开挖边坡变形监测及稳定性分析

孙 元，田维强，林德洪，杨晴雯，杨 峥

(1. 贵州省地质矿产勘察开发局 第二工程勘察院，贵州 遵义 563000； 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，四川 成都 610059； 3. 西昌学院 土木与水利工程学院，四川 西昌 615000)

开挖作为常见的人类工程活动，广泛应用于水电工程、路基工程、基建工程等领域。但由于开挖削方破坏了原始坡体地形地貌和应力状态，会引起坡体形变破坏，给工程活动构成威胁，甚至造成损失[1-2]。

对开挖边坡防护主要包括监测和支挡两方面[3-4]。开挖过程中，通过变形监测可预测开挖边坡变形趋势、指导施工、反馈设计[5]；开挖边坡支档防护后进行监测，可了解支挡结构物变形、内力变化，对支挡结构物受力情况进行判别，而可对变形发展趋势做出预测，判断边坡稳定状态以及结构物工作状况[6]。对于某些复杂地质条件下的开挖边坡，甚至需要边开挖边支档，实时监测边坡动态。因此，边坡支护监测对于边坡稳定性评价和支挡效果评价具有十分重要意义[7-9]。

笔者以贵州西北某开挖边坡为例，通过近2年来的变形监测数据，分析了该支档边坡变形特征和趋势，进一步揭示了边坡变形影响因素，从而检验了边坡支挡设计与施工效果，并对边坡长期稳定性进行了评价。

1 边坡基本特征

研究区位于贵州省西北部，因城区改造，进行边坡开挖。该开挖边坡由呈南北延伸的1、2号边坡组成。1号边坡长191 m，高差7.4～14.9 m，位于研究区中部；2号边坡长45 m，高6 m，位于研究区东部(图1)。

垂直于1、2号边坡布设3条勘探线(剖面1-1、2-2、3-3)，平行于1号边坡布置一条勘探线(剖面4-4)(图1)。沿4条剖面线共计布设20个钻孔(图2)。

根据钻探揭露，研究区地层从上而下由3部分组成：① 上部土层主要为0.5～4 m的人工填土，包括建筑垃圾，毛石混凝土地基基础及回填灰岩碎石、块石、黄砖等，结构松散，透水性强；② 中部为5.4～15 m的浅黄色、灰黄色碎石粉质黏土层，碎石主要为砂质泥岩、泥岩风化产物，1～10 cm粒径占80%，最大粒径达20 cm；土体结构松散，透水性强，该层是边坡结构主要物质组成部分；③ 下部为二叠系上统龙潭组(P3l)泥岩、砂质，岩层产状为73°∠11°，连续性好，结构较为完整。中部土层土体塑性指数为16.8，土体饱和密度为20 kg/cm3，天然密度为19.4 kg/cm3，饱和状态下黏聚力为30 kPa，内摩擦角为13.8°。干燥状态下下部砂岩单轴抗压强度为43 MPa，饱和时为29 MPa；泥岩天然单轴抗压强度为10 MPa，饱和时为8.9 MPa。

大气降水是城内地下水主要补给来源，雨季主要集中在每年4～9月，旱季集中在1、2、12月(图3)。钻孔揭示，边坡地下水埋深5～8 m，钻孔地下水平均水位4～7.0 m，涌水量300～400 m3/d，渗透系数为1.37～6.77 m/d。

2 边坡支护概况

1号边坡以土质边坡为主，上部土层最大厚度为12 m，若不支护可能产生土层内圆弧型滑动破坏，或沿基覆界面滑动；2号边在开挖前虽有浆砌石挡土墙支挡，但挡土墙基础埋深较浅(0.8～1.2 m)，加之施工场地距离该边坡底部较近，且由于工程平场需0.5～1.0 m开挖，若不支护，施工扰动可能导致该边坡支挡措施变形。

1号边坡在监测前采用削方减载+抗滑桩+连接梁+止水帷幕的支护方案进行支护(图4)。抗滑桩桩身为C30混凝土浇注，桩顶设连接梁，与桩主筋连接，梁身为C30混凝土浇注。1号边坡的A-B-C段，分A、B两类桩，A1～A14为直径1.5 m的圆形桩，桩心距为3.0 m，桩长22 m，嵌固段为11 m；A15～A26桩长20 m，嵌固段为10 m。B类桩为直径1.5 m的圆形桩，桩心距为3.0 m，桩长20 m，嵌固段为10 m，共计25根，如图4。

