王桂萱,黃 平,趙 杰

(大連大學土木工程技術研究與開發(fā)中心,遼寧 大連 116622)

隨著我國基礎建設規(guī)模日漸龐大,錨桿在復雜環(huán)境下的邊坡支護工程中得到了廣泛運用。錨桿以自身的高抗拉性能以及注漿體與土層粘結(jié)作用,充分提高巖土邊坡整體強度,從而提升邊坡的安全穩(wěn)定性,避免滑坡導致的地質(zhì)災害,造成不同程度的人員傷亡、經(jīng)濟損失及環(huán)境破壞,因此在邊坡工程防護中具有不可替代的作用[1]。然而在錨桿投入運營后,受到外界因素影響,仍然有很大可能引起邊坡失穩(wěn),造成滑坡事故,所以有效的監(jiān)測預警必不可少。坡體變形破壞大多符合漸進破壞特征[2]和三級法[3-5]特點,整個變形失穩(wěn)過程從初始變形到最終破壞,經(jīng)歷了局部應力集中、局部塑性區(qū)出現(xiàn)、塑性區(qū)貫通幾個階段。除了傳統(tǒng)的極限平衡法外,強度折減法[6]在地質(zhì)邊坡研究與實踐中得到了廣泛運用。其中不乏開創(chuàng)性的成果:陳國慶[7]、劉海政[8]將整體強度折減法和動態(tài)強度折減法相結(jié)合,克服傳統(tǒng)算法導致的缺陷,更好地判斷邊坡穩(wěn)定性;晏長根等[9]進一步完善邊坡安全評價體系,在監(jiān)測預警工作方面提供一定參考。目前多數(shù)研究都停留在支護邊坡的受力變形特征分析[10-11],對深入的預警研究還是稍有不足,有部分原因是監(jiān)測對象多樣性,沒有深入研究某種監(jiān)測對象的監(jiān)測結(jié)果與邊坡穩(wěn)定性的內(nèi)在聯(lián)系。筆者對于在支護結(jié)構(gòu)中得到大量應用的錨桿進行了相關研究。LabVIEW軟件對于系統(tǒng)開發(fā)有著難以超越的簡便性與高效性[12-13]。

基于上述分析,筆者運用巖土數(shù)值分析軟件PLAXIS分析邊坡錨桿應變與安全穩(wěn)定性系數(shù)的關聯(lián)性,利用強度折減法的原理,對錨桿的受力變形分析,尋找到邊坡臨界失穩(wěn)破壞的錨桿應變閾值,判定最終的預警閾值,將其導入LabVIEW所編譯的監(jiān)測系統(tǒng)中,優(yōu)化監(jiān)測方法,達到智能監(jiān)測預警的目的。

1 計算方法及預警分級

1.1 強度折減法

強度折減法即在進行彈塑性有限元分析的過程中將巖土體的抗剪強度參數(shù)減至其臨界破壞狀態(tài),有限元軟件可依據(jù)內(nèi)置算法及相關命令進行計算,最終得到邊坡安全穩(wěn)定系數(shù),同時也可以得出坡體的破壞滑動面。

強度折減計算主要對土體的兩個抗剪強度參數(shù)內(nèi)摩擦角φ與黏聚力c進行比例折減。安全性分析中計算階段的土體強度參數(shù)通過總乘子∑Msf定義,即

(1)

式中:帶下標“input”的強度參數(shù)是在材料初始輸入的值;帶下標“reduced”的強度參數(shù)是在分析中采用的折減值。在PLAXIS中開始進行安全性計算時,所有材料強度參數(shù)取輸入值,即∑Msf為1.0;利用式(1)來調(diào)整土體的強度指標對邊坡穩(wěn)定性進行數(shù)值分析,通過不斷增加折減系數(shù),反復計算,達到模型破壞狀態(tài)為止,此時的總乘子即為安全穩(wěn)定性系數(shù)Fs。

1.2 預警分級劃分

《建筑邊坡工程技術規(guī)范》(GB 50330—2017)對于邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)的劃分給出了標準,依據(jù)文獻[8],將錨桿支護的邊坡進行監(jiān)測預警分級分為綠色安全、黃色異常、橙色警告和紅色危險。為了避免延遲預警造成惡劣突發(fā)事件的發(fā)生,提高規(guī)范中的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù),在規(guī)范基礎上增加0.05,如表1所示。

