DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2019.02.020
粉砂岩路堑高边坡施工监测与动态设计
汪益敏，王兆阳，李奇，陶子渝
(华南理工大学 土木与交通学院，广东 广州，510640)
摘要：结合高速公路路堑高边坡工程实例，利用施工监测联合边坡稳定有限元数值模拟进行边坡动态设计。研究结果表明：通过监测边坡施工现场深部位移可以及早发现边坡滑动趋势，准确推测边坡潜在滑动面位置；粉砂岩路堑高边坡开挖后在自然状态下基本稳定，但是在降雨饱水条件下边坡塑性变形区范围增大，边坡安全系数显著降低，边坡由局部破坏发展为整体滑动破坏，模拟分析结果与施工监测结果具有较好的一致性；利用边坡稳定分析有限元强度折减法计算得到的边坡变形拟合实测变形和滑动面，可以确定坡体当前状态的等效力学参数；采用有限元数值模拟方法优化设计边坡加固方案，可以确定边坡最终形态以及锚索加固位置、加固长度、加固密度和设计预应力；边坡优化设计后，在自然与降雨饱水2种工况下边坡塑性应变区域及位移形变量均较小，边坡安全系数满足设计规范的安全要求；施工完成后，边坡处于稳定状态，说明基于现场监测联合有限元分析方法确定的边坡加固方案是可靠的。
关键词：粉砂岩；路堑边坡；锚固；施工监测；数值模拟；动态设计
中图分类号：U415.1 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2019)02-0400-09
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)
Abstract: 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.
Key words: siltstone; cutting slope; anchorage; construction monitoring; numerical simulation; dynamic design
在高速公路建设过程中，常常会遇到大量不良地质岩土体边坡，其稳定性评价和安全防治工作已经成为我国高速公路基础设施建设和营运的关键问题。大量工程实践表明，在高速公路建设过程中，有必要对不良地质区域的边坡进行施工动态监测与分析[1-4]。贺可强等[5]研究报道了蠕滑型边坡的实时监测体系及动态设计方法；沈强等[6-7]采用初步设计—监测反馈—动态设计的体系对边坡进行动态设计；王在泉等[8]结合岩石力学应力释放与转移原理、块体稳定理论，提出针对复杂边坡的施工监测系统及动态设计方法。但是，由于边坡地质条件具有复杂性与多样性，加上施工过程中尚存在较多不确定因素，如何建立有针对性的边坡动态设计体系目前仍未形成统一的规范，因此，需结合施工监测及勘察内容进行具体分析。在华南潮湿多雨地区，粉砂岩路堑高边坡由于受岩体破碎、结构面发育、遇水易软化等不良因素影响，开挖后容易诱发坡体滑塌等灾害，因此，有必要在施工过程中进行安全监测及动态设计。本文作者结合广东省仁博高速公路K443+260~K443+585右侧路堑高边坡工程实践，利用施工现场监测资料联合有限元数值模型对粉砂岩路堑高边坡动态设计加以分析。在边坡施工期间布设监测系统，连续监测边坡变形并计算分析稳定状况，利用边坡稳定分析有限元强度折减法计算得到的边坡变形拟合边坡施工现场实测变形和滑动面，反馈分析确定坡体当前状态的等效力学参数，并进一步利用有限元数值模型进行边坡稳定分析和加固方案优化设计，确定边坡最终形态以及锚索加固位置、加固长度、加固密度和设计预应力；通过工后边坡稳定状态安全监测，证明基于现场监测联合有限元分析方法确定的边坡加固方案是可靠的。
1 工程概况
1.1 边坡工程地质条件
广东省仁化至博罗高速公路地处粤北丘陵地带，沿线地形起伏较大。根据岩土工程勘察报告[9]，K443+260~K443+585路堑边坡地层岩性主要为第四系坡残积粉质黏土和石炭系、泥盆系粉砂岩及其风化层。边坡岩土层工程性状及其分布详见文献[10]。
岩层层面倾向为110°~120°，倾角为38°~45°，路堑边坡开挖面倾向约122°，与岩层产状的关系为倾向相同的顺层坡。粉砂岩节理裂隙发育，岩体破碎。
仁化至博罗高速公路沿线地区气候温和，雨量充沛。该区域2016年年平均气温为22 ℃，年降雨量达2 638 mm，边坡地下水主要补给来源为大气降水。
