汪益敏，王兆陽(yáng)，李奇，陶子渝

?

粉砂巖路塹高邊坡施工監(jiān)測(cè)與動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)

汪益敏，王兆陽(yáng)，李奇，陶子渝

(華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東 廣州，510640)

結(jié)合高速公路路塹高邊坡工程實(shí)例，利用施工監(jiān)測(cè)聯(lián)合邊坡穩(wěn)定有限元數(shù)值模擬進(jìn)行邊坡動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。研究結(jié)果表明：通過(guò)監(jiān)測(cè)邊坡施工現(xiàn)場(chǎng)深部位移可以及早發(fā)現(xiàn)邊坡滑動(dòng)趨勢(shì)，準(zhǔn)確推測(cè)邊坡潛在滑動(dòng)面位置；粉砂巖路塹高邊坡開(kāi)挖后在自然狀態(tài)下基本穩(wěn)定，但是在降雨飽水條件下邊坡塑性變形區(qū)范圍增大，邊坡安全系數(shù)顯著降低，邊坡由局部破壞發(fā)展為整體滑動(dòng)破壞，模擬分析結(jié)果與施工監(jiān)測(cè)結(jié)果具有較好的一致性；利用邊坡穩(wěn)定分析有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算得到的邊坡變形擬合實(shí)測(cè)變形和滑動(dòng)面，可以確定坡體當(dāng)前狀態(tài)的等效力學(xué)參數(shù)；采用有限元數(shù)值模擬方法優(yōu)化設(shè)計(jì)邊坡加固方案，可以確定邊坡最終形態(tài)以及錨索加固位置、加固長(zhǎng)度、加固密度和設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力；邊坡優(yōu)化設(shè)計(jì)后，在自然與降雨飽水2種工況下邊坡塑性應(yīng)變區(qū)域及位移形變量均較小，邊坡安全系數(shù)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范的安全要求；施工完成后，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，說(shuō)明基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)聯(lián)合有限元分析方法確定的邊坡加固方案是可靠的。

粉砂巖；路塹邊坡；錨固；施工監(jiān)測(cè)；數(shù)值模擬；動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)

在高速公路建設(shè)過(guò)程中，常常會(huì)遇到大量不良地質(zhì)巖土體邊坡，其穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和安全防治工作已經(jīng)成為我國(guó)高速公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和營(yíng)運(yùn)的關(guān)鍵問(wèn)題。大量工程實(shí)踐表明，在高速公路建設(shè)過(guò)程中，有必要對(duì)不良地質(zhì)區(qū)域的邊坡進(jìn)行施工動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與分析[1?4]。賀可強(qiáng)等[5]研究報(bào)道了蠕滑型邊坡的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)體系及動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法；沈強(qiáng)等[6?7]采用初步設(shè)計(jì)—監(jiān)測(cè)反饋—?jiǎng)討B(tài)設(shè)計(jì)的體系對(duì)邊坡進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)；王在泉等[8]結(jié)合巖石力學(xué)應(yīng)力釋放與轉(zhuǎn)移原理、塊體穩(wěn)定理論，提出針對(duì)復(fù)雜邊坡的施工監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法。但是，由于邊坡地質(zhì)條件具有復(fù)雜性與多樣性，加上施工過(guò)程中尚存在較多不確定因素，如何建立有針對(duì)性的邊坡動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)體系目前仍未形成統(tǒng)一的規(guī)范，因此，需結(jié)合施工監(jiān)測(cè)及勘察內(nèi)容進(jìn)行具體分析。在華南潮濕多雨地區(qū)，粉砂巖路塹高邊坡由于受巖體破碎、結(jié)構(gòu)面發(fā)育、遇水易軟化等不良因素影響，開(kāi)挖后容易誘發(fā)坡體滑塌等災(zāi)害，因此，有必要在施工過(guò)程中進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)及動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。本文作者結(jié)合廣東省仁博高速公路K443+260~K443+585右側(cè)路塹高邊坡工程實(shí)踐，利用施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)資料聯(lián)合有限元數(shù)值模型對(duì)粉砂巖路塹高邊坡動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)加以分析。在邊坡施工期間布設(shè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，連續(xù)監(jiān)測(cè)邊坡變形并計(jì)算分析穩(wěn)定狀況，利用邊坡穩(wěn)定分析有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算得到的邊坡變形擬合邊坡施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)變形和滑動(dòng)面，反饋分析確定坡體當(dāng)前狀態(tài)的等效力學(xué)參數(shù)，并進(jìn)一步利用有限元數(shù)值模型進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析和加固方案優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定邊坡最終形態(tài)以及錨索加固位置、加固長(zhǎng)度、加固密度和設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力；通過(guò)工后邊坡穩(wěn)定狀態(tài)安全監(jiān)測(cè)，證明基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)聯(lián)合有限元分析方法確定的邊坡加固方案是可靠的。

