基于坡體位移變形監測的路塹高邊坡穩定性分析

阿不力克木·馬合木提

（新疆交通規劃勘察設計研究院有限公司，新疆 烏魯木齊 830000）

引言

隨著我國交通工程的快速發展，山區高速公路大量興建，路塹施工產生大量的高邊坡工程，路塹高邊坡的穩定直接關乎工程施工及后期運營的安全問題［1-3］。為了客觀真實地掌握路塹高邊坡的變形特征、穩定性等信息并及時預警，需要對路塹高邊坡進行實時監測。近年來，國內學者基于邊坡的位移變形監測數據，大量研究了邊坡的變形規律及安全性。魏愷泓等［4］采用地形微變監測儀對邊坡變形進行了監測，得出邊坡支護結構變形總體上具有明顯的區域性差異。劉龍武等［5］通過對某膨脹土開挖邊坡近1 a 的跟蹤觀測，觀測到了邊坡變形的發展階段，推測出了潛在滑動面并歸納出該類滑坡的變形發展特點。馮振等［6］對紅砂巖順層邊坡進行了長期監測，發現邊坡支護后的變形主要由高強度持續性降雨及滑動面向深部發展造成。

1 工程概況

某高速公路ZK57+523—ZK57+705 段左側路塹高邊坡長度為141.3 m。邊坡高度最大為39.2 m。此路段為丘陵形態，山體植被發育良好，地形有較大變化，最小坡角約35 °，最大坡角約邊坡50 °，邊坡分三級開挖。根據現有的地質勘探資料，此路塹邊坡地層主要為砂質板巖，其風化程度從中風化、強風化至全風化。地下水埋藏較深，砂質板巖雖有較發達的裂隙，但裂隙大多被泥質物所填充，裂隙間連通性較差，地下水影響較小，但該地區常年陰雨天氣較多，雨水充沛，邊坡區水源主要來自于自然降雨。

2 坡體位移監測方案及位移計算方法

為了實時連續地掌握路塹邊坡的變形特征，確保邊坡開挖及后續施工的安全，需對坡體位移進行連續監測，采用水準儀和全站儀對邊坡的水平位移和豎向位移進行監測。

2.1 坡體位移監測方案

選取此路段中某高度＞25 m 且坡底長度＞60 m的高邊坡作為主監測剖面，邊坡分三級開挖，每級邊坡平臺設定1 個監測點，設在邊坡平臺中部。邊坡監測方案見圖1，共設有JCD1、JCD2、JCD3 3 個測點，監測周期為140 d。

圖1 邊坡監測點布置

2.2 位移計算方法

利用全站儀測出監測點初始坐標（x0，y0）及后續變化坐標（xi，yi），然后求得累計水平位移及水平位移變化率：

式中：ΔS—累計水平位移，mm；（xi，yi）—監測點第i 次測量平面坐標，mm；ΔSt—水平位移變化率，mm/d；t—監測天數，d。

利用水準儀測出監測點初始坐標z0及后續變化坐標zi，然后求得累計豎向位移及豎向位移變化率：

式中：ΔZt—豎向位移變化率，mm/d；Zi—監測點第i 次測量豎向坐標，mm；t—監測天數，d。

3 邊坡變形規律及邊坡穩定性分析

路塹高邊坡為一級，路塹高邊坡變形預警值依據《建筑邊坡工程技術規范》（GB 50330—2013）及工程概況確定，水平位移和豎向位移預警值見表1。路塹高邊坡施工過程中及監測期間變形量超過預警值，監測人員需立刻發出預警信號，以便及時采取處理方案。

表1 一級邊坡監測參數

3.1 坡體水平位移變化規律及邊坡穩定性分析

3.1.1 坡體累計水平位移

路塹高邊坡監測點JCD1、JCD2、JCD3 坡體累計水平位移隨時間的變化關系見圖2。

圖2 監測點坡體累計水平位移隨時間的變化關系

由圖2 可以看出，3 個監測點累計水平位移隨時間呈現相近的變化規律，前期累計水平位移近似線性增加，中期累計水平位移增加略快，后期變形趨于平緩穩定。前期坡中累計水平位移JCD2 ＞坡頂累計水平位移JCD1 ＞坡底累計水平位移JCD3，中后期坡頂累計水平位移JCD1 ＞坡中累計水平位移JCD2 ＞坡底累計水平位移JCD3。最終坡頂累計水平位移JCD1=22.48 mm，坡中累計水平位移JCD2=21.96 mm，坡底累計水平位移JCD3=20.82 mm。

