CN111287225B - 锚固型边坡的锚杆应力监测及重建边坡稳定性评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种锚固型边坡的锚杆应力监测及重建边坡稳定性评价方法，首先利用数值模拟软件进行原边坡稳定性分析，然后在抗滑桩不同深度遭遇既有锚杆时，测试截断应力，接着拆除桩内裸露锚杆后，保留坡体内残余锚杆，之后对桩内两侧残余锚杆进行应力计安装，以进行长期监测；最终利用数值模拟软件进行各工况稳定性分析，结合监测数据，进行重建边坡稳定性评价。本发明实现了锚固型边坡在扩建施工时对原有锚杆截断应力的检测，对残余锚杆应力在施工全过程以及施工后长期的监测，利用数据展开对既有支挡结构的利用以及重建后边坡的稳定性进行评价的研究，还综合考虑利用模拟软件进行稳定性分析，结果更具研究价值。
Description
技术领域
本发明涉及地质工程及土木工程(岩土)技术领域，特别涉及一种锚固型边坡的锚杆应力监测及重建边坡稳定性评价方法。
背景技术
长期以来，我国遵循“交通先行，适当超前”的指导方针，将交通建设列为了基础设施建设的重中之重，尤其突出了公路建设的重要性。目前我国的公路建设，特别是高等级公路的建设，经历了数十年的发展，己经取得了很大的成就。但受原有高速公路建设时设计思想、技术和社会经济水平的制约，我国早期建设的高速公路主要为双向四车道。随着国家经济高速发展，很多高速公路已不能满足日益增长的交通量要求，增加车道数、扩大通行能力已经刻不容缓。相较于新建高速公路，高速公路改扩建存在诸多技术难题。但由于改扩建工程建设符合科学发展观的要求，它是在充分考虑资源环境和承载力的前提下，通过集约利用运输通道资源、土地资源和路产资源，对部分已不能适应经济社会发展的高速公路实施的以优化交通结构、提高运输能力、提升服务质量为目的的一种重要的公路工程建设形式。因此，对高速公路改扩建技术难点进行攻关，形成成熟的高速公路改扩建技术对我国经济的可持续发展至关重要。
高速公路改扩建工程中，边坡稳定性控制不仅是一个常见的问题，而且是一个难点问题。相较于初次建设的高速公路边坡，首先，改扩建工程中的边坡二次施工需要考虑高速公路运营的安全性问题及环境影响因素，尽量避免对边坡形成过大的扰动；其次，对于路堤边坡，二次施工受到路幅和地形的限制，坡度一般会更陡，稳定性更差。对于路堑边坡，既有边坡-支护结构体系已达到应力平衡，二次开挖势必破坏既有的支护结构，再次形成临空面，若新建支护结构跟不上，则容易导致边坡失稳；其次，改扩建工程需要对既有支挡结构进行评价与利用，使之与新建支挡结构成为一个完整的支挡体系，共同维持边坡的稳定，若能有效利用既有支挡结构，必将大大减少投资成本。这些问题都需要进行深入系统的研究，以形成成熟可靠、经济高效、环境友好的运营高速公路改扩建工程边坡稳定性控制技术体系。
目前，针对于重建边坡的稳定性评价多是结合布置在新支护结构上各监测点得出的监测数据，通过数据的变化来判断边坡是否稳定。总体来讲，该方法存在以下问题：
缺少对原有锚杆的截断应力检测。对于存在原有锚杆的边坡，二次施工时必定会破坏原有锚杆，原有锚杆的应力检测可以反映不同位置的既有锚杆受力情况，对评价原边坡稳定性具有重要意义；
缺少对残余锚杆应力的长期监测。二次施工破坏边坡原有锚杆后，坡体内还存在残余锚杆，可认为其是全新的锚杆，仍对边坡稳定起到作用，需要对其应力进行长期监测；
