CN111305286B - 一种土岩双元边坡整体破坏模式的监测验证系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种土岩双元边坡整体破坏模式的监测验证系统及方法，包括：1)通过有限元软件对边坡进行模拟，得出边坡的滑移线；2)根据边坡施工方案制定监测坡顶及潜在滑移面处的位移变化的监测方案；3)根据布设方案进行施工，并进行监测；4)对监测数据进行整理，分析边坡表面及内部位移变化情况，特别是土与全风化岩石交界面及全风化岩石与强风化岩石交界面处的位移变化；5)根据监测分析得出边坡表面位移变化情况确定滑移线的位置，根据边坡内部最大位移点画出边坡的滑移线；6)根据得出的边坡滑移线验证有限元法得到的滑移线，并通过有限元软件为接下来的边坡支护结构施工提供指导。
Description
技术领域
本发明涉及边坡破坏模式监测领域，特别涉及一种土岩双元边坡整体破坏模式的监测验证系统与方法。
背景技术
基坑开挖以及道路施工过程中，有时会遇到上边是土层、下边是岩石的边坡，我们称为土岩双元边坡。目前理论界一般认为土层边坡是整体圆弧破坏模式；岩层边坡整体破坏模式比较复杂，与岩石性状有关，呈多样性。国内外缺乏土岩双元边坡整体破坏模式的研究与共识。
近年来，随济南城市建设不断发展，出现了四种土岩双元基坑边坡。根据岩石风化程度不同，分别为土+全风化、土+全风化+强风化、土+全风化+强风化+中风化、土+中风化岩石边坡；研究并确定它们的整体破坏模式，对于促进国家相关技术进步和城市开发建设具有重要理论意义和工程价值；但是目前，现有技术中还没有关于上述坡体的破坏模式的确定方法。
发明内容
为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明公开了一种土岩双元边坡整体破坏模式的监测验证系统及方法，这个监测验证系统及方法既验证了有限元计算得到土岩双元边坡的破坏模式，也可为接下来的边坡支护结构施工提供指导。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
第一方面，本发明实施例提出了一种土岩双元边坡整体破坏模式的监测验证方法，包括以下步骤：
1)通过有限元软件对边坡进行模拟，得出边坡的滑移线；
2)根据边坡施工方案制定监测坡顶及潜在滑移面处的位移变化的监测方案；包括深层土体位移点、坡顶位移监测点以及水准基点的布设方案；
3)根据步骤2)确定的布设方案进行施工，并进行监测；
4)对监测数据进行整理，分析边坡表面及内部位移变化情况，特别是土与全风化岩石交界面及全风化岩石与强风化岩石交界面处的位移变化；
5)根据监测分析得出边坡表面位移变化情况确定滑移线的位置，根据边坡内部最大位移点画出边坡的滑移线；
6)将步骤5)得出的边坡滑移线与有限元法得到的滑移线进行对比，如果无差异，则通过有限元软件进行接下来的支护结构模拟并指导施工，如果有差异，从新进行有限元模拟，再次进行对比直到无差异。
作为进一步的技术方案，步骤2)中监测方案的布设标准如下：
2-1)确定水准基点的布设方案：水准基点需布设在坡顶，且位于边坡施工的影响距离之外，影响距离由边坡的高度决定，根据研究，施工对坡顶表面位移的最大影响不会超过其坡高的1倍。
2-2)确定边坡施工对坡顶表面位移影响最大的区域：以坡顶与坡面的交线为起点，向背离边坡施工方向量出1倍边坡高度的区域，这部分区域就是边坡施工对坡顶表面位移影响最大的区域，水准基点布设在此区域外即可。
2-3)确定深层土体位移监测点:本发明所采用的监测方案目的在于得到施工时土岩双元边坡的稳定性，由于边坡是由不同的地层构成，为验证界面处是否会产生突变，因此测斜管的测点位置多数布置在了各地层的交界面处，少量布置在土层内部。
2-4)确定坡顶位移监测点：坡顶位移监测点布置在距坡顶与坡面交线1m 及2m的位置处。
作为进一步的技术方案，所述步骤3)的具体步骤如下：
