（道路与铁道工程专业论文）基于监测风化花岗岩高边坡的稳定性评价与预测.pdf

摘要 摘要 以边坡监测手段为基础对边坡进行稳定性预测预报研究是确保边坡稳定的有 效而重要的途径之一，本文通过广东汕梅高速公路k 5 3 + 7 6 0 一- k 5 4 + 0 2 2 段左侧高边 坡为实例，以边坡动态监测分析结果为瓶颈，结合f l a c 数值模拟、极限平衡理论、 灰色理论等方法，对实例高边坡做出稳定性评价、建立其安全系数与最大位移的 失稳标准以及预测的理论模型，同时对高边坡的设计方案、施工工艺提出合理化 建议，最终揭示采用锚杆锚索框架梁对风化花岗岩残积土高边坡支护方案的可行 性。主要的研究内容： ( 1 ) 通过对高边坡监测数据的采集与分析，判定边坡的稳定状态，及时调整设 计参数和改进施工工艺，做到信息化设计与施工。 ( 2 ) 采用f l a c 数值模拟与极限平衡理论分析方法对边坡发展过程的稳定状态 进行分析。 ( 3 ) 以实例工程位移监测数据为基础，建立基于等时距原理的不等时距 g m ( 1 1 ) 预测模型，对实例边坡的位移发展进行预测。 通过监测数据结合理论分析说明风化花岗岩高边坡采用锚杆锚索框架梁支护 方案加固效果良好；f l a c 数值模拟、边坡稳定理论计算、结合边坡深部位移监测 能对高边坡安全稳定做出合理判别，灰色理论对实例边坡位移变形的预测，通过 与实测数据对比证明预测模型精度较好。 关键词：风化花岗岩高边坡，边坡监测，数值模拟，灰色理论，边坡稳定性， 预测预报 摘要 a b s t r a c t i ti so n eo ft h ee f f e c t i v ea n di m p o r t a n tm e a n so fe n s u r i n gt h es l o p es t a b i l i t yt h a t t h r o u g hm o n i t o r i n gt o o l st os l o p eo nt h eb a s i so ft h es l o p es t a b i l i t yp r e d i c t i o nr e s e a r c h t h ep a p e rt a k el e f to ft h eh i g hs l o p eo fs e c t i o nf r o mk 5 3 + 7 6 0t ok 5 4 + 0 2 2i ns h a n m e i e x p r e s s w a yi ng u a n g d o n gf o re x a m p l e ，a n db o t t l e n e c kt od y n a m i cm o n i t o r i n ga n d a n a l y s i so fs l o p er e s u l t s ，w i t hf l a cn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，l i m i te q u i l i b r i u mt h e o r y , g r e yt h e o r ym e t h o da n ds oo n ，g a v ea ne v a l u a t i o no ft h eh i g hs l o p es t a b i l i t y , a n d e s t a b l i s hi t ss a f e t yf a c t o ra n dt h ei n s t a b i l i t ys t a n d a r d so fm a x i m u md i s p l a c e m e n ta n d f o r e c a s tm o d e l ，a tt h es a m et i m e ，p r o p o s e dr a t i o n a l i z a t i o np r o p o s a l so fh i g hs l o p e d e s i g na n dc o n s t r u c t i o np r o c e s s ，u l t i m a t e l yr e v e a l e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h ep r o g r a m m eo f af r a m eb e a mo nt h ea n c h o rb o l tw e a t h e r e dg r a n i t ee l u v i u mh i g hs l o p es u p p o r t i n g t h em a i nr e s e a r c h ： ( 1 ) t h r o u g hm o n i t o r i n gd a t ac o l l e c t i o na n da n a l y s i st h ed a t ao ft h eh i g hs l o p e , d e t e r m i n e dt h es l o p es t a b i l i t