驿宛高速公路路堑高边坡监测与稳定性评价

驿宛高速公路路堑高边坡监测与稳定性评价

段伟强1

支鹏飞2

韩

旭1

（1，北京科技大学土木与环境工程学院北京

100083；2，甘肃省交通科学研究所有限公司）

摘要结合驿宛高速公路一段路堑边坡，介绍了以监测锚杆受力情况判断边坡潜在滑移面和评

价边坡稳定性这一新方法，并在工程中应用。同时，运用FLAC软件对边坡的稳定性进行了数值模拟计算，通过现场监测和数值模拟，判定边坡稳定状态，分析变形发展原因，并对支护效果作出评价。

关键词边坡监测锚杆测力计锚杆轴力稳定性数值模拟

随着高速公路建设向山区的快速发展，路堑高边坡屡见不鲜。高边坡稳定性对高速公路的安全运营具有重要意义，如何有效地监测和加固高速公路高边坡已成为一项重要技术工作。

K4+8301

边坡监测方法

［1］，［2］

边坡动态监测技术，大体可分三大类：（1）外部观测法。包括精密大地测量技术、GPS测量技术、近景摄影测量和INSAR干涉雷达测量等。上述方法皆以坡体表面位移（包括水平位移和垂直位移测量）为观测对象。

（2）内部观测法。将仪器埋入坡体内部，监测坡体在工程实施中各种物理量的变化，以最直观的物理——坡体变形作为主要的观测对象。量—（3）巡视观察法。定期安排地质人员沿一定线路对边坡及可能影响的范围进行巡视观察，观测坡面、地表附近建筑物、构筑物是否有裂缝、是否产生地面鼓胀、局部坍塌，仔细寻找、发现变形迹象及出现的地裂缝的发展变化。

测力计安装位置

图1锚杆测力计安装位置图

2.2结果分析

K4+960断面锚杆受力随时间的变化见图2。

706050锚杆受力/kN908390799072

4030201004月13日4月28日5月13日5月28日6月12日6月27日7月12日7月27日-10

2

锚杆监测及结果分析

驿宛高速公路，是河南省高速公路网总体规划中

—驻马店（河南）—随州（湖北）公路的重要阜阳（安徽）

组成部分，线路位于桐柏山和泌阳的交界地段，山岭绵延起伏，岩石多为强风化玄武岩，地下水位较高，20m以上的路堑高边坡较多。虽采用了挂网锚喷等措施进行防护，但由于地质条件复杂，监测边坡的稳定和变形情况显得尤为重要。本文选取第一合同段内K4+830～K5+030一段高27m的岩质边坡予以介绍，监测期为四个多月。2.1锚杆监测

锚杆的应力变化测试，是为了解张拉过程和锚杆长期工作时应力的变化，以确定边坡的变形情况，防止边坡失稳滑塌。采用GML－3型锚杆测力计进行本项试验。试验内容主要为单根锚杆应力的变化情况。在每个断面上选取一根锚杆作为试验锚杆，每根锚杆上焊接三个锚杆测力计，测量锚杆不同部位的受力情况。

针对此处路堑边坡的高度、地质条件、支护方案以及所要达到的监测目的，锚杆测力计的安装位置见图1。

日期

图2K4+960处锚杆测力计受力图

段伟强，男，硕士研究生。

9079号中部测力计受力最大达62.8kN，从7月24日以后，该测力计基本上保持在62kN左右。外端的9072号测力计最大受力达到了23.7kN，从7月17日以后，该测力计基本上保持在23kN，趋于稳定。从受力图上看出，预计的滑移面位于9072和9079之间，边坡变形基本上趋于稳定状态。2.3影响边坡稳定性的因素

监测边坡位于河南省南部山区，地下水位较高，同时边坡主要是强风化岩石，其中部分为全风化，地下水对边坡的影响极其明显。K4+960处边坡正好位于有地下水渗出的部位，此处锚杆的受力比同处边坡另外两个断面上锚杆受力要大，是由地下水造成的。