3-1)在所述水准基点布设水准仪。
3-2)在所述坡顶位移监测点选用凿入地面一定深度的圆头钢筋，通过观察钢筋圆头的沉降得到监测点的地面沉降，通过观察钢筋圆头与水准基点的距离得到监测点的水平位移，圆头钢筋在地面的高度方便观察即可。
3-3)在所述深层土体位移点处分别预埋与测斜仪配合的测斜管，测斜管应每隔1m测一次数据以保证测到不同深度土层的位移大小，且测斜管应尽可能布置在地层交界面处，通过多列测斜管的设置形成了多列深层土体位移监测点。
3-4)在滑移面上部，周围土体竖直位移较大且水平位移较小，所以在有限元模拟得出的滑移面左右两侧的深层土体位移监测点布置分层沉降仪，与测斜管同时安装，安装深度为0.1h。
作为进一步的技术方案，所述步骤4)的具体步骤如下：
4-1)收集整理各坡面位移监测点数据，绘制坡顶水平位移值统计表及坡顶沉降统计表；
4-2)收集整理各深层土体位移监测点数据，利用监测点位移统计表进行统计。
作为进一步的技术方案，所述步骤6)的具体步骤如下：
根据步骤5)得到的边坡滑移线验证有限元软件得出的滑移线，如果两者差异不大，就可说明有限元软件的计算结果时可靠的，接下来运用有限元软件对后续的施工步骤进行计算，改进支护结构的施工位置以及数量。
第二方面，本发明的实施例基于上述方法，提出了一种土岩双元边坡整体破坏模式的监测验证系统，包括：
表面位移监测装置，其安装在坡顶，用于监测坡顶的水平位移和垂直位移；
测斜管，其安装在边坡土体内部及土岩交界面处，用于监测边坡土体内部以及土岩交界面处的水平位移；
分层沉降仪，其安装在边坡滑移面，用于监测边坡土体的竖直位移；
数据处理装置，获取表面位移监测装置、测斜仪和分层沉降仪监测的数据，分析边坡表面及内部位移变化情况，特别是土与全风化岩石交界面及全风化岩石与强风化岩石交界面处的位移变化；根据监测分析得出边坡表面位移变化情况确定滑移线的位置，根据边坡内部最大位移点画出边坡的滑移线；将得出的边坡滑移线与有限元法得到的滑移线进行对比，如果无差异，则通过有限元软件进行接下来的支护结构模拟并指导施工，如果有差异，从新进行有限元模拟，再次进行对比，直到无差异。
本发明提出的土岩双元边坡整体破坏模式的监测验证系统，能够通过安装在坡顶上的表面位移装置了解坡顶水平位移和垂直位移的具体变化值；通过测斜管了解到边坡内部的水平位移，通过分层沉降仪了解到边坡内部竖直位移的变化值，从而能够实现对边坡综合全面的监测，及时全面的了解边坡的位移、倾斜、以及受力情况，以验证模拟的准确性。
与现有土岩边坡监测系统相比，本发明的有益效果是：
1)本发明提供的土岩双元边坡整体破坏模式的监测验证系统，通过监测数据可以得到边坡的滑移曲线，通过该方式既验证了有限元计算得到土岩双元边坡的破坏模式，又为边坡安全系数的计算提供重要依据，并可指导支护结构的设计以及维护工作。
2)本发明的监测系统，只用到测斜管、分层沉降仪以及监测坡顶表面位移的圆头钢筋，成本低，操作简单，用既有成熟的仪器获得未发现的东西，充分地发挥了监测仪器的作用。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明流程图；
图2为本发明所述土岩双元边坡监测系统仪器布置图；
图3为坡面位移监测点俯视图
图中：1为表面位移装置，2为测斜管，3为圆弧-平面滑移面，4为土与全风化岩交界面，5为全风化岩与强风化岩交界面，6为测斜管读数平台，7为表面位移监测点。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
近年来，随济南城市建设不断发展，出现了四种土岩双元基坑边坡。根据岩石风化程度不同，分别为土+全风化、土+全风化+强风化、土+全风化+强风化+中风化、土+中风化岩石边坡。研究并确定它们的整体破坏模式，对于促进国家相关技术进步和城市开发建设具有重要理论意义和工程价值。目前，现有技术中还没有关于上述坡体的破坏模式。
