虞巍巍 常曉麗

(1.中交一公局廈門工程有限公司，福建 廈門 361000; 2.中交一公局土木工程建筑研究院有限公司，北京 100024)

1 概述

文章參考近年來諸多巖土工作者[1-5]對(duì)邊坡監(jiān)測及穩(wěn)定性分析的研究成果，以國道G105線連平內(nèi)莞段內(nèi)高陡邊坡為研究對(duì)象，采用有限元分析軟件MIDAS GTS建立二維有限元數(shù)值模型，結(jié)合工程監(jiān)測數(shù)據(jù)，總結(jié)了該邊坡的變形規(guī)律，對(duì)該邊坡滑移范圍及潛在滑動(dòng)面深度位置進(jìn)行了判別，確定了邊坡監(jiān)控量測的重點(diǎn)觀測區(qū)域以及深層水平位移合理監(jiān)測深度，為工程前期監(jiān)控量測方案設(shè)計(jì)及修正提供可靠依據(jù)。高陡邊坡監(jiān)測與有限元數(shù)值模擬分析相結(jié)合，可作為高陡邊坡穩(wěn)定性分析的有效方法，為今后類似邊坡工程提供參考。

2 工程概況

國道G105線連平內(nèi)莞邊坡修復(fù)工程(K2330+000～K2330+250)位于連平縣內(nèi)莞鎮(zhèn)東北約3 km處。邊坡為山地地貌，呈現(xiàn)一“V”形峽谷地貌，山頂最大高程465.56 m，河谷處高程約為260 m，高差約205 m，地形坡度約30°～40°。K2330+080～K2330+200范圍為主要滑坡端，滑坡區(qū)下陡上緩，坡度約為30°～45°，邊坡坡頂高程364 m～405 m。邊坡等級(jí)為十二級(jí)，綜合坡率1∶1～1∶1.5。為了保證行車及行人的生命財(cái)產(chǎn)安全，急需對(duì)此邊坡進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測。計(jì)劃施工監(jiān)測工期32個(gè)月。

3 施工監(jiān)測方案

根據(jù)設(shè)計(jì)文件要求，結(jié)合有限元穩(wěn)定性分析成果，該高陡邊坡的監(jiān)控量測主要項(xiàng)目包括：人工巡視監(jiān)測、坡頂位移沉降監(jiān)測、坡面位移沉降監(jiān)測、深層水平位移(測斜)監(jiān)測等。高邊坡具體監(jiān)測項(xiàng)目及布置圖見表1和圖1。

表1 主要監(jiān)測項(xiàng)目

4 數(shù)值模擬分析

4.1 單元和本構(gòu)

在邊坡數(shù)值模擬中，選擇合適的模型至關(guān)重要。本文基于有限元分析軟件MIDAS GTS建立二維邊坡數(shù)值模型，巖土本構(gòu)模型關(guān)系采用理想的彈塑性模型，屈服準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則。地層結(jié)構(gòu)采用平面單元模擬。該邊坡設(shè)置了地表水及地下水排水工程措施，邊坡穩(wěn)定分析時(shí)未考慮地下水影響，適當(dāng)降低抗剪強(qiáng)度計(jì)算參數(shù)。根據(jù)現(xiàn)場地勘報(bào)告以及試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)綜合確定計(jì)算參數(shù)，二維有限元模型采用的巖土結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 巖土結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)表

4.2 幾何模型及工況

該模型擬建地層范圍長320 m，高220 m，邊坡長270 m，高170 m，邊坡綜合坡率1∶1～1∶1.5，地層厚度及分層按實(shí)際勘察結(jié)果布置。有限元計(jì)算分析工況設(shè)定為邊坡穩(wěn)定性分析；邊界條件為：左右邊界采用水平約束，下邊界采用水平與豎向約束；定義荷載為自重。

4.3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

對(duì)于既有邊坡穩(wěn)定性的判別和分析，在地質(zhì)勘查資料與類似工程經(jīng)驗(yàn)相對(duì)缺乏的情況下，采用數(shù)值模擬分析方法是指導(dǎo)設(shè)計(jì)和邊坡監(jiān)控的重要手段。以下分析為安全系數(shù)為1.237 5時(shí)的計(jì)算結(jié)果。

圖2為邊坡穩(wěn)定性分析水平位移DX云圖，圖3為邊坡穩(wěn)定性分析豎向位移DZ云圖。由圖2和圖3可以看出，水平方向位移向右，豎向位移向下，均向邊坡底部方向發(fā)展，從而形成了邊坡滑移趨勢，滑移水平區(qū)域主要為邊坡中部地域，距坡頂距離約120 m～160 m，深度區(qū)域?yàn)榉圪|(zhì)粘土地層范圍，深度約8 m～10 m。水平位移最大值為1.436 m，豎向位移最大值為0.973 m。根據(jù)邊坡位移變化量可知，如若不采取支護(hù)措施，可能會(huì)發(fā)生局部滑坡等災(zāi)害。

圖4為邊坡穩(wěn)定性分析剪切應(yīng)變分布云圖。結(jié)合圖2可以看出邊坡的潛在滑動(dòng)面的位置，這一區(qū)域已經(jīng)出現(xiàn)較為明顯的滑動(dòng)。該邊坡最大剪切應(yīng)變?yōu)?.796，最不利范圍與邊坡水平位移基本一致。