y , t i m e l ya d j u s t e dt h ed e s i g np a r a m e t e r sa n di m p r o v e dt h e c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o gt oi n f o r m a t i o n i z e dd e s i g na n dc o n s t r u c t i o n ( 2 ) u s i n gf l a cn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt h e o r e t i c a la n a l y s i so nt h eu l t i m a t e d e v e l o p m e n to ft h es l o p es t a b i l i t ya n a l y s i s ( 3 ) b a s e do nt h ea c t u a ld i s p l a c e m e n to ft h em o n i t o r i n gd a t a ，a n de s t a b l i s h e dr a n g i n g f r o mg m ( 1 1 ) p r e d i c t i o nm o d e lw h i c hb a s e do nt h ep r i n c i p l eo fe q u a li n t e r v a l ，t o f o r e c a s tt h ed i s p l a c e m e n td e v e l o p m e n to ft h ea c t u a ls l o p e s i n c et h e n ，t h r o u g ht h ec o m b i n a t i o no fm o n i t o r i n gd a t aa n a l y s i ss h o w st h a tt h e 1 1 i g hs l o p eo fw e a t h e r e dg r a n i t ef r a m eb e a mt h a ti th a dag o o dr e i n f o r c e de f f e c tu s i n g a n c h o rb o l t ss u p p o r t i n gp r o g r a m m e i tg a v ear e a s o n a b l ed i s c r i m i n a t i o nt h a tt h r o u g h u s i n gf l a cn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fd e e ps l o p ed i s p l a c e m e n tm o n i t o r i n gt ot h es e c u r i t y a n ds t a b i l i t yo ft h eh i g hs l o p e , g r e yt h e o r yo ft h ea c t u a ls l o p ed i s p l a c e m e n td e f o r m a t i o n f o r e c a s t s ，c o m p a r e dw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t ap r o v e dt h a tf o r e c a s t i n gm o d e ls h o w e d b e t t e ra c c u r a c y k e y w o r d s ：w e a t h e r e dg r a n i t eo fh i g h s l o p e ，s l o pm o n i t o r i n g ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，g r e yt h e o r y , s l o p es t a b i l i t y , p r e d i c t i o n 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名留次嘭嘁 日期o od 汤年乡月多r 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：留挺名焱 指导教师签名： 日期即。秀 驯滴f 2 年歹月了日 日期：洲g 年3 月弓f 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 高边坡稳定性问题在铁路、公路、矿山和水利建设中早已经出现且国内外有 许多人进行多方面研究。我国于上世纪5 0 - - - 6 0 年代开始对山区高边坡变形等的研 究，近些年随着我国基础建设规模的不断加大，特别是国家西部大开发战略实施 以来，越来越多的高边坡稳定问题需要人们去解决。