3.1.2 坡體水平位移變化速率

路塹高邊坡監測點JCD1、JCD2、JCD3 水平位移變化速率隨時間的變化關系見圖3。

圖3 監測點坡體水平位移變化速率隨時間的變化關系

由圖3 可以看出，3 個監測點水平位移變化速率隨時間呈現相近的“M”型增—減—增—減變化規律，前中期變化較大，后期變化率趨于零。坡頂水平位移變化速率JCD1 最大為0.27 mm/d，坡中水平位移變化速率JCD2 最大為0.29 mm/d，坡底水平位移變化速率JCD3 最大為0.29 mm/d。綜上，3 個監測點的累計水平位移均略大于路塹高邊坡累計水平位移預警值，最大水平位移變化速率均略大于路塹高邊坡水平位移變化速率預警值，說明此時邊坡已出現或局部出現失穩風險，對比現場情況，發現坡體表面了局部細小裂縫，此時應加強巡檢，若裂縫有發育傾向應及時采取處理措施。

3.2 坡體豎向位移變化規律及邊坡穩定性分析

3.2.1 坡體累計豎向位移

路塹高邊坡監測點JCD1、JCD2、JCD3 累計豎向位移隨時間的變化關系，見圖4。

圖4 監測點坡體累計豎向位移隨時間的變化關系

由圖4 可以看出，3 個監測點累計豎向位移隨時間的變化關系隨時間呈現相近的變化規律，前期累計豎向位移近似線性增加，中期累計豎向位移增加略快，后期豎向位移趨于平緩穩定。監測周期內坡頂累計豎向位移JCD1 ＞坡中累計豎向位移JCD2 ＞坡底累計豎向位移JCD3。最終坡頂累計豎向位移JCD1=16.51 mm，坡中累計豎向位移JCD2=15.68 mm，累計豎向位移JCD3=15.04 mm。

3.2.2 坡體豎向位移變化率

路塹高邊坡監測點JCD1、JCD2、JCD3 豎向位移變化率隨時間的變化關系，見圖5。

圖5 監測點坡體豎向位移變化速率隨時間的變化關系

由圖5 可以看出，3 個監測點豎向位移變化率絕對值隨時間呈現相近的“W”型增—減—增—減變化規律，前中期變化較大，后期變化率趨于零。坡頂豎向位移變化率JCD1 最大為0.37 mm/d，坡中豎向位移變化率JCD2 最大為0.27 mm/d，坡底豎向位移變化率JCD3 最大為0.22 mm/d。綜上，3 個監測點的最大累計豎向位移均未超過路塹高邊坡累計豎向位移預警值，但最大豎向位移變化速率均超過了路塹高邊坡豎向位移變化速率預警值，且早于累計水平位移或水平位移變化速率預警值出現時刻，說明此時邊坡已出現或局部出現失穩風險，因此，在判斷邊坡穩定性狀況時，應重點關注豎向位移變化速率。

4 結語

（1）累計水平位移和累計豎向位移在前期近似線性增加，中期增加略快，后期豎向位移趨于平緩穩定，整體趨于“S”形變化規律。（2）水平位移變化速率隨時間呈現近似“M”型增—減—增—減變化規律，豎向位移變化率絕對值隨時間呈現相近的“W”型增—減—增—減變化規律，前中期變化較大，后期變化率趨于零。水平位移變化速率在中后期達到峰值，豎向位移變化率在中期達到峰值。（3）最大累計豎向位移未超過路塹高邊坡累計豎向位移預警值，但累計水平位移、最大水平位移變化速率及最大豎向位移變化速率均超過了路塹高邊坡預警值，且最大豎向位移變化速率預警值出現最早，因此，在判斷邊坡穩定性狀況時，應重點關注豎向位移變化率。