孫 元，田維強(qiáng)，林德洪，楊晴雯，楊 崢

(1. 貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘察開發(fā)局 第二工程勘察院，貴州 遵義 563000； 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(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059； 3. 西昌學(xué)院 土木與水利工程學(xué)院，四川 西昌 615000)

開挖作為常見的人類工程活動(dòng)，廣泛應(yīng)用于水電工程、路基工程、基建工程等領(lǐng)域。但由于開挖削方破壞了原始坡體地形地貌和應(yīng)力狀態(tài)，會(huì)引起坡體形變破壞，給工程活動(dòng)構(gòu)成威脅，甚至造成損失[1-2]。

對開挖邊坡防護(hù)主要包括監(jiān)測和支擋兩方面[3-4]。開挖過程中，通過變形監(jiān)測可預(yù)測開挖邊坡變形趨勢、指導(dǎo)施工、反饋設(shè)計(jì)[5]；開挖邊坡支檔防護(hù)后進(jìn)行監(jiān)測，可了解支擋結(jié)構(gòu)物變形、內(nèi)力變化，對支擋結(jié)構(gòu)物受力情況進(jìn)行判別，而可對變形發(fā)展趨勢做出預(yù)測，判斷邊坡穩(wěn)定狀態(tài)以及結(jié)構(gòu)物工作狀況[6]。對于某些復(fù)雜地質(zhì)條件下的開挖邊坡，甚至需要邊開挖邊支檔，實(shí)時(shí)監(jiān)測邊坡動(dòng)態(tài)。因此，邊坡支護(hù)監(jiān)測對于邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和支擋效果評(píng)價(jià)具有十分重要意義[7-9]。

筆者以貴州西北某開挖邊坡為例，通過近2年來的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了該支檔邊坡變形特征和趨勢，進(jìn)一步揭示了邊坡變形影響因素，從而檢驗(yàn)了邊坡支擋設(shè)計(jì)與施工效果，并對邊坡長期穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

1 邊坡基本特征

研究區(qū)位于貴州省西北部，因城區(qū)改造，進(jìn)行邊坡開挖。該開挖邊坡由呈南北延伸的1、2號(hào)邊坡組成。1號(hào)邊坡長191 m，高差7.4～14.9 m，位于研究區(qū)中部；2號(hào)邊坡長45 m，高6 m，位于研究區(qū)東部(圖1)。

垂直于1、2號(hào)邊坡布設(shè)3條勘探線(剖面1-1、2-2、3-3)，平行于1號(hào)邊坡布置一條勘探線(剖面4-4)(圖1)。沿4條剖面線共計(jì)布設(shè)20個(gè)鉆孔(圖2)。

根據(jù)鉆探揭露，研究區(qū)地層從上而下由3部分組成：① 上部土層主要為0.5～4 m的人工填土，包括建筑垃圾，毛石混凝土地基基礎(chǔ)及回填灰?guī)r碎石、塊石、黃磚等，結(jié)構(gòu)松散，透水性強(qiáng)；② 中部為5.4～15 m的淺黃色、灰黃色碎石粉質(zhì)黏土層，碎石主要為砂質(zhì)泥巖、泥巖風(fēng)化產(chǎn)物，1～10 cm粒徑占80%，最大粒徑達(dá)20 cm；土體結(jié)構(gòu)松散，透水性強(qiáng)，該層是邊坡結(jié)構(gòu)主要物質(zhì)組成部分；③ 下部為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P3l)泥巖、砂質(zhì)，巖層產(chǎn)狀為73°∠11°，連續(xù)性好，結(jié)構(gòu)較為完整。中部土層土體塑性指數(shù)為16.8，土體飽和密度為20 kg/cm3，天然密度為19.4 kg/cm3，飽和狀態(tài)下黏聚力為30 kPa，內(nèi)摩擦角為13.8°。干燥狀態(tài)下下部砂巖單軸抗壓強(qiáng)度為43 MPa，飽和時(shí)為29 MPa；泥巖天然單軸抗壓強(qiáng)度為10 MPa，飽和時(shí)為8.9 MPa。

大氣降水是城內(nèi)地下水主要補(bǔ)給來源，雨季主要集中在每年4～9月，旱季集中在1、2、12月(圖3)。鉆孔揭示，邊坡地下水埋深5～8 m，鉆孔地下水平均水位4～7.0 m，涌水量300～400 m3/d，滲透系數(shù)為1.37～6.77 m/d。