1 工程概況

1.1 邊坡工程地質(zhì)條件

廣東省仁化至博羅高速公路地處粵北丘陵地帶，沿線(xiàn)地形起伏較大。根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告[9]，K443+260~K443+585路塹邊坡地層巖性主要為第四系坡殘積粉質(zhì)黏土和石炭系、泥盆系粉砂巖及其風(fēng)化層。邊坡巖土層工程性狀及其分布詳見(jiàn)文獻(xiàn)[10]。

巖層層面傾向?yàn)?10°~120°，傾角為38°~45°，路塹邊坡開(kāi)挖面傾向約122°，與巖層產(chǎn)狀的關(guān)系為傾向相同的順層坡。粉砂巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎。

仁化至博羅高速公路沿線(xiàn)地區(qū)氣候溫和，雨量充沛。該區(qū)域2016年年平均氣溫為22 ℃，年降雨量達(dá)2 638 mm，邊坡地下水主要補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水。

1.2 邊坡設(shè)計(jì)概況

K443+260~K443+585邊坡長(zhǎng)度為325.0 m，施工圖設(shè)計(jì)最大高度為62.0 m，分6級(jí)坡，其中：1~2級(jí)邊坡坡率為1.00:0.75，3~5級(jí)邊坡坡率為1.00:1.00，第6級(jí)邊坡坡率為1.00:1.25。各級(jí)邊坡之間設(shè)2.0 m寬的平臺(tái)，邊坡頂部有一座電網(wǎng)輸電電塔[10]。第1級(jí)坡采用4排長(zhǎng)度為8.0 m的錨桿框梁加固，設(shè)計(jì)抗拔力為60 kN；第2~4級(jí)坡分別采用3排預(yù)應(yīng)力錨索框架梁進(jìn)行加固，錨索長(zhǎng)度分別為20.0，22.0和24.0 m，錨固段長(zhǎng)度為10.0 m，設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力400 kN；第5~6級(jí)邊坡設(shè)計(jì)放坡后采用混凝土框梁植草防護(hù)。

2 邊坡施工監(jiān)測(cè)

2.1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容及布置

邊坡從2016?09開(kāi)始開(kāi)挖施工，結(jié)合邊坡的工程地質(zhì)條件和加固設(shè)計(jì)方案，在樁號(hào)K443+400處布設(shè)邊坡施工安全監(jiān)測(cè)斷面，監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括地表位移、深部水平位移和錨索應(yīng)力。當(dāng)施工開(kāi)挖至第4~5級(jí)邊坡時(shí)，邊坡出現(xiàn)局部塌落失穩(wěn)，考慮到邊坡以及電塔的安全，于2016?12增設(shè)K443+420邊坡監(jiān)測(cè)斷面，邊坡現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。其中WY-1~WY-8為地表位移樁，分別布設(shè)在第3~5級(jí)平臺(tái)及塹頂；CX-1~CX-4為深部位移測(cè)斜管，分別埋設(shè)在第4級(jí)邊坡和第5級(jí)邊坡坡頂平臺(tái)，測(cè)斜管的深度分別為28.0和26.0 m，CL-1~CL4為錨索測(cè)力計(jì)，分別安裝在K443+400斷面的第4級(jí)與第5級(jí)邊坡各錨索錨頭。

