高速公路高边坡分级开挖施工现场监测与仿真模拟分析

    杨韬

    

    

    

    摘要：以某市北环路边坡开挖为例，选取典型断面Ⅰ-Ⅰ进行观测，里程为K1+150，对边坡无支护、锚杆支护、框架锚杆支护的三种状态进行了监测，通过三种状态的对比，阐明了锚杆与框架锚杆对边坡的加固作用。

    关键词：边坡；施工监测；仿真模拟

    随着山区工程的不断增加，势必会对自然山坡进行人工改造，从而使山体边坡的应力重新分布，因此在施工过程中，边坡的稳定性是动态变化的。在开挖过程中，施工的支护顺序、降雨都会对边坡的稳定性造成较大影响。因此，对施工现场动态监测、稳定性分析显得尤为重要。

    1 工程概况

    本文以某市北环路高边坡路段为背景，边坡共498m，最高边坡位于道路左侧，高度56m，级数为7级。每级坡率分别为：一级1：0.5，二一五级1：0.75，六-七级1：1，每级高8m，设2m宽平台，其中三级平台加宽3m，六级平台加宽8m，并在中间设置排水沟。每级用框架锚杆加固。

    山麓地带表层以下人工填筑土为主，用作为材料堆放，部分路段设砖厂和预制件堆放场区。开挖山坡顶部有第四系上更新统风积黄土覆盖，中部第三系红色疏松砂岩，坡脚为黄土。线路右侧土体构成，上部为填筑土，下部为粉质粘土，卵砾石层。其中，粉质粘土较纯，呈浅黄，含少量植物根系；黄土土质均匀，厚度10～20m；砂岩结构疏松，含有石英、长石，遇水易软化，易风化。

    2 施工现场监测

    2.1 边坡变形监测的方法

    边坡变形的监测，设置四个观测断面，每级边坡的中点上设置观测点。测点的布置应根据现场的实际情况以及测量原则，在边长约为4cm、中间钻有小洞的有机玻璃上，胶粘上预制好的测点作为现场的观测点。

    2.2 边坡施工期现场监测结果分析

    选取典型断面Ⅰ-Ⅰ进行观测，并做详细的分析，断面里程为K1+150。

    随着施工的进行，根据分析断面上七个观测点水平位移变化可知：

    （1）随开挖的进行，测点水平位移的累计值有增大趋势；

    （2）测点的水平位移受下一级边坡开挖的影响很大，应该及时进行支护处理；

    （3）最大水平位移为4.20m，出现在3#测点；

    （4）从前3个测点可以看出，水平位移出现最大位置在边坡坡脚位置，但是由于监测是在开挖完成后，以及停工的影响，后几个测点没有完全反映这种趋势。

    随着对边坡开挖的进行，从七个测点竖向位移变化图，可知：

    （1）随着开挖的进行，测点位移累计值有增大趋势；

    （2）测点位移随开挖的进行，先增大，然后随开挖的完成慢慢趋于稳定；

    （3）从测点位移来看，沉降量最大位置出现在坡顶，约为4.8cm；

    （4）5#，6#，7#测点的沉降位移较小，可能是边坡卸载，有向上的回弹力，抵消了一部分沉降。

    各观测点的水平和竖向位移速率图，如图1、图2所示。由图可知，边坡在2014/9-10时间段内水平竖向位移速率较大，这是由于第七级边坡的开挖所引起的。而在2014/11-2015/1以及2015/7-2015/8时间段内，边坡水平位移速率较小，原因在于停工修养。在2015/3-2015/4，2015/5-2015/6和2015/9-2015/12时间段内，位移速率相对较大，这是由于后续边坡开挖，打破了原有平衡，导致位移速率相应的增大。

    3 边坡加固仿真模拟

    对边坡的无支护状态、锚杆支护、框架锚杆支护三种状态进行数值模拟，以说明锚杆与框架锚杆对边坡的作用。

    3.1 锚杆的作用

    根据边坡第四级开挖时，无支护和锚杆支护下，水平、竖向位移最大剪应力和主应力变化来分析锚杆对边坡的加固作用。

    （1）加锚杆前后边坡水平位移结果

    比较两者水平位移，无支护8cm，支护7.4cm，比无支护下降了7.5%，而且在加锚杆后，加固区的位移以及变形明显区域都随之减小，这说明锚杆抑制了边坡滑动，加固了边坡。

    （2）加锚杆前后边坡竖向位移结果分析

    从数据分析可知，无支护时竖向最大位移为4.2cm，而加锚杆支护时为3.8cm，下降了9.5个百分点，且锚固区明显被压缩，说明锚杆支护后，对边坡滑动起了抑制作用。

    （3）加锚杆前后边坡最大剪切应变

    边坡最大剪切应变都出现在坡脚附近，即坡脚附近最易发生剪切破坏。加锚杆支护后，相对而言最大剪切应变条带明显减小，说明锚杆的加固提高了边坡的抗剪强度和韧性。

    3.2 框架锚杆的作用

    根据边坡第四级开挖时，无支护和框架锚杆支护下，水平、竖向位移最大剪应力和主应力变化来分析框架锚杆对边坡的加固作用。

    （1）边坡水平方向位移结果分析

    边坡在框架锚杆支护下，最大水平位移为6.2cm，比无支护状态下降了22.5个百分点，且边坡在框架锚杆支护下，比其他两种状态都要稳定。

    （2）边坡竖向位移结果分析

    框架锚杆支护下，边坡最大沉降位移为2.9cm，比无支护下降了31个百分点，即相对于其他两种工况，沉降位移最小，而且从云图可看出，被加固区压缩得也最明显。

    （3）边坡最大剪切应变结果分析

    对比边坡三种状态，框架锚杆支护使最大剪切应变条带下降最明显，说明框架锚杆支护对边坡加固效果最好。

    （4）边坡最大主应力结果分析

    最大主应力分布与上相同，但是框架锚杆支护情况下，边坡表面的最大拉应力为32.4k Pa，比其他两种情况都要小。

    由此可知，相比于锚杆支护，框架锚杆支护对边坡加固效果更好，安全系数最高，如表1所示。

    综上，边坡位移变形、最大剪应变、主应力，在框架锚杆支护下比其他两种工况都要小，且安全系数最高，即框架锚杆支护对边坡的土体有良好的加固效果，对边坡滑动的抑制效果也最佳。

    參考文献：

    [1]何福道.高速公路边坡防护与加固初探[J].公路，2001，（02）：55-57.

    [2]陈秀晖.高速公路滑坡与高边坡病害的治理[J].门窗，2013，（06）：326-328.

    [3]陈祖煜.土质边坡稳定分析原理·方法·程序.北京：中国水利水电出版社，2003.