鐵路路塹高邊坡穩(wěn)定性分析和設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

孫宏偉

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,天津 300251)

近年來我國鐵路建設(shè)發(fā)展迅猛,隨著一批批新建項(xiàng)目的上馬,越來越多的設(shè)計(jì)難點(diǎn)也呈現(xiàn)出來,山區(qū)鐵路遇到的超高邊坡設(shè)計(jì)問題也越來越多。鐵路深路塹高邊坡一直是路基設(shè)計(jì)中的重要關(guān)注點(diǎn),如何對工程開挖邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行合理、正確的分析評價(jià),進(jìn)而采取合理的邊坡防護(hù)措施,直接決定了工程的安全成敗。

1 高邊坡坡形坡率設(shè)計(jì)基本原則

鐵路路塹邊坡坡形一般設(shè)置為臺階式,臺階高度一般為6～12 m,完整巖體及頂級緩坡可設(shè)至15 m左右,平臺寬一般1～3 m。對于高邊坡,常在坡體中部設(shè)置4～6 m寬的中間平臺,以減小坡腳應(yīng)力,優(yōu)化坡體受力狀態(tài),使上下級邊坡某種程度上分離。

邊坡坡率一般根據(jù)邊坡地質(zhì)巖性、產(chǎn)狀及風(fēng)化程度,通常采用如下原則：弱風(fēng)化巖(1∶0.50)～(1∶1.00),強(qiáng)風(fēng)化巖(1∶1.00)～(1∶1.50),全風(fēng)化、坡殘積層及松散軟弱土層(1∶1.50)～(1∶1.75)。

2 高邊坡穩(wěn)定性分析方法

2.1 邊坡穩(wěn)定性分析方法適應(yīng)性分析

對高邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性評價(jià)在工程中應(yīng)用最廣泛的是極限平衡法。即根據(jù)邊坡破壞的邊界條件,應(yīng)用力學(xué)分析的方法,對邊坡可能發(fā)生的沿著某一潛在滑動面發(fā)生的滑動失穩(wěn)破壞進(jìn)行理論計(jì)算和力學(xué)分析,通過反復(fù)分析和計(jì)算比較,給出坡體安全系數(shù)(穩(wěn)定性系數(shù))。通過安全系數(shù)定量評價(jià)邊坡的穩(wěn)定性,由于安全系數(shù)比較直觀,因而被工程界廣泛采用。

極限平衡法對滑體的范圍和滑面的形態(tài)進(jìn)行分析,正確選用滑面計(jì)算參數(shù),分析滑體的各種荷載,運(yùn)用力學(xué)平衡原理對滑體進(jìn)行穩(wěn)定性分析。基于該原理的分析方法很多,如瑞典條分法、Bishop法、Janbu法、不平衡傳遞系數(shù)法等。

非巖質(zhì)邊坡破壞模式一般可分為圓弧型破壞(黏性土質(zhì))和平面破壞(砂性土質(zhì))以及特殊形態(tài)破壞；非巖質(zhì)邊坡主要是指覆蓋層、坡殘積土邊坡,全風(fēng)化巖層邊坡等。使用的分析方法是瑞典條分法、Bishop法,其中Bishop法應(yīng)用的更加廣泛,結(jié)果更加合理。Bishop法假定各土條底部滑動面上的抗滑安全系數(shù)均相同,即等于整個(gè)滑動面的平均安全系數(shù),取單位長度邊坡按平面問題計(jì)算,如圖1所示[1]。假定滑動圓弧為AC,圓心為O,半徑為R。將滑動土體分成若干條帶,取第i條帶分析其受力情況。根據(jù)剛體平衡條件及Mohr-Coulomb準(zhǔn)則推導(dǎo)出的安全系數(shù)公式如下

式中Ks——坡體安全系數(shù)；

Wi——第i個(gè)條帶自重；

αi——第i個(gè)條帶滑動面法線與豎直方向的夾角；

bi——第i個(gè)條帶寬度；

ci、φi——滑動面上土體的黏聚力及內(nèi)摩擦角；

li——第i個(gè)條帶滑動面弧長；

uili——第i個(gè)條帶孔隙水壓力；

mαi——中間計(jì)算系數(shù)。

圖1 Bishop法計(jì)算簡圖

而在實(shí)際工程中常見的是非圓弧滑動面的土質(zhì)邊坡,如土質(zhì)邊坡位于傾斜的非土質(zhì)巖層層面上或土質(zhì)邊坡下面有非圓弧型的軟弱夾層,滑動面形狀受到軟弱夾層或巖層影響而呈現(xiàn)非圓弧形。大部分巖坡在喪失穩(wěn)定性時(shí)的滑動面可能為沿著巖體軟弱巖層滑動,或沿著巖體中的結(jié)構(gòu)面滑動,當(dāng)這軟弱面不存在時(shí),也可能在巖體中滑動。但主要是前面2種情況較多。此時(shí),滑動面為非圓弧型,此種情況適用性較好的分析方法是Janbu法。Janbu法假定[2]：①滑動面上的切向力Ti等于滑動面上土所發(fā)揮的抗剪強(qiáng)度,即Ti=(Nitanφi+cili)/Ks；②條帶兩側(cè)法向力E的作用點(diǎn)位置為已知,且一般假定作用于條帶地面以上1/3高度處。經(jīng)過分析,條間力作用點(diǎn)的位置對邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)影響較小。取任一條帶分析(圖2),αti為推力線與水平線的夾角,hti為條間力作用點(diǎn)的位置。未知量有：安全系數(shù)Ks；n個(gè)土條底部法向反力Ni；n個(gè)法向條間力之差ΔEi及n-1個(gè)切向條間力Xi?？赏ㄟ^對每一條帶力及力矩平衡條件建立3n個(gè)方程來求解。根據(jù)剛體平衡條件、安全系數(shù)的定義和摩爾-庫倫破壞準(zhǔn)則,推導(dǎo)出的安全系數(shù)公式如下

