高边坡工程稳定监测物理量及其变化的分析

王珍萍，徐岩彬，马洪亮，王永年

（中水东北勘测设计研究有限责任公司科学研究院，吉林长春130061）

高边坡工程稳定监测物理量及其变化的分析

王珍萍，徐岩彬，马洪亮，王永年

（中水东北勘测设计研究有限责任公司科学研究院，吉林长春130061）

针对当前边坡工程安全监测分析工作的需求，须对各类原因量和效应量的变化过程进行监测和分析，通过各种表示方式进行解读。本文通过总结了67个高边坡安全监测的边坡稳定性分析的成功经验，分别对边坡位移量、加固结构荷载、应力、地下水等4项监测物理量与边坡稳定分析有关的典型变化过程、分布、相关关系进行信息加工、解读，为工程边坡和自然边坡的安全监测分析工作提供了参考。

高边坡工程；稳定性；安全监测；物理量解读

岩土工程监测物理量有两大类：原因量，即环境参量，由于它们的变化而引起工程性态的变化；效应量，即结果量，工程对原因量变化而产生的反应。

工程施工期间由于工程条件的变化引起各种物理量的变化，运行期间工程要经受环境作用的变化，并根据环境的变化作出不同性质的反应。因此，原因量和效应量随时间而不断地变化。评价与工程的反应模式有关的关系，必须对这些变化进行监测和分析，通过各种表示方式进行解读。

边坡工程监测的原因量主要有：降水量、卸载量、地下水渗透压力；所监测的效应量主要有：外部水平位移和垂直位移、内部水平位移、锚杆应力、锚索荷载、裂缝开合度、土体饱和度。

本文所研究的67个高边坡中，这些物理量变化历时最长的已有880d。下面就各物理量与边坡稳定分析有关的典型变化过程、分布、相关关系进行信息加工、解读。

1　边坡位移量及其变化分析

边坡稳定性状态的主要表现形式是变形，因此，该工程监测是基于变形理论，以变形变化过程控制理论和坡体与支护结构的相互作用理论为边坡稳定控制的理论基础。边坡稳定性分析与评价，以位移变化过程曲线、分布特征为基本资料，以解读变形量的变化过程与分布的规律和趋势为重要内容。

1.1边坡外部位移曲线分析

外部变形曲线有一个点的位移过程曲线如图1所示，图中反映的是一个点的水平位移及其变化过程，所代表的坡体范围视坡体结构而定，坡体均一的情况下代表的范围大，不均一时代表的范围小。一般可以代表所在的一个坡级的坡段。

在外部变形过程曲线图中，可以解读出坡体的变形状态：变形量、变形速率、变形阶段、对外因的响应强度、变形趋势、失稳时间等，通过回归分析还可以解读出最终变形量，预测未来变形趋势。图1中可以读出：边坡的初期变形阶段历时6个月，变形量为22mm，然后进入稳定变形阶段呈等速变形状态，每年雨季均有变形响应，变形加速，一年比一年的响应强度大，等速变形未见收敛，变形趋势尚未明确。

图1　外部变形变化过程曲线图

图2所示为外部变形分布图，反映的是坡体某一时段的位移矢量分布，其准确度取决于标点数量。

位移分布图的解读应考虑加固结构作用，在分布图上可以解读出：变形量、变形分布的均匀性、加固结构的有效性、内部潜在滑移面的活动状态、边坡开挖回弹变形的状态、坡脚的稳定性等。图2中可以解读出：位移分布均匀性正常，一、二、三级坡加固结构约束有效，边坡变形在控制指标之内，坡脚稳定、没有明显的潜在滑移和不利组合结构面的差异变形。

图2　K32边坡外部位移分布图

1.2边坡内部位移曲线分析

1.2.1钻孔测斜仪观测资料

1）位移—深度曲线，即位移随深度的变化（分布）曲线。内部位移有累计位移与相对位移之分，累计位移是计算点相对于孔底不动点的位移，是根据钻孔测斜仪的原理，将每次之测量值由孔底至计算点逐段累计得出的，所以称为累计位移；相对位移，指计算点每次相对该点初始值的位移变化值。钻孔测斜仪每次测量是沿相互正交的两对槽分别测量的，通常以X表示顺坡倾向，Y方向表示顺边坡走向，两者的合成位移方向是边坡的实际位移方向。钻孔测斜仪的位移-深度曲线有：合成累计位移-深度曲线、X向位移-深度曲线、Y向位移-深度曲线、合成相对位移-深度曲线，相对位移没有做逐段累计计算，因此包含较少系统误差。

