基于數(shù)值仿真和北斗定位的宜威高速某邊坡穩(wěn)定性研究

許守輝 董成斌 王躍鋒 戴金平 杜峰

邊坡開挖加固可有效預(yù)防邊坡災(zāi)害的發(fā)生，開展邊坡穩(wěn)定性研究可顯著提升邊坡施工的安全性和科學(xué)性。本文以宜威公路K35+160.0～K35+220.0邊坡為研究對象，采用有限元數(shù)值模擬對邊坡開挖前穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測，依托北斗定位技術(shù)對邊坡開挖后穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測，并將仿真與監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行相互驗證。數(shù)值仿真結(jié)果表明，開挖后坡體內(nèi)部出現(xiàn)明顯滑移，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，在支擋施工完成后穩(wěn)定性出現(xiàn)顯著提升；北斗監(jiān)測結(jié)果表明，在施工完成后，邊坡最大位移出現(xiàn)位置與仿真結(jié)果一致，且實際位移更小，邊坡實際穩(wěn)定性更優(yōu)。本研究為深路塹邊坡施工提供了理論指導(dǎo)，為邊坡穩(wěn)定性相關(guān)研究提供了新的路徑。

邊坡災(zāi)害與地震、火山噴發(fā)并稱為全球三大地質(zhì)災(zāi)害，對邊坡開挖加固是當(dāng)前應(yīng)對邊坡災(zāi)害的主要方法。然而，邊坡是否適合開挖、開挖是否穩(wěn)定、開挖后是否穩(wěn)固已成為邊坡研究的重難點。

彭遠(yuǎn)煌等人通過有限元分析對某邊坡穩(wěn)定性開展預(yù)測，并對邊坡開挖過程進(jìn)行模擬；帥紅巖等人借助有限元強度折減法對邊坡安全系數(shù)進(jìn)行預(yù)測，證明該法在邊坡穩(wěn)定性仿真中的有效性；李春輝等人對邊坡穩(wěn)定性分析方法進(jìn)行綜述，表明現(xiàn)有研究以計算機數(shù)值模擬仿真為主，現(xiàn)有研究中實際施工與仿真結(jié)果關(guān)聯(lián)性不強，缺乏邊坡開挖前、中、后一體化系統(tǒng)性研究。

基于上述背景，本文以宜威公路K35+160.0～K35+220.0深路塹邊坡（簡稱K35邊坡）為例，開展開挖前穩(wěn)定性預(yù)測和開挖后穩(wěn)定性監(jiān)測相結(jié)合的邊坡系統(tǒng)性研究，采用有限元分析軟件對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行仿真分析，采用北斗監(jiān)測技術(shù)對開挖后的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測，進(jìn)而將監(jiān)測與仿真結(jié)果進(jìn)行相互對比驗證。

一、項目概況

宜威公路K35邊坡為深路塹邊坡，位于四川省珙縣上羅鎮(zhèn)附近。地勘結(jié)果表明，邊坡所處地形陡峻，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，邊坡穩(wěn)定性差，對該路段的安全運行帶來潛在風(fēng)險，急需進(jìn)行開挖加固。根據(jù)現(xiàn)場地勘資料，開挖后的邊坡由六個坡面和五個平面構(gòu)成，包含粉質(zhì)黏土、強風(fēng)化泥質(zhì)白云巖和中風(fēng)化泥質(zhì)白云巖三種材料，三種材料的地層參數(shù)依次為：承載力150、1610和2700kPa；密度1.8、17.5、17.5g/cm3；彈性模量250、480和1800MPa；抗剪強度φ為9、11和20度，c為10、12和22 kPa。

二、研究方法與過程

1.數(shù)值仿真方法與過程

數(shù)值仿真采用Midas對邊坡開挖過程的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行有限元分析，并借助強度折減法計算邊坡安全系數(shù)。Midas是一款專門針對巖土與隧道工程領(lǐng)域模擬仿真的有限元軟件，在巖土數(shù)值仿真領(lǐng)域具備精細(xì)的幾何建模、網(wǎng)格劃分和圖形處理功能，已廣泛應(yīng)用于邊坡相關(guān)的數(shù)值仿真。

（1）模型構(gòu)建

根據(jù)現(xiàn)場邊坡地勘資料，繪制了邊坡在K35+200處的開挖橫斷面圖1（1），在Midas中構(gòu)建等比例的仿真模型，其中巖土體采用修正的Mohr-Coulumb本構(gòu)模型模擬，混凝土框架、錨桿、錨索采用彈性本構(gòu)模型模擬。土體的初始剛度、粘聚力和摩擦力參數(shù)與地層參數(shù)一致；破壞比Rf設(shè)置為0.9；標(biāo)準(zhǔn)排水三軸實驗割線剛度E50ref設(shè)為Ei×(2-Rf)/2；卸載/重新加載剛度設(shè)為9E50ref。

