路堑边坡钢绞线加固的危岩体破解监测评价研究

方 波

(苏交科集团广东检测认证有限公司 广州市 510460)

我国华南地区从上世纪90年代开始，公路与市政道路等工程得到了迅猛地发展。其中，大量的公路及市政道路工程的快速建设，产生了大量的路堑边坡与路堤边坡，一些边坡属于土石混合的二元边坡，因此开挖施工过程中，边坡坡面会产生大量的危岩体孤石，尤其对于一些高度大于20m的陡边坡在施工过程中由于爆破或者破解等工况影响，使得一些孤石危岩体底部基础产生松动，易产生崩塌与落石等安全隐患。国内对于高陡路堑边坡的孤石危岩体通常采用钢绞线进行加固，目前钢绞线加固土石二元混合边坡的危岩体起到了很大的作用效果，此外钢绞线结构在边坡病害整治工程中也发挥了主体作用[1-3]。

采用预应力锚固措施加固土石二元混合边坡的危岩体孤石，其原理是通过钢绞线对边坡坡面危岩体孤石的位移进行约束，增加了坡面危岩体孤石的抗滑阻力，限制孤石危岩体崩落[4-6]。依托广东省某高速公路土石二元混合路堑边坡崩塌防治工程，对该边坡的孤石危岩体在逐级破除过程中的钢绞线应力进行监测，以钢绞线加固路堑边坡坡面危岩孤石体为监测、计算与分析的对象，根据钢绞线的应力监测数据，通过计算分析及时评价坡面危岩体孤石的安全稳定性，为坡面危岩体孤石破除施工提供了安全保障，也为边坡危岩破解下岩石的受力情况提供有效的评估手段和技术参考依据。

1 工程概况

1.1 工程背景

该危岩体路堑边坡高约32～42m，宽约85～95m，坡向北东31°，坡度总体为25°～35°，个别位置有陡坎。该土石二元混合路堑边坡坡面累计有28个危岩体孤石，分别编号为1#～28#，体积约8310m3以上，最大危岩体体积超过1700m3，坡面的28个孤石危岩体四周还有大小不一未编号的孤石，整个孤石体数量多，相互堆叠，关系复杂。路堑边坡施工场地属丘陵地貌，边坡地势呈南高北低，山体山脊位于工作区南侧，山顶海拔约220m，山脚正对高速公路路面，地面标高一般22m。危岩体孤石所处最高点高程约为66m，最低点高程约35m，最大高差约为31m。

1.2 工程地质及水文地质条件

根据野外调查及探槽揭露，场地岩土层主要为粘土层、残积层(Qdel)、边坡北端全风化石碳系下统测水组页岩夹砂岩(南端为全风化白云质灰岩)、北端强风化石碳系下统测水组页岩夹砂岩(南端为强风化白云质灰岩)、弱风化灰岩。

(1)地质构造

该边坡南端发育一断层，由于断层作用，岩层破碎，节理发育，主要岩性为页岩夹砂岩，白云质灰岩。

(2)地层岩性

边坡内地表多被第四系残积层覆盖，北段为全～强风化石碳系下统测水组页岩夹砂岩，南段为全～强风化白云质灰岩及弱风化灰岩。粘土及全～强风化层，为高液限土，具弱膨胀性。

(3)滑坡地质条件

边坡有倒转向斜西翼，出露地层自小里程顺序为C1dz灰岩、泥岩、页岩，边坡南端以后为C2+3ht白云质灰岩。受NE～SW向断裂影响，岩层破碎，在页岩中见有光滑的镜面(结构面)，在下部灰岩中见有断层角砾岩。滑体岩性全风化泥岩、页岩，含水量大，局部土体呈流塑状。

