高速公路黃土路塹邊坡變形演化規(guī)律研究

侯志峰，孫志杰

（1.山西交通控股集團有限公司 臨汾南高速公路分公司，山西 臨汾 042100；2.山西省交通科學研究院 巖土與地下工程山西省重點實驗室，山西 太原 030006）

0 引言

路塹邊坡的穩(wěn)定是邊坡安全施工和運營的基本保證，對邊坡的穩(wěn)定性進行合理分析為后期邊坡設計施工提供重要的理論依據(jù)，對變形進行長期監(jiān)測可對邊坡設計效果進行反饋和評價。當前對邊坡穩(wěn)定性分析的研究[1]分為確定性分析和不確定性分析，確定性分析又分為定量分析和定性分析。定量分析方法[2-4]有極限平衡法、塑性極限分析法和數(shù)值分析法；定性分析[5-6]有自認歷史成因法、工程類比法、圖解法。不確定性分析[7-8]有可靠度分析、模糊綜合判斷、灰色系統(tǒng)分析、人工智能、突變理論、自組織理論等方法。

在工程實踐中，邊坡土體的變形監(jiān)測信息能夠直觀反映邊坡的動態(tài)穩(wěn)定性[9-12]，因此，對邊坡進行穩(wěn)定性分析和研究，同時對邊坡實體工程進行現(xiàn)場監(jiān)測，對公路邊坡的設計、施工和運營維護具有非常重要的理論和實踐意義。

本文依托吉河高速公路某典型黃土路塹邊坡，采用有限元分析軟件，對邊坡斷面進行非線性數(shù)值分析，對邊坡施工運營過程進行長期監(jiān)測，揭示高速公路黃土路塹邊坡的長期演化規(guī)律。

1 工程概況

吉縣至河津高速公路起于臨汾市吉縣，設吉縣樞紐互通建立交，與臨汾至吉縣高速公路相交；止于運城河津市，與河津至運城高速公路相接，全線縱跨臨汾、運城兩市，途經(jīng)吉縣、鄉(xiāng)寧、稷山、河津四縣（市），全長53.278 km。

研究區(qū)段K7+000—K7+580段地層由第四系中更新統(tǒng)沖洪積（Q2al+pl）黃土（低液限黏土）組成及第四系上更新統(tǒng)風積（Q3eol）濕陷性黃土（低液限黏土）。黃土（低液限黏土）棕黃色，土質較勻，含少量鈣質結核及礫石，小孔隙及垂直節(jié)理發(fā)育，呈硬塑狀態(tài)，無濕陷性；濕陷性黃土（低液限黏土）淺黃色，土質均勻，結構疏松，大孔隙及蟲穴發(fā)育，具垂直節(jié)理，呈堅硬狀態(tài)，具Ⅱ級自重濕陷性。研究區(qū)段邊坡如圖1所示。

圖1 開挖完成后的邊坡

2 邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析

2.1 數(shù)值模型建立

根據(jù)邊坡工程的水文地質情況，取斷面K7+380處作為分析斷面進行數(shù)值模擬，邊坡計算模型如圖2所示。模型高75 m，寬為200 m，其中開挖邊坡右側高25 m，5級平臺。圖2為邊坡二維有限元網(wǎng)格劃分圖。

圖2 模型網(wǎng)格劃分

模型材料參數(shù)取自吉河高速公路地質勘查報告土工試驗結果，見表1。

表1 材料參數(shù)表

約束條件：模型左右兩側為水平位移約束邊界，底部為固定邊界條件，表面為自由邊界。在靜力計算平衡后，為了減小邊界反射波對模型動力響應的干擾，將四周法向約束替換為自由場邊界，并將底部邊界替換為靜邊界。

2.2 開挖前后邊坡穩(wěn)定性分析

邊坡的穩(wěn)定性是施工安全進行的關鍵，原始邊坡經(jīng)過長期地質作用和地質構造，逐漸趨于穩(wěn)定。但由于開挖擾動，打破了邊坡原始的穩(wěn)定狀態(tài)，開挖后的邊坡穩(wěn)定性如何，需要借助別的手段進行分析。本文采用有限元方法對邊坡開挖前、后的坡體進行對比分析，位移對比云圖如圖3所示。由于模型尺寸較大，后續(xù)分析結果僅展示邊坡開挖影響范圍內土體的變形和應力分布。

開挖前后邊坡最大位移均發(fā)生于同一部位，即下邊坡坡腳處。開挖后，除下邊坡坡腳外，上邊坡坡腳處也發(fā)生了較大的變形，可見邊坡開挖對原始邊坡坡體穩(wěn)定性造成了一定影響，但開挖后邊坡穩(wěn)定性主要由邊坡整體穩(wěn)定性決定，而非上邊坡。

邊坡開挖前后等效塑性應變對比云圖如圖4所示。

邊坡開挖前后的等效塑性應變云圖反應了和邊坡位移云圖相同的規(guī)律，即邊坡穩(wěn)定性由開挖后下邊坡坡體穩(wěn)定性，上邊坡基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。從塑性區(qū)分布可看出，開挖前邊坡塑性區(qū)集中于下邊坡坡腳，并向上發(fā)展；開挖后，下邊坡塑性區(qū)基本貫通，下邊坡穩(wěn)定性較小，上邊坡基本無塑性區(qū)分布。