2）位移-时间过程曲线。位移变化过程曲线有X方向、Y方向和合成方向的位移变化过程曲线。

3）位移方向-深度曲线，表示相应深度的位移方向，即位移方向随深度的变化。表示位移方向随深度变化有矢量法和数值法2种方式，常用的是数值法。

根据这些曲线可以解读潜在滑移面的位置、深度、厚度、位移大小和速率、滑移方向，结合钻孔柱状图可以查明滑动面的性质。根据过程曲线和方向变化曲线可以判断滑移的变化趋势。从相对位移-深度曲线上很容易发现滑动面的出现；位移变化过程曲线可以解读边坡变形变化趋势和影响变形的因素，位移方向随深度的变化曲线可以解读边坡位移的性状。

1.2.2多点位移计观测资料

多点位移计是水平伸入坡体内，4个点分布在不同深度，该系统对边坡卸荷变形比较敏感，它可以传出精确度较高、连续性好的信息。在其分布曲线图上，根据不同深度测点所测的位移可解读：边坡位移量、位移速率、位移分布、坡体卸荷回弹变形的范围和梯度，从而解读坡体地应力场中卸荷后二次应力范围。在变化过程曲线图上，可以解读：边坡位移量、位移速率、对坡体卸荷反应的长期变化、变化趋势、坡体内部对影响因素的响应强度和深度。

2　加固结构荷载应力及其变化分析

加固结构中的锚索荷载及其变化过程曲线表示了从施工安装张拉、锁定、运行3个过程的锚索荷载的变化，在曲线上可以解读锚索荷载的施工张拉值、超张值、锁定值，从中确定预应力锁定损失和锚索的锚固效果；从运行期的过程曲线可解读：锚索的有效性、预应力变化和坡体变形稳定性，从而可以准确地判断坡体变形与锚索锚固力相互作用状态。

加固结构中，由锚杆应力变化过程曲线及其分布曲线可以解读到：锚杆应力、锚杆应力变化速率、锚杆应力变化趋势等锚杆的工作状态和应力分布，从中判断锚固效果、锚杆的有效性、锚杆最大应力的深度、坡体回弹松动范围和张裂带深度、坡体变形与锚杆相互作用的状态。

根据锚索锚杆的允许使用应力为标准，可以判断设计锚固力的安全度。

3　地下水观测物理量及其变化分析

3.1地下水渗透压力及其变化

地下水渗透压力监测资料中的变化过程曲线和渗透压力分布曲线，可解读出地下水因素的物理量及其变化，地下水位及地下水渗流梯度，为边坡稳定分析提供静水压力和动水压力及其变化，以及地下水的影响范围。

3.2地下水饱和度及其变化

通过监测土的吸力及其变化，确定土体饱和度，从中解读降雨对土体饱和度影响。运用非饱和理论，进行降雨对边坡稳定影响分析。

4　物理量相关关系曲线分析

4.1原因量与效应量相关曲线

该工程监测的原因量中使用最多的是降雨量和加卸荷量，地下水位埋藏较深，监测资料有限，在稳定分析中使用较少，降雨看作是一种加、卸荷作用进行分析。所用的表示方式有：降雨量与位移关系曲线和开挖、锚固过程与位移关系曲线2种。根据相关曲线上反映的原因量的与效应量的变化，可以解读边坡变形对原因量影响的响应强度及其变化。

4.2效应量与效应量相关曲线

在边坡锚固结构与坡体相互作用分析中采用锚索荷载与位移相关曲线和锚杆应力与位移相关曲线。在这些相关曲线上分析加固结构与坡体变形相互协调相互作用的方式，以及各个部位和各个演化阶段的相互作用力的大小，以确定系统的平衡状态及其变化趋势。

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0引言

1002－0624（2015）12－0069－02

2015-08-13