1.2 边坡设计概况
K443+260~K443+585边坡长度为325.0 m，施工图设计最大高度为62.0 m，分6级坡，其中：1~2级边坡坡率为1.00:0.75，3~5级边坡坡率为1.00:1.00，第6级边坡坡率为1.00:1.25。各级边坡之间设2.0 m宽的平台，边坡顶部有一座电网输电电塔[10]。第1级坡采用4排长度为8.0 m的锚杆框梁加固，设计抗拔力为60 kN；第2~4级坡分别采用3排预应力锚索框架梁进行加固，锚索长度分别为20.0，22.0和24.0 m，锚固段长度为10.0 m，设计预应力400 kN；第5~6级边坡设计放坡后采用混凝土框梁植草防护。
2 边坡施工监测
2.1 监测内容及布置
边坡从2016-09开始开挖施工，结合边坡的工程地质条件和加固设计方案，在桩号K443+400处布设边坡施工安全监测断面，监测内容包括地表位移、深部水平位移和锚索应力。当施工开挖至第4~5级边坡时，边坡出现局部塌落失稳，考虑到边坡以及电塔的安全，于2016-12增设K443+420边坡监测断面，边坡现场监测测点布置如图1所示。其中WY-1~WY-8为地表位移桩，分别布设在第3~5级平台及堑顶；CX-1~CX-4为深部位移测斜管，分别埋设在第4级边坡和第5级边坡坡顶平台，测斜管的深度分别为28.0和26.0 m，CL-1~CL4为锚索测力计，分别安装在K443+400断面的第4级与第5级边坡各锚索锚头。
2.2 施工过程及监测结果分析
边坡按自上而下顺序开挖，施工过程大致可以分为5个阶段，各阶段主要施工内容以及边坡稳定状况汇总如表1所示。
边坡地表位移监测于2016-10开始，监测结果如图2所示。深部位移测斜于2017-01开始，在第5级平台布设CX-1和CX-3这2个深部测斜孔。K443+400及K443+420断面深部位移随时间的变化分别如图3和图4所示。施工初期由于开挖速度较快，并未及时采取加固措施，监测数据显示边坡地表位移速率呈加速上升趋势(见图2(a)阶段Ⅱ)。11月下旬连续3 d降雨后，第4~5级坡面出现局部塌落失稳。边坡监测及时预警，施工单位采取如下应急抢险措施：1) 停止开挖并反压第4级坡脚；2) 对塌落部位岩体主要裂隙结构面采用水泥砂浆勾缝处理，并在边坡平台处遮盖防水布，防止雨水入渗；3) 变更边坡加固设计，将第5~6级边坡分别改为锚索框梁(26.0 m)、锚杆框梁(8.0 m)加固。由于抢险及时，边坡险情得到控制。
表1 K443+260~K443+585右侧路堑边坡施工时程表
Table 1 Slope construction process at section K443+260~K443+585
图1 边坡现场监测布置
Fig. 1 Layout of slope field monitoring facilities
边坡施工阶段Ⅲ(2017-01—2017-04)主要进行第5~6级边坡的锚杆与锚索加固工程，之后开挖第3~4级边坡，并在第4级边坡平台布设深部测斜孔CX-2和CX-4。2017-03中旬至2017-04上旬，当边坡小桩号部位开挖至第3级坡时，边坡监测数据出现多处异常。边坡地表位移量及位移速率呈加速上升趋势，第4~5级边坡的地表位移变化尤其明显，最大累计位移达118 mm。深部测斜孔CX-1孔深19 m处出现位移突变，累计侧向位移达66 mm，该测孔于2017-04-02在深部位移突变点深度附近发生剪断破坏(见图3(a))，无法继续观测；此后，测点CX-2孔深16.0 m处再次出现较大的侧向位移，累计侧向位移量达21 mm(见图3(b))，同期CX-3和CX-4也出现较大深部侧向位移(见图4)。坡面巡查发现原5级坡塌落体附近出现纵向开裂，裂缝延伸至6级坡顶；输电电塔北西侧原自然坡面出现大范围开裂，第3级坡脚出现横向裂缝。边坡位移速率超过报警标准(2 mm/d)，监测单位及时发出报警通知。
图2 边坡地表位移随时间的变化
Fig. 2 Change of slope surface displacement with time
图3 K443+400断面深部位移随时间的变化
Fig. 3 Change of deep horizontal displacement with time at slope section K443+400
图4 K443+420断面深部位移随时间的变化