表1 錨桿監(jiān)測的邊坡預警分級

2 系統(tǒng)開發(fā)設計

筆者基于圖標型程序編譯平臺LabVIEW進行監(jiān)測預警系統(tǒng)的開發(fā)。LabVIEW是一個優(yōu)秀的虛擬機軟件,不僅可以進行程序編寫工作,還可以根據(jù)需求設計運行環(huán)境及系統(tǒng)編譯。

整個程序的目標實現(xiàn)主要依靠條件語句來限定程序的邏輯順序,即啟動程序→啟動儀器→連接目標→保存數(shù)據(jù)、實時顯示、預警→關閉引擎→退出,邏輯順序示意圖如圖1所示。

圖1 邏輯順序示意圖

此邏輯架構(gòu)主要利用將初始字符串數(shù)組在移位寄存器中進行寄存上一次循環(huán)值,然后再傳遞到下一次循環(huán)中,進而利用對數(shù)組的操作操控條件結(jié)構(gòu),最終使條件結(jié)構(gòu)根據(jù)指令作出相應判斷和分支執(zhí)行。

示意架構(gòu)圖主要實現(xiàn)過程首先初始數(shù)組值只有一個字符串,即“開始”。此時啟動進入While循環(huán)結(jié)構(gòu),刪除數(shù)組函數(shù)將第一個(0)信號值刪去,并將第一個信號值(開始)接入條件結(jié)構(gòu)觸發(fā)“開始”分支執(zhí)行,在執(zhí)行過程中創(chuàng)建新字符串數(shù)組并添加“退出”,傳遞條件結(jié)構(gòu)并寄存在移位寄存器中;同理,再依次激活“下一步”和“退出”分支,最終由刪除信號值與“退出”等價觸發(fā)While循環(huán)結(jié)束信號。

3 算例分析

3.1 模型及參數(shù)

當進行邊坡安全穩(wěn)定性分析時,若使用高級巖土本構(gòu)模型,如土體硬化模型和小應變土體硬化模型,這些本構(gòu)模型實際上會退化為標準的Mohr-Coulomb模型,這是由于PLAXIS2D安全性計算時不考慮剛度的應力相關性以及土體硬化效應,剛度在計算階段開始時基于初始應力進行計算,此后一直保持為常量至計算階段結(jié)束。因此可以直接選擇Mohr-Coulomb模型進行安全穩(wěn)定性分析。

Embedded beam row單元是PLAXIS軟件中的一種特殊結(jié)構(gòu)單元,考慮樁周土體的三維應力狀態(tài)和變形特征,能夠?qū)ψ{錨桿進行有效的簡化模擬。

某邊坡工程,邊坡比例1∶0.5,邊坡高度為10 m,邊坡剖面如圖2所示。采用3排無護表構(gòu)件錨桿進行支護,錨桿鋼筋長度為9 m,直徑為0.028 m,錨固角為15°(不考慮施工因素的影響)。

圖2 邊坡算例剖面圖

邊坡的有限元網(wǎng)格模型如圖3所示。邊坡側(cè)面約束對應的法向位移,底面部位約束所有方向的位移。土體參數(shù)如表2所示,錨桿彈性模量E為29 GPa,鉆孔半徑為0.05 m。

圖3 有限元模型

表2 土體參數(shù)表

3.2 計算分析

邊坡在經(jīng)過錨桿支護加固后,其穩(wěn)定性得到了一定提高。初始邊坡安全系數(shù)為1.549,進行加固后變?yōu)?.151。進行邊坡安全系數(shù)計算時產(chǎn)生的增量位移與邊坡實際的位移并無太大關系,可從增量位移變化云圖中看出滑動面位置。圖4和圖5分別為加固前后的增量位移云圖及圖例,加固之后的滑移面較天然邊坡后移,邊坡穩(wěn)定性明顯提高。在錨桿施工完成后工作中,假設邊坡其他條件保持不變,對土層的抗剪強度系數(shù)K進行折減接近邊坡極限狀態(tài),其取值序列為1.10,1.20,1.30,1.40,1.50,1.60,1.70,1.80,1.90,2.00,2.10。基于Mohr-Coulomb強度準則,通過動態(tài)折減序列折減邊坡強度參數(shù)后,再通過整體強度折減法計算整個邊坡的安全穩(wěn)定性系數(shù)。

