多级超高边坡开挖过程变形监测与工况模拟研究

    曹蕾

    摘要：本文以某多级高边坡工程为案例，通过检测开挖过程变形以及以第一监测面重点分析x轴和z轴的变形趋势，模拟分析了边坡模型在支护与非支护状态下开挖的数值。

    关键词：多级边坡；变形监测；数值模拟

    1工程概况

    x高边坡工程（K0+100-K5+100）位于山脚位置，该位置在土方挖取工程量方面需求很大，挖方坡率分段设计为K0+400-K1+498，其中左侧高度较高，边坡高度最大为72m。左侧挖方边坡坡率第一级为1：0.5，二至五级边坡为1：0.75，六至九级为1：1，高度均为8m，均有宽度为2m的平台，三级平台宽度为6m，六级则增加至10m，各个平台均设排水沟，若超过九级，则进行削平处理。

    2开挖过程变形监测

    2.1开挖过程变形监测数据采集

    在完成各级边坡施工作业后，需要对其进行检测工作，九级边坡最先完工，由此可知，观测数据工作初始开挖点为九级边坡，开挖后每开挖一级边坡需要进行一次测量，同时要确保此前的边坡测量工作，一直要等开挖过程未造成大扰动后可停止作业。每级边坡一共有5个监测点，分成九级布置，监测点共计45个，以横截面计算共计有五个监测面，其对应的历程面分别为：K0+400、K0+500、K0+600、K0+700、K0+800，各个监测面每级坡有一个测点，合计九个测点，在此重点分析K0+400里程面以及K0+800里程面的x轴与z轴的变形数据。

    2.2数据分析

    （1）x轴方向变形分析

    以x轴正方向表示水平指向坡外的变形，通过收集水平变形情况，得出各个检测点的变形如图1所示。

    基于图1可以了解，在边坡开挖的作业过程中，各级测点水平变形表现出一个递增的变化，变形的方向均朝坡外变形，这也说明在施工过程中产生的失稳现象主要是坡外变滑移、裂缝现象。这是由于各级的边坡监测工作在开始阶段的时间有差异，最早的为9-1CD，最迟的为1-1CD，因此在图1中出现了相应的时间差。测点变形在开始时，变形均表现为快速骤升，此后随着开挖的继续，会逐步进入一个缓慢变化的过程，最终则达到一个稳定的阶段，越进行变化越来越少。由此可以证明，各级边坡在开挖过程中，最大变形时间段是在开始进行开挖后，此后随着开挖点距离更远，相对应的变形也会随之变少。同时，挖的深度越深，产生的变形也将加快。

    （2）z轴方向变形分析

    在检测过程中，以z轴正方向表示竖直向下的变形，通过分析可以了解：各级测点的变形与x轴相似，测点变形在开始时，变形均表现为快速骤升，此后随着开挖的继续，会逐步进入一个缓慢变化的过程，最终则达到一个稳定的阶段，越进行变化越来越少。从本质上来讲，开挖其实就是一个对应力释放的过程，使得边坡达到一个稳定期，前期由于对边坡应力释放的量较少，因此开挖对本级变形会产生较大的影响力，而对其他级则会产生较低的影响力。当开挖处于缓慢增长时，这说明开挖级数与数值位移的关系处于正比，也就是級数越低，变化也少。一、二级测点变形均为竖直向上，表明开挖后边坡均出现了隆起的现象，突出的最大高度有7.6mm。三级测点在开始阶段出现了沉降，但随着施工的推进，其变形也在逐步消失，最后只有轻微的隆起现象。

    3开挖过程工况模拟

    3.1不同开挖时步对边坡剪切应变的影响

    与未支护情况相同，在完成第九至六级边坡后，剪切应区域发生降低的现象，然而在支护后其分布面积全部低于未支护的情况，这证明支护能够有效稳定边坡，并且在施工过程中，剪切应变最大峰值均分布于边坡坡脚位置，能够证明边坡最易失稳的区域为坡脚位置附近。

    3.2不同开挖时步对边坡水平位移的影响

    边坡支护开挖施工中，各个测点的水平位移增量值变化情况在支护以及未支护的条件下大致相同，均表现为沿坡面中部测点位移最大，坡顶位置位移最小。高级数坡比低级数坡在施工过程中更容易趋向稳定，低级坡开挖后期的水平变形相比较大。支护边坡在挖到中部时，水平变形较为平缓。表明开挖过程应力重新分布产生的挤压作用于锚杆上，能够有效控制变形的趋势。

    3.3不同开挖时步对边坡竖直位移的影响

    边坡支护开挖模拟过程中，边坡及时支护工况开挖过程中各级测点的竖直位移增量变化与未支护的情况具有一定的差异，坡度级与变化呈现正比，即级数越高变化越大。支护坡在坡顶开挖后竖直方面更容易趋向稳定，在整个开挖施工中，均有一定的变形情况发生，然而坡级越低，开挖后期竖直变形时间更为短暂，是以变形量较低方式趋于稳定。第一、二级坡产生的最大回单隆起为19.64mm，相比于未支护的22.1mm，数值更低。支护的边坡竖直变形相比与未支护的能够更为平缓，第四至第六边坡稳定时间也更短，因此可以得出结论：支护措施能够对竖向变形产生一定的控制效果。