2.2 施工過(guò)程及監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

邊坡按自上而下順序開(kāi)挖，施工過(guò)程大致可以分為5個(gè)階段，各階段主要施工內(nèi)容以及邊坡穩(wěn)定狀況匯總?cè)绫?所示。

表1 K443+260~K443+585右側(cè)路塹邊坡施工時(shí)程表

邊坡地表位移監(jiān)測(cè)于2016?10開(kāi)始，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖2所示。深部位移測(cè)斜于2017?01開(kāi)始，在第5級(jí)平臺(tái)布設(shè)CX-1和CX-3這2個(gè)深部測(cè)斜孔。K443+400及K443+420斷面深部位移隨時(shí)間的變化分別如圖3和圖4所示。施工初期由于開(kāi)挖速度較快，并未及時(shí)采取加固措施，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示邊坡地表位移速率呈加速上升趨勢(shì)(見(jiàn)圖2(a)階段Ⅱ)。11月下旬連續(xù)3 d降雨后，第4~5級(jí)坡面出現(xiàn)局部塌落失穩(wěn)。邊坡監(jiān)測(cè)及時(shí)預(yù)警，施工單位采取如下應(yīng)急搶險(xiǎn)措施：1) 停止開(kāi)挖并反壓第4級(jí)坡腳；2) 對(duì)塌落部位巖體主要裂隙結(jié)構(gòu)面采用水泥砂漿勾縫處理，并在邊坡平臺(tái)處遮蓋防水布，防止雨水入滲；3) 變更邊坡加固設(shè)計(jì)，將第5~6級(jí)邊坡分別改為錨索框梁(26.0 m)、錨桿框梁(8.0 m)加固。由于搶險(xiǎn)及時(shí)，邊坡險(xiǎn)情得到控制。

圖1 邊坡現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)布置

(a) K443+400斷面地表位移?時(shí)間曲線(xiàn)；(b) K443+420斷面地表位移?時(shí)間曲線(xiàn)

邊坡施工階段Ⅲ(2017?01—2017?04)主要進(jìn)行第5~6級(jí)邊坡的錨桿與錨索加固工程，之后開(kāi)挖第3~4級(jí)邊坡，并在第4級(jí)邊坡平臺(tái)布設(shè)深部測(cè)斜孔CX-2和CX-4。2017?03中旬至2017?04上旬，當(dāng)邊坡小樁號(hào)部位開(kāi)挖至第3級(jí)坡時(shí)，邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)多處異常。邊坡地表位移量及位移速率呈加速上升趨勢(shì)，第4~5級(jí)邊坡的地表位移變化尤其明顯，最大累計(jì)位移達(dá)118 mm。深部測(cè)斜孔CX-1孔深19 m處出現(xiàn)位移突變，累計(jì)側(cè)向位移達(dá)66 mm，該測(cè)孔于2017?04?02在深部位移突變點(diǎn)深度附近發(fā)生剪斷破壞(見(jiàn)圖3(a))，無(wú)法繼續(xù)觀(guān)測(cè)；此后，測(cè)點(diǎn)CX-2孔深16.0 m處再次出現(xiàn)較大的側(cè)向位移，累計(jì)側(cè)向位移量達(dá)21 mm(見(jiàn)圖3(b))，同期CX-3和CX-4也出現(xiàn)較大深部側(cè)向位移(見(jiàn)圖4)。坡面巡查發(fā)現(xiàn)原5級(jí)坡塌落體附近出現(xiàn)縱向開(kāi)裂，裂縫延伸至6級(jí)坡頂；輸電電塔北西側(cè)原自然坡面出現(xiàn)大范圍開(kāi)裂，第3級(jí)坡腳出現(xiàn)橫向裂縫。邊坡位移速率超過(guò)報(bào)警標(biāo)準(zhǔn)(2 mm/d)，監(jiān)測(cè)單位及時(shí)發(fā)出報(bào)警通知。

