巖土工程中邊坡穩(wěn)定性分析及監(jiān)測(cè)方法研究①

王偉星 韓侃 蔣育華 朱兆榮 王秉勇

(中鐵西北科學(xué)研究院有限公司 甘肅蘭州 730000)

巖土工程項(xiàng)目邊坡的穩(wěn)定性對(duì)于施工安全可靠的開展有著至關(guān)重要的作用，各種各樣的工程項(xiàng)目建設(shè)離不開對(duì)邊坡的穩(wěn)定性分析。通過邊坡穩(wěn)定性分析，能夠準(zhǔn)確判斷邊坡破壞的程度以及相應(yīng)的檢測(cè)和補(bǔ)救方法，從而能夠有效減少由于邊坡破壞而造成的安全事故，保證施工安全持續(xù)的開展。

1 巖土工程中邊坡穩(wěn)定性的分析方法

1.1 瑞典圓弧法

瑞典圓弧法是比較常見的邊坡穩(wěn)定性分析方法，瑞典圓弧滑動(dòng)面分裂法首先假設(shè)滑動(dòng)面上方的土壤被劃分成多個(gè)垂直的土棒。同時(shí)，明確每個(gè)土層上力矩平衡以及力的分布狀態(tài)可以得到土體穩(wěn)定的安全系數(shù)當(dāng)。土壤決定坡度和滑坡面時(shí)，可以將砂土假定為近似平面，粘土假定為碗狀或者圓柱狀，滑動(dòng)力矩和抗滑力矩之間的比值為邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)。瑞典圓弧法是條分法中最為簡單和可行的方法，在當(dāng)前巖土工程邊坡穩(wěn)定性檢測(cè)中有著十分廣泛的應(yīng)用價(jià)值[1]。

1.2 簡化Bishop法

簡化Bishop法是當(dāng)前邊坡穩(wěn)定性分析和檢測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的一種非嚴(yán)格條分法，Bishop法在計(jì)算過程中沒有考慮豎向剪切力，只考慮水平作用上的力，相關(guān)工程項(xiàng)目計(jì)算人員可以假設(shè)條塊之間只存在水平的推力作用，豎向不存在相互的剪切作用力。通過這些簡化的計(jì)算方法，可以建立起坡體的力矩平衡方程以及整體平衡方程，并根據(jù)極限平衡條件以及實(shí)際的工程項(xiàng)目建設(shè)情況求解安全系數(shù)。但是簡化Bishop法沒有充分考慮到條塊間豎向剪切力的作用，而且沒有考慮每一條塊的力矩平衡條件，使得求解計(jì)算量大大減少。因此，也存在一定的缺陷，使得最終的計(jì)算結(jié)果以及計(jì)算精度并不高，在工程項(xiàng)目建設(shè)要求較嚴(yán)的項(xiàng)目中應(yīng)用不多[2]。

表1 邊坡穩(wěn)定監(jiān)測(cè)技術(shù)

圖1 邊坡穩(wěn)定監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.3 極限平衡法

極限平衡法是基于靜態(tài)平衡的理論應(yīng)用的一種邊坡穩(wěn)定分析方法，在進(jìn)行參數(shù)分析的過程中，既需要充分了解邊坡的應(yīng)力狀態(tài)，而且還需要明確邊坡抗滑力的作用。同時(shí)，要確定邊坡應(yīng)力與抗滑力之間的關(guān)系，通過滑動(dòng)體分塊的力學(xué)平衡方程計(jì)算參數(shù)。在這個(gè)過程中，計(jì)算人員可能遇到非靜態(tài)的問題，這時(shí)需要依托于邊坡的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行改進(jìn)，這樣雖然會(huì)造成計(jì)算的嚴(yán)密性以及分析的準(zhǔn)確性不佳，但是并不會(huì)影響整體邊坡穩(wěn)定性計(jì)算的精度和準(zhǔn)確度[3]。

1.4 數(shù)值分析法

數(shù)值分析法在邊坡穩(wěn)定性分析中的主要應(yīng)用包括有限元分析法、邊界單元法、不連續(xù)變形分析方法以及離散單元方法等。數(shù)值分析方法在邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用可以結(jié)合巖體的破壞規(guī)則以及巖體的實(shí)際狀態(tài)，確定邊坡的拉裂區(qū)、壓碎區(qū)以及塑性區(qū)，從而能夠有效得到巖質(zhì)邊坡的位移場和應(yīng)力場。首先，通過計(jì)算出邊坡那個(gè)單元的應(yīng)力，然后結(jié)合實(shí)際產(chǎn)生的剪應(yīng)力和滑裂面的抗剪強(qiáng)度的比值求得安全系數(shù)。可以將巖土邊坡的安全系數(shù)看作是邊坡，能夠剛好達(dá)到臨界收斂狀態(tài)時(shí)對(duì)巖土體的剪切強(qiáng)度進(jìn)行折減的程度。