圖3 邊坡位移對比云圖

圖4 等效塑性應變

3 邊坡變形監(jiān)測系統(tǒng)

為清理黃土邊坡在施工-工后沉降-運營的整個全壽命周期的變形規(guī)律，項目對吉河高速黃土邊坡進行了系統(tǒng)調研，選取吉河高速公路K6+000—K8+000段作為監(jiān)測路段，并在K7+380斷面布設監(jiān)測傳感器，對邊坡變形進行了為期一年的監(jiān)測。

3.1 監(jiān)測內容

根據(jù)吉河高速公路黃土路基的特殊地質環(huán)境條件，選取路基沉降和邊坡側向變形作為主要監(jiān)測參數(shù)。由于水的入滲和浸泡使得路基土體的黏聚力和內摩擦角值顯著降低，從而使路基土體的抗剪強度大大降低，導致路基發(fā)生沉降變形。因此對路基沉降的監(jiān)測能直觀反映路基邊坡穩(wěn)定性。

從2.2節(jié)數(shù)值分析結果可看出，下邊坡坡腳變形較大，因為本次監(jiān)測對下邊坡坡腳的側向水平位移進行監(jiān)測。

3.2 監(jiān)測儀器埋設

3.2.1 單點沉降計

路基沉降采用單點位移計進行監(jiān)測，單點沉降計由位移計、錨頭、法蘭沉降盤、測桿等部件組成。適用于測量錨頭與沉降盤之間土體的變形位移，可進行長期監(jiān)測和自動化測量。單點沉降計的錨頭設置在相對不動點（一般是設置在基巖處），法蘭沉降盤則設置在需要監(jiān)測高程處。當?shù)鼗鲁習r，沉降盤與地基同步下沉，使傳感器的活動導磁體在其磁通感應線圈內發(fā)生相對滑移，通過讀數(shù)儀測出位移量，實現(xiàn)沉降觀測目的。本次監(jiān)測采用長沙金碼生產(chǎn)的JMDL-4740A型單點位移計，量程為40 cm，精度為0.1 mm。

3.2.2 測斜管

邊坡側向變形采用測斜管進行監(jiān)測。測斜管通常安裝在穿過不穩(wěn)定土層至下部穩(wěn)定地層的垂直鉆孔內。使用數(shù)字垂直活動測斜儀探頭，控制電纜，滑輪裝置和讀數(shù)儀來觀測測斜管的變形。第一次觀測可以建立起測斜管位移的初始斷面。其后的觀測會顯示當?shù)孛姘l(fā)生運動時斷面位移的變化。觀測時，探頭從測斜管底部向頂部移動，在半米間距處暫停并進行測量傾斜工作，探頭的傾斜度。本次監(jiān)測采用長沙金碼儀器廠生產(chǎn)的JMQJ-7140Y型測斜探頭，量程±30°，精度0.1%，配套JMQJ-7000型綜合測斜儀。圖5為側向位移現(xiàn)場采集。

圖5 邊坡側向變形數(shù)據(jù)采集

4 邊坡變形演化規(guī)律

4.1 路基沉降

K7+380斷面路基沉降時程曲線如圖6所示。

監(jiān)測斷面于2014年11月5日布設，從整體趨勢看，不同位置處路基沉降規(guī)律相同，即：在傳感器埋設初期（前16 d），由于路基各結構層的鋪設，路基沉降量顯著增加；第16天～第32天，沉降又有增大；第32天～第55天，沉降有小幅減小；第55天以后，路基由于土體固結等因素，緩慢增大。

圖6 K7+380斷面路基沉降曲線

4.2 邊坡側向變形

K7+380斷面邊坡坡腳側向變形曲線如圖7所示。

圖7 K7+380斷面邊坡側向變形曲線

從圖7可看出，側向變形整體趨勢為從邊坡坡表到深部，側向變形逐漸減小；在距坡腳5～10 m以及15～25 m范圍內的部分側向變形曲線均出現(xiàn)了一個由大減小的變化過程，分析是由于黃土的直立性導致測斜管與孔壁接觸不充分導致的。

5 結論

通過對路塹邊坡開挖前后的穩(wěn)定性進行數(shù)值分析和對路基邊坡的變形長期監(jiān)測，得到邊坡變形長期演化規(guī)律，研究表明：

a）采用數(shù)值分析結合現(xiàn)場監(jiān)測相結合的手段，可以很好地指導施工，優(yōu)化設計參數(shù)，保證邊坡施工安全。

b）邊坡在坡體中部進行開挖時，開挖后邊坡穩(wěn)定性由下邊坡穩(wěn)定性決定，上邊坡基本趨于穩(wěn)定。

c）在路基鋪設的初始20～30 d，由于路基結構荷載作用所產(chǎn)生的路基沉降占總沉降量的約40%，而后路基沉降變形速率趨于穩(wěn)定，但在將近一年時間內，路基基本處于沉降狀態(tài)，直至275 d以后，路基沉降趨于穩(wěn)定。