基于IBIS-L的某黄土高填方边坡支护结构变形特征

魏恺泓，裴向军，张世殊，冉从彦，崔中涛，李青春，李进元

1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，成都 610072 2.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059

0 引言

在黄土地区开展工程建设通常需要采用“挖山填沟”的方式，从而达到最大程度的空间利用[1]。然而，在大型填方工程中，边坡的稳定直接关系着工程的安全。不少学者[2-4]认为，填方边坡稳定性影响因素主要为边坡工程地质条件、填料工程特性、降雨入渗以及填筑工艺等。若这些因素在勘察、设计、施工过程中被忽略或不加以控制，极可能诱发不均匀沉降、崩塌、滑坡等地质灾害[5]，同时给人民的生命财产带来巨大损失。为了加固稳定填方坡体，支挡结构一般采用重力式挡墙、桩板墙(锚索桩板墙)、加筋土挡墙以及联合支护等方式[6-7]，但由于设计、施工中存在的风险因素很有可能导致支护失效；因此实时掌握坡体稳定以及支护结构功效需采取有效的监测方法，以保障工程施工期、运营期的安全。

相比全站仪、水准仪等常规测量仪[8-10]，地形微变监测仪(IBIS-L)监测系统具有空间连续覆盖、精度高等特点，其不仅可对滑坡[11-13]等地表变形进行静态监测，也可对建筑物、桥梁、大坝等设施进行动态监测。其精度可达到亚毫米级[14-16]。本文将IBIS-L应用于黄土填方边坡支护结构监测，并结合大体积混凝土温度响应特征，分析其变形规律及特征，以期为预防坡体失稳、灾害发生提供技术支撑。

1 工程概况

研究区位于河南省，原始地形较复杂，为黄土丘陵地貌，细沟、浅沟、切沟均较为发育，地貌上形成天然的Ⅰ沟、Ⅱ沟，原始坡度为50°～70°，高程为408～446 m。填方区域原始边坡呈南北走向，地层岩性为全新统冲洪积物(Q4al+pl)，地基土具有轻微湿陷性，填料为未经工程改良的重塑马兰黄土(Q3eol)。

在实际工程中，采用先支挡后填土的施工顺序进行，主要分为填筑和加载2个阶段：1)填筑阶段将408～430 m高程范围内的沟壑填平，施工时间为2014-03—2014-06；2)加载阶段是将高程为430～446 m的填土压实，该部分支挡结构采用加筋挡土墙，部分填土作为进山公路路基，时间为2014-12-16—2015-01-02。

该工程填方总量达5.12×104m3，最大填方高度约40 m。填方形成长约180 m、平均宽度30 m、坡率为7%的进山公路。边坡采用加筋土挡墙(上部)和锚拉桩板墙(下部)直立护坡形式，平面呈“弧形”分布，抗滑桩共计55根(编号24#—78#)(图1)，设计尺寸为1.5 m×2.0 m～1.6 m×2.4 m，悬臂段20 m，嵌固深度10 m，桩身混凝土强度等级为C30，桩间距3.5 m。锚索采用7 s(1 s锚索长度=15.2 m)，共6道，竖向间距3 m，锚固段长5.0～11.5 m。

2 支护结构变形现状及规律

据现场调查，填方边坡支护结构表征的变形现象为桩基沉降、桩体弯曲、桩板墙开裂(表1)。

初步分析，桩基沉降原因主要为跃进渠沟壁错裂流水渗入对桩基周土产生软化作用，土体遇水后软化，承载力降低，导致桩体冠梁产生明显下挠现象，最大沉降量约20 cm。桩体弯曲是由于墙背土压力以及剩余下滑力对桩体产生剪切作用[17]，在不同桩截面产生弯矩，剪力和弯矩的共同作用造成悬臂段发育“危险截面”。同样，当荷载强度达到设计的抗弯强度时，桩板墙会产生简支梁“鼓胀变形”，背土侧表面为受拉面，拉应力过大导致张拉裂缝逐渐形成，裂缝呈张开度“外大内小”的形态，尤其当填土加载时(平均加载速率为0.86 m/d)变形表现得尤为剧烈。根据现场跟踪统计的加载阶段59#—60#段桩间板裂缝发育过程，分析认为桩板墙裂缝发育数量及延伸高度均与填土高度呈线性关系(图2)。