(a) 第5級(jí)平臺(tái)(CX-1)深部位移監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)圖；(b) 第4級(jí)平臺(tái)(CX-2)深部位移監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)圖

(a) 第5級(jí)平臺(tái)(CX-3)深部位移監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)圖；(b) 第4級(jí)平臺(tái)(CX-4)深部位移監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)圖

當(dāng)邊坡第2次出現(xiàn)險(xiǎn)情時(shí)，建設(shè)單位及時(shí)采取下述應(yīng)急措施：1) 對(duì)已施工的第4~5級(jí)邊坡錨索立即張拉鎖定，對(duì)未做框梁的錨索采取加墊槽鋼的方式立即張拉，預(yù)張拉力需達(dá)設(shè)計(jì)要求的50%~80%；2) 對(duì)已開(kāi)挖的第3級(jí)邊坡進(jìn)行反壓回填處理，反壓至第4級(jí)坡腳，反壓土體頂寬為10.0 m，坡率為1.00:1.25。應(yīng)急措施采取后，邊坡險(xiǎn)情暫時(shí)得到控制。

K443+400斷面的4個(gè)錨索測(cè)力計(jì)CL-1，CL-2，CL-3和CL-4于錨索張拉后(2017?03?24)開(kāi)始監(jiān)測(cè)工作，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：2017?04?03各錨索測(cè)點(diǎn)張拉力出現(xiàn)異常增大，其中測(cè)點(diǎn)CL-4的錨索張拉力增幅最大，由426 kN增至472 kN，該錨索對(duì)應(yīng)位置與CX1測(cè)斜管被剪斷位置接近，說(shuō)明預(yù)應(yīng)力錨索承受較大的坡體下滑力。采取反壓回填等應(yīng)急搶險(xiǎn)措施后，錨索張拉力增幅減緩，張拉力趨于穩(wěn)定。

1—CL-4；2—CL-3；3—CL-2；4—CL-1。

邊坡施工階段Ⅳ(2017?05—2017?08)進(jìn)行第3級(jí)坡錨索框梁施工，邊坡兩側(cè)開(kāi)挖至第1級(jí)坡，在2017?07施工期間持續(xù)降雨，邊坡錨索應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示測(cè)點(diǎn)CL-3與CL-4的張拉應(yīng)力出現(xiàn)較大幅度增長(zhǎng)(見(jiàn)圖5)，同期邊坡地表位移與深部測(cè)斜監(jiān)測(cè)結(jié)果也出現(xiàn)增大趨勢(shì)，邊坡出現(xiàn)第3次險(xiǎn)情。

從上述邊坡施工階段Ⅰ~Ⅳ的安全監(jiān)測(cè)結(jié)果以及現(xiàn)場(chǎng)勘察情況來(lái)看，粉砂巖路塹高邊坡開(kāi)挖過(guò)程中遇到降雨對(duì)邊坡安全影響十分顯著，原施工圖設(shè)計(jì)的邊坡加固措施不足以保證邊坡穩(wěn)定，因此，需結(jié)合邊坡施工揭露的地質(zhì)信息和安全狀況，對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行重新評(píng)價(jià)，并對(duì)邊坡加固方案進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和優(yōu)化調(diào)整。

3 邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析

3.1 數(shù)值計(jì)算模型建立

利用有限元分析軟件ABAQUS對(duì)K443+400邊坡設(shè)計(jì)斷面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立數(shù)值分析模型，如圖6所示。模型單元主要以四面體CPE4單元和三角形CPE3單元為主，錨桿與錨索采用T2D2單元模擬，采用EMBEED功能嵌入坡體[11]。計(jì)算模型包含3 877個(gè)單元數(shù)，3 347個(gè)節(jié)點(diǎn)。邊界條件采用下部固定，左右兩側(cè)水平約束，上部為自由邊界的方式。土體初始應(yīng)力場(chǎng)按自重應(yīng)力場(chǎng)考慮，以計(jì)算邊坡特征點(diǎn)位移速率突變作為邊坡失穩(wěn)的判據(jù)，利用強(qiáng)度折減法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析[12?13]。邊坡加固措施的錨桿和錨索計(jì)算參數(shù)如表2所示[9]。

