—46#段47#—66#段張拉裂縫填方高度為20 m時出現(xiàn)裂縫,總數(shù)達1 090條。集中分布于0～6 m,12 m以上不發(fā)育,其中:0～3 m頻率為33%,3～6 m頻率為41%,6～9 m頻率為21%,9～12 m頻率為5%

注：a.樁基沉降；b.樁體彎曲；c.樁板墻開裂。

圖2 樁板墻裂縫發(fā)育演化與填土高度相關(guān)性Fig.2 Correlation between fracture evolution and filling height of pile-slab wall

3 基于IBIS-L的支護結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測及數(shù)據(jù)分析

3.1 IBIS-L系統(tǒng)介紹

IBIS-L是一種基于微波干涉技術(shù)的創(chuàng)新雷達，特點在于集合了步進頻率連續(xù)波技術(shù)(SF-CW)、合成孔徑雷達技術(shù)(SAR)和差分干涉測量技術(shù)，通過SAR獲取監(jiān)測區(qū)域的二維影像，通過干涉技術(shù)提取目標(biāo)點的相位變化量[18]。該系統(tǒng)組成分為軟件和硬件兩部分，硬件由傳感器、線性掃描、記錄和處理、能量供應(yīng)4個單元(圖3)構(gòu)成，軟件“IBIS Data Viewer”使得后期數(shù)據(jù)處理非常簡便。

3.2 參數(shù)設(shè)置

為了達到良好的監(jiān)測效果，監(jiān)測基站與對象之間需要具備視野通透、距離適宜、保持通電、基座穩(wěn)定等條件，因此將基站設(shè)置于距離對象直線距離145 m、方向角258°的農(nóng)舍屋頂。監(jiān)測時間為2015-01-03T19:00—2015-02-14T0:00，按照操作手冊，利用PC機中的“IBIS controller”項目設(shè)置監(jiān)測參數(shù)(表2)。

3.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.3.1 影像數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

獲取高質(zhì)量的影像數(shù)據(jù)是IBIS-L有效監(jiān)測的前提，而評價監(jiān)測效果的主要有3個參數(shù)指標(biāo)，即熱信噪比(圖4a)、估計信噪比(圖4b)和相關(guān)性(圖4c)，三者反映了電磁波的反射強度，強度越高，說明數(shù)據(jù)越準(zhǔn)確。圖4測出監(jiān)測對象熱信噪比值達到了30.0 dB以上，估計信噪比值為16.0～23.0 dB，相關(guān)性值接近1.0，電磁波的強度達到了較高值，保證了監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖3 IBIS-L硬件單元Fig.3 IBIS-L hardware unit

設(shè)置項目參數(shù)IBIS-L主機離地高度/m5.00天線傾角/(°)5雷達波主覆蓋角度(6 dB)/(°)52.2采樣頻率/(次/h)1距離向分辨率/m0.75角度向分辨率/mrad4.38最遠監(jiān)測距離/m400

a.熱信噪比；b.估計信噪比；c.相關(guān)性。圖4 監(jiān)測數(shù)據(jù)可靠性分析Fig.4 Reliability analysis of monitoring data

3.3.2 數(shù)據(jù)校正

一般情況下，氣溫、濕度等環(huán)境變化會影響電磁波的傳播，對監(jiān)測結(jié)果產(chǎn)生一定影響。因此采用控制點(ground control point, GCP)校正扇形監(jiān)測區(qū)域內(nèi)點的變形-時間曲線，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。GCP的選取原則為不受監(jiān)測對象影響，靜態(tài)穩(wěn)定且位移波動范圍基本保持在接近0 m的參考點。本次監(jiān)測選取了位于填方邊坡范圍以外北西側(cè)的1個點，其相對坐標(biāo)為x:-11.5 m、y:53.7 m，全過程顯示其位移波動范圍為-0.68～0.55 mm，因此GCP點的選擇是可靠的。