到目前为止，初步形成岩体 结构控制理论、边坡工程中的分形理论、3 s 理论、神经网络方法、数值计算、仿 真分析和边坡工程的可靠性分析等相关理论和方法、它们在边坡稳定分析和评价、 破坏模拟与机理以及预测预报等方面都做出有益的探索。 边坡作为一项重要的岩土工程，其地质地形条件复杂多变，要在边坡工程的 设计阶段就准确无误地预测该边坡工程的基本状况及其在施工、运行过程中的变 化，目前几乎是不可能的。因此，边坡工程的安全不仅取决于合理的设计与施工， 而且取决于贯穿在工程设计、施工和运营始终的原型试验与监测。边坡岩土体由 于其材料及力学特性的不均匀性，在各种力的共同作用和自然因素的影响下，其 工作性态和安全状况随时都在发生变化。如果出现异常而我们又不及时掌握这种 变化的情况和性质，任其险情发展，后果不堪设想。但如果事先运用必要且有效 的监测手段对边坡工程进行监测，及时发现问题进行预警，采取有效的措施，则 可避免灾难的发生。如1 9 8 5 年长江三峡的新滩发生大滑坡，2 0 0 0 万m 3 堆积体连 同新滩古镇一并滑入长江，但由于进行安全监测，滑坡前己做出了准确的预报， 险区的居民全部提前撤离，无一伤亡。 1 2 边坡监测技术发展状况与目的 由于工程岩体的复杂多变和理论上的不完善，要找到一种理想的计算模型全 面、合理、准确地表达工程岩体的力学行为非常困难，因此通过对工程岩体的力 学参数进行监测，根据所获取的监测信息了解工程岩体的变形状态，从而掌握工 程灾患的发展进程，为工程加固措施的采取与实施提供理论依据，实现信息化施 工就成为了工程灾害预警研究的重要手段之一。 监测技术n 1 发展及应用状况自2 0 世纪5 0 年代末期以来，以科技成就，特别 是电子技术和计算技术的成就被引用到地质工程及岩土工程中来，极大地推动了 勘察测试技术的发展( 魏道垛，1 9 9 8 ) 。进入2 0 世纪9 0 年代，现场监测的硬件和 软件迅速发展，范围不断扩大，监测自动化系统，数据处理系统，资料分析系统， 安全预报系统不断完善，加之工程设计采用新的可靠度设计理论方法，现场监测 第一章绪论 作为必要手段，成为提供设计依据、优化设计和可靠度评价不可缺少的手段。 高边坡乜3 们监测的目的是分析监测资料所反映的边坡安全状态，根据监测 资料，及时修改和调整边坡岩土体物理力学参数和岩土介质物理力学模型，使之 更加符合岩土工程实际，并对监测结果进行分析，通过综合理论方法对高边坡的 安全与稳定状态提出预警信息，并将该预警信息及时反馈，以便设计单位及管理 单位及时进行设计与施工的变更优化，确保边坡的长期稳定。 1 3 边坡预测预报发展状况 边坡失稳预报是建立在对边坡演化过程及现状进行深入研究和科学分析的基 础之上，主要包括空间和时间两个方面，缺一不可。空间预测是指对滑坡发生的地 点、规模等的预测，目前使用较多的方法有以下几种：传统的稳定系数预测法、神 经网络法、信息模型法、模糊综合评判法。时间预报是指对边坡失稳发生具体时 间的预报，即对已获取的监测数据，通过数学模型来预测未来某一时刻坡体的状 态。最常用的方法有斋滕法、灰色理论模型、非线性动力学模型和多参数预报法邙1 。 稳定系数预测法是最早的滑坡空间预测的方法，该法通过计算滑坡体的安全 系数f 。来预测某一具体边坡的稳定性皿3 。 1 9 6 9 年日本学者斋藤( m s a i t o ) 从金属蠕变理论出发提出崩塌性滑坡发生时 间的预测方法，在滑坡预测理论研究上是一次突破性进展。 灰色理论模型预测是根据德国数学及生物学家v e r h u l s t 用灰色系统理论建立 的用于生物繁殖量的预测模型演变过来的滑坡时间预测预报模型。灰色理论的预 测是趋势性预测，在实际使用中为了保证预测的现实逼近性，通常需要用最新的实 测数据进行建模。我国华东理工大学邓聚龙教授1 9 8 0 年首次提出灰色系统预报方 法 1 ，目前在工程地质方面得到广泛应用。 宏观现象预报法是根据边坡失稳前兆的反映进行直接预报，滑坡失稳前表现 出许多宏观征兆，如坡体前缘频繁崩塌、地下水突然变化等。我国曾利用该方法 成功预报了宝成线须家河滑坡，该法缺点是依赖于正确的地质分析和经验判断。 统计数学模型是随着统计数理理论的广泛应用，以位移为参数建立的滑坡位 移一时间关系的数学模型，预报滑坡发生的时间。宴同珍凹3 于1 9 8 9 年应用二次回 归曲线拟合v a j o n t 水库滑坡位移速度移随时间t 变化的动态规律，得出回归方程 参= 0 2 2 t 2 3 0 1 t + 1 8 9 9 并进行反演拟合预报，效果很好。 除此之外还有经验预报法、降雨量参数预报法、声发射( a e ) 参数预报法等。 因此，以地质分析、经验判断为主的定性或半定量预报及基于监测资料的趋势定 量预报在当前研究中占主导地位，研究滑坡变形在宏观上的几何规律，微观上的 2 第一章绪论 物理、化学规律及数值的统计规律，在滑坡滑动时间预测预报研究中非常活跃。n 1 1 4 边坡稳定性分析研究状况 边坡研究的核心问题是边坡的稳定性问题，边坡稳定性问题涉及矿山工程、 道路桥梁工程、水利水电工程、建筑工程等诸多领域。边坡稳定性分析n 们方法有 很多种，归纳起来主要有极限平衡法、数值分析和工程地质类比法。 