高速公路黄土路堑边坡变形演化规律研究

2018-10-10侯志峰孙志杰

山西交通科技 2018年4期

侯志峰，孙志杰

（1.山西交通控股集团有限公司临汾南高速公路分公司，山西临汾 042100；2.山西省交通科学研究院岩土与地下工程山西省重点实验室，山西太原 030006）

0 引言

路堑边坡的稳定是边坡安全施工和运营的基本保证，对边坡的稳定性进行合理分析为后期边坡设计施工提供重要的理论依据，对变形进行长期监测可对边坡设计效果进行反馈和评价。当前对边坡稳定性分析的研究[1]分为确定性分析和不确定性分析，确定性分析又分为定量分析和定性分析。定量分析方法[2-4]有极限平衡法、塑性极限分析法和数值分析法；定性分析[5-6]有自认历史成因法、工程类比法、图解法。不确定性分析[7-8]有可靠度分析、模糊综合判断、灰色系统分析、人工智能、突变理论、自组织理论等方法。

在工程实践中，边坡土体的变形监测信息能够直观反映边坡的动态稳定性[9-12]，因此，对边坡进行稳定性分析和研究，同时对边坡实体工程进行现场监测，对公路边坡的设计、施工和运营维护具有非常重要的理论和实践意义。

本文依托吉河高速公路某典型黄土路堑边坡，采用有限元分析软件，对边坡断面进行非线性数值分析，对边坡施工运营过程进行长期监测，揭示高速公路黄土路堑边坡的长期演化规律。

1 工程概况

吉县至河津高速公路起于临汾市吉县，设吉县枢纽互通建立交，与临汾至吉县高速公路相交；止于运城河津市，与河津至运城高速公路相接，全线纵跨临汾、运城两市，途经吉县、乡宁、稷山、河津四县（市），全长53.278 km。

研究区段K7+000—K7+580段地层由第四系中更新统冲洪积（Q2al+pl）黄土（低液限黏土）组成及第四系上更新统风积（Q3eol）湿陷性黄土（低液限黏土）。黄土（低液限黏土）棕黄色，土质较匀，含少量钙质结核及砾石，小孔隙及垂直节理发育，呈硬塑状态，无湿陷性；湿陷性黄土（低液限黏土）浅黄色，土质均匀，结构疏松，大孔隙及虫穴发育，具垂直节理，呈坚硬状态，具Ⅱ级自重湿陷性。研究区段边坡如图1所示。

图1 开挖完成后的边坡

2 边坡稳定性数值分析

2.1 数值模型建立

根据边坡工程的水文地质情况，取断面K7+380处作为分析断面进行数值模拟，边坡计算模型如图2所示。模型高75 m，宽为200 m，其中开挖边坡右侧高25 m，5级平台。图2为边坡二维有限元网格划分图。

图2 模型网格划分

模型材料参数取自吉河高速公路地质勘查报告土工试验结果，见表1。

表1 材料参数表

约束条件：模型左右两侧为水平位移约束边界，底部为固定边界条件，表面为自由边界。在静力计算平衡后，为了减小边界反射波对模型动力响应的干扰，将四周法向约束替换为自由场边界，并将底部边界替换为静边界。

2.2 开挖前后边坡稳定性分析

边坡的稳定性是施工安全进行的关键，原始边坡经过长期地质作用和地质构造，逐渐趋于稳定。但由于开挖扰动，打破了边坡原始的稳定状态，开挖后的边坡稳定性如何，需要借助别的手段进行分析。本文采用有限元方法对边坡开挖前、后的坡体进行对比分析，位移对比云图如图3所示。由于模型尺寸较大，后续分析结果仅展示边坡开挖影响范围内土体的变形和应力分布。

开挖前后边坡最大位移均发生于同一部位，即下边坡坡脚处。开挖后，除下边坡坡脚外，上边坡坡脚处也发生了较大的变形，可见边坡开挖对原始边坡坡体稳定性造成了一定影响，但开挖后边坡稳定性主要由边坡整体稳定性决定，而非上边坡。

边坡开挖前后等效塑性应变对比云图如图4所示。

边坡开挖前后的等效塑性应变云图反应了和边坡位移云图相同的规律，即边坡稳定性由开挖后下边坡坡体稳定性，上边坡基本处于稳定状态。从塑性区分布可看出，开挖前边坡塑性区集中于下边坡坡脚，并向上发展；开挖后，下边坡塑性区基本贯通，下边坡稳定性较小，上边坡基本无塑性区分布。

图3 边坡位移对比云图

图4 等效塑性应变

3 边坡变形监测系统

为清理黄土边坡在施工-工后沉降-运营的整个全寿命周期的变形规律，项目对吉河高速黄土边坡进行了系统调研，选取吉河高速公路K6+000—K8+000段作为监测路段，并在K7+380断面布设监测传感器，对边坡变形进行了为期一年的监测。

3.1 监测内容

根据吉河高速公路黄土路基的特殊地质环境条件，选取路基沉降和边坡侧向变形作为主要监测参数。由于水的入渗和浸泡使得路基土体的黏聚力和内摩擦角值显著降低，从而使路基土体的抗剪强度大大降低，导致路基发生沉降变形。因此对路基沉降的监测能直观反映路基边坡稳定性。

从2.2节数值分析结果可看出，下边坡坡脚变形较大，因为本次监测对下边坡坡脚的侧向水平位移进行监测。

3.2 监测仪器埋设

3.2.1 单点沉降计

路基沉降采用单点位移计进行监测，单点沉降计由位移计、锚头、法兰沉降盘、测杆等部件组成。适用于测量锚头与沉降盘之间土体的变形位移，可进行长期监测和自动化测量。单点沉降计的锚头设置在相对不动点（一般是设置在基岩处），法兰沉降盘则设置在需要监测高程处。当地基下沉时，沉降盘与地基同步下沉，使传感器的活动导磁体在其磁通感应线圈内发生相对滑移，通过读数仪测出位移量，实现沉降观测目的。本次监测采用长沙金码生产的JMDL-4740A型单点位移计，量程为40 cm，精度为0.1 mm。

3.2.2 测斜管

边坡侧向变形采用测斜管进行监测。测斜管通常安装在穿过不稳定土层至下部稳定地层的垂直钻孔内。使用数字垂直活动测斜仪探头，控制电缆，滑轮装置和读数仪来观测测斜管的变形。第一次观测可以建立起测斜管位移的初始断面。其后的观测会显示当地面发生运动时断面位移的变化。观测时，探头从测斜管底部向顶部移动，在半米间距处暂停并进行测量倾斜工作，探头的倾斜度。本次监测采用长沙金码仪器厂生产的JMQJ-7140Y型测斜探头，量程±30°，精度0.1%，配套JMQJ-7000型综合测斜仪。图5为侧向位移现场采集。