时效和精度方面。各监测点所得到的数据会因为温度、外力等因素而受到影响，导致监测精度不够。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种锚固型边坡的锚杆应力监测及重建边坡稳定性评价方法，实现对既有锚杆的截断应力检测以及对截断后剩余锚杆的应力长期监测，以及对于重建后边坡的稳定性评价，以解决高速公路改扩建工程中的关键性技术难题，可扩展应用于山区公路及市政道路的改扩建。
为了达到上述目的，本发明提供的方法包括：
步骤一、采用数值仿真软件对施工的路堑边坡进行数值模拟建模，进行初始边坡稳定性的数值模拟分析；
步骤二、结合分析结果和原有边坡支护结构的设计资料，推算各抗滑桩施工时可能遇到原有锚杆的位置，同时跟进抗滑桩施工进度；
步骤三、当所述抗滑桩施工遭遇所述原有锚杆时，在裸露于所述抗滑桩内的原有锚杆上安装截断应力计，对所述原有锚杆截断，进行截断应力的测试；
步骤四、拆除裸露在所述抗滑桩内的整段原有锚杆，保留余存在坡体内的残余锚杆，分别在所述残余锚杆靠近所述抗滑桩的端部安装残余锚杆应力计；
步骤五、当所述抗滑桩施工到位后，在所述抗滑桩内灌注混凝土，使所述残余锚杆的端部产生新的锚头，将坡体靠近公路的一侧挖坡，移除岩土体和位于此侧的所述残余锚杆，最后进行桩板墙的安装施工；
步骤六、通过所述残余锚杆应力计，对全部的所述残余锚杆进行施工全过程以及施工后长期的监测，对相关监测数据进行整理、分析；
步骤七、通过数值仿真软件，采用强度折减法进行各工况下边坡的稳定性计算，结合模拟计算结果与监测数据，进行重建边坡的稳定性评价。
进一步地，所述抗滑桩的施工为人工挖孔的方式。
进一步地，步骤三包括：
3a、所述抗滑桩开挖施工至所述原有锚杆位置时，通过凿岩机破除所述原有锚杆周围岩土体，预留出施工空间；
3b、将所述截断应力计平行于所述原有锚杆放置，采用细匝丝将所述截断应力计捆绑在裸露的所述原有锚杆上，细匝丝捆绑位置在所述截断应力计的传感器两端，然后将所述截断应力计两端焊接在所述原有锚杆上；
3c、焊接完成后，截断两个焊点位置之间的所述原有锚杆，待读数稳定后进行记录，最后拆除所述截断应力计进行回收。
进一步地，步骤四中通过锯断的方式直接拆除裸露在所述抗滑桩内的整段原有锚杆。
进一步地，步骤四中所述残余锚杆应力计的安装步骤包括：
4a、通过凿岩机在所述抗滑桩两侧的岩土壁上的、所述残余锚杆的端部位置预留出足够的施工空间；
4b、将残余锚杆应力计平行于所述残余锚杆放置，采用细匝丝将所述残余锚杆应力计捆绑在所述残余锚杆上，细匝丝捆绑位置在所述残余锚杆应力计的传感器两端，然后将所述残余锚杆应力计的两端焊接在所述残余锚杆上；
4c、焊接完成后，将所述残余锚杆应力计的测试导线引出地面，沿岩土壁固定。
进一步地，所述残余锚杆应力计焊接安装完成后，在所述残余锚杆上套设PVC管。
进一步地，在焊接时将所述传感器用湿毛巾包住并持续浇水。
进一步地，步骤七中各工况下边坡的稳定性计算包括考虑残余锚杆的影响与不考虑残余锚杆的影响两种情况进行对比计算分析。
本发明的上述方案有如下的有益效果：
