跨断层破碎区高路堑边坡施工稳定性分析及监测方案
2022-08-15申梦龙段小健方存星
申梦龙,段小健,方存星
(中交第二航务工程有限公司,湖北武汉430000)
0 引言
随着公路边坡工程建设的发展,不同地质条件下的高边坡稳定性分析一直是研究的重点方向。通过地质断层两盘之间相互运动使附近岩石破碎产生与断层面大致平行的断层破碎带软弱夹层,其力学强度、变形模量及抗压强度较低,导致在施工开挖过程中容易使边坡受力稳定性变差,产生不利的应力变形,形成潜在的土体滑动面,从而导致边坡产生开裂、变形失稳或引发滑塌等灾害。因此,研究在断层破碎带地质条件下的公路边坡施工稳定性监测及分析具有重要意义。
相关学者也对施工过程中的路堑边坡稳定性进行了研究。例如刘宏力等[1]通过对某高速公路断层破碎带边坡的设计变更、施工过程变形开裂及治理,分析了断层破碎带对公路边坡工程稳定性的影响,得出失稳边坡的特征,并提出失稳边坡下滑力较大时采用抗滑桩支挡是最理想的处治措施。张殿义[2]利用有限元模型对断层破碎带顺层岩质高路堑边坡稳定性进行分析评价,得出影响该类边坡失稳因素主要为其破碎带软弱夹层强度较低,并结合外界降雨下渗导致边坡出现失稳。秦浩、陈千寻等[3]通过利用三维弹塑性有限元模型来模拟含破碎岩体边坡开挖过程位移变形,并结合现场边坡施工地质数据和实测位移数据来反分析计算参数,从而得到最接近实际的最优模型计算参数,为复杂地质条件下信息化施工设计提供了一种新方法。因此,针对风险因素,除了对高边坡制定对应的施工方案和处治措施,还应结合边坡变形监测进行稳定性分析和预警。
当前,相关技术的发展和完善使得监测效率与精确程度得到提高,如采用自动化设备、结合北斗卫星定位系统的GPS技术、物联网技术以及三维激光扫描技术等方式,这些技术的使用结合传统方法使得对边坡监测过程中能够及时预测与分析边坡变形趋势,并指导于优化施工方法,从而避免边坡出现垮塌等严重的地质灾害。
本文以靖黎高速K44+960—K45+210 段断层破碎带高路堑边坡为研究对象,针对断层破碎带的特性对典型高路堑边坡施工稳定性的影响进行分析计算,并根据分析结果制定相应的监测方案,最后通过实地监测得到的数据来分析说明断层破碎带对边坡稳定性影响的变化规律,其结果可为高路堑边坡施工方案制定、优化及监测方案的编制提供指导。
1 工程概况与分析模型
1.1 工程概况
靖黎高速公路第三合同段起于靖州县平茶镇,终点位于湘黔界的界牌,路线全长15.893km。本项目地处云贵高原东部斜坡边缘,雪峰山脉西南端。项目区位于低山丘陵地质区,地形起伏变化较大,地层岩性较为单一,但风化程度变化较大,路线所经走廊带主要地貌为构造剥蚀低山、丘陵地貌,微地貌为低山丘陵间盆地、河谷、沟谷地貌。地势整体南西侧高、北东低,山体走向多为北东向,山坡自然坡度在30~45°之间,标高多在400~600m 之间。其中,F2 正断层与线路于K45+300m 处以40°夹角斜交,正断层产状为130~150°∠70°,断层影响范围60~100m。受构造影响,该段岩体节理裂隙较发育、劈理发育、岩石风化强烈,构造范围内出漏碎石土、软弱夹层、碎裂岩。
1.2 设计情况
项目设计土质边坡垂直挖方高度超过20m或岩质边坡垂直挖方高度超过30m 定义为深路堑。K44+960—K45+210段边坡全长250m,本段整体地形起伏较大,地质地层主要由粉质黏土和风化泥质粉砂岩构成。边坡最大挖方处位于K45+040 处,约60m,一级坡率为1∶0.75,二~六级坡率为1∶1.1,一、二、三级边坡的边坡防护形式主要采用锚索框架梁镀锌铁丝网植草防护、锚杆框架梁镀锌铁丝网植草防护,其他级边坡防护形式主要采用拱形骨架镀锌铁丝网护坡、TBS植物护坡等形式护坡。
1.3 分析模型
施工开挖时的扰动和卸荷作用会对边坡的稳定性产生一定影响,边坡在施工中采用“分级开挖,分级支护”的原则,但实际操作中因天气等不确定因素的影响,难以完全及时进行支护施工,因此开挖过程对边坡的稳定性影响不容忽视。在风险系数较高的边坡开挖中,先进行模拟计算,得到最不利条件,可辅助制定相关预案,做到有的放矢。