圖4 天然邊坡增量位移云圖

圖5 錨固邊坡增量位移云圖

將動態(tài)折減序列的強度參數(shù)輸入模型,利用整體強度折減法進行計算,獲得了邊坡漸進失穩(wěn)的演化過程,在不斷的折減過程中觀測到塑性區(qū)延展趨勢,圖6所示為部分折減模擬結(jié)果及塑性點區(qū)域。隨著折減系數(shù)的增大,整個邊坡的塑性區(qū)不斷擴大,邊坡響應也更加強烈,基于抗剪強度參數(shù)的動態(tài)序列折減方法對于研究邊坡穩(wěn)定性及破壞機理有一定的實用性。

圖6 折減模擬結(jié)果

3.3 動態(tài)穩(wěn)定性系數(shù)

土體的抗剪強度參數(shù)每經(jīng)歷一次折減后,再利用整體強度折減法計算,可算出折減系數(shù)K對應的穩(wěn)定性系數(shù)Fs值。表3為折減系數(shù)K動態(tài)序列變化對應的動態(tài)安全系數(shù)。

表3 動態(tài)折減系數(shù)與安全系數(shù)

隨著折減系數(shù)的增大,抗剪強度參數(shù)逐漸減小,安全系數(shù)也隨之降低;錨固邊坡的初始安全系數(shù)為2.151,開始進行折減時,安全系數(shù)下降速率較快,當折減系數(shù)逐漸接近2.151時,安全系數(shù)下降的速率會逐漸降低;當達到初始安全系數(shù)的臨界值時,邊坡發(fā)生失穩(wěn),開始倒塌。當邊坡除抗剪強度參數(shù)外其他條件保持不變時,初始折減序列與折減后邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)成反比。

根據(jù)《建筑邊坡工程技術規(guī)范》(GB50330 —2017)要求,邊坡錨桿監(jiān)測預警分級中Fst取1.35(規(guī)定值再加0.05)。當Fs分別為1.05,1.10,1.35時,對應折減系數(shù)K為2.049,1.957,1.593。

3.4 數(shù)據(jù)處理

無護表構(gòu)件錨桿工作時,現(xiàn)場利用埋設在錨桿鋼筋內(nèi)的應變傳感器可以測得不同截面除的軸向應變值,錨桿某截面的軸力值可利用彈性力學公式計算出。因此,根據(jù)彈性力學公式,錨桿應變的計算方法如下:

ε=Ns/EmA.

(2)

式中:ε為錨桿的應變;Ns為錨桿某處的軸力;Em為錨桿的彈性模量;A為錨桿截面積。提取折減系數(shù)為2.049、1.957及1.593的三種工況模型中對應的錨桿最大軸力,計算對應的應變值作為預警閾值,計算結(jié)果見表4。

表4 預警分級及預警閾值

當錨桿監(jiān)測應變值小于195.12 ×10-6時,邊坡安全系數(shù)大于1.35,處于穩(wěn)定狀態(tài),前面板顯示圖標為綠色安全;當監(jiān)測應變值處于195.1×10-6～1212.15×10-6時,邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài);當監(jiān)測應變值處于1212.15×10-6～1 236.92×10-6時,邊坡處于橙色警告階段,此時邊坡安穩(wěn)定系數(shù)已經(jīng)下降至(1.05,1.10]區(qū)間,此時應采取相關措施,對監(jiān)測對象進行健康診斷;當監(jiān)測應變值大于1 236.92×10-6時,此時邊坡處于一個相當危險的階段,監(jiān)測工作人員應立即采取措施加固坡體,必要時疏散周圍人群,避免造成巨大損失。當邊坡安全系數(shù)越小時,錨桿應變監(jiān)測值越大,應變值變化越快,此時邊坡處在警告危險狀態(tài),發(fā)生突然失穩(wěn)破壞的概率越大;當邊坡安全系數(shù)越大,錨桿應變值基本較小,基本為錨桿注漿體硬化及邊坡初始應力場產(chǎn)生的應變監(jiān)測值,此時邊坡處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。