數(shù)據(jù)單位：m

粉砂巖巖土材料的本構(gòu)關(guān)系采用Mohr-Coulomb模型進(jìn)行模擬，土體強(qiáng)度參數(shù)通過(guò)監(jiān)測(cè)位移反演分析確定[14?15]。選取施工階段Ⅱ和Ⅲ這2個(gè)工況，以3個(gè)地表位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)和2個(gè)深部位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)作為特征點(diǎn)，以巖土工程勘察資料提供的強(qiáng)度參數(shù)作為初始計(jì)算參數(shù)，模擬計(jì)算各特征點(diǎn)的位移，通過(guò)不斷調(diào)整計(jì)算參數(shù)使計(jì)算位移與實(shí)測(cè)位移逼近擬合，反演得到邊坡巖土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。反演分析特征點(diǎn)位置及其監(jiān)測(cè)位移和計(jì)算位移如表3所示。

粉砂巖浸水后強(qiáng)度顯著降低是導(dǎo)致邊坡在持續(xù)降雨環(huán)境下易于滑塌破壞的重要原因。周翠英等[16?17]的研究表明：飽水條件下粉砂巖的黏聚力和內(nèi)摩擦角僅相當(dāng)于自然狀態(tài)下的35%~55%和75%~82%，因此，本文數(shù)值分析中飽水條件下巖土層的黏聚力和內(nèi)摩擦角分別按照反演參數(shù)的46%和79%進(jìn)行折減，各巖土層具體計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表4。

3.2 邊坡穩(wěn)定性分析

采用上述數(shù)值模型對(duì)K443+400邊坡在自然和降雨飽水2種工況條件下的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析，得到邊坡塑性應(yīng)變分布，如圖7所示。在自然條件下，邊坡開(kāi)挖完成后其安全系數(shù)s為1.25，降雨后邊坡塑性應(yīng)變區(qū)范圍明顯增大，最大應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)超過(guò)4倍，邊坡安全系數(shù)s降低至1.08，邊坡處于危險(xiǎn)狀態(tài)。原施工圖設(shè)計(jì)的邊坡加固錨索與錨桿長(zhǎng)度未能穿過(guò)坡體潛在的最危險(xiǎn)滑動(dòng)面，無(wú)法有效遏制邊坡的下滑趨勢(shì)，故需重新進(jìn)行邊坡加固設(shè)計(jì)。

3.3 邊坡設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

基于邊坡施工階段現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)以及穩(wěn)定性分析結(jié)果，重新設(shè)計(jì)邊坡開(kāi)挖及加固方案：1) 遷移坡頂輸電電塔，將坡口線(xiàn)向塹頂后緣延伸，使邊坡跨越原地表坡頂形成反坡，降低降雨對(duì)邊坡的影響；2) 減緩邊坡整體坡率，將原方案的開(kāi)挖6級(jí)邊坡變更為7級(jí)邊坡，并在第2級(jí)坡頂設(shè)置8.0 m寬平臺(tái)，第4級(jí)坡頂設(shè)置14.0 m寬平臺(tái)；3) 突出“固腳強(qiáng)腰”的加固設(shè)計(jì)理念，對(duì)第1，3和5級(jí)坡分別設(shè)計(jì)采用3排預(yù)應(yīng)力錨索框梁進(jìn)行加固，錨索長(zhǎng)度分別為18.0，22.0和22.0 m，錨固段長(zhǎng)度為10.0 m，設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力為400 kN，第2級(jí)坡采用4排長(zhǎng)度為11.5 m的錨桿框梁加固，設(shè)計(jì)抗拔力為120 kN，其余坡面采用框架植草防護(hù)。邊坡加固方案變更前后對(duì)比如圖8所示。對(duì)變更方案建立數(shù)值分析模型，計(jì)算分析邊坡在自然和降雨2種工況下的塑性應(yīng)變分布，如圖9所示。