极限平衡理论是最经典的稳定性分析方法，极限平衡法最早由瑞典学者 k e p e t t e r s s o n 与s h u l t i n ( 1 9 1 6 ) 提出，后由f e l l e n i u s ( 1 9 2 6 ) 、j a n b u 、s a r m a 、 a w b i s h o p ( 1 9 5 5 ) 等一系列的改进和修正，现已经成为一套具有广泛适用性的理 论，目前最常用的有传递系数法、b i s h o p 法m 1 和sa r m 。法引d a 。极限平衡法具 体是将有滑动趋势范围内的边坡岩体按某种规则划分为一个个小块体，通过块体 的平衡条件建立整个边坡平衡方程，以此为基础进行边坡分析。 数值计算方法在岩土工程中的应用发展迅速并取得了巨大进展，19 6 7 年人们 第一次尝试用有限元研究边坡的稳定性问题，从而使边坡稳定性研究进入模式机 制和作用过程研究成为了可能n 引。边坡稳定数值计算方法主要包括变形介质边坡 的有限单元法( 简称f e m 法) 、节理化岩质边坡的离散单元法( 简称d e m 法) 、快速 拉格朗日法( 简称f l a c 法) 、块体介质不连续变形分析法( 简称d d a 法) 、数值流 形元方法d s 。 工程地质类比法是从边坡所处的地质条件、影响因素和失稳现象上进行对比 分析。2 0 世纪5 0 年代，我国学者引进前苏联工程地质的体系，继承和发展了“地 质历史分析法，并将其应用于滑坡的分析和研究中，对边坡稳定性研究起到了 推动作用。这阶段学者们着重边坡地质条件的描述和边坡类型的划分，采用工程 地质类比法评价边坡稳定性n 引。 除了以上几种方法外，我国学者对土坡稳定分析的改进也作了重大贡献，7 0 年代潘家铮提出了滑坡极限分析的两条基本原理：极大值原理和极小值原理，并给 出了假定条分面上剪力相似图形的计算方法n ；1 9 7 8 年，张天宝通过按瑞典法建 立的简单土坡稳定系数函数的数值分析，全面归纳了最危险滑弧的变化规律；1 9 8 2 年，陈祖煜致力于摩根斯坦一普赖斯方法的改进，提出一个确定合理解集的最大、 最小值的方法，使该法有本质性的改进和提高n 引。 1 5 论文研究的内容、思路、目的和创新 边坡失稳机理与预测预报的主要手段之一是对边坡进行有效的监测，基于监 3 第一章绪论 测结果的分析、数值模拟、边坡稳定性的理论计算是对监测的边坡稳定性进行评 价的重要依据，同时建立合理的预测模型对边坡未来做出相应的预测预报。 1 5 1 本文研究的主要内容 路堑高边坡本身受地形地貌、地质构造、地层岩性、大气降水等内外因素的 影响具有其复杂性和不确定性。为了对高边坡的稳定性及变形发展趋势有准确及 时的掌握，对其进行动态监测就极为重要：同时利用监测数据来评价高边坡的稳 定性态及变形发展趋势，并据此对其进行准确预测预报，也是一项重要的研究内 容。本文利用广东梅汕高速揭阳段k 5 3 + 7 6 0 k 5 4 + 0 2 2 左侧路堑高边坡进行现场安 全监测与工程地质现场调研为基础，对边坡变形及稳定性利用理论计算与数值模 型进行分析；并利用以上所做工作建立边坡安全系数与最大位移失稳判据，综合 灰色理论建立的预测模型对边坡未来发展进行综合预测预报。本论文的主要研究 内容如下： ( 1 ) 依托工程边坡概况及监测系统的设置 ( 2 ) 现场监测数据整理与分析 ( 3 ) 高边坡安全与稳定性数值模拟与理论计算 ( 4 ) 基于深部位移监测建立灰色预测模型 ( 5 ) 风化花岗岩高边坡动态发展趋势预警研究 1 5 2 研究思路 本文以依托工程现场动态监测系统的设置与安装，通过长时间监测数据的收 集与分析为基础，掌握高边坡稳定与变形的发展规律及表征参数，结合依托工程 的具体特点，通过数值模拟分析与极限平衡法理论计算对高边坡进行安全稳定评 价。根据长期位移监测数据，建立相应的灰色预测模型，了解边坡未来不同环境 条件下的发展趋势。最后综合监测数据结果分析、数值模拟、理论计算、灰色预 测理论，建立基于动态监测的风化花岗岩路堑高边坡稳定性预警标准、预测模型， 从而对该高边坡的稳定状态和发展规律时时进行预测。 1 5 3 本文研究的主要目的与创新点 随着我国国民经济飞速发展以及西部大开发政策，国家在全国大量山区建设 高速公路网，山区公路大建设的同时相应会出现大量的人工路堑高边坡。不同边 坡地形地貌、水文地质、地层岩性具有很大的差异性，高速公路路堑边坡往往在 人工开挖和长期运营的过程中可能会出现各种不良的地质灾害。而地质灾害的产 4 第一章绪论 生并不是突发的、无征兆的，在边坡开挖过程中，边坡的变形、应力的变化虽然 微小但是具有规律性。 本文研究的目的： ( 1 ) 通过现场监测数据分析，进一步研究风化花岗岩高边坡的变形规律，为 边坡稳定性评价提供更合理的依据和更准确的资料。 ( 2 ) 建立高边坡数值模拟模型，揭示不同工况下的边坡变形状况、评价边坡 的安全稳定性，通过极限平衡法理论计算来验证数值模拟的的成果，并 为设计和施工提供理论依据。 ( 3 ) 通过位移监测资料建立基于位移一时间的灰色预测模型，预测风化花岗 岩高边坡在未来的变形规律。 ( 4 ) 综合数值模拟、理论计算与灰色预测模型建立边坡的预警预报机制对边 坡进行有效的预测预报。 