4 監(jiān)測預警系統(tǒng)開發(fā)

依據(jù)數(shù)值分析的最終結(jié)果,其可行性及預警閥值為系統(tǒng)開發(fā)提供了前提條件。成套的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括了傳感器、解調(diào)設備、數(shù)據(jù)采集卡、計算機以及測量采集軟件,如圖7所示。

圖7 監(jiān)測數(shù)據(jù)采集及預警系統(tǒng)示意圖

4.1 數(shù)據(jù)監(jiān)測預警

數(shù)據(jù)從下位機(信號解調(diào)儀)解調(diào)出上傳到上位機(監(jiān)測程序),再從虛擬機的前面板傳遞到程序面板,結(jié)果程序處理后,最終將數(shù)據(jù)傳導回前面板顯示或者存儲等。

預警程序結(jié)構(gòu)如圖8所示。其中閾值區(qū)為簇,內(nèi)部包含三個數(shù)值輸入控件。由采集來的數(shù)據(jù)信號簇執(zhí)行進入“Update Display”分支,用按名稱解除捆綁函數(shù)自由選擇需要的單獨元素信號,達到實時預警。并通過執(zhí)行主體功能分支的前分支狀態(tài),將通道值賦予對應的配置信號,再通過前面板選取通道來執(zhí)行“Update Display”分支,完成數(shù)據(jù)顯示。

圖8 預警程序結(jié)構(gòu)

預警程序邏輯主要是利用數(shù)組函數(shù)選出信號組中的最大值與第一個閾值比較大小,若大于等于則執(zhí)行最外圍條件結(jié)構(gòu)的“是”分支,否則執(zhí)行“否”分支并結(jié)束返回重新實時取值。依次類推,直到遇到需要執(zhí)行“否”分支就終止并點亮相應的信號燈及熄滅其他無關信號燈。具體的邏輯流程圖如圖9所示。

圖9 預警邏輯流程圖

4.2 數(shù)據(jù)實時顯示

數(shù)據(jù)實時顯示主要是通過選定通道,讀取配置信號數(shù)組并配置進曲圖中,從而實現(xiàn)解調(diào)的應變數(shù)據(jù)實時顯示。程序示意框圖如圖10所示,時程圖子vi共設置了4個接線端,分別為對接通道接入口(Channel List)、解調(diào)配置接入口(DLUT_SHM_Cluster)、前一循環(huán)波形vi服務器引用接入口、波形導出接入口。該程序主要運用了調(diào)用對象屬性節(jié)點和vi服務器引用。調(diào)用對象屬性節(jié)點可以有效地抽取出其屬性值;vi服務器引用在默認情況下,返回當前vi的靜態(tài)vi引用,此處的vi特指波形圖。由于通道為列表框類型,所以利用調(diào)用列表框的屬性節(jié)點來有效的抽取出其屬性值,同時為了將數(shù)據(jù)實時加入進波形圖中,將波形圖的服務器引用由前到后的不斷循環(huán)。

圖10 應變實時顯示程序示意框圖

4.3 監(jiān)測預警測試

在整體系統(tǒng)完備后,需要對軟件系統(tǒng)實用性進行調(diào)試,讓其可以應用到實驗或?qū)嶋H工程中,起到智能監(jiān)測及實時預警的作用。采用預警級別劃分計算出來的閾值,所以在閾值區(qū)從小到大分別導入閾值1、閾值2、閾值3作為解調(diào)閾值。系統(tǒng)啟動后,選中解調(diào)配置過的通道即可實時顯示與監(jiān)測預警。

調(diào)試過程:選中兩個對應通道,在波形圖中分別為藍色與紅色線條,拉動應變傳感器,以傳遞實時應變量。當通道內(nèi)最大應變大于50×10-6時,系統(tǒng)此時是危險的信號燈亮起。