(4)水文地质条件

第四系地层中含少量孔隙水，由于节理裂隙发育，风化层厚，地下水主要为基岩风化裂隙水，据钻探，整个边坡地下水位高于路面设计标高0～7m。

图1 典型危石体孤石状况图

2 钢绞线作用原理及监测方法

2.1 钢绞线作用原理

钢绞线加固高陡边坡坡面危岩体孤石，一般是一端固定于坡体稳固的构筑物，另一端根据孤石体积大小和方位角分别锚固在坡面危岩体孤石上，提高边坡危岩体孤石的安全稳定性，从根本上改善了坡面危岩体的受力性能，有效地控制坡面危岩体孤石的位移、崩塌与掉落，促使其稳定，达到整治危岩、危石的目的[7-9]。在监测过程中，待危岩体孤石上钢绞线处于松弛与绷紧临界点时，分别采集钢绞线的初始应力与不同时间对应的应力值。钢绞线松弛期间其监测出来的位移值或者应力值可能不是来自钢绞线自身真正受力时的应力值。此时的变形量很小，具体如图2所示，根据图2得知，第一段受力段当钢绞线受力逐渐增大至预定张拉力时，以及受到的张拉力达到或大于设计值时，钢绞线随时间变化产生位移量，此时钢绞线的张拉力会传达锚固体内部，钢绞线的位移与应力监测随时间变化缓慢出现。图2的N0代表拐点值；当钢绞线的拉力超过预设值，产生钢绞线受力曲线，若曲线为一次函数时，拉住孤石危岩体的钢绞线没有产生塑性破坏，钢绞线呈现弹性，此时的钢绞线在边坡坡面开挖或者危岩体破解时，危岩孤石体是安全稳定的。如果出现曲线的变化形式，即危岩孤石体存在安全隐患，具体见图2第二段直线段变化；或钢绞线受力持续增大，直到钢绞线个别出现断裂或者破坏，此时钢绞线受力变形图将会呈现曲线的变化形式，不再是一次函数曲线，具体可见图2最后一段线段；因此，通过钢绞线受力监测原理分析可以得知目前该边坡的坡面危岩体孤石安全稳定性。

图2 钢绞线作用原理图

2.2 监测方法

首先将钢绞线表层杂质或者锈蚀物打磨清洗干净，然后用吹风装置风干打磨清洗位置，待钢绞线表面清洁干净后，将应力应变传感器用大力胶固定在边坡危岩体孤石沿着拉伸的方向上，接上MRS-YB型应力应变传感器，用MHY-25460型静态应力应变综合测试仪测试不同时间段内的应变值，然后根据钢绞线的弹性模量与钢绞线的截面积计算出钢绞线沿径向的应力值，根据钢绞线的径向应变、应力值随时间变化监测评价危岩体的安全稳定性，动态调整施工，从而保证破解高陡边坡坡面危岩体孤石施工过程中的安全。

(1)监测布置

现场边坡坡面危岩体孤石钢绞线布置见图3，每个危岩体孤石沿不同方位角布设两个应变传感器，具体部位和传感器数量可根据现场实际动态调整。应变传感器在布置前应进行有无破损观测、粘贴牢固性和防潮检验。由于应变传感器属于精密原件，数量级在微应变级别，在坡面危岩体孤石布置应变传感器时，应缓慢顺势沿钢绞线径向黏贴布设，不可敲击、扰动和锤击，以免损坏应变传感器。

图3 钢绞线应变传感器布置

(2)监测频率

因为边坡坡面危岩体孤石破解时间不同，每束钢绞线应变监测时间各有长短，连续监测时间最长30d，最短时间7d，每一小时监测一次，一天监测8次。

3 监测结果及分析

3.1 数据分析处理

有针对性选取四个典型的危岩孤石体进行监测，数据分析、计算及数据处理过程如下：

(1)采用MHY-25460型静态应力应变综合测试仪对布设在钢绞线径向方位的应力应变传感器逐一连接线路，并监测采集应变数据。

(2)钢绞线(径向方位应力)计算：连续测出平均应变值后，可用下述公式计算钢绞线径向方位拉力P：

σ=ε·E

(1)

P=σ·A

(2)

将(1)式带入(2)式，得：

P=Aε·E

(3)

式中，ε为监测应变值；E为钢绞线弹性模量；A为钢绞线截面积；σ为钢绞线径向方位应力；P为钢绞线径向方位拉力。

边坡坡面危岩体孤石在进行破解施工过程中，及时并连续采集现场钢绞线径向方位应变原始数据并及时进行数据分析处理，得出坡面危岩体孤石钢绞线径向方位最大轴向拉力随不同时间变化规律，动态分析评价边坡坡面危岩体孤石钢绞线径向方位最大轴向拉力随不同时间变化规律，动态分析评价边坡坡面危岩体钢绞线的受力状态。在进行原始数据分析过程中，应根据数理统计原理对一些异常数据进行剔除，并及时进行复测校正。当坡面危岩体孤石钢绞线径向方位轴向拉力—时间曲线趋于收敛时，边坡危岩体孤石受钢绞线径向方位拉力即趋于安全稳定，如图4所示。