3.3.3 對象點面數(shù)據(jù)分析

基于目前對象的變形現(xiàn)狀以及監(jiān)測獲取的點面位移量，有助于分析其變形過程與發(fā)展趨勢。IBIS-L系統(tǒng)方向規(guī)定：以線性軌道的中心為原點，線性軌道方向為x軸，垂直線性軌道方向為y軸；監(jiān)測區(qū)域位移符號規(guī)定背離儀器方向為正，靠近儀器方面為負。

1)對象整體變形

位移云圖直觀反映出監(jiān)測整體的變形狀況，當(dāng)監(jiān)測歷時t=306 h時，對象最大變形量值近27 mm(圖5)。隨監(jiān)測時間的增長，云圖具有明顯的區(qū)域特征，變形量隨時間逐漸增大。其中54#—67#段變形尤為顯著，該段分布于“弧形”凸出部位，抗滑樁與樁間板的裂縫也極為發(fā)育，與現(xiàn)場調(diào)查現(xiàn)狀相吻合。

2)監(jiān)測點位移

系統(tǒng)可分析扇形掃描范圍內(nèi)任一點變形數(shù)據(jù)。因此，結(jié)合變形現(xiàn)狀與位移云圖，在柵格中選取典型監(jiān)測點進行分析(表3)。

圖6統(tǒng)計出10個監(jiān)測點歷時約15 d的監(jiān)測數(shù)據(jù)，根據(jù)變形-時間曲線(s-t曲線)可以看出：總體上，Pix1—Pix10位移量隨時間不斷增長，且無收斂趨勢；截至2015-02-14T0:00(監(jiān)測歷時約15 d)，Pix1—Pix10的位移累計量分別達到-10.6、-14.7、-17.2、-23.4、-26.6、-21.8、-19.3、-14.8、-11.6、-24.7 mm。

位移累積量對比得出：sPix5>sPix10>sPix4>sPix6>sPix7>sPix3>sPix2>sPix8>sPix9>sPix1。目前，位移最大的4個點為Pix5、Pix10、Pix4、Pix6(屬于54#—67#段)，其次為Pix7(屬于68#—78#段)；點位移變化符合云圖中顏色區(qū)分出的對象區(qū)域特征(圖5)。此外，在變形量相當(dāng)?shù)膮^(qū)域，樁板墻墻體下部的變形程度大于墻體上部，監(jiān)測數(shù)據(jù)與變形表現(xiàn)出的裂縫發(fā)育程度相對應(yīng)。

圖5 監(jiān)測區(qū)域位移云圖Fig.5 Displacement variation of monitoring area

監(jiān)測點代表部位Pix143#抗滑樁上部Pix247#抗滑樁上部Pix352#抗滑樁中上部Pix456#抗滑樁中上部Pix559#—60#樁板墻下部Pix665#—66#樁板墻上部Pix769#抗滑樁上部Pix875#抗滑樁上部Pix945#抗滑樁上部Pix1063#抗滑樁上部

不難看出，各點位移增長規(guī)律基本相同，曲線呈“波浪形”。以24 h為時間間隔，15 d內(nèi)的變形速率差值小于1.3 mm/d，說明總體上呈線性增長，但在24 h內(nèi)s-t曲線表現(xiàn)出“起伏”現(xiàn)象。

通過監(jiān)測結(jié)果可定性判斷，填方邊坡支護結(jié)構(gòu)體的變形量存在繼續(xù)增大的趨勢，對于剛性結(jié)構(gòu)體來說，連續(xù)無收斂的變形現(xiàn)象大大降低了自身穩(wěn)定性?？够瑯杜c錨索為彈性連接體，抗滑樁的變形同時也側(cè)面反映了錨索的錨拉效應(yīng)，樁體的位移增量一旦超過極限值，也可能導(dǎo)致錨索失效，最終將導(dǎo)致整個混凝土剛性支護結(jié)構(gòu)體的屈服破壞。此外，變形-時間曲線可為臨災(zāi)預(yù)警判據(jù)的研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并可與抗滑樁、擋土墻微變特征、預(yù)應(yīng)力錨索失效過程、填土體沉降值等相結(jié)合，建立有效的高填方邊坡變形失穩(wěn)預(yù)警模型。