在本次数值模拟中,采用MIDAS/GTS岩土数值分析软件,其适用于断层边坡稳定性分析计算,且可以较好地进行复杂地质情况的受力及相关工程场景分析,同时具有自动划分网格、映射网格等高级网格划分功能。边坡主体采用摩尔-库伦单元模型,根据选定边坡的实际工程数据和设计勘察资料对其进行简易化设置。边坡破碎带软弱夹层埋深8.41m,倾角顺坡向10°,层厚1.5m,采用软蠕变单元模型。该边坡开挖模型最终建立尺寸为高81.4m,长156.52m,共建立1 930个单元网格。
在模型边界约束条件上,由于采动影响范围有限,在离边坡较远处岩体位移值将很小,可将计算模型边界处位移视为零。因此,模型计算域边界采取位移约束,即模型底部所有节点采用X、Z两个方向约束,两侧采用X方向约束。在地应力设置方面,由于产生地应力的因素十分复杂,至今无法通过数学计算或模型分析方法得到地应力的大小和方向。在参考了相关文献资料的基础上,结合边坡实际构造,水平应力与垂直应力均取值为1。
深挖路堑边坡施工采用“横向分层、纵向分段,阶梯掘进、逐级开挖、逐级防护”的方式。结合边坡实际情况,在模型建立中共分6次模拟开挖卸载对边坡稳定性的影响情况。其中,1、2、3 次开挖时开挖边界位于软弱夹层之上,4、5、6 次开挖时开挖边界位于软弱夹层之下,模型图如图1所示。数值分析采用有限差分强度折减法,模拟了边坡开挖全过程边坡体的受力等情况,从而分析开挖过程对稳定性的影响。
图1 边坡开挖数值模拟图
2 边坡稳定性分析
2.1 边坡开挖位移规律分析
利用MIDAS/GTS 岩土数值分析软件计算分析边坡初识状态以及各分级开挖过程中的位移,依据计算结果可知:
(1)边坡在初始状态下处于不稳定状态,若无任何防护措施边坡极易发生坍塌。计算模型可知初始状态水平位移最大为0.296m,最大位置位于坡脚位置;竖向位移最大为8.76cm,最大位置位于坡顶斜坡中部。
(2)完成第二步开挖后,水平位移和竖向位移分别为7.5cm,1.29cm,相较初始状态分别减少74.66%,85.27%,说明开挖产生的卸荷作用对加强边坡稳定性起积极作用。
(3)第三步至第六步边坡开挖过程中,边坡最大水平和竖向位移有所增大,但整体为下降趋势,最大水平位移量由18.41cm 降至11.27cm,最大竖向位移量由7.24cm 降至4.39cm,水平最大位移位置从原来的坡脚位置转移到道路软弱面露出位置,竖向最大位移位置则由坡顶斜坡中部转移至原始边坡坡顶位置。
2.2 边坡开挖塑性区规律分析
依据MIDAS/GTS岩土数值分析软件计算,边坡在初始状态下的安全性系数为0.969,边坡处于不稳定状态。潜在滑动面位于坡顶到坡脚的圆弧面上,塑性区开展位于坡顶到坡脚的大部分区域以及中风化岩的部分区域。
第一步开挖后,边坡安全性系数提升不明显,由0.969 提升至0.971,但是塑性区范围发生了较大变化。主要由于开挖的扰动作用破坏了边坡原有的状态,塑性区有了明显的变化,此刻正处于动态的平衡调整过程;第二至第三步开挖时,边坡稳定性逐渐提升,安全性系数分别为1.05和1.21,边坡稳定性呈逐步上升趋势,塑性区较第一次开挖有减小趋势;第四至第六步开挖时,边坡开始出现双潜在滑移面,分别位于软弱面露出位置以及坡脚位置到坡顶的圆弧上,可明显看出软弱面出露位置剪应力增大明显,安全性系数略有降低但仍处于稳定状态,塑性区开始向坡脚位置延伸。
结合位移变化规律来看,虽然在开挖完成后边坡会逐步趋于稳定状态,但在开挖过程中边坡仍处于不稳定状态。破碎软弱带位置及坡顶位置位移变化相较初始状态有所增大,有向外位移的趋势。并且随着开挖进程破碎带软弱面受剪应力和塑性变形增大,连接坡顶的圆弧部分有潜在滑移趋势。坡脚处的位移变形及剪应变强度也相对较大。因此,需要在实际开挖过程中,结合前文的数值模拟情况及主要危险区域位置,对破碎软弱夹层位置及坡脚处进行监测,防止出现边坡滑移现象。