创新点： ( 1 ) 通过对高边坡监测数据的采集与分析，判定边坡的稳定状态，验证锚杆 锚索框架梁加固风化花岗岩高边坡的可行性，并对高边坡的设计与施 工做出优化，做到信息化设计与施工。 ( 2 ) 通过监测数据的整理与分析，依据灰色变形理论建立灰色预测系统模型， 预测边坡未来变形状态。 ( 3 ) 通过数值模拟和极限平衡理论计算安全稳定系数为基础，提出了汕揭风 化花岗岩高边坡稳定性的“安全系数预警指标 ( 4 ) 基于数值模拟结合现场监测结果分析，提出了以最大位移评判标准的汕 揭风化花岗岩高边坡稳定性的预警指标( 最大位移预警指标) 。 ( 5 ) 基于边坡灰色预测模型建立图解法的边坡预测预报方法。 5 第二章路堑高边坡动态监测系统的设置与实施 第二章路堑高边坡动态监测系统的设置与实施 根据现场调查、边坡所处地段的地质报告及纵横剖面图、初步稳定性计算、 边坡开挖施工方案、加固设计图和岩石参数试验报告等资料来确定的高边坡的监 测项目，是确保边坡监测有效而重要的途径之一，综合监测系统数据分析与反馈 及时调整设计参数和改进施工工艺与防治措施做到信息化施工，力求得到最佳经 济效益。 2 1 高边坡概况 2 1 1 边坡地形地貌 广东汕梅高速公路k 5 3 + 7 6 0 k 5 4 + 0 2 2 段左侧高边坡位于揭阳市揭东县锡场 镇境内、2 0 6 国道东面距离约一公里的山体垭口处。地处剥蚀丘陵地貌单元，山丘 基本沿n w s e 向展布，其山脊线呈逆时针指向的弧形，山坡自然坡度2 5 。 - - 3 0 。， 线路从位于两个山丘之间的马鞍形垭口地带通过。路线前进方向山坡左侧坡顶高 程1 7 0 m ，右侧坡顶高程1 0 8 5 m ，垭口两端谷地高程2 4 , - 一2 8 m ，路基面标高4 7 8 8 - - 4 9 2 5 m 。左侧边坡设计高度8 3 m ，右侧边坡设计高度6 0 m 。坡体表面孤石较多( d = 2 5 m ) 坡面圆顺，植被以乔木和灌木为主。垭口两侧山坡均发育自然冲沟，场 地地形地貌复杂，岩石风化深度巨大达5 0 m 以上。根据现场踏勘，场地基岩以浅 成侵入岩为主，场区附近可见多处当地挖取瓷土的矿区，场区多处见滑塌悬崖， 存在有破碎带及次生带，属于一级高边坡。 2 1 2 地层岩性 依据补充工程勘测报告n 钉和现场工程地质调查，坡体岩性主要为粗粒花岗岩 风化而成，边坡揭露地层由上而下情况如下： ( 1 ) 第四系坡残积土 花岗岩残积土一般孔隙比较大，透水性能较强，天然状态下具有较好的力学 性质，压缩性中等偏高，但遇水后易崩解，强度会降低，泡水后甚至出现塌方和 流砂。 a 坡积土层( q m ) ：以亚粘土为主，含较多石英质棱角状的中粗砂、砾石， 可塑状，局部硬塑状。灰黄黄红色为主，夹白色，含较多棱角状的中粗砂及少 量砾石，土空隙比较大，土质较松散。 b 残积土层( q “) ：为花岗岩风化残积而成，由于本段风化母岩为中粗粒二 长石英花岗岩和中细粒黑云母花岗岩，灰黄黄色等花色，组织结构己全部破坏， 6 第二章路堑高边坡动态监测系统的设置与实施 矿物成分除石英外大部分已风化成土状，可见较多细片状黑云母，以粉粘粒、砂 砾为主，含较多中粗砂、砾石。 ( 2 ) 燕山晚期花岗岩 场地基岩主要为花岗岩( y y 3 ) ：灰白一浅灰白色为主的中粗粒二长石英花岗 岩和中细粒斑状黑云母二长花岗岩。由于后期的岩浆侵入，在风化带形成较多的 风化核，风化核部分已严重风化而呈全风化或强风化状，较多的呈新鲜或弱风化 基岩状而可见其风化程度。 a 全风化花岗岩肉红色黄白夹褐灰色，岩石剧烈风化呈砂土状，组织结构 基本破坏，但尚可辨认，多呈中密密实状，具有较强的透水性。夹较多直径不 一的花岗岩球状风化核。 b 强风化花岗岩棕黄紫红间白色，局部黄灰黑色，岩石风化强烈，岩芯多 呈半岩半土状，含较多碎块，组织结构已大部分破坏，主要成分为石英、半风化 长石及少量黑色矿物。 2 1 3 气候及水文地质概况 该高边坡地处亚热带季风气候区，常年气温较高，夏热冬暖，多年平均气候 2 1 2 。c 2 1 6 。c ，最热七月平均2 8 2 ，最冷一月份平均1 3 2 ，曾出现最高 3 8 6 。c 和最低0 4 记录。明显的季风特点，冬季盛行偏北风，春季偏北和偏东风， 初夏盛行偏东风，盛夏盛行偏南风，全年以偏东风最多，偏北风和偏南风次之。 沿海多年平均风速在2 4 m s 以上，年平均风速最大为南澳岛3 9 m s 。工程场地位 于南海东部海域边缘，为热点风暴多发区，台风登陆时风速曾出现5 3 m s 和5 2 9 m s 记录。场地受山地和海岸气候影响，春季多锋面雨，夏季多台风雨，属于华南雨 区，雨量充沛。 自然上坡坡脚处见有泉水出露，坡脚鱼塘常年积水，边坡裂隙水较丰富。该 段路堑边坡位于垭口地带，边坡高，并多由全风化花岗岩构成，泉水及裂隙比较 发育，工程地质条件较差。 2 1 4 区域地质构造及地震活动 边坡在区域地质构造上属闽粤东部沿海差异性明显的断块活动区。区内在地 质历史中经历了多次构造活动。其它地质构造形式以断裂为主，断裂构造主要由 燕山运动形成的规模巨大的北东、北北东向压扭性断裂，并伴随次一级同向断裂 及北西向张扭性断裂构造组成，构成基底网格状断裂构造骨架控制全区。