本方法实现了锚固型边坡在扩建施工时，原有锚杆截断应力的监测，可对不同深度、不同位置的原有锚杆进行截断应力的测试，数据可以与全长粘结型锚杆应力分布规律进行相互佐证，对评价原始边坡稳定性具有重要意义；同时实现了对残余锚杆应力在施工全过程以及施工后长期的监测，可以反映各工况及施工后残余锚杆的受力情况，利用数据展开对既有支挡结构的利用以及重建后边坡的稳定性进行评价的研究；本方法在对重建边坡进行稳定性评价时，除常规的监测数据以外，还综合考虑利用模拟软件进行稳定性分析，结果更具研究价值。
附图说明
图1为原有锚杆应力检测示意图；
图2为原始路堑边坡剖面图；
图3为改建后路堑边坡剖面图；
图4为残余锚杆应力监测折线图；
图5为各阶段边坡稳定性系数对比图。
【附图标记说明】
1-抗滑桩；2-钢筋笼；3-截断应力计安装位置；4-残余锚杆；4a-靠路一侧残余锚杆；4b-靠山一侧残余锚杆；5-靠路一侧残余锚杆应力计安装位置；6-靠山一侧残余锚杆应力计安装位置；7-具有支护结构的边坡；8-自然边坡；9-原排水沟；10-原高速公路；11-原有锚杆；12-高速公路拓宽部分；13-新排水沟。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1：
请参阅图1-图3，本发明的实施例1提供了一种锚固型边坡的锚杆应力监测及重建边坡稳定性评价方法，包括：
步骤一、采用数值仿真软件对图2所示的路堑边坡进行数值模拟建模，选取将要施工的典型位置、断面等，构建初始边坡模型，进行初始边坡稳定性的数值模拟分析。其中，可采用ANSYS等软件建模，并将模型导入FLAC 3D进行数值分析。
步骤二、结合分析结果和原有边坡支护结构的设计资料，推算各抗滑桩1施工时可能遇到原有锚杆11的位置，同时跟进抗滑桩1施工进度，确认抗滑桩1施工时与原有锚杆11的干涉情况，其中抗滑桩1的施工为人工挖孔的方式。
步骤三、当抗滑桩1施工遭遇原有锚杆11时，在裸露于抗滑桩1内的原有锚杆11上、即图1所示的3位置处安装截断应力计，对原有锚杆11截断并进行截断应力的测试。具体测试方法为：当抗滑桩1开挖施工至原有锚杆11位置时，通过凿岩机破除原有锚杆11周围岩土体，预留出施工空间；然后将测量的截断应力计平行于原有锚杆11放置，采用细匝丝将截断应力计捆绑在裸露的原有锚杆11上，细匝丝捆绑位置在截断应力计的传感器两端，然后将截断应力计两端焊接在原有锚杆11上，使截断应力计与原有锚杆11紧贴固定；焊接完成后，截断两个焊点位置之间的原有锚杆11，待截断应力计的读数稳定后进行截断应力的记录，最后拆除截断应力计进行回收。
步骤四、拆除裸露在抗滑桩1内的整段原有锚杆11，保留余存在坡体内的残余锚杆4，分别在残余锚杆4靠近抗滑桩1的端部、即图1所示的5和6位置处安装残余锚杆应力计。残余锚杆应力计的安装步骤具体为：通过凿岩机在抗滑桩1两侧的岩土壁上的、残余锚杆4的端部位置预留出足够的施工空间；将残余锚杆应力计平行于残余锚杆4放置，采用细匝丝将残余锚杆应力计捆绑在残余锚杆4上，细匝丝捆绑位置在残余锚杆应力计的传感器两端，然后将残余锚杆应力计的两端焊接在残余锚杆4上，使残余锚杆应力计与残余锚杆4紧贴固定；焊接完成后，将残余锚杆应力计的测试导线引出地面，沿岩土壁固定，以防止后期下放钢筋笼2时对测试导线造成损坏。
步骤五、当抗滑桩1施工到位后，在抗滑桩1内灌注混凝土，使残余锚杆4的端部产生新的锚头，将坡体靠近公路的一侧挖坡，移除岩土体和位于此侧的残余锚杆4，最后进行桩板墙的安装施工，对边坡整体固定。
