基于支护结构应力监测的边坡稳定性分析

詹伟

摘 要：通過对某高速公路边坡防护结构开展实时应力监测，根据监测数据分析判断边坡施工过程中的稳定状态以及应力损失情况，结合数值分析模型模拟应力损失后的土体受力和位移情况，分析结果表明，监测边坡处于稳定状态。

关键词：应力；监测；边坡；稳定性

中图分类号：U416 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）17-0008-03

Abstract： Through the real-time stress monitoring of the slope protection structure of a certain expressway， the stable state and the stress loss of the slope during the construction process are analyzed and judged according to the monitoring data. Based on the numerical analysis model to simulate the stress loss of soil force and displacement， the analysis results show that the monitoring slope is in a stable state.

Keywords： stress； monitoring； slope； stability

某山区高速公路沿线部分边坡开挖高度高，多采用锚固防护形式，而支护结构的工作应力是影响防护结构安全的重要因素。如果支护结构的工作应力过高，可能使防护设施发生突然破坏，成为工程中的“定时炸弹”；反之，如果工作应力衰减过大，则起不到主动加固岩土体的作用。因此，有必要开展基于支护结构应力监测的边坡稳定性分析技术研究，评估边坡稳定性和安全防护有效性，保证锚固结构安全和边坡稳定性。

1 工程概况

本项目选择位于浙江省某山区高速公路LP02合同段一路堑高边坡作为监测研究对象。该边坡最大开挖高度54.5m，分八级开挖支护，各级防护措施分别为：第一级设挡墙防护，第二、三级设锚杆框格防护，第四、五级设锚索框格植被防护，第六级骨架植草防护，第七、八级边坡高次团粒防护。锚索锚固段全部进入中风化岩层。边坡地质情况如下：坡表分布厚度不等的残破积粉质黏土层，局部为含碎石粉质黏土层，褐黄色，可塑，碎石含量在25%左右，风化强烈，厚约1.0～4.8m，属普通土（Ⅱ）；下伏基岩为片麻岩：全风化，浅黄色、浅灰褐色，砂土状，具有可塑性，厚约10.7～26m，属普通土（Ⅱ）；强风化，变晶结构，片麻状结构，裂隙发育，岩芯呈碎块状及碎屑状，属软石（Ⅳ）；中风化，变晶结构，片麻状结构，节理裂隙较发育，裂隙间由方解石脉充填，属次坚石（Ⅴ）。

2 监测点布设

针对试验监测边坡的防护工程情况，在边坡第四、五级预应力锚索框格防护工程中选择两个监测断面，每个监测断面设置4个测点，开展应力监测。该边坡锚索设计长度为27m～36m，锚固段长度设计值均为12m，锚固力设计值为780kN。监测原理是采用弹性波锚头激振方法实时监测预应力变化，具体监测方法是选择典型锚索埋设压力环进行长期预应力监测，并对无损检测技术提供验证；采用锚头激振技术对预应力锚索的工作应力进行无损检测，对边坡预应力锚索工作应力的整体情况进行评估。

测力计在安装前可以根据工程实际情况进行现场率定。为了保证锚索测力计能够真实反映受力状况，需要在测力计两个端面放置承载垫板，使加载荷载呈均匀分布。同时，承载垫板在加工时应格外小心，表面应平整，如果垫板表面有焊渣等异物，可能导致加载过程中出现读数误差。在正式加压前，应先预压二次，预压时应缓慢施压，并在最大压力处保持一分钟以上。预压结束，测力计应静止10分钟后才能进行正式率定。

根据边坡防护设计要求，测力计安装在锚固端。安装时钢绞线或锚索从锚索计中心穿过，测力计处于钢板和工作锚之间。锚索测力计典型安装示意图见图1所示。

测力计安装完成后，各模块与数据采集仪之间通过电缆连接组成一套完成的应力监测系统，为了方便野外长期监测，为整套监测系统安装了太阳能供电系统，保证监测系统的长期稳定工作。监测系统现场布设图见图2。

3 监测数据分析

应力监测设备安装完成后，采用BSIL-MICRO-MCU测量系统对应力开展实时监测，通过对前期监测数据整理，得到各监测点应力监测数据曲线图，其中一个监测点的监测数据见图3。从监测数据曲线图来看，该边坡锚索预应力趋于稳定，说明该边坡施工过程中处于稳定状态。从监测数据分析可以看出，当锚索锁定后，随着时间的推移，会发生荷载损失，损失率大约在10%～20%。这主要是由于岩土体的压缩、锚索材料的变形松弛等原因造成的。

4 稳定性分析

根据监测点边坡断面截面尺寸及锚索布置情况，采用FLAC 3D数值分析软件建立边坡模型开展边坡稳定性分析，如图4所示。模型建立时的假设条件包括：不考虑Y方向不平衡力对边坡稳定性的影响。边坡侧面采用法向约束，底面采用固定约束。模型建立的过程：先采用弹性模型生成初始地应力场，再降土体定义为摩尔库伦模型，最后添加锚索构件，开始计算分析。

模型分析计算中采用的方法是强度折减法。该方法将边坡刚好达到临界破坏状态时岩土体的抗剪强度进行折减的程度定义为边坡安全系数，也就是岩土体实际抗剪强度与临界破坏时的折减后剪切强度的比值。在分析计算结果时，当安全系数大于1时，边坡处于相对稳定状态；当安全系数小于1时，边坡处于不稳定状态，需要加固措施。

在开展计算分析前，先计算开挖后未采取防护措施时的边坡安全系数，计算结果：安全系数0.92，小于1，说明此时边坡处于不稳定状态。边坡剪切计算云图中可以发现，出现了塑性贯通区，见图5，即出现了潜在滑动面，边坡可能发生失稳破坏。

正式开展计算时，在边坡分析模型中施加防护措施，再次计算边坡的安全系数，结果为1.39，大于1.0，说明边坡在加固后已处于稳定状态。模拟开挖施加防护工程后的边坡剪切应变云图见图6所示，说明锚索加固措施有效阻断了潜在滑动面的发展，边坡防护工程取得了较好的效果，边坡达到稳定状态。

实际工程中，锚索的锚固效果取决于预应力引起的附加应力，而锚索受到岩土体的压缩、锚索材料的变形松弛等诸多因素的影响后，产生预应力损失，使锚固效果产生影响。从现场监测数据来看，该边坡的预应力损失在10%～20%左右，本研究采用数值分析模型模拟锚索预应力损失后的土体受力和位移情况，从稳定性分析结果来看，边坡仍处于稳定状态，说明边坡锚索预应力设计时，已考虑了足够的安全冗余，在长期预应力损失达到20%左右时，仍能保证边坡的安全稳定。

从计算模型分析中可以发现，在锚索发生预应力损失后，土体中产生的附加应力场发生了改变，防护结构对边坡的主动防护效果有所下降。实际工程中，提高预应力设计值可以增强加固效果，但是施工时要求更高的施工工艺、更好的锚索材料以及更高的砂浆强度等，成本大量增加，工程防护的经济性有所降低。因此，应根据边坡实际情况合理设计防护结构，并考虑预应力长期损失后，使剩余应力能够满足边坡稳定的要求。

5 结束语

通过对边坡防护结构开展实时应力监测，根据监测数据分析判断边坡施工过程中处于稳定状态。结合数值分析模型模拟加固前后以及锚索预应力损失后的土体受力和位移情况，从稳定性分析结果来看，边坡仍处于稳定状态，说明边坡锚索预应力设计时，已考虑了足够的安全冗余，在长期预应力损失达到10%～20%时，仍能保证该边坡的稳定性。

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