本发明根据有限元模拟结果，除土+全风化岩石边坡表现出土体边坡圆弧滑动整体破坏性状，其它三种土岩双元边坡基本都是圆弧+平面滑动整体破坏模式。为了验证和确定上述土岩双元边坡整体破坏模式结果，组合现有监测技术，利用测斜管监测边坡横断面不同位置深层土体水平位移，判断系列土岩界面处上层土体位移较大，测斜管在岩土界面位移突变，连接位移突变点建立滑移曲线，判断土岩界面平面滑移面性质，证明土岩边坡整体破坏模式。
本实施例作为一种典型的实施例，如图2所示，该土岩双元边坡整体破坏模式的监测验证系统包括安装在坡顶监测坡顶水平位移和垂直位移的表面位移装置1，安装在土体内部特别是土岩交界面处监测深层土体位移的测斜管2以及安装在滑移面附近监测土体竖直位移的分层沉降仪以及数据处理装置。
进一步的，所述的表面位移装置1采用圆头钢筋，具体的安装方式是：在坡顶位移监测点选用凿入地面一定深度的圆头钢筋，通过观察钢筋圆头的沉降得到监测点的地面沉降，通过观察钢筋圆头与水准基点的距离得到监测点的水平位移，圆头钢筋在地面的高度方便观察即可。
进一步的，所述的分层沉降仪具体的布置方式参考附图3，沿坡体的高度方向设置多层，每一层设置多行和多列。具体的，在滑移面上部，周围土体竖直位移较大且水平位移较小，所以在有限元模拟得出的滑移面左右两侧的深层土体位移监测点布置分层沉降仪，与测斜管同时安装，安装深度为0.1h。(本例中，根据有限元计算，滑移面坡顶开裂点位于距坡脚水平距离1.1h及1.2h之间，所以分层沉降仪安装位置在距坡脚水平距离1.1h及1.2h处)
进一步的，所述的测斜管2具体的安装方式是：在所述深层土体位移监测点处分别预埋测斜管，测斜管应每隔1m测一次数据以保证测到不同深度土层的位移大小，且测斜管应尽可能布置在地层交界面处，通过多列测斜管的设置形成了多列深层土体位移监测点。
进一步的，数据处理装置获取表面位移监测装置、测斜仪和分层沉降仪监测的数据，分析边坡表面及内部位移变化情况，特别是土与全风化岩石交界面及全风化岩石与强风化岩石交界面处的位移变化；根据监测分析得出边坡表面位移变化情况确定滑移线的位置，根据边坡内部最大位移点画出边坡的滑移线；将得出的边坡滑移线与有限元法得到的滑移线进行对比，如果无差异，则通过有限元软件进行接下来的支护结构模拟并指导施工，如果有差异，从新进行有限元模拟，再次进行对比，直到无差异。
本实施例中公开的土岩双元边坡整体破坏模式的监测验证系统，能够通过安装在坡顶上的表面位移装置了解坡顶水平位移和垂直位移的具体变化值；通过测斜管了解到边坡内部的水平位移，通过分层沉降仪了解到边坡内部竖直位移的变化值，从而能够实现对边坡综合全面的监测，及时全面的了解边坡的位移、倾斜、以及受力情况，与电脑上模拟的滑移线进行对比。
基于上述系统，本实施例还提供一种监测验证方法，即先通过有限元软件对边坡进行模拟，得出边坡的滑移线，再对边坡进行监测，通过监测数据得出边坡内部的最大位移点，将这些点连接为曲线，得到边坡的滑移线，用得到的边坡滑移线验证有限元软件得出的滑移线，如果两者差异不大，就可说明有限元软件的计算结果时可靠的，接下来运用有限元软件对后续的施工步骤进行计算，改进支护结构的施工位置以及数量。具体如下：
1)通过有限元软件对边坡进行模拟，得出边坡的滑移线；
2)根据边坡施工方案制定监测坡顶及潜在滑移面处的位移变化的监测方案；包括深层土体位移点、坡顶位移监测点以及水准基点的布设方案；
3)根据步骤2)确定的布设方案进行施工，并进行监测；
4)对监测数据进行整理，分析边坡表面及内部位移变化情况，特别是土与全风化岩石交界面及全风化岩石与强风化岩石交界面处的位移变化；
5)根据监测分析得出边坡表面位移变化情况确定滑移线的位置，根据边坡内部最大位移点画出边坡的滑移线；
6)根据步骤5)得出的边坡滑移线验证有限元法得到的滑移线，并通过有限元软件为接下来的边坡支护结构施工提供指导。