步骤六、通过残余锚杆应力计，对施工处的全部残余锚杆4进行施工全过程以及施工后长期的监测，对相关监测数据进行整理、分析。
残余锚杆4的最终监测结果如图4所示，其中各区段利用施工节点进行划分。从图4中的应力变化可以分析得知，在抗滑桩1的挖桩、灌注混凝土和挖坡过程中，锚杆应力值均体现为小幅度的上升，认为是挖桩灌注和卸土引起了坡体应力的变化，残余锚杆4对约束岩土体变形发挥了作用。桩板墙安装完成后，随着时间的增加，坡体内部应力调整，又会有部分转移到残余锚杆4中去，同样表现为应力值的上升，残余锚杆4对约束土体变形仍然起到了作用。
步骤七、通过数值仿真软件，采用强度折减法进行各工况下边坡的稳定性计算，包括考虑残余锚杆4的影响与不考虑残余锚杆4的影响两种情况进行对比计算分析，结合模拟计算结果与监测数据，进行重建边坡的稳定性评价，各阶段边坡稳定性系数对比如图5所示。
从图5中可以看出，考虑残余锚杆4的影响，边坡稳定性系数均有所增加。但是，在抗滑桩1这种主要的支护结构设置前(第四阶段)，残余锚杆4对边坡稳定性系数的影响大，抗滑桩1设置后，残余锚杆4对边坡稳定性系数的影响减小。说明残余锚杆4对边坡稳定性起到了积极作用，特别是在抗滑桩1设置前，残余锚杆4的有利影响不可忽略。
综上所述，本方法最终实现了锚固型边坡在扩建施工时，原有锚杆11截断应力的检测，可对不同深度、不同位置的原有锚杆11进行截断应力的测试，数据可以与全长粘结型锚杆应力分布规律进行相互佐证，对评价原始边坡稳定性具有重要意义。同时实现了对残余锚杆4应力在施工全过程以及施工后长期的监测，可以反映各工况及工后残余锚杆4的受力情况，利用数据展开对既有支挡结构的利用以及重建后边坡的稳定性进行评价的研究。本方法在对重建边坡进行稳定性评价时，除常规的监测数据以外，还综合考虑利用模拟软件进行稳定性分析，结果更具研究价值。
进一步地，步骤四中通过锯断的方式直接拆除裸露在抗滑桩1内的整段原有锚杆11，防止发生移位等现象对形成的残余锚杆4造成影响。
进一步地，残余锚杆4应力计焊接安装完成后，在残余锚杆4上套设PVC管，以对埋设在坡体内的应力计整体进行密封保护，提高其持续监测的可靠性。
进一步地，在焊接时将应力计的传感器用湿毛巾包住并持续浇水，对传感器进行冷却，防止其在焊接时受热过大而损坏失效。
实施例2：
本发明的实施例2提供了一种锚固型边坡的锚杆应力监测及重建边坡的模型，图2所示为在原始边坡上进行抗滑桩打桩施工的模型，包括自然边坡8，原排水沟9、原高速公路10、具有支护结构边坡7等，在具有支护结构边坡7内设置有支护结构，主要由原有锚杆11组成，在抗滑桩1施工完成且将原有锚杆11截断后，形成靠路一侧残余锚杆4a以及靠山一侧残余锚杆4b。如图1所示，抗滑桩1内设置钢筋笼2，截断应力计设置在原有锚杆11裸露于抗滑桩1部分的中间位置，即图1的3位置处。当抗滑桩1内的原有锚杆11被移除后，将残余锚杆应力计分别设置在5和6位置处的残余锚杆4端部，对后续施工过程以及施工后残余锚杆4应力的长期监测。如图3所示，在移除靠路一侧的岩土体后，靠路一侧残余锚杆4a同样被移除，靠山一侧残余锚杆4b的端部形成新的锚头，即作为新的支护结构对改建后的坡体进行支护，图示12和13分别为高速公路拓宽部分和新排水沟。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种锚固型边坡的锚杆应力监测及重建边坡稳定性评价方法，其特征在于，包括：
