毛瑋蕓
摘 要:隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和基礎(chǔ)建設(shè)的完善,將面臨著越來越多的山區(qū)道路邊坡問題。基于平原道路邊坡的相關(guān)研究已經(jīng)比較深入,該文從道路改擴(kuò)建工程、邊坡穩(wěn)定性、邊坡檢測技術(shù)等方面的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析,探討了山區(qū)道路邊坡安全控制技術(shù)的發(fā)展。研究山區(qū)道路邊坡安全控制技術(shù)對于工程建設(shè)具有重要的意義。最后,對于未來的道路邊坡研究提出了幾點(diǎn)建議。
關(guān)鍵詞:山區(qū)道路 邊坡 安全控制
中圖分類號:U41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1674-098X(2017)02(b)-0038-03
我國山地面積占整個國土面積的70%,大量的自然邊坡存在我國的山地之中。中國正處于快速的發(fā)展時期,大量基礎(chǔ)工程設(shè)施的建設(shè),如鐵路公路、水電樞紐及礦山等,會給工程技術(shù)帶來大量的高邊坡工程。如何在道路的改擴(kuò)建過程中對邊坡進(jìn)行監(jiān)測,減小對既有邊坡的不利影響,是決定山區(qū)道路工程安全及工期的主要因素,也是道路改擴(kuò)建工程中的技術(shù)難題之一。目前,科研工作者對于平原地區(qū)道路邊坡安全控制的問題進(jìn)行了深入的研究,取得了一定的成果。但是對于山區(qū)道路邊坡安全控制的問題,相關(guān)研究很少。山區(qū)道路邊坡穩(wěn)定性與平原道路相比,受到更多因素的限制。
1 道路改擴(kuò)建工程研究進(jìn)展
因國外道路在修建時在規(guī)劃設(shè)計過程中考慮較為全面,不存在后期運(yùn)營中交通量過多、擁堵等問題,故對道路改擴(kuò)建問題的相關(guān)研究較少,但總結(jié)個別案例,仍然可以從中吸取少許寶貴的經(jīng)驗(yàn)及成果。
美國的Deschamps[1]等人在1999年通過對拓寬的道路路基進(jìn)行探究,分析了由于新老路基沉降不均勻產(chǎn)生的變形和路基邊坡失穩(wěn)的原因,總結(jié)了路基拓寬失敗的主要原因:降雨、對新路基的壓實(shí)不足和開挖不合理等造成了路基軟化。日本、美國、德國等制定了關(guān)于道路改擴(kuò)建的設(shè)計施工規(guī)范[2-4],有效地解決了新老路基差異沉降、邊坡穩(wěn)定性等問題。
對于道路的改擴(kuò)建,國內(nèi)學(xué)者也做了諸多研究:白玉鳳[5]研究了不同施工時間段、不同施工方式和不同施工條件下的道路安全狀況,找到了進(jìn)行高速公路改擴(kuò)建工程時施工難度相對較大的時間和位置,并闡述了不同條件下施工安全注意事項(xiàng)。周志剛等[6]在施工現(xiàn)場進(jìn)行試驗(yàn),通過監(jiān)測路基沉降、路面彎沉等相關(guān)數(shù)據(jù),進(jìn)行有限元模擬分析,得出結(jié)論:將土工格柵鋪設(shè)在新老路基交界處可以有效改善填土的各項(xiàng)性能指標(biāo)。
2 邊坡的穩(wěn)定性評價研究進(jìn)展
邊坡的穩(wěn)定性是公路改擴(kuò)建施工的基礎(chǔ),其失穩(wěn)破壞的根本原因在于巖土體的剪應(yīng)力大于抗剪強(qiáng)度。當(dāng)前對邊坡穩(wěn)定評價主要為定性分析和定量分析兩種方法,但兩種分析方法都有一定的局限性。定性分析不能給出量化的結(jié)果,而定量分析又將一些邊界條件進(jìn)行了簡化。國內(nèi)外關(guān)于邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了大量的研究,探究邊坡穩(wěn)定性和相關(guān)經(jīng)濟(jì)合理性。
國內(nèi)研究中,何忠明等[7]使用FLAC軟件對開挖軟巖邊坡的過程中塑性區(qū)分布、變形、安全系數(shù)的改變以及不同處理措施下的支護(hù)效果分別進(jìn)行計算分析,探究不同條件下的邊坡穩(wěn)定性。結(jié)果表明:開挖過程中,邊坡的剪切和張拉塑性區(qū)分布主要集中在邊坡表層2~4 m范圍內(nèi),且隨著深度的增加邊坡安全系數(shù)降低;通過采用全長注漿錨桿進(jìn)行邊坡支護(hù)措施,可以有效地控制邊坡變形。楊潔[8]提出了一種新的邊坡穩(wěn)定性評價方法。將可靠度理論應(yīng)用于動力邊坡穩(wěn)定性分析,探究不同工況下土石壩的可靠度變化規(guī)律。國外研究中,Zienkiewicz[9]等首次將強(qiáng)度折減系數(shù)概念引入到彈塑性有限元數(shù)值方法中,提出了關(guān)于土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析的折減彈塑性有限元方法。Ugai[10]使用強(qiáng)度折減有限元法對傾斜邊坡、直立邊坡、非均質(zhì)邊坡及存在孔隙水壓力的復(fù)雜邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。Matsui和San[11]以剪應(yīng)變作為邊坡破壞評判指標(biāo),基于Duncan-chang雙曲線非線性模型,利用強(qiáng)度折減理論和有限元法,研究開挖邊坡的穩(wěn)定性。