图1 填方边坡工程地质平面示意图Fig.1 Sketch map of geological plane of slope embankment

变形现象变形强烈区裂缝类型裂缝发育特征典型照片桩基沉降37#—43#段张拉裂缝顶部冠梁发育两类裂缝。Ⅰ类:平行于坡体走向,共35处,最大缝宽约8 mm;Ⅱ类:顺坡向,共24处,最大缝宽约15 mm桩体弯曲34#—60#段剪切裂缝裂缝形成高度为0.6～5.0 m,一般缝宽≤1 mm。Ⅰ类:始于桩体两侧向外表面延伸,发育部位距离嵌固点较低,贯通率较高;Ⅱ类:始于外表面向两侧延伸,发育部位距离嵌固点较高桩板墙开裂23#—46#段47#—66#段张拉裂缝填方高度为20 m时出现裂缝,总数达1 090条。集中分布于0～6 m,12 m以上不发育,其中:0～3 m频率为33%,3～6 m频率为41%,6～9 m频率为21%,9～12 m频率为5%

注：a.桩基沉降；b.桩体弯曲；c.桩板墙开裂。

图2 桩板墙裂缝发育演化与填土高度相关性Fig.2 Correlation between fracture evolution and filling height of pile-slab wall

3 基于IBIS-L的支护结构变形监测及数据分析

3.1 IBIS-L系统介绍

IBIS-L是一种基于微波干涉技术的创新雷达，特点在于集合了步进频率连续波技术(SF-CW)、合成孔径雷达技术(SAR)和差分干涉测量技术，通过SAR获取监测区域的二维影像，通过干涉技术提取目标点的相位变化量[18]。该系统组成分为软件和硬件两部分，硬件由传感器、线性扫描、记录和处理、能量供应4个单元(图3)构成，软件“IBIS Data Viewer”使得后期数据处理非常简便。

3.2 参数设置

为了达到良好的监测效果，监测基站与对象之间需要具备视野通透、距离适宜、保持通电、基座稳定等条件，因此将基站设置于距离对象直线距离145 m、方向角258°的农舍屋顶。监测时间为2015-01-03T19:00—2015-02-14T0:00，按照操作手册，利用PC机中的“IBIS controller”项目设置监测参数(表2)。

3.3 监测数据分析

3.3.1 影像数据质量分析

获取高质量的影像数据是IBIS-L有效监测的前提，而评价监测效果的主要有3个参数指标，即热信噪比(图4a)、估计信噪比(图4b)和相关性(图4c)，三者反映了电磁波的反射强度，强度越高，说明数据越准确。图4测出监测对象热信噪比值达到了30.0 dB以上，估计信噪比值为16.0～23.0 dB，相关性值接近1.0，电磁波的强度达到了较高值，保证了监测数据的准确性。

图3 IBIS-L硬件单元Fig.3 IBIS-L hardware unit

设置项目参数IBIS-L主机离地高度/m5.00天线倾角/(°)5雷达波主覆盖角度(6 dB)/(°)52.2采样频率/(次/h)1距离向分辨率/m0.75角度向分辨率/mrad4.38最远监测距离/m400

a.热信噪比；b.估计信噪比；c.相关性。图4 监测数据可靠性分析Fig.4 Reliability analysis of monitoring data

3.3.2 数据校正

一般情况下，气温、湿度等环境变化会影响电磁波的传播，对监测结果产生一定影响。因此采用控制点(ground control point, GCP)校正扇形监测区域内点的变形-时间曲线，以确保数据的准确性。GCP的选取原则为不受监测对象影响，静态稳定且位移波动范围基本保持在接近0 m的参考点。本次监测选取了位于填方边坡范围以外北西侧的1个点，其相对坐标为x:-11.5 m、y:53.7 m，全过程显示其位移波动范围为-0.68～0.55 mm，因此GCP点的选择是可靠的。

3.3.3 对象点面数据分析

基于目前对象的变形现状以及监测获取的点面位移量，有助于分析其变形过程与发展趋势。IBIS-L系统方向规定：以线性轨道的中心为原点，线性轨道方向为x轴，垂直线性轨道方向为y轴；监测区域位移符号规定背离仪器方向为正，靠近仪器方面为负。