其中部 分为活跃性断裂，在其交汇或相互切割的复合部位一般地壳活动比较活跃，常发 7 第二章路堑高边坡动态监测系统的设置与实施 生地震和潜在的震源区，场地附近主要的区域性断裂有北西向的榕江断裂，北东 向的潮安一普宁断裂、坪上断裂。场地位于榕江断裂旁侧，基底岩浆岩地貌反差 很大，岩浆岩浅部岩石普遍风化强烈，岩石破碎，裂隙发育，见中、基性岩脉穿 插，局部可见硅化、糜棱岩化和绿泥石化等蚀变。 2 2 动态监测系统的设置 2 - 2 - 1 边坡工程动态监测的意义 广东汕梅高速公路k 5 3 + 7 6 0 k 5 4 + 0 2 2 段左侧路堑高边坡地形陡峻，岩质较弱 为掌控施工过程边坡变形动态，对该边坡建立动态监测系统。边坡施工前在自然 界各种应力长期作用下处于自然平衡状态，当边坡开挖时，由于边坡的天然应力 遭到破坏，坡体内的应力状态将发生很大的变化，改变原有的平衡状态。体现在 开挖面坡脚附近将出现剪应力集中带，坡顶和坡面的一些部位可能出现拉应力区， 坡体随开挖的进行将以变形的方式调整其应力分布以寻求新的稳定状态。若新的 平衡状态难以达成时，坡体变形将进一步增加，当变形超过一定限度后坡体将最 终产生失稳破坏。开挖边坡自身的破坏在某些条件下可能是局部的，但在另外一 些条件下则可能对开挖边坡所在自然边坡坡段的整体稳定性条件产生恶化。为确 保k 5 3 + 7 6 0 k 5 4 + 0 2 2 高边坡在施工及运行期的安全、评估施工图设计、施工中加 固措施效果、同时也为设计单位工程优化设计与施工单位调整施工工艺提供直接 依据，因此需要对高边坡进行动态监测。 现场监测方法d 们乜心2 3 对边坡工程的研究与发展有着十分重要的作用，边坡监 测的意义主要有以下几个方面： ( 1 ) 边坡的监测是确保工程安全，进行预测预报最重要的手段之一 通过长期对高边坡的动态监测，掌握边坡在空间上和时间上的位移趋势，结 合地质条件分析其位移变化，确定其是否处于预计的稳定状态。监测成果可对边 坡稳定性进行连续的评估，及时发现边坡异常的迹象，进行险情预测预报，确保 工程安全。通过对边坡监测可掌握坡体的变形特征及规律，结合地质条件分析坡 体位移的边界条件、规模、滑动方向、失稳方式等，预测坡体的变形发展趋势和 灾害发生时间与危害程度，及时采取防灾措施，避免或减少工程和人员设备损失。 监测作为预报信息获取的一种有效手段，可为工程施工过程中的科学决策提供有 力的技术支持。而且监测工作不仅能为工程施工期的坡体稳定性分析提供定量的 数据，也可为工程运行期的安全及运行管理提供技术支持。 ( 2 ) 边坡稳定性分析与评价的有力依据 边坡施工与运营期的稳定与安全是确保山区道路运行安全的前提条件，边坡 8 第二章路堑高边坡动态监测系统的设置与实施 工程现场监测是评价边坡稳定性的切实可行的方法，长期的监测分析与反馈可以 为道路运营期的边坡安全提供保障。 ( 3 ) 现场监测结果分析是设计、施工单位作为优化设计和信息化施工的重要 依据。 通过监测所得资料可及时修改和调整边坡岩土体物理力学参数和岩土介质物 理力学模型，使之更加符合岩土工程实际，从而有效克服岩土工程中物理力学参 数取值意义不清、理论分析成果与工程实际不符的技术困难。进一步对监测结果 进行分析，提出高边坡的安全与稳定状态预警信息，并将该预警信息及时反馈， 以便设计单位及管理单位进行设计与施工的变更优化，确保边坡的长期稳定。 2 - 2 - 2 边坡动态监测原则 边坡的地质条件比较复杂，各地区差异比较大，只有遵循一定的设计原则， 才能提高监测系统的效率。针对广东汕梅高速公路k 5 3 + 7 6 0 k 5 4 + 0 2 2 段路堑高边 坡具体工程地质的需要，考虑监测工作的主要目的和意义，边坡动态监测工作应 遵循以下原则： ( 1 ) 可靠性原则 监测系统的可靠性是监测工作达到预期目的的前提条件，是首要的原则。由 于监测系统的可靠性是建立在各种监测仪器和测点可靠性的基础上，所以仪器和 测点的可靠性能否保证是监测系统设计者关注的主要问题。一般而言，在进行仪 器选型时，如果仪器的可靠性和先进性发生矛盾，则首先考虑可靠性问题。 ( 2 ) 地质条件为基础的监测系统设计原则 边坡的地质条件通常较为复杂，且变形破坏规律又往往受地质条件控制，所 以在监测系统的设计应当以地质条件为基础。事实上，根据对各种信息综合集成 的方法来建立监测系统的方法是可取的。 ( 3 ) 位移为主的监测原则 边坡的位移变形量是评价边坡稳定状态的主要指标。地表位移与深部位移易 于监测且监测结果较可靠，监测结果亦可用作反演计算的参数或检验计算方法的 适宜性，并且对边坡采取加固措施时也需要以变形监测资料作依据。由于边坡岩 土体的工程性质复杂而多变，勘察时往往难以掌握清楚，以致于所作的评价不够 确切，尤其是复杂地质条件的工程，进行位移监测是十分必要的。 ( 4 ) 以工程实际条件出发的监测仪器选型原则 监测系统是为获取能反映实际边坡状态信息而设计的，所以应当从工程实际 条件出发，依据监测目的、所需要的精度、量度、安装和测读条件以及经费情况 9 第二章路堑高边坡动态监测系统的设置与实施 来综合选择监测仪器。 