在邊坡的穩(wěn)定性分析方面,國內(nèi)外人員已做了許多的深入研究,但關(guān)于山區(qū)交通道路可能存在高邊坡問題特別是因路基路塹的擴(kuò)寬引起的失穩(wěn)相關(guān)研究較少,缺乏相應(yīng)的理論研究。
3 道路的沉降對邊坡穩(wěn)定性影響規(guī)律研究進(jìn)展
在道路的改擴(kuò)建過程中,可能會出現(xiàn)新老路基存在差異沉降的現(xiàn)象,差異的沉降使得新老路基結(jié)合處產(chǎn)生縱向裂縫,不僅可能會導(dǎo)致更多路基和路面病害,而且影響了行車的舒適性和安全性,嚴(yán)重影響公路的經(jīng)濟(jì)和社會效益。
基于以上問題,Wu.T.H[12]通過室內(nèi)人工方式設(shè)置新老路基間的工后差異沉降,進(jìn)而模擬路基拓寬所造成的新老路基變形情況,探究拓寬改建工程中新老路基差異沉降的影響規(guī)律。黃琴龍[13]認(rèn)為路基拓寬工程中新老路基間施工后差異變形會導(dǎo)致病害的產(chǎn)生,通過進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)和相應(yīng)的有限元數(shù)分析,探究瀝青路面在路基差異條件下的結(jié)構(gòu)改變規(guī)律。錢勁松[14]通過研究老路拓寬差異沉降的研究現(xiàn)狀,指出了當(dāng)前計算方法的不足之處,通過對老路拓寬工程進(jìn)行非線性的有限元分析,總結(jié)了施工后差異沉降的規(guī)律,并且根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對老路拓寬相關(guān)的設(shè)計提出改進(jìn)方法。章定文[15]提出原有路堤及地基的應(yīng)力場和應(yīng)變場會由于道路擴(kuò)建過程中使用加寬路堤填筑而變化,進(jìn)而導(dǎo)致了老路的附加差異變形。他使用彈塑性有限元參數(shù)分析方法探討了不同軟土層厚度、不同加寬路堤寬度、不同的新老路堤剛度比時加寬路堤的填筑對老路變形規(guī)律的影響。在設(shè)計公路改擴(kuò)建所產(chǎn)生沉降的相關(guān)研究中,大多數(shù)研究人員將研究重點(diǎn)放在了公路的路面開裂上,進(jìn)而探究沉降原理和影響因素,而忽視了道路可能存在的環(huán)境條件,關(guān)于山區(qū)道路這一特定條件下的公路擴(kuò)建所引發(fā)的道路沉降,以及沉降所引發(fā)的邊坡失穩(wěn)研究不足。
4 邊坡監(jiān)測技術(shù)及裝備研究進(jìn)展
長期以來人們對邊坡的監(jiān)測給予了高度的重視,邊坡監(jiān)測己成為掌握邊坡動態(tài)、確保工程安全、了解失穩(wěn)機(jī)理和開展邊坡穩(wěn)定性預(yù)警預(yù)報的重要手段。
目前,國內(nèi)外邊坡變形主要采用的監(jiān)測方法是:坡表測量(測距儀、全站儀、水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀等)、光纖位移測量(OTDR,BOTDR-Brillouin Optical Time Domain Reflect ometry)、坡體內(nèi)部測量(水壓監(jiān)測儀、鉆孔傾斜儀和錨索測力計等)、位移計、GPS測量技術(shù)、紅外遙感監(jiān)測方法(SAR),激光微小位移監(jiān)測技術(shù)、聲發(fā)射技術(shù)、合成孔徑雷達(dá)干涉測量(SAR interferometry)、時間域反射測試(TDR)技術(shù)和閉合法等。邊坡安全監(jiān)測已被規(guī)定為重要工程邊坡設(shè)計和施工的主要環(huán)節(jié),邊坡安全監(jiān)測開始全面快速的發(fā)展,主要體現(xiàn)在:對安全監(jiān)測的內(nèi)涵及其對工程意義的理解和認(rèn)識更加全面、深入;監(jiān)測設(shè)備功能豐富,監(jiān)測范圍大,數(shù)字?jǐn)z影、GIS、GPS等現(xiàn)代化技術(shù)手段在邊坡監(jiān)測中不斷推廣應(yīng)用;數(shù)據(jù)處理智能化并且通過數(shù)據(jù)動態(tài)管理實(shí)時監(jiān)測、安全預(yù)警,甚至實(shí)現(xiàn)可信度較高的預(yù)測功能。但這些方法不同程度地受一些因素的制約:GPS監(jiān)測需要設(shè)置信號,可能會由于大氣層和電離層等電波的干擾而產(chǎn)生信號延遲,同時周圍環(huán)境的電磁波可能會干擾接收信號精度,不適合應(yīng)用在早期預(yù)警或者小形變量的測量;紅外遙感監(jiān)測則受電波、電磁波的影響,不能進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測,受外界地形地貌的影響比較嚴(yán)重,同時還受外界電波的干擾;光纖位移監(jiān)測只是進(jìn)行表面測量、對邊坡進(jìn)行測量,受邊坡外部結(jié)構(gòu)的影響,將產(chǎn)生變形。
5 結(jié)語