根據(jù)位移云圖以及剪切應(yīng)變分布顯示，粉質(zhì)粘土地層為滑坡風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，因此邊坡坡面水平位移及沉降監(jiān)測、邊坡深層水平位移監(jiān)測為該邊坡的重點(diǎn)監(jiān)測項(xiàng)目，通過合理的監(jiān)測手段可為邊坡穩(wěn)定提供指導(dǎo)，降低邊坡安全風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，數(shù)值模擬分析還可以為邊坡監(jiān)測布點(diǎn)位置提供參考。坡面水平位移及沉降監(jiān)測應(yīng)重點(diǎn)觀測距坡頂120 m～160 m位置，深層水平位移監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)重點(diǎn)布設(shè)在出現(xiàn)剪切應(yīng)變較大范圍內(nèi)，且測斜管深度應(yīng)大于潛在滑動(dòng)面深度位置，即測斜管布置深度大于8 m～10 m。以上分析成果可為監(jiān)測方案設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供可靠依據(jù)。

5 監(jiān)測結(jié)果分析

由于數(shù)值模擬計(jì)算為理想狀態(tài)，且監(jiān)測開始時(shí)，邊坡已處于基本自穩(wěn)狀態(tài)，無法采集前期邊坡穩(wěn)定過程中各參數(shù)變化值，因此，監(jiān)測數(shù)據(jù)分析僅與數(shù)值模擬規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析。

5.1 坡面水平位移監(jiān)測

圖5為坡面水平位移測點(diǎn)DX01～DX06監(jiān)測時(shí)程曲線，圖6為坡面水平位移各測點(diǎn)不同月份水平位移對(duì)比曲線，測點(diǎn)布置見圖1。廣東區(qū)域每年5月～8月為雨季，降雨量較大，受雨量影響，邊坡自穩(wěn)能力較差，坡面水平位移在5月～8月變化明顯。由圖5和圖6可以看出，測點(diǎn)DX03、測點(diǎn)DX04、測點(diǎn)DX05水平位移值相對(duì)較大，其中測點(diǎn)DX05位移最大值達(dá)55.31 mm，測點(diǎn)DX05附近為邊坡坡面水平位移變化最大位置，沿邊坡上下方向呈遞減規(guī)律，坡頂與坡底水平位移相對(duì)變化較小，測點(diǎn)DX03～DX05區(qū)間段水平位移變化明顯，為重點(diǎn)觀測區(qū)間，與數(shù)值模擬計(jì)算變形規(guī)律相似。

5.2 坡面沉降監(jiān)測

圖7為坡面沉降測點(diǎn)DZ01～DZ06監(jiān)測時(shí)程曲線，圖8為坡面沉降各測點(diǎn)不同月份沉降對(duì)比曲線，測點(diǎn)布置與坡面水平位移相同。由圖7與圖8可以看出，測點(diǎn)DZ03附近為邊坡坡面沉降變化最大位置，達(dá)45.18 mm。沿邊坡上下方向呈遞減規(guī)律，坡頂與坡底沉降值相對(duì)變化較小，測點(diǎn)DZ02～DZ05區(qū)間段沉降變化明顯，尤其在5月～6月期間，變化速率較快，進(jìn)入7月后明顯有減緩趨勢，8月～11月數(shù)據(jù)變化基本穩(wěn)定。坡面沉降監(jiān)測以測點(diǎn)DZ03，DZ04為重點(diǎn)觀測區(qū)間，與數(shù)值模擬計(jì)算最大沉降值位置基本相符。

5.3 邊坡深層水平位移監(jiān)測

由圖9可以看出，測點(diǎn)CX01累計(jì)最大位移發(fā)生位置為深度8.5 m處，最大值為31.0 mm；測點(diǎn)CX02累計(jì)最大位移發(fā)生位置為深度8 m處，最大值為52.1 mm；測點(diǎn)CX03累計(jì)最大位移發(fā)生位置為深度6.5 m處，最大值為41.5 mm；測點(diǎn)CX04累計(jì)最大位移發(fā)生位置為深度5.5 m處，最大值為34.2 mm。測點(diǎn)CX01與CX02粉質(zhì)粘土覆蓋層厚度約10 m，測點(diǎn)CX03約8 m，測點(diǎn)CX04約6.5 m，由變化規(guī)律可見，該邊坡各深層水平位移測點(diǎn)最大位移深度隨粉質(zhì)粘土層變化而變化，呈線性增長規(guī)律。與數(shù)值模擬剪切應(yīng)變變化較大區(qū)域相符合，通過相互驗(yàn)證，進(jìn)而準(zhǔn)確的判斷出滑移層可能出現(xiàn)的位置，同時(shí)為深層水平位移測點(diǎn)位置及測斜管合理布置深度提供了可靠的依據(jù)。

6 結(jié)論與建議

文章依托于國道G105線連平內(nèi)莞高陡邊坡工程實(shí)例，通過分析，得出如下結(jié)論與建議：

1)通過有限元計(jì)算，可提前判斷邊坡滑移范圍及潛在滑動(dòng)面深度位置，進(jìn)而確定坡面監(jiān)測重點(diǎn)觀測區(qū)域，以及深層水平位移測點(diǎn)位置及測斜管合理布置深度，為工程前期監(jiān)控量測方案設(shè)計(jì)及修正提供可靠依據(jù)。

2)高陡邊坡監(jiān)測與有限元數(shù)值模擬分析方法相結(jié)合，能夠有效分析邊坡動(dòng)態(tài)情況，得出邊坡變形趨勢，可作為邊坡穩(wěn)定性分析的有效方法。

3)該工程實(shí)例由于監(jiān)測開始時(shí)，邊坡已處于基本自穩(wěn)狀態(tài)，未能采集前期邊坡穩(wěn)定過程中各位移參數(shù)變化值，無法通過實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比分析，僅對(duì)邊坡變形發(fā)展規(guī)律進(jìn)行了分析驗(yàn)證，研究成果具有局限性。