除地下水影响外，降雨对边坡的稳定性也有一定的影响。降雨入渗引起边坡稳定性降低，一是使稳定地下水位升高，二是稳定地下水线以上出现暂态饱和区。稳定地下水位的升高是一个缓慢的过程，但一次一定强度、一定历时的降雨，有可能在地下水位以上的大片非饱和区形成暂态饱和区。当雨停后，暂态饱

K5+030+920+960+990·168·

全国中文核心期刊路基工程2009年第1期（总第142期）

和区很快消散，同时地下水位略有上升。暂态饱和区

虽然是暂时的，但对边坡稳定却至关重要，因为暂态水荷载增量远比稳态水荷载增量大，常成为边坡失稳的控制因素。

数值模拟及结果分析

目前，采用强度折减法分析边坡稳定性大都是基于平面应变条件二维有限元模型，对于三维问题研究较少［3］。但在岩土工程中很多边坡问题都属于三维问题，本文采用三维软件FLAC3D对破碎岩质边坡进行分析。

3.1模型建立

K4+960断面岩体为强风化岩石，岩石节理发育，由于当地降雨量丰富，地下水位高，对边坡的影响作用十分巨大。此处边坡高27m，分三级台阶开挖，第一级台阶高8m，坡率1∶0.75；第二级台阶高8m，坡率1∶0.75；第三级台阶高11m，坡率1∶1。模型宽108m，高54m，纵向深8m，见图3。模型左右和前后两侧限制水平移动，即x方向和y方向的位移为零，模型底部固定，即x、y和z方向的位移都为零，模型上边界自由。锚杆采用cable单元，本构模型采用摩尔-库仑准则。

2

3

4

3

1

注：1－潜在滑移面；2－稳定基岩。2

图4开挖后无支护边坡滑移图

由图4看出，边坡开挖完毕后没有支护，边坡存在明显的滑移面，模拟得到的边坡安全系数为1.07，达不到国标对边坡安全系数的要求，因此对边坡要进行锚喷加固处理。

在一、二、三级台阶上，垂直间隔2m打一根锚杆，每级边坡平均三排锚杆，安装锚杆完毕之后进行注浆，坡面采用挂网锚喷和客土喷播植草。

3

1

2

1

注：1－强风化石英片岩和花岗岩；2－灰岩；3－花岗岩；

4－花岗岩和石英片岩。(1为强风化岩层；2、3为中等风化岩层；4为稳定基岩)

图3边坡模拟模型图

模型采用分层处理的方法，最表面一层使用了挂网喷射混凝土处理，厚度约15cm，表面为强风化岩石，中间为中等风化岩石，内部为基岩。各岩层力学参数见表1。

表1

岩石名称强风化中等风化稳定基岩

c/MPa0.050.401.00

202632

注：1－潜在滑移面；2－锚杆；3－稳定基岩

图5支护后边坡变形图

岩石力学参数表

E/GPa136

重度/（kN·m-3）

202528

λ0.390.330.28

从图5看出边坡加锚杆以后，也存在潜在滑移

面，但是潜在滑移面向岩体深层移动，坡脚滑移面位于地面以下，增加了边坡的稳定性，边坡的安全系数

φ/（°）

此处边坡表面采用了挂网锚喷支护，锚杆的各项

参数见表2。

表2

名称参数

E/GPa206

1

2

锚杆力学参数表

准/mm32

L/m9

Fy/MPa225

3.2结果分析

本文的模拟主要分为两个模拟过程：①开挖完毕后没有支护边坡变形模拟；②采用挂网锚喷加锚杆支护后边坡变形模拟，具体见图4～图6。

3

注：1－潜在滑移面；2－监测锚杆；3－基岩

图6锚杆受力分布图

路娟等：软岩隧道围岩位移预测模型的优选研究·169·

软岩隧道围岩位移预测模型的优选研究

路

娟

陈建平

刘玉萍

（中国地质大学（武汉）工程学院湖北武汉430074）（云南省地质工程勘察总公司）

摘要利用三种围岩位移预测模型：GM（1，1）模型、非线性回归模型及单调型系列双向差

分模型在软岩隧道中应用进行了比较，优选出适合于软岩隧道的围岩位移预测模型。

关键词软岩隧道围岩位移预测模型优选

引言

地下隧道稳定位移与失稳时间预测系统，是新奥法地下工程监控设计的基本内容之一［1］。鉴于软岩及硬岩的区别，考虑到软岩流变的特点，为了得到准确的预测结果，必须选择适合于软岩隧道的预测方法。查阅文献表明，许多文献多为单一预测方法在某隧道