為了保證山區(qū)道路的暢通與安全,對山區(qū)道路邊坡安全控制技術(shù)的研究十分必要。山區(qū)道路改擴(kuò)建過程中邊坡力學(xué)響應(yīng)特性及智能監(jiān)測與災(zāi)害控制技術(shù)是面臨且需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題,對于這些基礎(chǔ)理論和應(yīng)用技術(shù)的研究,尚存在一下具體的問題有待進(jìn)一步的探討和研究,主要包括以下幾個方面。
(1)山區(qū)道路的改擴(kuò)建研究處于較為空白的階段,道路的改擴(kuò)建工程對周邊環(huán)境邊坡的研究存在不足,而邊坡的穩(wěn)定性與施工安全息息相關(guān),有待進(jìn)一步研究。
(2)對于山區(qū)道路高邊坡的穩(wěn)定性分析方法已有較為充分的研究,但是對其道路的沉降與邊坡支護(hù)的影響涉及情況較少,對道路高邊坡在改擴(kuò)建過程中所受的影響需要進(jìn)一步分析論證,邊坡對于路基沉降與支護(hù)的撤離的響應(yīng)特性有待研究。
(3)針對山區(qū)道路邊坡這種復(fù)雜的巖土工程,需要根據(jù)作業(yè)性質(zhì)進(jìn)行合理的監(jiān)測方案選取,目前缺少對道路邊坡穩(wěn)定性提供一種安全有效的監(jiān)測方案和設(shè)備。
參考文獻(xiàn)
[1] Richard,Hynes C,Bourdeau P H.Embankment Widening Design Guidelines and Construction Procedures[Z].1999.
[2] Fannin R J,Sigurdsson O.Field Observations on Stabilization of Unpaved Roads with Geosynthetics[J].Journal of Geotechnical Engineering,1996,122(7):544-553.
[3] Yogendrakumar M,Bathurst R J,F(xiàn)inn W D L. Dynamic Response Analysis of Reinforced-Soil Retaining Wall[J].Journal of Geotechnical Engineering,1992,118(8):1158-1167.
[4] Wilson-Fahmy R F,Koerner R M,Sansone L J.Experimental Behavior of Polymeric Geogrids in Pullout[J].Journal of Geotechnical Engineering,1994,120(4):661-677.
[5] 白玉鳳.高速公路改擴(kuò)建的交通安全研究[D].西安:長安大學(xué),2008.
[6] 周志剛,鄭健龍,李強(qiáng).土工格網(wǎng)處理填挖交界路基非均勻沉降的機(jī)理分析[J].巖土工程學(xué)報,2002,24(5):576-579.
[7] 何忠明,彭振斌,曹平,等.雙層空區(qū)開挖頂板穩(wěn)定性的FLAC3D數(shù)值分析[J].中南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2009,40(4):1066-1071.
[8] 楊潔,楊上清,肖盛燮.強(qiáng)震邊坡動力響應(yīng)及安全系數(shù)計算[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2011,30(2):277-281.
[9] Zienkiewicz O C,Humpheson C,Lewis R W.Associated and non-associated visco-plasticity and plasticity in soil mechanics[J]. Géotechnique,1900,25(4):671-689.
[10] Ugai K.A method of calculation of total safety factor of slope by elasto-plastic FEM[J]. Soils&Foundations,1989,29(2):190-195.
[11] Matsui T,San K C.FINITE ELEMENT SLOPE STABILITY ANALYSIS BY SHEAR STRENGTH REDUCTION TECHNIQUE[J].Soils &Foundations,1992,32(32):59-70.
[12] Wu T H.Effectiveness of tensile reinforcement in alleviating bridge approach.Geosynthetics89 conference[Z].San Diego,1989.
[13] 黃琴龍,凌建明,錢勁松.新老路基工后差異變形對路面結(jié)構(gòu)的影響[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報,2005,33(6):759-762.
[14] 錢勁松,孫力彤,管旭日.老路拓寬差異沉降計算的研究[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報,2003,22(4):91-94.
[15] 章定文,劉松玉.高速公路擴(kuò)建工程中新路填筑對老路影響的參數(shù)分析[J].公路交通科技,2006,23(7):31-34.