图4 1号边坡支护工程Fig. 4 Supporting project of 1# slope

2号边坡支护目的是保护现有挡土墙基础及对墙身加固(图5)，采用的支护方案是抗滑桩+承台+挡土墙+墙后回填。抗滑桩为直径0.9 m的圆形桩，桩心距为4.0 m，桩长为3.1 m；承台为钢筋混凝土，采用C30混凝土浇筑；承台顶部采用钢筋混凝土挡土墙对2号边坡原有挡土墙进行加固，挡墙断面呈梯形，墙背直立，挡墙采用C20进行浇筑。所有支护结构施工于2015年5月完成。

图5 2号边坡支护工程Fig. 5 Supporting project of 2# slope

3 监测布置

为获得支护后边坡变形特征，并对变形发展趋势做出预测，笔者对边坡变形及地下水进行了长期监测。监测内容包括深部位移监测和地下水动态监测。监测平面布置见图6。

图6 监测布置平面Fig. 6 Plane of monitoring arrangement

测斜仪测试工作原理是测定探头以铅垂线为基准的弧角变化[10]。测斜仪安装于钻孔内(ZK15、ZK11、ZK7、ZK1)，定名为J1～J4监测点。同时在测斜孔底部安装渗压计。最终获得边坡岩土体深部位移与地下水位变化关系曲线。

监测工程始建于2015年5月，2015年6月—2015年10月期间监测沿钻孔深度的变形，获得变形与钻孔深度的对应关系。监测包括平行边坡走向方向和垂直边坡走向方向；2015年12月—2017年6月期间则在J1、J3监测点钻孔的上、中、下这3个位置(距离孔顶位置分别为4.5、10、14m)安装固定测斜仪，进行长期监测，并分析固定位置位移随时间变化。

4 边坡监测结果及分析

4.1 位移基本特征

图7为2015年6月—2015年10月位移监测结果。图7分为垂直边坡和平行边坡两组方向，前者负值代表坡面向外方向，后者负值代表沿坡走向向北方向。

图7 2015年6月—2015年10月监测结果Fig. 7 Monitoring results from June to October 2015

由J1监测点结果显示：垂直边坡走向方向〔图7(a)〕，6—8月的变形基本为正值，9、10月的变形基本为正值；这说明此监测位置初期以向坡内变形为主，随着时间推移而产生向坡外的变形，且随着时间增加，向坡内变形量逐渐减小，向坡外变形量逐渐增大。平行边坡走向方向〔图7(b)〕，6—9月的深度6～8 m以上位移为正值，向下变形为负值；这表明此监测点深部有向北的变形，随着时间推移向北方向变形量逐渐增大。向坡外及与沿剖面走向向北方向最大变形量分别为3.1、6.9 mm。在深度为14 m附近，曲线随着时间变化发生分离，暗示潜在破坏面可能在该深度产生。由剖面图可看出(图2)：此深度对应的是覆盖层厚度，说明J1监测变形是由于覆盖层变形引起的，潜在滑动面可能位于基覆界面。

由J2监测点可看出：无论垂直还是平行边坡产向方向，随时间增加变形量逐渐增大；各监测曲线均在12 m处产生向坡外和沿坡走向向北的位移。12 m深度以下位移基本为0，向上位移逐渐增大；到约10 m时，其位移增幅达到最大；10 m以上位移基本不变，表明该位置潜在破坏面位于12 m深度处。在垂直剖面方向〔图7(c)〕，变形最大值达25 mm；沿坡走向向北方向〔图7(d)〕，位移最大值达9 mm。由剖面图可看出(图2)：12 m基本对应覆盖层厚度，表明J2位置仍为覆盖层变形。

J3、J4这两处监测点位移-孔深变化规律与J2基本相同，两处位移突变位置均发生在约13 m孔深处〔图7(e)～(h)〕，表明潜在破坏深度为13 m。J3监测点坡外变形最大值达33.5 mm，沿坡走向向北变形量达22 mm〔图7(e)、(f)〕；J4监测点坡外变形最大值达26.3 mm，沿坡走向向北变形量达24.5 mm〔图7(g)、(h)〕。

从变形曲线上可看出(表1)：除J1点曲线相对不规则，其余点变形曲线均可明显确定潜在破坏面位置，且各点潜在破坏面以上不同深度变形量变化不大，表明沿潜在破坏面以上土层发生了整体滑动变形。这4个监测点确定的潜在破坏面深度基本一致，为12～13 m。通过对比可看出：J3、J4变形量大于J1、J2，J1变形量明显小于其余3点，J2～J4点垂直边坡走向变形均大于平行走向。

表1 位移监测结果统计Table 1 Statistic results of deformation monitoring

图8为2015年12月—2017年6月的长期位移监测结果。由J1监测结果可看出：中部和上部位移有增大趋势，但位移增量均很小；至2017年6月，上、中、下这3个位置位移收敛。J3测点的3个位置位移值均较小，但从2016年6月开始，中部位移快速增加，最大值达18 mm，至2016年11月增长停止，而后收敛，基本无变形产生；上部位移从2016年9月开始增长，最大值约4 mm，至2016年11月增长停止，而后逐渐收敛。位于14 m深度的下部位移无明显变化。