4 大體積混凝土溫度-變形響應(yīng)特征

監(jiān)測曲線呈“波浪形”增長，說明支護結(jié)構(gòu)的變形并非靜荷載作用下的單因素變形。研究[19]表明，大體積混凝土的總應(yīng)變包含2部分：一是外力和內(nèi)部約束力引起的應(yīng)變，稱為應(yīng)力應(yīng)變；二是自由體積變形引起的應(yīng)變，稱為非應(yīng)力應(yīng)變或自由體積變形。為了研究大體積混凝土具有溫度-變形響應(yīng)這一特征，通過溫度監(jiān)測配合IBIS-L監(jiān)測。

溫度監(jiān)測過程中2支傳感器分別用于測量填方坡體內(nèi)溫度和大氣溫度，再利用數(shù)據(jù)采集儀進行數(shù)據(jù)的采集和存儲，采集頻率與IBIS-L系統(tǒng)同步。

4.1 溫度場條件下的變形“滯后效應(yīng)”

提取2015-02-11T0：00—2015-02-13T0:00共計48 h的位移、溫度數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)果見圖7。由圖7可知：

1)坡體內(nèi)溫度幾乎恒定，基本不受大氣溫度影響，48 h內(nèi)最大溫差僅0.7 ℃。

2)混凝土變形與大氣溫度場具有相關(guān)性，表現(xiàn)為正相關(guān)的“滯后效應(yīng)”。即在變形增加階段(9:00—15:00)數(shù)值上呈線性增加，最終達到峰值，而溫度峰值出現(xiàn)在12:00，比變形峰值提前了3 h；當(dāng)變形降低時，最小變形量較溫度最小值也遲滯了3 h。

圖6 監(jiān)測點點s-t曲線Fig.6 Curve of s-tof monitoring points

其原因在于，自然氣候環(huán)境條件下，混凝土內(nèi)側(cè)溫度響應(yīng)與環(huán)境溫度的變化在時間和數(shù)值上均存在滯后性，一般滯后1～3 h[20]。因此結(jié)構(gòu)內(nèi)外側(cè)的溫度差形成了溫度應(yīng)力場，產(chǎn)生了熱脹冷縮現(xiàn)象。

圖7 點位移、溫度-時間曲線Fig.7 Point displacement and temperature time curve

4.2 定量分析升溫滯后變形量

抗滑樁懸臂段目前的變形屬于彈性變形階段，應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系符合胡克定律；因此采用考慮溫度變化時靜定結(jié)構(gòu)位移計算方法[21]，研究溫度場條件下懸臂端任意一點K的水平位移Δks(圖8)。

由于混凝土內(nèi)側(cè)溫度的滯后響應(yīng)，在數(shù)值上混凝土內(nèi)側(cè)溫度等效為大氣3 h前溫度(T內(nèi)側(cè)=T大氣3h前)。因此由圖8可得，結(jié)構(gòu)外側(cè)溫度為T1，結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)溫度為T2。在變形增加階段(9:00～15:00)，可以將T1、T2等效為12:00和18:00的大氣溫度，由溫度監(jiān)測結(jié)果，11日、12日變形增加階段，結(jié)構(gòu)兩側(cè)平均溫度差(ΔT=T1-T2)分別為5.5 ℃和6.9 ℃。

考慮溫度變化時K點的水平位移計算公式為

(1)

dφT=(αT2ds-αT1ds)/h=αΔTds/h。

(2)