图4 钢绞线径向方位轴力时程曲线

3.2 20号危岩体孤石监测结果

根据边坡坡面危岩体孤石加固用钢绞线20号危石所受到的最大轴向拉力随不同时间变化规律见图5，根据图5得知2018年7月26日～2018年8月17日应变监测期间，20号加固用钢绞线所受到的最大轴向拉力在第5～9d有较大起伏，其他时段

图5 坡面危岩体加固用钢绞线20号危石最大轴向拉力与时间关系曲线

的危岩体孤石加固用钢绞线拉力随时间变化小，整个监测时间内最大轴向拉力值不超过80N，钢绞线受到拉力较小。根据钢绞线作用原理评价得知，20号危岩体孤石施工破解过程中是安全稳定的。

3.3 25号危岩体孤石监测结果

25号危岩的监测时间段为2018年8月22日～2018年9月3日，选取钢绞线所受力最大的一天进行分析。根据边坡坡面危岩体孤石加固用钢绞线25号危岩孤石所受到的最大轴向拉力随不同时间变化规律见图6，根据图6得知，钢绞线所受到的轴向拉力随时间变化小，拉力随时间变化处于收敛状态，监测时间内的钢绞线所受到的最大轴向拉力值不超过100N，连续两次监测的受力值变化率不超过5%，受到拉力小。根据钢绞线作用原理评价得知，25号危岩体孤石施工破解过程中是安全稳定的。

图6 坡面危岩体加固用钢绞线25号危石最大轴向拉力与时间关系曲线

3.4 26号危岩体孤石监测结果

26号危岩体孤石监测时间段为2018年7月16日至2018年7月21日，选取钢绞线所受力最大的一天进行分析。根据边坡坡面危岩体孤石加固用钢绞线26号危岩孤石所受到的轴向拉力随不同时间变化规律见图7，根据图7得知， 钢绞线所受到的轴向拉力随时间变化处于收敛状态，监测时段内的钢绞线所受到的最大轴向拉力值不超过100N，受到拉力较小。根据钢绞线作用原理评价得知，26号危岩体孤石施工破解过程中是安全稳定的。

图7 坡面危岩体加固用钢绞线26号危石最大轴向拉力与时间关系曲线

3.5 27号危岩体孤石监测结果

27号危岩体孤石监测时间段为2018年9月27日～2018年10月4日，选取钢绞线所受力最大的一天进行分析。根据边坡坡面危岩体孤石加固用钢绞线27号危岩孤石所受到的轴向拉力随不同时间变化规律见图8，根据图8得知，钢绞线所受到的轴向拉力随时间变化处于收敛状态，监测时间内的钢绞线所受到的最大轴向拉力值不超过90N，连续两次监测的受力值变化率不超过10%，受到拉力小。根据钢绞线作用原理评价得知，27号危岩体孤石施工破解过程中是安全稳定的。

图8 坡面危岩体加固用钢绞线27号危石最大轴向拉力与时间关系曲线

4 结论与建议

(1)根据路堑边坡坡面危岩体加固用钢绞线监测结果得知，四个典型危石体孤石的加固用钢绞线所受最大轴向拉力均不超过100N，坡面危岩体破解施工过程中加固用钢绞线所受拉力小，且所受拉力随时间均处于收敛状态，根据钢绞线作用原理评价得知，四个典型危石体孤石在依次破解施工过程中始终处于安全稳定的，不存在危岩体孤石崩塌掉落等施工安全稳定隐患。

(2)由于路堑边坡危岩体的破解施工会影响坡面危岩体的稳定性，导致危岩体崩塌落石以及边坡岩土体的扰动，因此即使坡面危岩体孤石破解施工完毕后，仍然要对整个边坡定期进行位移和内力监测，确保运营后边坡安全稳定无患。

(3)本文的监测评价方法研究工作对类似的工程具有较大的技术指导和参考借鉴价值。