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

Table 2 Parameters of supporting structures of the slope

表3 反演分析特征點(diǎn)監(jiān)測(cè)位移與計(jì)算位移

表4 不同巖土層參數(shù)對(duì)比

圖7 不同條件下邊坡塑性應(yīng)變分布

圖8 邊坡設(shè)計(jì)方案變更前后對(duì)比

圖9 方案優(yōu)化后邊坡塑性應(yīng)變分布

日期：1—2017?11?08；2—2017?11?21；3—2017?12?08；4—2017?12?23；5—2018?01?09。

由圖9可知：自然與降雨飽水2種工況條件下邊坡塑性應(yīng)變區(qū)域及位移變形均處于較小的水平，錨索加固長(zhǎng)度穿過(guò)潛在危險(xiǎn)滑動(dòng)區(qū)域一定深度，邊坡安全系數(shù)s分別達(dá)到1.43和1.21，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范的安全要求[18]。目前該邊坡已按變更設(shè)計(jì)方案完成施工(即表2中施工階段Ⅴ)，施工期間在邊坡K443+400斷面第3和4級(jí)坡頂平臺(tái)重新布設(shè)2個(gè)深部位移監(jiān)測(cè)孔，設(shè)計(jì)優(yōu)化后邊坡深部位移隨時(shí)間的變化如圖10所示。由圖10可知：該邊坡深部側(cè)向位移較小，累計(jì)側(cè)向位移小于6 mm，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)論

1) 對(duì)于錨索(桿)加固邊坡，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)內(nèi)容應(yīng)當(dāng)包括地表位移、深部水平位移、錨索張拉力以及現(xiàn)場(chǎng)巡查等。其中，測(cè)斜管監(jiān)測(cè)邊坡深部位移對(duì)邊坡的穩(wěn)定動(dòng)態(tài)非常敏感，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)邊坡滑動(dòng)趨勢(shì)，較準(zhǔn)確反映邊坡潛在滑動(dòng)面位置。

2) 粉砂巖遇水易于軟化，粉砂巖邊坡在降雨飽水條件下安全系數(shù)顯著降低，邊坡加固方案設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮降雨因素的影響，邊坡施工過(guò)程中應(yīng)及時(shí)做好加固防護(hù)，做到邊坡開(kāi)挖1級(jí)支護(hù)1級(jí)。當(dāng)邊坡開(kāi)挖過(guò)程中出現(xiàn)崩滑等險(xiǎn)情，應(yīng)立即停止開(kāi)挖并反壓坡腳，在坡面遮蓋防水布，防止雨水進(jìn)一步入滲坡體。

3) 以邊坡穩(wěn)定分析有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算得到的邊坡變形擬合實(shí)測(cè)變形和滑動(dòng)面，可以反饋分析確定坡體當(dāng)前狀態(tài)的等效力學(xué)參數(shù)；根據(jù)反饋分析得到的坡體等效力學(xué)參數(shù)，采用有限元數(shù)值模擬進(jìn)一步進(jìn)行邊坡加固方案優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以確定邊坡最終形態(tài)以及錨索加固位置、加固長(zhǎng)度、加固密度和設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力；邊坡工后安全監(jiān)測(cè)結(jié)果表明邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，因此，基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)聯(lián)合有限元分析方法確定的邊坡加固方案是可靠的。

[1] 黃志懷, 李國(guó)維, 王思敬, 等. 粵贛高速公路k35高邊坡加固效果監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)[J]. 巖土力學(xué), 2008, 29(10): 2783?2788. HUANG Zhihuai, LI Guowei, WANG Sijing, et al. Monitoring and evaluation high slope K35 of Yue?Gan expressway[J]. Rock and Soil Mechanics, 2008, 29(10): 2783?2788.

[2] 許湘華, 王強(qiáng), 方理剛. 高速公路路塹邊坡施工過(guò)程動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2006, 37(5): 1008?1012. XU Xianghua, WANG Qiang, FANG Ligang. Analysis on the stability of expressway slope during construction[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2006, 37(5): 1008?1012.