2 邊坡支護(hù)概況

1號(hào)邊坡以土質(zhì)邊坡為主，上部土層最大厚度為12 m，若不支護(hù)可能產(chǎn)生土層內(nèi)圓弧型滑動(dòng)破壞，或沿基覆界面滑動(dòng)；2號(hào)邊在開挖前雖有漿砌石擋土墻支擋，但擋土墻基礎(chǔ)埋深較淺(0.8～1.2 m)，加之施工場地距離該邊坡底部較近，且由于工程平場需0.5～1.0 m開挖，若不支護(hù)，施工擾動(dòng)可能導(dǎo)致該邊坡支擋措施變形。

1號(hào)邊坡在監(jiān)測前采用削方減載+抗滑樁+連接梁+止水帷幕的支護(hù)方案進(jìn)行支護(hù)(圖4)?？够瑯稑渡頌镃30混凝土澆注，樁頂設(shè)連接梁，與樁主筋連接，梁身為C30混凝土澆注。1號(hào)邊坡的A-B-C段，分A、B兩類樁，A1～A14為直徑1.5 m的圓形樁，樁心距為3.0 m，樁長22 m，嵌固段為11 m；A15～A26樁長20 m，嵌固段為10 m。B類樁為直徑1.5 m的圓形樁，樁心距為3.0 m，樁長20 m，嵌固段為10 m，共計(jì)25根，如圖4。

圖4 1號(hào)邊坡支護(hù)工程Fig. 4 Supporting project of 1# slope

2號(hào)邊坡支護(hù)目的是保護(hù)現(xiàn)有擋土墻基礎(chǔ)及對墻身加固(圖5)，采用的支護(hù)方案是抗滑樁+承臺(tái)+擋土墻+墻后回填。抗滑樁為直徑0.9 m的圓形樁，樁心距為4.0 m，樁長為3.1 m；承臺(tái)為鋼筋混凝土，采用C30混凝土澆筑；承臺(tái)頂部采用鋼筋混凝土擋土墻對2號(hào)邊坡原有擋土墻進(jìn)行加固，擋墻斷面呈梯形，墻背直立，擋墻采用C20進(jìn)行澆筑。所有支護(hù)結(jié)構(gòu)施工于2015年5月完成。

圖5 2號(hào)邊坡支護(hù)工程Fig. 5 Supporting project of 2# slope

3 監(jiān)測布置

為獲得支護(hù)后邊坡變形特征，并對變形發(fā)展趨勢做出預(yù)測，筆者對邊坡變形及地下水進(jìn)行了長期監(jiān)測。監(jiān)測內(nèi)容包括深部位移監(jiān)測和地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測。監(jiān)測平面布置見圖6。

圖6 監(jiān)測布置平面Fig. 6 Plane of monitoring arrangement

測斜儀測試工作原理是測定探頭以鉛垂線為基準(zhǔn)的弧角變化[10]。測斜儀安裝于鉆孔內(nèi)(ZK15、ZK11、ZK7、ZK1)，定名為J1～J4監(jiān)測點(diǎn)。同時(shí)在測斜孔底部安裝滲壓計(jì)。最終獲得邊坡巖土體深部位移與地下水位變化關(guān)系曲線。

監(jiān)測工程始建于2015年5月，2015年6月—2015年10月期間監(jiān)測沿鉆孔深度的變形，獲得變形與鉆孔深度的對應(yīng)關(guān)系。監(jiān)測包括平行邊坡走向方向和垂直邊坡走向方向；2015年12月—2017年6月期間則在J1、J3監(jiān)測點(diǎn)鉆孔的上、中、下這3個(gè)位置(距離孔頂位置分別為4.5、10、14m)安裝固定測斜儀，進(jìn)行長期監(jiān)測，并分析固定位置位移隨時(shí)間變化。

4 邊坡監(jiān)測結(jié)果及分析

4.1 位移基本特征

圖7為2015年6月—2015年10月位移監(jiān)測結(jié)果。圖7分為垂直邊坡和平行邊坡兩組方向，前者負(fù)值代表坡面向外方向，后者負(fù)值代表沿坡走向向北方向。

圖7 2015年6月—2015年10月監(jiān)測結(jié)果Fig. 7 Monitoring results from June to October 2015

由J1監(jiān)測點(diǎn)結(jié)果顯示：垂直邊坡走向方向〔圖7(a)〕，6—8月的變形基本為正值，9、10月的變形基本為正值；這說明此監(jiān)測位置初期以向坡內(nèi)變形為主，隨著時(shí)間推移而產(chǎn)生向坡外的變形，且隨著時(shí)間增加，向坡內(nèi)變形量逐漸減小，向坡外變形量逐漸增大。平行邊坡走向方向〔圖7(b)〕，6—9月的深度6～8 m以上位移為正值，向下變形為負(fù)值；這表明此監(jiān)測點(diǎn)深部有向北的變形，隨著時(shí)間推移向北方向變形量逐漸增大。向坡外及與沿剖面走向向北方向最大變形量分別為3.1、6.9 mm。在深度為14 m附近，曲線隨著時(shí)間變化發(fā)生分離，暗示潛在破壞面可能在該深度產(chǎn)生。由剖面圖可看出(圖2)：此深度對應(yīng)的是覆蓋層厚度，說明J1監(jiān)測變形是由于覆蓋層變形引起的，潛在滑動(dòng)面可能位于基覆界面。