2 2 3 汕揭高边坡动态监测仪器的选取与工作原理 ( 1 ) 坡体内部变形监测采用测斜仪( h c x 一2 b 型测斜仪) 在岩土工程领域，测斜仪主要用于测量大地运动，诸如可能产生不稳固边坡 或挖方工程周围的侧向运动等。通过测量测斜管轴线与铅垂线之间夹角变化量来 监测土、岩石和建筑物的侧向位移的高精度仪器。如图2 2 1 所示，深部位移监 测系统由四大部分组成：传感器探头、有0 5 m 刻度标记的承重电缆、读数显示仪、 测斜管组成。 传感器探头： 测斜仪探头包括一个圆柱形不透钢外壳装有一个力平衡伺服加速度仪，在外 壳的两端装成带弹簧压力的滑轮组，并备有密封的滑轮轴承来配以标准的测斜仪 斜管槽口，在探头底部装有一个橡胶垫，用来缓冲探头可能掉在坚硬物面引起的 震动。 测斜仪电缆 测斜仪电缆设计坚固而耐用，中间带有一加强钢芯特制电缆，能承受4 0 0 k g 的拉力，从而有效地防止电缆伸展。测斜仪电缆每个0 5 m 有一个深度位移标志。 所提供的带丝扣螺帽子在不使用电缆时用来保护电缆连接头。上端电缆接头为 p l s 一2 0 7 接头，用以与d g k 一6 0 1 读数仪面板相连。 测斜读数仪( d g k - 6 0 1 ) d g k 一6 0 1 单向测斜仪适用于测斜探头输出电压为5 v i o v 的各种类型的测 斜探头，内置2 0 b i t 超高分辨率数模转换器，仪器配置6 4 k 存贮器及r s 一2 3 2 接口， 随机提供的通讯及数据处理软件，供使用微机与其通讯上载数据进一步的分析处 理。仪器带有内置充电电池及防水薄膜面板，便于现场恶劣环境中使用。常规的 测斜仪探头有两组滑轮，距离相隔0 5 米，将探头放到测斜管底部并开始读数。 探头每提升0 5 米进行读数，直到到达测斜管的顶部，这组读数被称为a + 读数( 正 测) 。把探头从套管中取出，旋转1 8 0 。重新放入测斜管中，方法同上，又可得 到另一组数据a 一，读数( 反测) 。 测斜导管 侧斜管垂直埋设在需要监测部位的岩体里面，并与岩体连成一体，导管内壁 有互成9 0 。的两对凹槽，以便探头的滑轮能上下滑动并起定位作用。如果岩体产 生位移，导管将随岩体一起变形。多次观测得出的边坡深部位移变化值即代表导 管的变形量，由于导管与岩体紧密的结合在一起，因此测斜管位移变化值也就代 1 0 笫二章路堑高边坡动态监测系统的设置与实施 表了岩土体的位移值。 图2 2 1 测斜仪器组成 f i g2 2 1t h ec o m p o n e n to fg r a d i e n tm e a s u r i n ga p p a r a t u s t ( 基凇方向) a 一 图2 2 2 测斜管图2 2 3 测斜仪观测原理 f i g2 2 2t h ep i p em e a s u r i n gg r a d i e n tf i g2 2 3t h eo b s e r v a t i o np r i n c i p l eo fm e a s u r i n ga p p a r a t u s ( 2 ) 加固结构体应力监测仪器 a i m z x 一2 0 0 x 综合测试仪( 三弦读数仪) j m z x 一2 0 0 x 综合测试仪是一种便携、多功能、智能读数仪。能对钢弦传感器、 电感渊频类传感器等进行量测，仪器具有检测速度快、精度高、使用简单方便等 特l i ，仪器体积小、重量轻，采用可充电电池供电，使用携带极为方便。仪器能 存传感器内自动记录传感器编号、系数，自动计算应变、自动检测温度的结果并 作温度修正，保存记录测试结果，供以后查阅或送计算机处理。采用三弦读数仪 第二章路堑高边坡动态监测系统的设置与实施 来读取锚索测力计、钢筋计、混凝土应变计和土压力盒的应力应变。 b j m s j 一2 0 1 型振弦式锚索测力计 m s j 一2 0 1 型振弦式锚索测力计由弹性圆筒、密封壳体、信号传输电缆、振弦及 电磁线圈等组成，主要用来测量和监测各种锚杆、锚索中的荷载预应力损失情况。 当被测荷载作用在锚索测力计上，将引起弹性圆筒的变形并传递给振弦，转变成 振弦应力变化，从而改变振弦的振动频率。电磁线圈激振钢弦并测量其振动频率， 频率信号经电缆传输至读数仪上即可测出频率值，从而计算出作用在锚索测力计 上的荷载值。 c j m z x - 4 x x x 系列智能弦式数码钢筋应变计、j m z x - 2 1 5 型埋入式智能弦式数 码应变计 钢筋应变计主要用于建筑、铁路、交通、水电、大坝等工程领域的混凝土结 构的应力测量，充分了解被测量结构物的受力状态。采用振弦理论设计制造具有 高灵敏度、高精度、高稳定性的优点，适合长期观测。应力计内置智能芯片，全 数字检测，信号长距离传输不失真，抗干扰能力强。应力计内置存贮芯片，具有 智能记忆功能，出厂时将传感器型号、编号、标定系数等参数永久存贮在传感器 中，并可保存8 0 0 次你所需要的测量参数，如测量时间、测点温度、绝对应变值、 相对应变值、零点参数及温度修正值等。并且绝缘性能好，防水耐用。 d j m z x - 5 0 x x 型系列智能弦式数码压力盒 智能弦式数码压力盒主要用于基础及其它土压、水压的压力测量，了解被测点 的压力状态。