Fig. 4 Change of deep horizontal displacement with time at slope section K443+420
当边坡第2次出现险情时，建设单位及时采取下述应急措施：1) 对已施工的第4~5级边坡锚索立即张拉锁定，对未做框梁的锚索采取加垫槽钢的方式立即张拉，预张拉力需达设计要求的50%~80%；2) 对已开挖的第3级边坡进行反压回填处理，反压至第4级坡脚，反压土体顶宽为10.0 m，坡率为1.00:1.25。应急措施采取后，边坡险情暂时得到控制。
K443+400断面的4个锚索测力计CL-1，CL-2，CL-3和CL-4于锚索张拉后(2017-03-24)开始监测工作，监测结果如图5所示。由图5可知：2017-04-03各锚索测点张拉力出现异常增大，其中测点CL-4的锚索张拉力增幅最大，由426 kN增至472 kN，该锚索对应位置与CX1测斜管被剪断位置接近，说明预应力锚索承受较大的坡体下滑力。采取反压回填等应急抢险措施后，锚索张拉力增幅减缓，张拉力趋于稳定。
图5 K443+400断面锚索应力随时间的变化
Fig. 5 Change of anchor stress with time at slope section K443+400
边坡施工阶段Ⅳ(2017-05—2017-08)进行第3级坡锚索框梁施工，边坡两侧开挖至第1级坡，在2017-07施工期间持续降雨，边坡锚索应力监测结果显示测点CL-3与CL-4的张拉应力出现较大幅度增长(见图5)，同期边坡地表位移与深部测斜监测结果也出现增大趋势，边坡出现第3次险情。
从上述边坡施工阶段Ⅰ~Ⅳ的安全监测结果以及现场勘察情况来看，粉砂岩路堑高边坡开挖过程中遇到降雨对边坡安全影响十分显著，原施工图设计的边坡加固措施不足以保证边坡稳定，因此，需结合边坡施工揭露的地质信息和安全状况，对边坡稳定性进行重新评价，并对边坡加固方案进行动态设计和优化调整。
3 边坡稳定性数值分析
3.1 数值计算模型建立
利用有限元分析软件ABAQUS对K443+400边坡设计断面进行网格划分，建立数值分析模型，如图6所示。模型单元主要以四面体CPE4单元和三角形CPE3单元为主，锚杆与锚索采用T2D2单元模拟，采用EMBEED功能嵌入坡体[11]。计算模型包含3 877个单元数，3 347个节点。边界条件采用下部固定，左右两侧水平约束，上部为自由边界的方式。土体初始应力场按自重应力场考虑，以计算边坡特征点位移速率突变作为边坡失稳的判据，利用强度折减法进行数值计算分析[12-13]。边坡加固措施的锚杆和锚索计算参数如表2所示[9]。
图6 K443+400边坡计算模型网格划分
Fig. 6 Mesh partition of K443+400 slope model
粉砂岩岩土材料的本构关系采用Mohr-Coulomb模型进行模拟，土体强度参数通过监测位移反演分析确定[14-15]。选取施工阶段Ⅱ和Ⅲ这2个工况，以3个地表位移监测点和2个深部位移监测点作为特征点，以岩土工程勘察资料提供的强度参数作为初始计算参数，模拟计算各特征点的位移，通过不断调整计算参数使计算位移与实测位移逼近拟合，反演得到边坡岩土体的抗剪强度参数。反演分析特征点位置及其监测位移和计算位移如表3所示。
粉砂岩浸水后强度显著降低是导致边坡在持续降雨环境下易于滑塌破坏的重要原因。周翠英等[16-17]的研究表明：饱水条件下粉砂岩的黏聚力和内摩擦角仅相当于自然状态下的35%~55%和75%~82%，因此，本文数值分析中饱水条件下岩土层的黏聚力和内摩擦角分别按照反演参数的46%和79%进行折减，各岩土层具体计算参数见表4。
3.2 边坡稳定性分析
采用上述数值模型对K443+400边坡在自然和降雨饱水2种工况条件下的稳定性进行计算分析，得到边坡塑性应变分布，如图7所示。在自然条件下，边坡开挖完成后其安全系数Fs为1.25，降雨后边坡塑性应变区范围明显增大，最大应变增长超过4倍，边坡安全系数Fs降低至1.08，边坡处于危险状态。原施工图设计的边坡加固锚索与锚杆长度未能穿过坡体潜在的最危险滑动面，无法有效遏制边坡的下滑趋势，故需重新进行边坡加固设计。
3.3 边坡设计方案优化