进一步地，步骤2)中监测方案的布设标准如下：
2-1)确定水准基点的布设方案：水准基点需布设在坡顶，且位于边坡施工的影响距离之外，影响距离由边坡的高度决定，根据研究，施工对坡顶表面位移的最大影响范围不会超过土加全风化岩层厚度的值。
2-2)确定边坡施工对坡顶表面位移影响最大的区域：以坡顶与坡面的交线为起点，向背离边坡施工方向量出相当于土加全风化岩层厚度值的区域，这部分区域就是边坡施工对坡顶表面位移影响最大的区域，水准基点布设在此区域外即可。
2-3)确定深层土体位移监测点:本发明所采用的监测方案目的在于得到施工时土岩双元边坡的破坏模式，由于边坡是由不同的地层构成，为验证界面处是否会产生突变，因此测斜管的监测点位置多数布置在了各地层的交界面处，少量布置在土层内部。一般地，测斜管监测范围应超出有限元计算时出现滑移的区域 (在滑移面外至少布设一根测斜管)，且在土岩交界面处应布设监测点。
2-4)确定坡顶位移监测点：坡顶位移监测点根据有限元计算结果进行布置，在滑坡体内部及外部至少分别布置一个坡顶位移监测点，在本例中，布置在距坡顶与坡面交线0.1h及0.2h的位置处。(h为坡高)
所述步骤3)的具体步骤如下：
3-1)在所述水准基点布设水准仪在所述水准基点布设水准仪。
3-2)在所述坡顶位移监测点选用凿入地面一定深度的圆头钢筋，通过观察钢筋圆头的沉降得到监测点的地面沉降，通过观察钢筋圆头与水准基点的距离得到监测点的水平位移，圆头钢筋在地面的高度方便观察即可。
3-3)在所述深层土体位移监测点处分别预埋测斜管，测斜管应每隔1m测一次数据以保证测到不同深度土层的位移大小，且测斜管应尽可能布置在地层交界面处，通过多列测斜管的设置形成了多列深层土体位移监测点。
3-4)在滑移面上部，周围土体竖直位移较大且水平位移较小，所以在有限元模拟得出的滑移面左右两侧的深层土体位移监测点布置分层沉降仪，与测斜管同时安装，安装深度为0.1h。(本例中，根据有限元计算，滑移面坡顶开裂点位于距坡脚水平距离1.1h及1.2h之间，所以分层沉降仪安装位置在距坡脚水平距离1.1h及1.2h处)
进一步地，所述步骤4)的具体步骤如下：
4-1)收集整理各坡面位移监测点数据，绘制坡顶水平位移值统计表及坡顶沉降统计表；
坡顶水平位移值统计表
坡顶沉降值统计表
4-2)收集整理各深层土体位移监测点数据(测斜管以及分层沉降仪)，填入监测点位移统计表中；特别地，收集坡面位置测斜管的数据时，需站在预先搭建的平台上读数；(表中坐标为本例测斜管位置，在实际应用中根据各地层厚度灵活调节测斜管位置，满足1-3)的要求即可)
深层土体水平位移值统计表
深层土体沉降值统计表
进一步地，所述步骤5)的具体步骤如下：
根据步骤5-1)及步骤5-2)的监测点位移统计表，确定边坡内部最大位移点的x、y坐标，进而画出边坡的滑移曲线(最大位移为水平位移矢量加竖直位移矢量的模长值)，进而确定边坡的破坏模式。为便于理解步骤4-3)，特此示例。
表1坡顶水平位移值统计表
表2坡顶沉降值统计表
表3深层土体水平位移值统计表
表4深层土体沉降值统计表
本例中坡率为1:1，以坡脚为坐标原点，根据表1及表2的数据，判断滑移面坡顶开裂点介于距坡顶水平距离0.1h及0.2h之间，取中间值，开裂点坐标为 (1.15h，h)；根据表3及表4的数据，得出：
①距坡顶竖直距离0.1h处，判断滑移面介于距坡脚水平距离1.1h及1.2h 之间，取中间值，坐标为(1.15h，0.9h)
②距坡顶竖直距离0.3h处，判断滑移面介于距坡脚水平距离0.9h及1.1h 之间，参考监测点距坡脚水平距离0.75h处的数据，按线性规律，推断出水平位移值为0的坐标为(1.067h，0.7h)
③距坡顶竖直距离0.5h处，判断滑移面介于距坡脚水平距离0.6h及0.75h 之间，取中间值，坐标为(0.675h，0.5h)