图8 2015年12月—2017年6月监测结果Fig. 8 Monitoring results from December 2015 to June 2017

4.2 地下水位基本特征

由研究区2015年12月—2016年11月的雨量监测表明：区内雨量4—9月较多，尤其以6月降雨量最大，最大日最大降雨量达64.5 mm(2016年6月15日)，6月约占全年降雨的40%(图3)。

由2015年5月—2015年10月地下水埋深曲线可看出〔图9(a)〕：J2、J3测点地下水位较J4埋深大，这3个测点5—8月地下水埋深明显比8—10月浅。由2015年12月—2017年3月地下水埋深曲线可看出〔图9(b)〕：地下水位埋深在2016年的4—8月有明显减小，说明水位发生了显著抬升，J3监测点尤为明显；这是因为每年集中降雨导致了地下水位升高，随着降雨量减少，地下水位埋深逐渐增加。综合分析表明：研究区地下水位明显受大气降雨影响，则由降雨引起的地下水位抬升可能是边坡变形加剧的直接原因。

图9 地下水位埋深Fig. 9 Groundwater level depth

4.3 边坡变形影响因素及趋势分析

由监测数据分析：边坡在2015年6月—2015年10月之间存在显著向坡外和向沿坡走向以北方向的变形，且向坡外变形大于沿坡走向以北方向变形，潜在破坏位置发生在12～13 m深度处。从边坡坡体结构看，基岩产状为73°∠11°，岩层倾向坡内，由于边坡属于反倾边坡，没有产生沿岩层顺层滑动破坏条件；支护初期，由于结构支挡边坡变形量较小，但随着时间推移，土体由于自重产生了向临空方向变形，上覆层与基岩接触面是薄弱界面，成为边坡破坏的潜在滑动面，这一过程中将逐渐与支护结构间达到新的力和位置平衡。在沿坡走向以北的方向属于顺倾边坡，在上覆盖层重力作用下更易产生顺岩层倾向的滑动变形〔图2(d)〕。在开挖作用下，由开挖边坡走向、岩层倾向因素决定了边坡变形特征。

由图10可看出：在地下水位上升(埋深减小)初期，边坡变形量级很小，随时间增加，边坡变形速率增大，等地下水埋深增加后，边坡变形逐渐减小，直到位移收敛。这是由于地下水位上升，使得土体含水率增加甚至达到饱和。在土体湿化过程中，土体抗剪强度可用莫尔库仑准则进行理论分析，如式(1)：

τ=c+ (σ-u)tanφ

(1)

式中：τ为试样抗剪强度；c为内摩擦角；σ为总应力(上覆土层自重)；u为孔隙水压力；φ为内聚力。

若总应力不变，孔隙水压力增加，那么有效应力将减小；故孔隙水压力越高，抗剪强度越低，从而使得边坡加速变形，变形随着地下水位下降而逐渐收敛。同时可看出：边坡变形初始时间滞后于地下水位上升初始时间，同时晚于地下水位下降时间，表明由大气降雨控制的地下水位增加对边坡土体强度的劣化作用具有滞后效应。

图10 J3测点边坡变形与地下水位关系Fig. 10 Relationship of J3 between deformation and water level

图11为各监测点最大变形量与时间关系。可图11看出：边坡支护初期(2015年6—8月)变形逐渐加剧发展，2015年8月后变形速率逐渐减小；这表明总体上支护结构对边坡稳定性产生了显著影响。期间(2016年6—11月)，由于地下水位上涨导致边坡上部局部地区出现一定位移，但2016年11月后位移收敛，一直到2017年4月未发生显著变形，表明支护边坡处于稳定状态。

图11 2015年6—10月变形发展趋势Fig. 11 Deformation from June to October 2015

5 结 论

1)笔者通过某支护边坡2a变形监测数据分析表明：边坡支档初期变形较为显著，但随着时间增加，变形速率开始减小，表明支挡措施对边坡稳定性发挥了显著效果。

2)研究区地下水位明显受大气降雨影响，在边坡支护第一个雨、旱季交替期间地下水位变化对边坡变形有显著影响；但是随着水位稳定，边坡变形逐渐收敛，支护边坡尽管在水位上升期间局部变形加剧，但仍处于稳定状态。

3)不同监测点表现出不同的变化特征，说明边坡走向、岩层倾向影响边坡变形特征。值得说明的是，笔者仅分析边坡支护后2a变形监测数据，后期需进一步结合边坡支护前后长期监测数据，尤其是多年地下水位变动期间边坡变形的规律，同时应考虑不同支护结构类型，对支护边坡变形特征及趋势进行深入分析。