2 巖土工程中邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)方法

2.1 設(shè)置邊坡穩(wěn)定監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)

在進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)（見表1）之前，工程項(xiàng)目建設(shè)人員需要針對(duì)邊坡的實(shí)際工作條件以及實(shí)際受力情況進(jìn)行系統(tǒng)科學(xué)的分析，設(shè)計(jì)系統(tǒng)全面的邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（見圖1），及時(shí)發(fā)現(xiàn)邊坡使用過程中存在的問題和風(fēng)險(xiǎn)，并采取有效措施進(jìn)行解決，減少由于邊坡破壞而造成的風(fēng)險(xiǎn)事故。邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、應(yīng)急監(jiān)測(cè)服務(wù)中心這四部分組成。數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以使用各種動(dòng)態(tài)信息采集設(shè)備對(duì)現(xiàn)場的邊坡工作狀況進(jìn)行全面監(jiān)督，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要工作包括控制監(jiān)測(cè)儀器存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和PC端的通信以及嵌入式計(jì)算機(jī)的應(yīng)用等。

2.2 聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是由波導(dǎo)管和傳感器進(jìn)行連接的，檢測(cè)巖土工程邊坡穩(wěn)定性的重要手段，聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在導(dǎo)管內(nèi)部安裝一個(gè)功能全面低壓電能機(jī)，從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)聲發(fā)射的監(jiān)測(cè)，聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有監(jiān)測(cè)范圍大，可以實(shí)時(shí)提供信息的特點(diǎn)，在邊坡監(jiān)測(cè)當(dāng)中，應(yīng)用聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)不僅可以有效監(jiān)測(cè)對(duì)邊坡穩(wěn)定性造成破壞的地層，而且還能夠系統(tǒng)監(jiān)測(cè)邊坡變形情況。在聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)際工作的過程中，巖體受力與巖體聲發(fā)射現(xiàn)象有著很大的聯(lián)系，可以有效監(jiān)測(cè)巖體的動(dòng)態(tài)表征，而且能為工作人員提供比較直觀的結(jié)果，極大地提升了監(jiān)測(cè)的有效性和科學(xué)性，減少監(jiān)測(cè)所需耗費(fèi)的時(shí)間。

2.3 邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)方法

邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)在邊坡穩(wěn)定性的監(jiān)測(cè)過程中有著十分重要的應(yīng)用價(jià)值，該監(jiān)測(cè)技術(shù)融合了SAR技術(shù)具有良好的監(jiān)測(cè)效果，而且監(jiān)測(cè)精度優(yōu)良。當(dāng)前邊坡雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)展的已經(jīng)相對(duì)比較完善，距離分辨率能夠達(dá)到50cm作用的距離，在300～2000m之間對(duì)于邊坡形變的測(cè)量精度可以達(dá)到0.5mm。工作人員在進(jìn)行測(cè)量的過程中，可以通過相位變化的信息對(duì)形變信息進(jìn)行評(píng)估，從而可以有效提升邊坡測(cè)量的精度和準(zhǔn)確性。在邊坡穩(wěn)定性檢測(cè)的過程中，工作人員需要借助邊坡穩(wěn)定雷達(dá)裝置進(jìn)行監(jiān)測(cè)，充分發(fā)揮邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的掃描功能，掃描進(jìn)毫米精度的不同邊坡并進(jìn)行多次掃描，以保證掃描數(shù)據(jù)的真實(shí)性和準(zhǔn)確性。

3 結(jié)語

綜上所述，巖土邊坡穩(wěn)定性分析和監(jiān)測(cè)直接關(guān)系著巖土工程項(xiàng)目的建設(shè)質(zhì)量和建設(shè)水平，需要加強(qiáng)對(duì)巖土邊坡穩(wěn)定性分析及監(jiān)測(cè)工作。通過各種理論和方法促進(jìn)巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析工作的發(fā)展，并加強(qiáng)對(duì)數(shù)學(xué)模型力學(xué)機(jī)理、智能評(píng)價(jià)體系及計(jì)算方法的研究，使得可以在實(shí)際邊坡工程中高效準(zhǔn)確的服務(wù)，保證工程項(xiàng)目順利穩(wěn)定的建設(shè)，促進(jìn)我國建設(shè)行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。