基于边坡施工阶段现场监测以及稳定性分析结果，重新设计边坡开挖及加固方案：1) 迁移坡顶输电电塔，将坡口线向堑顶后缘延伸，使边坡跨越原地表坡顶形成反坡，降低降雨对边坡的影响；2) 减缓边坡整体坡率，将原方案的开挖6级边坡变更为7级边坡，并在第2级坡顶设置8.0 m宽平台，第4级坡顶设置14.0 m宽平台；3) 突出“固脚强腰”的加固设计理念，对第1，3和5级坡分别设计采用3排预应力锚索框梁进行加固，锚索长度分别为18.0，22.0和22.0 m，锚固段长度为10.0 m，设计预应力为400 kN，第2级坡采用4排长度为11.5 m的锚杆框梁加固，设计抗拔力为120 kN，其余坡面采用框架植草防护。边坡加固方案变更前后对比如图8所示。对变更方案建立数值分析模型，计算分析边坡在自然和降雨2种工况下的塑性应变分布，如图9所示。
表2 支护结构参数
Table 2 Parameters of supporting structures of the slope
表3 反演分析特征点监测位移与计算位移
Table 3 Back analysis of monitoring displacement and calculation displacement of feature points
表4 不同岩土层参数对比
Table 4 Comparison of rock and soil parameters
图7 不同条件下边坡塑性应变分布
Fig. 7 Plastic strain distributions of slope under different conditions
图8 边坡设计方案变更前后对比
Fig. 8 Comparison of slope design schemes before and after change
图9 方案优化后边坡塑性应变分布
Fig. 9 Plastic strain distributions of slope after scheme optimization
图10 设计优化后边坡深部位移随时间的变化(K443+400断面)
Fig. 10 Change of deep horizontal displacement with time of the slope after reinforcement optimization (section K443+400)
由图9可知：自然与降雨饱水2种工况条件下边坡塑性应变区域及位移变形均处于较小的水平，锚索加固长度穿过潜在危险滑动区域一定深度，边坡安全系数Fs分别达到1.43和1.21，满足设计规范的安全要求[18]。目前该边坡已按变更设计方案完成施工(即表2中施工阶段Ⅴ)，施工期间在边坡K443+400断面第3和4级坡顶平台重新布设2个深部位移监测孔，设计优化后边坡深部位移随时间的变化如图10所示。由图10可知：该边坡深部侧向位移较小，累计侧向位移小于6 mm，边坡处于稳定状态。
4 结论
1) 对于锚索(杆)加固边坡，现场监测内容应当包括地表位移、深部水平位移、锚索张拉力以及现场巡查等。其中，测斜管监测边坡深部位移对边坡的稳定动态非常敏感，可以及时发现边坡滑动趋势，较准确反映边坡潜在滑动面位置。
2) 粉砂岩遇水易于软化，粉砂岩边坡在降雨饱水条件下安全系数显著降低，边坡加固方案设计中应充分考虑降雨因素的影响，边坡施工过程中应及时做好加固防护，做到边坡开挖1级支护1级。当边坡开挖过程中出现崩滑等险情，应立即停止开挖并反压坡脚，在坡面遮盖防水布，防止雨水进一步入渗坡体。
3) 以边坡稳定分析有限元强度折减法计算得到的边坡变形拟合实测变形和滑动面，可以反馈分析确定坡体当前状态的等效力学参数；根据反馈分析得到的坡体等效力学参数，采用有限元数值模拟进一步进行边坡加固方案优化设计，可以确定边坡最终形态以及锚索加固位置、加固长度、加固密度和设计预应力；边坡工后安全监测结果表明边坡处于稳定状态，因此，基于现场监测联合有限元分析方法确定的边坡加固方案是可靠的。
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(编辑 伍锦花)
收稿日期：2018-03-07；修回日期：2018-05-07
基金项目(Foundation item)：国家重点研发计划项目(2016YFC0802500)；广东省交通科技项目(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)
通信作者：汪益敏，博士，教授，博士生导师，从事路基与边坡工程研究；E-mail：ctymwang@scut.edu.cn