步骤一、采用数值仿真软件对施工的路堑边坡进行数值模拟建模，进行初始边坡稳定性的数值模拟分析；
步骤二、结合分析结果和原有边坡支护结构的设计资料，推算各抗滑桩施工时可能遇到原有锚杆的位置，同时跟进抗滑桩施工进度；
步骤三、当所述抗滑桩施工遭遇所述原有锚杆时，在裸露于所述抗滑桩内的原有锚杆上安装截断应力计，对裸露于所述抗滑桩内的原有锚杆截断，进行截断应力的测试；
步骤四、拆除裸露在所述抗滑桩内的整段原有锚杆，保留余存在坡体内的残余锚杆，分别在所述残余锚杆靠近所述抗滑桩的端部安装残余锚杆应力计；
步骤五、当所述抗滑桩施工到位后，在所述抗滑桩内灌注混凝土，使所述残余锚杆的端部产生新的锚头，将坡体靠近公路的一侧挖坡，移除岩土体和位于此侧的所述残余锚杆，最后进行桩板墙的安装施工；
步骤六、通过所述残余锚杆应力计，对全部的所述残余锚杆进行施工全过程以及施工后长期的监测，对相关监测数据进行整理、分析；
步骤七、通过数值仿真软件，采用强度折减法进行各工况下边坡的稳定性计算，结合模拟计算结果与监测数据，进行重建边坡的稳定性评价。
2.根据权利要求1所述的锚固型边坡的锚杆应力监测及重建边坡稳定性评价方法，其特征在于，所述抗滑桩的施工为人工挖孔的方式。
3.根据权利要求1所述的锚固型边坡的锚杆应力监测及重建边坡稳定性评价方法，其特征在于，步骤三包括：
3a、所述抗滑桩开挖施工至所述原有锚杆位置时，通过凿岩机破除所述原有锚杆周围岩土体，预留出施工空间；
3b、将所述截断应力计平行于所述原有锚杆放置，采用细匝丝将所述截断应力计捆绑在裸露的所述原有锚杆上，细匝丝捆绑位置在所述截断应力计的传感器两端，然后将所述截断应力计两端焊接在所述原有锚杆上；
3c、焊接完成后，截断两个焊点位置之间的所述原有锚杆，待读数稳定后进行记录，最后拆除所述截断应力计进行回收。
4.根据权利要求1所述的锚固型边坡的锚杆应力监测及重建边坡稳定性评价方法，其特征在于，步骤四中通过锯断的方式直接拆除裸露在所述抗滑桩内的整段原有锚杆。
5.根据权利要求1所述的锚固型边坡的锚杆应力监测及重建边坡稳定性评价方法，其特征在于，步骤四中所述残余锚杆应力计的安装步骤包括：
5a、通过凿岩机在所述抗滑桩的两侧的岩土壁上的、所述残余锚杆的端部位置预留出足够的施工空间；
5b、将残余锚杆应力计平行于所述残余锚杆放置，采用细匝丝将所述残余锚杆应力计捆绑在所述残余锚杆上，细匝丝捆绑位置在所述残余锚杆应力计的传感器两端，然后将所述残余锚杆应力计的两端焊接在所述残余锚杆上；
5c、焊接完成后，将所述残余锚杆应力计的测试导线引出地面，沿岩土壁固定。
6.根据权利要求5所述的锚固型边坡的锚杆应力监测及重建边坡稳定性评价方法，其特征在于，所述残余锚杆应力计焊接安装完成后，在所述残余锚杆上套设PVC管。
7.根据权利要求3或5所述的锚固型边坡的锚杆应力监测及重建边坡稳定性评价方法，其特征在于，在焊接时将所述传感器用湿毛巾包住并持续浇水。
8.根据权利要求1所述的锚固型边坡的锚杆应力监测及重建边坡稳定性评价方法，其特征在于，步骤七中各工况下边坡的稳定性计算包括考虑残余锚杆的影响与不考虑残余锚杆的影响两种情况进行对比计算分析。
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