根据结构要求先定测试点与测试方向，使压力盒受力面与受力方向 垂直安装好。 2 3 路堑高边坡现场监测的实施 2 3 - 1 路堑高边坡设计基本概况 广东汕梅高速公路k 5 3 十7 6 0 k 5 4 + 0 2 2 段左侧路堑高边坡坡体岩性主要为全风 化和强风化花岗岩，边坡稳定受岩土体强度及含水状态控制，全风化花岗岩强度较 低，易受雨水冲刷，工程性质较差，由于边坡高九级( 8 0 多米高) ，根据稳定性验算结 果，并结合边坡高度及地形地貌分析，加固措施按不同情况采用分区处理。由于岩 土体强度较低，边坡整体存在深层滑动的可能，因此在三、四、六级边坡分别设 计了三排锚索。同时依据边坡较高，导致坡脚的应力集中程度较高，为了改善坡脚 处岩土体的受力状况，在一级边坡处设立了三排钢锚管，另外，在路堑顶线三米处 的边坡内设计了一条宽o 3 米的锁边带。 一级边坡：k 5 3 + 7 8 2 k 5 3 + 9 5 6 ，采用钢锚管格梁支护，钢锚管长8 m ，间距3x3 m ，格 1 2 第二章路堑高边坡动态监测系统的设置与实施 梁内采用铺草皮：两端采用锚杆格梁内铺草皮 二级边坡：k 5 3 + 7 8 2 k 5 3 + 9 8 9 采用锚杆格梁内铺草皮；两端铺草皮。 三级边坡：k 5 3 + 7 8 2 k 5 3 + 9 5 0 采用预应力锚索框架梁内铺草皮； k 5 3 + 9 5 0 , 、- k 5 3 + 9 9 7 7 采用锚杆格梁内铺草皮：两端铺草皮。 四级边坡：k 5 3 + 8 2 7 k 5 3 + 8 4 2 和k 5 3 + 9 0 8 k 5 3 + 9 2 6 采用预应力锚索框梁； k 5 3 + 7 9 7 k 5 3 + 8 2 7 和k 5 3 + 9 2 6 k 5 3 + 9 5 9 采用锚杆格梁内铺草皮；两 端铺草皮。 五级边坡：k 5 3 + 8 2 1 k 5 3 + 9 4 4 采用锚杆格梁；两端采用铺草皮。 六级边坡：k 5 3 + 8 3 3 k 5 3 + 8 4 2 和k 5 3 + 9 0 8 k 5 3 + 9 2 3 采用锚杆格梁内铺草皮； k 5 3 + 8 4 2 k 5 3 + 9 0 8 采用预应力框架梁内铺草皮；两端为铺草皮。 七级边坡：k 5 3 + 8 4 2 k 5 3 + 9 0 8 采用锚杆格梁内铺草皮；两端为铺草皮。 八级边坡：k 5 3 + 8 5 7 k 5 3 + 8 9 3 采用锚杆格梁内铺草皮；两端为铺草皮。 九级边坡：采用铺草皮。 2 3 2 监测断面的选取 监测断面布置以监控边坡的整体稳定性为主，兼顾局部稳定性，在高边坡布置 三个监测断面，监测断面选取主要服务于深孔位移监测，兼顾其它加固结构物监 控。三个监测断面如图2 3 1 的里程桩号是b - b 剖面( 里程k 5 3 + 8 3 0 ) ；a - a 剖面 ( 里程k 5 3 + 8 8 0 ) ；c - c 剖面( 里程k 5 3 + 9 2 0 ) 。 2 3 3 深孔测斜 深孔位移监测主要是利用测斜仪对岩体内部变形进行监测，测斜仪可对垂直 线路方向和平行线路方向的两个方向给出监测孔的任一水平截面的位移矢量大小 和方向。垂直线路方向的变形尤其重要。该方法主要用来揭示岩体内部的变形规 律，并确定岩土体的滑动面，验证理论计算与数值模拟的准确性，进行对设计与 施工的优化。 ( 1 ) 深部位移监测点的布置与施工 广东汕梅高速k 5 3 + 7 6 0 k 5 4 + 0 2 2 段左侧路堑高边坡深部位移监测点依据选取 的三个监测断面( 见图2 3 1 ) ，主要布置在三级边坡、五级边坡、七级边坡与坡顶。 表2 3 - i 是安装测斜孔的具体时间位置与深度。图2 3 2 、图2 3 3 、图2 3 4 是 a a 、b b 、c c 断面测斜孔安装的剖面图。 1 3 寸 o+寸n回，o卜+nn鼋i盘qc【o一i：【洳hii ao_joh时一ii宦o=iio【ii qd高【nn蟊 匦删恪 蘸翊髻翅怄墨0+莴)100罕n)l i“匝 蠼袜岬删魁髻褥倏嚣翊怕臀铎斟恒剡密褂躲 第二章路堑高边坡动态监测系统的设置与实施 表2 3 - 1 测斜孔埋设一览表 t a b2 3 - 1t h ep l a n t e dl i s to fi n c l i n o m e t e rh o l e 编号埋设断面位置埋设时间深度( m )备注 l #k 5 3 + 8 3 0 5 级平台 2 0 0 5 5 2 33 5 2 # k 5 3 + 8 3 0 2 级平台2 0 0 6 一1 0 2 53 0 第4 、5 、7 3 #k 5 3 + 8 8 0 坡顶，截水沟外 2 0 0 5 - 5 - 13 5 号孔的埋 4 #k 5 3 + 8 8 0 7 级平台 2 0 0 5 9 - 74 0 设时间为 5 #k 5 3 + 8 8 0 5 级平台 2 0 0 5 8 2 44 0 第二次重 6 #k 5 3 + 8 8 0 2 级平台 2 0 0 6 一l o 一2 93 0 新埋设的 7 #k 5 3 + 9 2 0 7 级边坡，截水沟外 2 0 0 5 9 113 5 时间。 8 #k 5 3 + 9 2