3 监测方案制定与分析
结合稳定性计算分析结论,在实际施工过程中,针对此高路堑边坡制定对应的监测方案,并通过监测数据分析边坡的位移变形趋势,以达到预防滑坡等灾害的目的。
3.1 监测方案制定
根据现场实际状况,监测指标主要为地表位移和深层位移两项,并结合现场巡查结果对边坡稳定性进行分析。地表位移观测点采用C25 水泥混凝土预制桩,以边坡挖方高度最高点断面为基准断面,向两边每40m布设一个观测桩,在每级平台处布置2~3 个,平台间交错布置,总计布设25 个观测桩。对处在破碎软弱夹层附近平台处可以适当加密布置数量。深层位移观测点主要为埋设测斜管,布置在平台的典型断面处,总计布设3 根,由于前期计算中第3 级平台位置为滑动带出露,因此在第三级平台位置布置2 根,桩号分别为K45+000 处断面和45+040 处断面上。在K45+040 断面坡脚位置处也布置1根,加强对断面的监控。地表位移监测点与深层位移监测点应随边坡施工开挖进度及时埋设点位,从而及时了解边坡位移变化规律。对于地表观测点,除了满足尺寸及埋深要求外,顶部应安装强制对中装置,保证观测在误差范围之内。
现场巡查频率在施工期一周巡查3~4 次,主要是对边坡是否出现裂缝、坍塌、下陷或坡体变形等情况进行调查,地表位移和深层位移的监测周期与降雨量相对应;旱季和少雨季每周观测1次,雨季则根据实际天气情况安排观测时间,雨后数天内每天观测1次。
3.2 水平位移监测分析
该边坡于2020 年8 月开始施工开挖,随着施工进度逐步布设监测点,在此选取2020 年9 月至2020 年11月布设在破碎软弱带附近的监测点G5、第一级平台处的G13观测点分析,截取部分监测数据对边坡稳定性进行分析。结合之前模拟计算结果可知,在实际开挖过程中位移变化基本符合模拟计算结果规律。
监测点G5 最大水平位移累计值为95.3mm,监测点G13 最大水平位移累计值为60.5mm。由于边坡施工开挖时处于雨季,且G5 点处于破碎软弱夹层带上,因此该点在上层边坡开挖过程中受到施工和降雨影响较大,累计水平位移增速较快,后期随着逐渐向下开挖增速放缓。G13处于坡脚位置,随着上层开挖卸荷作用,受力作用减小,累计位移增速也逐渐减小。
结合之前模拟计算结果可知,在实际开挖过程中位移变化基本符合模拟计算结果规律。整个开挖过程中,坡脚由于卸荷影响受力减小,稳定性增加,累计位移变化减小;处于破碎带上的监测点累计位移逐渐比坡脚位置的监测点累计位移变化量增加,说明开挖过程中破碎带附近受剪应力强度增大,稳定性减弱,有向外位移的趋势。因此需要做相应的坡面防护,防止雨水等外界因素影响,导致破碎软弱区域沿滑动面产生失稳滑坡灾害。
3.3 深层位移监测分析
由于K45+040处为最大挖方深度且前期计算时第三级台阶处存在滑移趋势,对处于该点CX1 孔的监测数据进行分析。由于施工开挖扰动影响和雨水冲刷导致破碎软弱夹层位置强度降低,影响边坡整体稳定性。因此,CX1 点在9 月份位移变化量较大且存在突变点,在后续9、10月份施工方对边坡整体及时做了相应的防护和排水措施,且未发生较大的降雨,使位移变化量逐渐降低,边坡位移降低。
4 结论
边坡的稳定性控制是工程施工的关键问题之一,其影响因素也非常多。本文结合靖黎高速第三合同段K44+960—K45+210 段高路堑边坡施工,采用数值模拟的方法对路堑边坡在施工过程中的稳定性进行分析,并结合实际观测数据对数值模拟、监测方案进行了佐证,主要结论有:
(1)结合地勘数据可采用MIDAS/GTS 岩土数值分析软件对边坡稳定性进行分析,对跨断层破碎区边坡滑动区域较普通边坡有所区别,方案的编制需计算分析后确定。
(2)K44+960—K45+210 段高路堑边坡监测方案可行,通过对边坡开展监测可明晰各个时期边坡位移情况,在施工过程中根据监测数据完善不同时期的边坡处理或加固处治措施。