圖1 K35邊坡

（2）模擬過程

根據(jù)邊坡實際開挖流程，數(shù)值仿真過程依次為初始地應(yīng)力場計算、邊坡開挖施工計算、不含支擋穩(wěn)定性分析、支擋施工計算、包含支擋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析五大步驟。邊界條件設(shè)置為底部完全固定約束，側(cè)面施加法向固定約束，模型上表面為自由邊界、無約束。

2.北斗監(jiān)測方法與過程

北斗定位技術(shù)依托于北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)，通過北斗定位基站與衛(wèi)星間的交互，可精確得到基站與衛(wèi)星的間距。

上式中，Ri為基站到衛(wèi)星i的間距；c為光速；tr為接收機測得的信號到達(dá)時間；dtr為基站與衛(wèi)星的鐘差；ts為衛(wèi)星測得的信號發(fā)射時間；xi、yi、zi為衛(wèi)星i坐標(biāo)；x、y、z為基站坐標(biāo)，當(dāng)衛(wèi)星超過4顆時，即可得到基站的精確三維坐標(biāo)。

監(jiān)測過程中，將北斗基站置于邊坡滑移面中，選取開挖后邊坡的第一、三、五斜坡層作為基站置放層，每個置放層平均放置3個基站，形成3×3的網(wǎng)格狀分布結(jié)構(gòu)。通過北斗數(shù)據(jù)管理平臺將各基站監(jiān)測的動態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析，即可獲取不同時刻各基站坐標(biāo)值。

三、結(jié)果分析

1.數(shù)值仿真結(jié)果分析

（1）初始場地平衡

首先進(jìn)行初始場地平衡模擬計算，此時邊坡的總位移設(shè)為0mm，實現(xiàn)清除初始位移場、保留初始應(yīng)力場的目的。

（2）邊坡開挖施工

開挖后邊坡位移如圖1（2）所示，X、Y、Z方向的最大位移分別為1.6cm、0mm、7.5cm，處于坡中位置。通過強度折減法計算得坡體安全系數(shù)為1.02。邊坡安全性不符合《公路路基設(shè)計規(guī)范》中高速公路深路塹邊坡安全系數(shù)需大于1.3的規(guī)定，必須進(jìn)行支擋加固。

（3）支擋結(jié)構(gòu)施工

支擋結(jié)構(gòu)施工完成后邊坡位移如圖1（3）所示，坡體在X、Y、Z方向的最大位移依次為1.4cm、0.1mm、7.3cm，出現(xiàn)在坡中位置，計算得坡體安全系數(shù)為1.45，與支擋施工前相比，支擋結(jié)構(gòu)的增加能夠顯著抑制卸荷回彈量，有效提高了坡體穩(wěn)定性，滿足國家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。

2.北斗定位監(jiān)測結(jié)果分析及對比

通過對邊坡各基站一個月內(nèi)的位移進(jìn)行監(jiān)測，將基站在X、Y、Z方向上的最大位移進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果如圖2所示。

圖2 北斗基站在X、Y、Z方向的最大位移

結(jié)果表明，邊坡在X、Y、Z方向最大位移分別為13.08mm、2.64mm和40.8mm，最大位移出現(xiàn)于5號和8號基站。將模擬仿真結(jié)果相對比，X方向上，仿真結(jié)果為1.4cm，北斗監(jiān)測為1.308cm，兩者幾乎一致；Y方向上，仿真結(jié)果為0.1cm，北斗監(jiān)測為0.264cm，微小誤差可歸因于實際邊坡所處環(huán)境更為復(fù)雜，而模擬仿真為簡化的理想環(huán)境。Z方向上，仿真結(jié)果為7.3cm，北斗監(jiān)測為4.08cm，差距為3.38cm，該誤差歸因于數(shù)值仿真中支擋施工過程存在結(jié)構(gòu)簡化，而實際支擋施工更為復(fù)雜。

四、結(jié)語

本文以宜威公路K35邊坡為例，基于數(shù)值仿真和北斗定位技術(shù)，開展邊坡開挖前穩(wěn)定性預(yù)測和開挖后穩(wěn)定性監(jiān)測。數(shù)值模擬結(jié)果表明，邊坡開挖后的安全系數(shù)為1.02，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，支擋施工后，安全系數(shù)提升為1.45，邊坡穩(wěn)定性顯著提升。北斗監(jiān)測結(jié)果表明，邊坡在X、Y、Z三個方向的最大位移分別為13.08mm、2.64mm和4.08mm，實際監(jiān)測結(jié)果比仿真結(jié)果更優(yōu)。本研究為宜威公路K35邊坡施工提供了理論指導(dǎo)，為邊坡穩(wěn)定性領(lǐng)域提供了新的研究路徑。