1)对象整体变形

位移云图直观反映出监测整体的变形状况，当监测历时t=306 h时，对象最大变形量值近27 mm(图5)。随监测时间的增长，云图具有明显的区域特征，变形量随时间逐渐增大。其中54#—67#段变形尤为显著，该段分布于“弧形”凸出部位，抗滑桩与桩间板的裂缝也极为发育，与现场调查现状相吻合。

2)监测点位移

系统可分析扇形扫描范围内任一点变形数据。因此，结合变形现状与位移云图，在栅格中选取典型监测点进行分析(表3)。

图6统计出10个监测点历时约15 d的监测数据，根据变形-时间曲线(s-t曲线)可以看出：总体上，Pix1—Pix10位移量随时间不断增长，且无收敛趋势；截至2015-02-14T0:00(监测历时约15 d)，Pix1—Pix10的位移累计量分别达到-10.6、-14.7、-17.2、-23.4、-26.6、-21.8、-19.3、-14.8、-11.6、-24.7 mm。

位移累积量对比得出：sPix5>sPix10>sPix4>sPix6>sPix7>sPix3>sPix2>sPix8>sPix9>sPix1。目前，位移最大的4个点为Pix5、Pix10、Pix4、Pix6(属于54#—67#段)，其次为Pix7(属于68#—78#段)；点位移变化符合云图中颜色区分出的对象区域特征(图5)。此外，在变形量相当的区域，桩板墙墙体下部的变形程度大于墙体上部，监测数据与变形表现出的裂缝发育程度相对应。

图5 监测区域位移云图Fig.5 Displacement variation of monitoring area

监测点代表部位Pix143#抗滑桩上部Pix247#抗滑桩上部Pix352#抗滑桩中上部Pix456#抗滑桩中上部Pix559#—60#桩板墙下部Pix665#—66#桩板墙上部Pix769#抗滑桩上部Pix875#抗滑桩上部Pix945#抗滑桩上部Pix1063#抗滑桩上部

不难看出，各点位移增长规律基本相同，曲线呈“波浪形”。以24 h为时间间隔，15 d内的变形速率差值小于1.3 mm/d，说明总体上呈线性增长，但在24 h内s-t曲线表现出“起伏”现象。

通过监测结果可定性判断，填方边坡支护结构体的变形量存在继续增大的趋势，对于刚性结构体来说，连续无收敛的变形现象大大降低了自身稳定性。抗滑桩与锚索为弹性连接体，抗滑桩的变形同时也侧面反映了锚索的锚拉效应，桩体的位移增量一旦超过极限值，也可能导致锚索失效，最终将导致整个混凝土刚性支护结构体的屈服破坏。此外，变形-时间曲线可为临灾预警判据的研究提供基础数据，并可与抗滑桩、挡土墙微变特征、预应力锚索失效过程、填土体沉降值等相结合，建立有效的高填方边坡变形失稳预警模型。

4 大体积混凝土温度-变形响应特征

监测曲线呈“波浪形”增长，说明支护结构的变形并非静荷载作用下的单因素变形。研究[19]表明，大体积混凝土的总应变包含2部分：一是外力和内部约束力引起的应变，称为应力应变；二是自由体积变形引起的应变，称为非应力应变或自由体积变形。为了研究大体积混凝土具有温度-变形响应这一特征，通过温度监测配合IBIS-L监测。

温度监测过程中2支传感器分别用于测量填方坡体内温度和大气温度，再利用数据采集仪进行数据的采集和存储，采集频率与IBIS-L系统同步。

4.1 温度场条件下的变形“滞后效应”

提取2015-02-11T0：00—2015-02-13T0:00共计48 h的位移、温度数据进行分析，结果见图7。由图7可知：

1)坡体内温度几乎恒定，基本不受大气温度影响，48 h内最大温差仅0.7 ℃。

2)混凝土变形与大气温度场具有相关性，表现为正相关的“滞后效应”。即在变形增加阶段(9:00—15:00)数值上呈线性增加，最终达到峰值，而温度峰值出现在12:00，比变形峰值提前了3 h；当变形降低时，最小变形量较温度最小值也迟滞了3 h。

图6 监测点点s-t曲线Fig.6 Curve of s-tof monitoring points

其原因在于，自然气候环境条件下，混凝土内侧温度响应与环境温度的变化在时间和数值上均存在滞后性，一般滞后1～3 h[20]。因此结构内外侧的温度差形成了温度应力场，产生了热胀冷缩现象。