根据上图的坐标作出的曲线即为边坡的圆弧滑移线，与全风化岩层和强风化岩层界线连起来即为土岩双元边坡的滑移线。再与有限元法得到的滑移线进行对比，验证有限元法结果的正确性，为下一步有限元分析提供支撑。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种土岩双元边坡整体破坏模式的监测验证方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）通过有限元软件对边坡进行模拟，得出边坡的滑移线；
2）根据边坡施工方案制定监测坡顶及潜在滑移面处的位移变化的监测方案；包括深层土体位移监测点、坡顶位移监测点以及水准基点的布设方案；深层土体位移监测点多数布置在了各地层的交界面处，少量布置在土层内部；
3）根据步骤2）确定的布设方案进行施工，并进行监测；
4）对监测数据进行整理，分析边坡表面及内部位移变化情况，特别是土与全风化岩石交界面及全风化岩石与强风化岩石交界面处的位移变化；
5）根据监测分析得出边坡表面位移变化情况确定滑移线的位置，根据边坡内部最大位移点画出边坡的滑移线；
6）将步骤5）得出的边坡滑移线与有限元法得到的滑移线进行对比，如果无差异，则通过有限元软件进行接下来的支护结构模拟并指导施工，如果有差异，重新进行有限元模拟，再次进行对比，直到无差异。
2.如权利要求1所述的监测验证方法，其特征在于，步骤1）中所述的水准基点的布设方案：
确定边坡施工对坡顶表面位移影响最大的区域，该区域为以坡顶与坡面的交线为起点，向背离边坡施工方向量出1倍边坡高度的区域；水准基点布设在坡顶，且位于边坡施工的影响距离之外。
3.如权利要求1所述的监测验证方法，其特征在于，步骤2）中坡顶位移监测点布置在距坡顶与坡面交线1m及2m的位置处。
4.如权利要求1所述的监测验证方法，其特征在于，所述步骤3）中在水准基点布设水准仪；在坡顶位移监测点选用凿入地面一定深度的圆头钢筋，通过观察钢筋圆头的沉降得到监测点的地面沉降，通过观察钢筋圆头与水准基点的距离得到监测点的水平位移。
5.如权利要求1所述的监测验证方法，其特征在于，在深层土体位移监测点处分别预埋与测斜仪配合的测斜管，测斜管每隔一段距离设置一个，且测斜管布置在地层交界面处，通过多列测斜管的设置形成了多列深层土体位移监测点。
6.如权利要求1所述的监测验证方法，其特征在于，在有限元模拟得出的滑移面左右两侧的深层土体位移监测点布置分层沉降仪，与测斜管同时安装。
7.基于权利要求1所述的监测验证方法，其特征在于，所述步骤4）的具体步骤如下：
4-1）收集整理各坡面位移监测点数据，绘制坡顶水平位移值统计表及坡顶沉降统计表；
4-2）收集整理各深层土体位移监测点数据，利用监测点位移统计表进行统计。
8.基于权利要求7所述的监测验证方法，其特征在于，所述步骤5）的具体步骤如下：
根据步骤4-1）及步骤4-2）的监测点位移统计表，确定边坡内部最大位移点的x、y坐标，进而画出边坡的滑移曲线，进而确定边坡的破坏模式。
9.一种土岩双元边坡整体破坏模式的监测验证系统，其特征在于，包括
表面位移监测装置，其安装在坡顶，用于监测坡顶的水平位移和垂直位移；
测斜管，其安装在边坡土体内部及土岩交界面处，用于监测边坡土体内部以及土岩交界面处的水平位移；
分层沉降仪，其安装在边坡滑移面，用于监测边坡土体的竖直位移；
数据处理装置， 获取表面位移监测装置、测斜仪和分层沉降仪监测的数据，分析边坡表面及内部位移变化情况，特别是土与全风化岩石交界面及全风化岩石与强风化岩石交界面处的位移变化；根据监测分析得出边坡表面位移变化情况确定滑移线的位置，根据边坡内部最大位移点画出边坡的滑移线；将得出的边坡滑移线与有限元法得到的滑移线进行对比，如果无差异，则通过有限元软件进行接下来的支护结构模拟并指导施工，如果有差异，重新进行有限元模拟，再次进行对比，直到无差异。
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