［2］，［3］

中的应用研究，没有涉及到预测模型的优选问题。在本文的研究中，作者采用了三种有代表性预测模型进行比选：非线性回归模型、灰色理论模型、单调型系列的双向差分模型。通过三种模型的应用比较，优选出适合于软岩隧道的预测模型。

关键部位的变形特征

软岩隧道围岩预测的关键，就是预测关键部位围岩的变形趋势，通过预测其变形趋势反馈到设计和施工中，修改设U

1计，指导施工

2的顺利进行。

软岩隧道

3

关键部位的变形特征是不稳4定的变形曲线，大体上可分为t［4］

4种线型，见

图1隧道关键部位变形特征图［5］

图1。

路娟，女，硕士研究生。

0

1

2隧道位移预测模型2.1灰色理论GM（1，1）预测模型

灰色理论预测模型中，应用最广泛的是GM

［5］

（1，1）模型，下面简要介绍该模型的原理。

（0）

令X为GM（1，1）建模系列，对X（0）进行AGO生成得到X（1），对X（1）进行均值生成得到MEAN序列（1）Z，建立微分方程

（1）dx（1）

+az（k）=b（1）dt

）转化成矩阵型式，利用最小二乘准则解将式（1

出参数a、b，得到GM（1，1）白化型的响应式

（0）赞（1）（1）-be-ak+bx（k+1）=x（2）

aa

2.2单调型系列的双向差分模型

设建模系列为X（0），X（1）为X（0）的AGO生成系列，（1）

可建立微分方程模型对X（1）dx1）（1）

=b0x（+b1x（3）（0）

dt（0）=1，b0、b1为实常数。利用差分原理解式中X（1）

出参数b0和b1，得到时间响应方程为

赞（1）=x（1）+b0ebk-b0x）（1（4）（k+1）b1

b1

赞（1）得到估计x，再累减得到预测值。

!\"!\"1

（k）

3

工程实例

界碑关隧道为一座分离式高速公路隧道，是十漫

##############################################为1.35，达到了边坡稳定安全系数，同时边坡也没有明显的位移，说明此时边坡已经处于稳定状态。同时也说明对此类岩质边坡进行挂网锚喷支护是合理、有效和可行的。

粘结型锚杆受力主要为拉力，由模拟图可以看出，位于一级台阶最底部的锚杆受力最大，为57.02kN，锚杆穿过滑移面根部锚固在稳定基岩中，有效地控制了边坡的滑移；而现场监测所布设的测力计就在一级台阶最底部的锚杆上，由现场监测数据图2可以看出，锚杆中部所受拉力最大，达到62.8kN，这和数值模拟的结果是相同的。

定性监测提供了新的思路。

（2）通过数值模拟，可形象地表现出边坡变形和锚杆受力情况，为有效评估边坡稳定性提供了有价值的参考数据。

（3）现场监测和数值模拟都存在自身的一些不足，但可以通过比较二者的结果数据，对边坡稳定性作出正确的判断。参考文献：

［1］艾志雄，罗先启，刘波，牛恩宽.FLAC基本原理及其在边坡稳定性

分析中的应用［J］.灾害与防治工程，2006（1）：19-24.

［2］杨明，姚令侃，刘成龙.山区公路斜坡工程外部变形监测技术［J］.路

基工程，2006（5）.

［3］曹平，董志明，姚劲松.岩质边坡稳定性的FLAC3D数值模拟分析［J］.

西部探矿工程，2006（9）：268-270.

4

结语

（1）锚杆受力监测新法，改变了对边坡稳定性监测只以位移和变形监测为准的传统方法，为边坡稳

收稿日期：2008-01-10