图7 点位移、温度-时间曲线Fig.7 Point displacement and temperature time curve

4.2 定量分析升温滞后变形量

抗滑桩悬臂段目前的变形属于弹性变形阶段，应力与应变关系符合胡克定律；因此采用考虑温度变化时静定结构位移计算方法[21]，研究温度场条件下悬臂端任意一点K的水平位移Δks(图8)。

由于混凝土内侧温度的滞后响应，在数值上混凝土内侧温度等效为大气3 h前温度(T内侧=T大气3h前)。因此由图8可得，结构外侧温度为T1，结构内侧温度为T2。在变形增加阶段(9:00～15:00)，可以将T1、T2等效为12:00和18:00的大气温度，由温度监测结果，11日、12日变形增加阶段，结构两侧平均温度差(ΔT=T1-T2)分别为5.5 ℃和6.9 ℃。

考虑温度变化时K点的水平位移计算公式为

(1)

dφT=(αT2ds-αT1ds)/h=αΔTds/h。

(2)

实际情况下，抗滑桩为等截面杆件，则有

(3)

x. K点与嵌固点O的距离，m；h.截面厚度，h1、h2.轴线距离两端点距离(h取1.6 m)；FK=1，为虚拟状态中的单位荷载；α.材料线膨胀系数；图的面积。图8 静定结构温度变化时的位移与虚拟弯矩示意图Fig.8 Displacement and virtual bending moment diagram of statically indeterminate structure with temperature variation

根据式(3)可以求解桩任意一点K的变形量：

Δks=10-5ΔTx2/3.2。

(4)

由式(4)计算当ΔT=5.5 、6.9 ℃，x取值为0～20 m时的桩身变形量(水平位移)，结果见表3。

表3 桩截面在温度场下的变形量

对于静定结构，除荷载外，其他任何外因均不引起内力，只有在温度发生变化时，材料会热胀冷缩，使结构产生变形和位移。IBIS-L系统位移监测数据显示：第11、12天变形增加阶段监测点变量范围为3.89～6.18 mm，其中Pix8(即75#抗滑桩上部)变形量(膨胀量)分别5.42、6.18 mm(投影到水平方向分别为5.39、6.15 mm)，因此考虑温度变化时位移理论计算结果与实际监测结果相吻合，定量揭示了桩体白天变形量急增以及s-t曲线呈“波浪形”增长的现象。

5 结论及建议

基于IBIS-L的某黄土高填方边坡支护结构变形特征与温度场响应的研究，得出以下结论：

1)通过开展某黄土高填方边坡支护结构的现场跟踪调查，得出其变形特征主要表现为桩基沉降、桩体弯曲、桩板墙开裂；经过分析统计，构建了桩板墙裂缝延伸高度、数量分别与墙背填土高度呈线性“概化模型”。

2)通过影像数据质量分析、GCP点数据校正，保证了IBIS-L监测数据的真实性。截至2015-02-14T0:00，对象最大变形量近27 mm；边坡支护结构变形具有明显的区域差异性，其中54#—67#段(“弧形”凸出部位)变形尤为显著；而在同一垂直方向，桩板墙墙体下部的变形程度大于墙体上部。

3)监测点位移增长规律基本相同，s-t曲线呈间隔24 h“波浪形”增长，且表现出“无收敛”的增长趋势，说明支护结构稳定现状较差。而对于刚性结构体来说，连续无收敛的变形现象极有可能导致边坡整体失稳破坏。

4)将温度监测与IBIS-L监测同步进行，采用考虑温度场的静定结构位移计算原理，定量计算出在升温条件下桩体的滞后膨胀量(变形量)，其值与监测结果相吻合，从而揭示了大体积混凝土具有温度-变形响应特征。

针对边坡支护结构目前的变形现状，建议采取适宜的工程措施进行防范，为防止雨季强降雨对填方边坡稳定性的影响，应及早封闭地表水下渗；若发现上部加筋土挡墙段出现较大尺寸变形，应及时削方减载；适量减少填方体上部荷载，减少较大施工器械碾压或振动作用；增加监测手段，做到全方位监测，建立有效的灾害预报预警机制，确保工程安全。