由J2監(jiān)測點(diǎn)可看出：無論垂直還是平行邊坡產(chǎn)向方向，隨時(shí)間增加變形量逐漸增大；各監(jiān)測曲線均在12 m處產(chǎn)生向坡外和沿坡走向向北的位移。12 m深度以下位移基本為0，向上位移逐漸增大；到約10 m時(shí)，其位移增幅達(dá)到最大；10 m以上位移基本不變，表明該位置潛在破壞面位于12 m深度處。在垂直剖面方向〔圖7(c)〕，變形最大值達(dá)25 mm；沿坡走向向北方向〔圖7(d)〕，位移最大值達(dá)9 mm。由剖面圖可看出(圖2)：12 m基本對應(yīng)覆蓋層厚度，表明J2位置仍為覆蓋層變形。

J3、J4這兩處監(jiān)測點(diǎn)位移-孔深變化規(guī)律與J2基本相同，兩處位移突變位置均發(fā)生在約13 m孔深處〔圖7(e)～(h)〕，表明潛在破壞深度為13 m。J3監(jiān)測點(diǎn)坡外變形最大值達(dá)33.5 mm，沿坡走向向北變形量達(dá)22 mm〔圖7(e)、(f)〕；J4監(jiān)測點(diǎn)坡外變形最大值達(dá)26.3 mm，沿坡走向向北變形量達(dá)24.5 mm〔圖7(g)、(h)〕。

從變形曲線上可看出(表1)：除J1點(diǎn)曲線相對不規(guī)則，其余點(diǎn)變形曲線均可明顯確定潛在破壞面位置，且各點(diǎn)潛在破壞面以上不同深度變形量變化不大，表明沿潛在破壞面以上土層發(fā)生了整體滑動(dòng)變形。這4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)確定的潛在破壞面深度基本一致，為12～13 m。通過對比可看出：J3、J4變形量大于J1、J2，J1變形量明顯小于其余3點(diǎn)，J2～J4點(diǎn)垂直邊坡走向變形均大于平行走向。

表1 位移監(jiān)測結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistic results of deformation monitoring

圖8為2015年12月—2017年6月的長期位移監(jiān)測結(jié)果。由J1監(jiān)測結(jié)果可看出：中部和上部位移有增大趨勢，但位移增量均很小；至2017年6月，上、中、下這3個(gè)位置位移收斂。J3測點(diǎn)的3個(gè)位置位移值均較小，但從2016年6月開始，中部位移快速增加，最大值達(dá)18 mm，至2016年11月增長停止，而后收斂，基本無變形產(chǎn)生；上部位移從2016年9月開始增長，最大值約4 mm，至2016年11月增長停止，而后逐漸收斂。位于14 m深度的下部位移無明顯變化。

圖8 2015年12月—2017年6月監(jiān)測結(jié)果Fig. 8 Monitoring results from December 2015 to June 2017

4.2 地下水位基本特征

由研究區(qū)2015年12月—2016年11月的雨量監(jiān)測表明：區(qū)內(nèi)雨量4—9月較多，尤其以6月降雨量最大，最大日最大降雨量達(dá)64.5 mm(2016年6月15日)，6月約占全年降雨的40%(圖3)。

由2015年5月—2015年10月地下水埋深曲線可看出〔圖9(a)〕：J2、J3測點(diǎn)地下水位較J4埋深大，這3個(gè)測點(diǎn)5—8月地下水埋深明顯比8—10月淺。由2015年12月—2017年3月地下水埋深曲線可看出〔圖9(b)〕：地下水位埋深在2016年的4—8月有明顯減小，說明水位發(fā)生了顯著抬升，J3監(jiān)測點(diǎn)尤為明顯；這是因?yàn)槊磕昙薪涤陮?dǎo)致了地下水位升高，隨著降雨量減少，地下水位埋深逐漸增加。綜合分析表明：研究區(qū)地下水位明顯受大氣降雨影響，則由降雨引起的地下水位抬升可能是邊坡變形加劇的直接原因。