實際情況下，抗滑樁為等截面桿件，則有

(3)

x. K點與嵌固點O的距離，m；h.截面厚度，h1、h2.軸線距離兩端點距離(h取1.6 m)；FK=1，為虛擬狀態(tài)中的單位荷載；α.材料線膨脹系數(shù)；圖的面積。圖8 靜定結(jié)構(gòu)溫度變化時的位移與虛擬彎矩示意圖Fig.8 Displacement and virtual bending moment diagram of statically indeterminate structure with temperature variation

根據(jù)式(3)可以求解樁任意一點K的變形量：

Δks=10-5ΔTx2/3.2。

(4)

由式(4)計算當(dāng)ΔT=5.5 、6.9 ℃，x取值為0～20 m時的樁身變形量(水平位移)，結(jié)果見表3。

表3 樁截面在溫度場下的變形量

對于靜定結(jié)構(gòu)，除荷載外，其他任何外因均不引起內(nèi)力，只有在溫度發(fā)生變化時，材料會熱脹冷縮，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形和位移。IBIS-L系統(tǒng)位移監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示：第11、12天變形增加階段監(jiān)測點變量范圍為3.89～6.18 mm，其中Pix8(即75#抗滑樁上部)變形量(膨脹量)分別5.42、6.18 mm(投影到水平方向分別為5.39、6.15 mm)，因此考慮溫度變化時位移理論計算結(jié)果與實際監(jiān)測結(jié)果相吻合，定量揭示了樁體白天變形量急增以及s-t曲線呈“波浪形”增長的現(xiàn)象。

5 結(jié)論及建議

基于IBIS-L的某黃土高填方邊坡支護結(jié)構(gòu)變形特征與溫度場響應(yīng)的研究，得出以下結(jié)論：

1)通過開展某黃土高填方邊坡支護結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場跟蹤調(diào)查，得出其變形特征主要表現(xiàn)為樁基沉降、樁體彎曲、樁板墻開裂；經(jīng)過分析統(tǒng)計，構(gòu)建了樁板墻裂縫延伸高度、數(shù)量分別與墻背填土高度呈線性“概化模型”。

2)通過影像數(shù)據(jù)質(zhì)量分析、GCP點數(shù)據(jù)校正，保證了IBIS-L監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實性。截至2015-02-14T0:00，對象最大變形量近27 mm；邊坡支護結(jié)構(gòu)變形具有明顯的區(qū)域差異性，其中54#—67#段(“弧形”凸出部位)變形尤為顯著；而在同一垂直方向，樁板墻墻體下部的變形程度大于墻體上部。

3)監(jiān)測點位移增長規(guī)律基本相同，s-t曲線呈間隔24 h“波浪形”增長，且表現(xiàn)出“無收斂”的增長趨勢，說明支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定現(xiàn)狀較差。而對于剛性結(jié)構(gòu)體來說，連續(xù)無收斂的變形現(xiàn)象極有可能導(dǎo)致邊坡整體失穩(wěn)破壞。

4)將溫度監(jiān)測與IBIS-L監(jiān)測同步進行，采用考慮溫度場的靜定結(jié)構(gòu)位移計算原理，定量計算出在升溫條件下樁體的滯后膨脹量(變形量)，其值與監(jiān)測結(jié)果相吻合，從而揭示了大體積混凝土具有溫度-變形響應(yīng)特征。

針對邊坡支護結(jié)構(gòu)目前的變形現(xiàn)狀，建議采取適宜的工程措施進行防范，為防止雨季強降雨對填方邊坡穩(wěn)定性的影響，應(yīng)及早封閉地表水下滲；若發(fā)現(xiàn)上部加筋土擋墻段出現(xiàn)較大尺寸變形，應(yīng)及時削方減載；適量減少填方體上部荷載，減少較大施工器械碾壓或振動作用；增加監(jiān)測手段，做到全方位監(jiān)測，建立有效的災(zāi)害預(yù)報預(yù)警機制，確保工程安全。