[3] 賈娟, 汪益敏, 林叔忠. 不良地質(zhì)路塹高邊坡的施工模擬與監(jiān)測(cè)分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2005, 24(22): 4106?4111. JIA Juan, WANG Yimin, LIN Shuzhong. Construction simulation and monitoring data analysis of high cut slope with faulty geology[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2005, 24(22): 4106?4111.

[4] 程強(qiáng), 黃紹檳, 周永江. 公路深挖路塹邊坡工程施工監(jiān)測(cè)與動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2005, 24(8): 1335?1340. CHENG Qiang, HUANG Shaobin, ZHOU Yongjiang. Construction monitor and dynamic design of highway deep road cut slope[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2005, 24(8): 1335?1340.

[5] 賀可強(qiáng), 陳為公, 張朋. 蠕滑型邊坡動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性系數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及其位移預(yù)警判據(jù)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2016, 35(7): 1377?1385. HE Keqiang, CHEN Weigong, ZHANG Peng. Real-time monitoring of dynamic stability coefficient and displacement criterion of the creep slope[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2016, 35(7): 1377?1385.

[6] 沈強(qiáng), 陳從新. 高速公路失穩(wěn)高邊坡動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)[J]. 巖土力學(xué), 2003, 24(增刊2): 283?286. SHEN Qiang, CHEN Congxin. Dynamic design for unstable high slope along expressway[J]. Rock and Soil Mechanics, 2003, 24(Suppl 2): 283?286.

[7] 祝建, 姜海波, 蔡慶娥. 西康高速公路K129滑坡失穩(wěn)分析及治理工程動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與信息化施工[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報(bào), 2012, 20(3): 433?439. ZHU Jian, JIANG Haibo, CAI Qing’e. Instability analysis, observational design and informative construction of K129 landslide on Xikang highway, Shaanxi[J]. Journal of Engineering Geology, 2012, 20(3): 433?439.

[8] 王在泉, 王建波. 復(fù)雜邊坡工程穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)及信息施工[J]. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2000, 29(6): 587?593. WANG Zaiquan, WANG Jianbo. Stability monitoring of complex slope engineering system and its construction based on monitoring information[J]. Journal of China University of Mining & Technology, 2000, 29(6): 587?593.

[9] 廣東省公路勘察規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司. 武(漢)深(圳)高速公路仁化至博羅段A5合同段工程地質(zhì)勘察報(bào)告[R]. 廣州: 廣東省公路勘察規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司, 2015: 13?15.Guangdong Highway Survey Planning and Design Institute Co. Ltd. Engineering geological survey report of A5 Contract Section from Renhua to Boluo Section of Wuhan-Shenzhen Expressway[R]. Guangzhou: Guangdong Highway Survey Planning and Design Institute Co. Ltd., 2015: 13?15.

[10] 王兆陽(yáng). 公路邊坡巖土參數(shù)反演分析與動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法研究[D]. 廣州: 華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院, 2018: 45?47. Wang Zhaoyang. Study on back analysis of soil parameters and dynamic design method of highway slope[D]. Guangzhou: South China University of Technology. Institute of Civil and Transportation, 2018: 45?47.

[11] 王金昌, 陳頁(yè)開(kāi). ABAQUS在土木工程中的應(yīng)用[M]. 杭州: 浙江大學(xué)出版社, 2006: 164?166. WANG Jinchang, CHEN Yekai. Application of ABAQUS in civil engineering[M]. Hangzhou: Zhejiang University Press, 2006: 164?166.

[12] 鄭穎人, 趙尚毅, 張魯渝. 用有限元強(qiáng)度折減法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析[J]. 中國(guó)工程科學(xué), 2002, 4(10): 57?61. ZHENG Yingren, ZHAO Shangyi, ZHANG Luyu. Slope stability analysis by strength reduction FEM[J]. Engineering Science, 2002, 4(10): 57?61.