圖9 地下水位埋深Fig. 9 Groundwater level depth

4.3 邊坡變形影響因素及趨勢分析

由監(jiān)測數(shù)據(jù)分析：邊坡在2015年6月—2015年10月之間存在顯著向坡外和向沿坡走向以北方向的變形，且向坡外變形大于沿坡走向以北方向變形，潛在破壞位置發(fā)生在12～13 m深度處。從邊坡坡體結(jié)構(gòu)看，基巖產(chǎn)狀為73°∠11°，巖層傾向坡內(nèi)，由于邊坡屬于反傾邊坡，沒有產(chǎn)生沿巖層順層滑動(dòng)破壞條件；支護(hù)初期，由于結(jié)構(gòu)支擋邊坡變形量較小，但隨著時(shí)間推移，土體由于自重產(chǎn)生了向臨空方向變形，上覆層與基巖接觸面是薄弱界面，成為邊坡破壞的潛在滑動(dòng)面，這一過程中將逐漸與支護(hù)結(jié)構(gòu)間達(dá)到新的力和位置平衡。在沿坡走向以北的方向?qū)儆陧槂A邊坡，在上覆蓋層重力作用下更易產(chǎn)生順巖層傾向的滑動(dòng)變形〔圖2(d)〕。在開挖作用下，由開挖邊坡走向、巖層傾向因素決定了邊坡變形特征。

由圖10可看出：在地下水位上升(埋深減小)初期，邊坡變形量級(jí)很小，隨時(shí)間增加，邊坡變形速率增大，等地下水埋深增加后，邊坡變形逐漸減小，直到位移收斂。這是由于地下水位上升，使得土體含水率增加甚至達(dá)到飽和。在土體濕化過程中，土體抗剪強(qiáng)度可用莫爾庫侖準(zhǔn)則進(jìn)行理論分析，如式(1)：

τ=c+ (σ-u)tanφ

(1)

式中：τ為試樣抗剪強(qiáng)度；c為內(nèi)摩擦角；σ為總應(yīng)力(上覆土層自重)；u為孔隙水壓力；φ為內(nèi)聚力。

若總應(yīng)力不變，孔隙水壓力增加，那么有效應(yīng)力將減小；故孔隙水壓力越高，抗剪強(qiáng)度越低，從而使得邊坡加速變形，變形隨著地下水位下降而逐漸收斂。同時(shí)可看出：邊坡變形初始時(shí)間滯后于地下水位上升初始時(shí)間，同時(shí)晚于地下水位下降時(shí)間，表明由大氣降雨控制的地下水位增加對邊坡土體強(qiáng)度的劣化作用具有滯后效應(yīng)。

圖10 J3測點(diǎn)邊坡變形與地下水位關(guān)系Fig. 10 Relationship of J3 between deformation and water level

圖11為各監(jiān)測點(diǎn)最大變形量與時(shí)間關(guān)系?？蓤D11看出：邊坡支護(hù)初期(2015年6—8月)變形逐漸加劇發(fā)展，2015年8月后變形速率逐漸減?。贿@表明總體上支護(hù)結(jié)構(gòu)對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生了顯著影響。期間(2016年6—11月)，由于地下水位上漲導(dǎo)致邊坡上部局部地區(qū)出現(xiàn)一定位移，但2016年11月后位移收斂，一直到2017年4月未發(fā)生顯著變形，表明支護(hù)邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖11 2015年6—10月變形發(fā)展趨勢Fig. 11 Deformation from June to October 2015

5 結(jié) 論

1)筆者通過某支護(hù)邊坡2a變形監(jiān)測數(shù)據(jù)分析表明：邊坡支檔初期變形較為顯著，但隨著時(shí)間增加，變形速率開始減小，表明支擋措施對邊坡穩(wěn)定性發(fā)揮了顯著效果。

2)研究區(qū)地下水位明顯受大氣降雨影響，在邊坡支護(hù)第一個(gè)雨、旱季交替期間地下水位變化對邊坡變形有顯著影響；但是隨著水位穩(wěn)定，邊坡變形逐漸收斂，支護(hù)邊坡盡管在水位上升期間局部變形加劇，但仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3)不同監(jiān)測點(diǎn)表現(xiàn)出不同的變化特征，說明邊坡走向、巖層傾向影響邊坡變形特征。值得說明的是，筆者僅分析邊坡支護(hù)后2a變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，后期需進(jìn)一步結(jié)合邊坡支護(hù)前后長期監(jiān)測數(shù)據(jù)，尤其是多年地下水位變動(dòng)期間邊坡變形的規(guī)律，同時(shí)應(yīng)考慮不同支護(hù)結(jié)構(gòu)類型，對支護(hù)邊坡變形特征及趨勢進(jìn)行深入分析。