5 實例分析

大連大學舊停車場,緊靠某東西走向加筋擋土墻,后由于規(guī)劃重新使用,因此采用錨桿對舊擋土墻進行加固。擋土墻高3.4 m,墻后為填土,坡頂有一道路。該擋土墻為直立式擋土墻,墻厚0.3 m,有6層加筋,根據(jù)相關工程規(guī)范,選用4.2 m長錨桿進行擋土墻的加固。錨桿采用鋼筋直徑為0.025 m,彈性模量為210 GPa。錨桿鉆孔孔徑為0.15 m,錨桿間隔為2 m。注漿體采用標號為42.5的硅酸鹽水泥拌和砂漿,砂漿抗壓強度為14.6 MPa,現(xiàn)場如圖11所示。

圖11 擋土墻錨桿支護

利用有限元軟件PLAXIS建立數(shù)值分析模型。填土采用Mohr-Coulomb模型進行模擬,具體參數(shù)見表5。加筋擋土墻用Plate單元以及Geogrid單元進行模擬,兩者之間為剛性連接。Plate單元與土體接觸,因此需建立界面單元模擬與土的相互作用,同時其重力密度需減去土的重力密度,取值為8 kN/m3,Plate單元彈性模量為30 000 MPa,泊松比0.2。Geogrid單元模擬的土工格柵為細長結(jié)構(gòu),只能受拉,彈性模量為2 600 MPa。錨桿使用Embedded beam row單元進行模擬,在距離地面1.1 m進行鉆孔,錨固角為25°。坡頂?shù)缆犯郊右惠v均布荷載5 kN/m2的模擬車輛通行荷載。加筋擋土墻簡化模型如圖12所示。

表5 土體參數(shù)表

圖12 加筋擋土墻模型

原加筋擋土墻土坡整體安全系數(shù)為1.277,鉆孔機打入錨桿進行加固后安全系數(shù)為1.544。根據(jù)前文計算方法,最終計算出的預警應變閾值如表6所示。

表6 預警分級及預警閾值

錨桿注漿體硬化進入工作狀態(tài)后開始進行現(xiàn)場監(jiān)測工作,四根錨桿監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖13。

圖13 錨桿應變監(jiān)測

初始階段注漿體硬化,FBG傳感器受其自身靈敏度及應變傳遞系數(shù)的影響,監(jiān)測的初始應變值各有高低。錨桿鋼筋在土體自重荷載以及原擋土墻結(jié)構(gòu)的相互作用下應變監(jiān)測值逐漸增長,監(jiān)測期間該停車場還未完全投入使用,停車場車流量還在較小階段,監(jiān)測值達到最大值附近后沒有太大的波動。初步加固后安全穩(wěn)定系數(shù)得到了一定提高,四根錨桿監(jiān)測應變值消除初始客觀因素影響后,其應變值為18.51×10-6、23.94×10-6、21.42×10-6、22.39×10-6,略大于預警分級綠色安全閾值。在安全系數(shù)較高時,理論上應變值隨邊坡穩(wěn)定性變化較小,此時應變值也比較小,可能受到擾動后產(chǎn)生變化,但是邊坡的安全穩(wěn)定系數(shù)并不會發(fā)生大的變化,因此現(xiàn)場錨桿監(jiān)測的數(shù)據(jù)有一定的可靠性。

6 結(jié) 論

(1)錨桿支護邊坡預警分級按照邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)分為綠色安全、黃色異常、橙色警告和紅色危險四個等級,并針對預警分級給出對應的錨桿應變監(jiān)測閾值。

(2)隨著錨桿支護邊坡安全系數(shù)減小,邊坡穩(wěn)定性變差,錨桿內(nèi)力逐漸增大,錨桿應變監(jiān)測值隨之增加,應變變化速率加快,邊坡進入危險狀態(tài),在降雨、開挖、爆破等外界因素影響下易發(fā)生地質(zhì)災害。

(3)基于預警分級下的錨桿應變閾值,在LabVIEW中實現(xiàn)了邊坡智能監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā),并進行現(xiàn)場調(diào)試試驗,驗證了智能預警監(jiān)測系統(tǒng)的實用性與可行性,對監(jiān)測方法優(yōu)化提供新的思路。