[13] DAWSON E M, ROTH W H, DRESCHER A. Slope stability analysis by strength reduction[J]. Geotechnique, 1996, 49(6): 835?840.

[14] 李國(guó)維, 顧忠衛(wèi), 賀冠軍, 等. 基于施工監(jiān)測(cè)和三維模擬的臨危邊坡錨固方案研究[J]. 巖土力學(xué), 2016, 37(5): 1408?1416. LI Guowei, GU Zhongwei, HE Guanjun, el at. Anchorage scheme against imminent failure of slope based on on-site monitoring and 3D numerical modeling[J]. Rock and Soil Mechanics, 2016, 37(5): 1408?1416.

[15] 張紅日, 王桂堯, 張永杰, 等. 基于位移監(jiān)測(cè)的巖質(zhì)滑帶參數(shù)擬合反演研究[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào), 2016, 12(增刊2): 875?881. ZHANG Hongri, WANG Guiyao, ZHANG Yongjie, el at. Study on fitting inversion for the parameters of rock slip zone based on displacement monitoring[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2016, 12(Suppl 2): 875?881.

[16] 周翠英, 張樂(lè)民. 軟巖與水相互作用的非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)過(guò)程分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2005, 24(22): 4035?4041. ZHOU Cuiying, ZHANG Lemin. Analysis of the nonlinear dynamic process of the interaction between soft rock and water[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2005, 24(22): 4035?4041.

[17] 姚華彥, 張振華, 朱朝輝, 等. 干濕交替對(duì)砂巖力學(xué)特性影響的試驗(yàn)研究[J]. 巖土力學(xué), 2010, 32(12): 3704?3708. YAO Huayan, ZHANG Zhenhua, ZHU Chaohui, el at. Experimental study of mechanical properties of sandstone under cyclic drying and wetting[J]. Rock and Soil Mechanics, 2010, 32(12): 3704?3708.

[18] JTG D30—2015. 公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. JTG D30—2015. Specifications for design highway subgrades[S].

Construction monitoring and dynamic design of siltstone cutting high slope

WANG Yimin, WANG Zhaoyang, LI Qi, TAO Ziyu

(Institute of Civil and Transportation, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

Using expressway cutting high slope as an engineering example, the method of slope dynamic design was used by combining construction monitoring with finite element numerical simulation of slope stability. The results show that the trend of slope sliding can be found early according to the monitored deep displacement of the slope construction site, and the potential slip surface position of the slope can be accurately estimated. Siltstone cutting high slope is basically stable under natural condition, but the range of slope plastic deformation zone is enlarged. Slope safety coefficient decreases significantly and the local slope failure develops to whole sliding failure under the condition of saturation of rainfall. The simulation analysis result and construction monitoring result have good consistency. The equivalent mechanical parameters of the current state of the slope can be determined by fitting the measured deformation and sliding surface of slope with the deformation calculated by slope stability analysis with finite element strength reduction method. The slope reinforcement scheme is further optimized by finite element numerical simulation, which determines the final shape of the slope and the location of reinforcement, length of reinforcement, density of reinforcement and design of prestress. After optimization, the plastic strain area and displacement of the slope are both at a relatively small level under natural working condition and rainfall saturated condition. Additionally, the safety factor of the slope meets the safety requirement of the design specification. The slope is in a stable state till the end of construction, which indicates that the reinforcement scheme based on field monitoring and finite element analysis is reliable.

siltstone; cutting slope; anchorage; construction monitoring; numerical simulation; dynamic design

10.11817/j.issn.1672?7207.2019.02.020

U415.1

A

1672?7207(2019)02?0400?09

2018?03?07；

2018?05?07

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFC0802500)；廣東省交通科技項(xiàng)目(2014)(Project(2016YFC0802500) supported by National Key Research and Development Program of China; Project(2014) supported by the Traffic Science and Technology Program of Guangdong Province)

汪益敏，博士，教授，博士生導(dǎo)師，從事路基與邊坡工程研究；E-mail：ctymwang@scut.edu.cn

(編輯 伍錦花)