式中Ks——坡體安全系數(shù)；

Wi——第i個(gè)條帶自重；

αi——第i個(gè)條帶滑動面與水平方向的夾角；

bi——第i個(gè)條帶寬度；

ci、φi——滑動面上土體的黏聚力及內(nèi)摩擦角；

ΔXi——第i個(gè)條帶切向條間力之差；

mαi——中間計(jì)算系數(shù)。

圖2 Janbu法條分法的計(jì)算簡圖

2.2 計(jì)算指標(biāo)的選取原則

穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)的選取主要依據(jù)以下4個(gè)方面：現(xiàn)場試驗(yàn)指標(biāo)、室內(nèi)試驗(yàn)指標(biāo)、相關(guān)經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)和反算指標(biāo),計(jì)算指標(biāo)原則上應(yīng)以現(xiàn)場試驗(yàn)及室內(nèi)試驗(yàn)成果為準(zhǔn)。

現(xiàn)場試驗(yàn)是在邊坡工程現(xiàn)場進(jìn)行現(xiàn)場大型剪切試驗(yàn),或者給合工程地質(zhì)勘探鉆孔進(jìn)行孔內(nèi)現(xiàn)場剪切試驗(yàn),對于軟弱地層亦可采用十字板剪切試驗(yàn),以及其他結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度現(xiàn)場試驗(yàn)方法等,從而求得邊坡巖土現(xiàn)場試驗(yàn)指標(biāo)；室內(nèi)試驗(yàn)是結(jié)合邊坡工程地質(zhì)勘察,利用工程地質(zhì)勘探孔取得原狀樣或擾動樣,通過室內(nèi)試驗(yàn)的方法,獲取邊坡巖土基本物理力學(xué)指標(biāo),求得巖土抗剪強(qiáng)度參數(shù)值；相關(guān)經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)是指在巖土工程勘察設(shè)計(jì)工作實(shí)踐中,對于巖土強(qiáng)度指標(biāo),運(yùn)用工程地質(zhì)類比方法,利用既有工程中類似巖土的相關(guān)指標(biāo)數(shù)值、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),類比確定當(dāng)前工程的強(qiáng)度指標(biāo)；指標(biāo)反算是根據(jù)給定邊坡工程變形性狀,判斷邊坡穩(wěn)定程度或安全系數(shù),采用一系列反分析方法,確定邊坡巖土主要強(qiáng)度指標(biāo)。

選定巖土體力學(xué)參數(shù)指標(biāo)的主要原則是：綜合考慮室內(nèi)試驗(yàn)、反算和經(jīng)驗(yàn)指標(biāo),有條件時(shí)采用現(xiàn)場試驗(yàn)指標(biāo)。由于室內(nèi)試驗(yàn)指標(biāo)一般偏低,而現(xiàn)場試驗(yàn)指標(biāo)一般偏高的特點(diǎn),反算指標(biāo)介于現(xiàn)場試驗(yàn)指標(biāo)和室內(nèi)試驗(yàn)指標(biāo)之間較為可靠；經(jīng)驗(yàn)參數(shù)指標(biāo)一般可以對擬定計(jì)算指標(biāo)進(jìn)行判斷分析,尤其當(dāng)發(fā)現(xiàn)反算指標(biāo)與相關(guān)試驗(yàn)指標(biāo)相沖突時(shí),作為輔助手段,進(jìn)行全面、綜合分析和判斷以確定計(jì)算指標(biāo)。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

某段鐵路工程以深挖方通過,如圖3所示,地勢左高右低,路塹最大邊坡高約40.6 m,超出一般情況下鐵路路基邊坡高度30 m限制。初步設(shè)計(jì)方案中,右側(cè)工程邊坡高度達(dá)到40.6 m,分為5級,每級邊坡高8 m,邊坡坡率1∶1.25,級間平臺寬度2.0 m,采取的措施以孔窗護(hù)坡防護(hù)為主,未做特別設(shè)計(jì),現(xiàn)經(jīng)詳細(xì)地質(zhì)勘查,該處地層情況較差,經(jīng)研究分析,擬對初步設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),以滿足工程安全穩(wěn)定的需要。該段地層情況如下。

表層粉質(zhì)黏土：黃褐色,硬塑,含植物根系及少量礫石,層厚5～12 m,分布于本段路基沖溝地表。下為千枚巖,全風(fēng)化,灰黃色,灰綠色,層厚10～15 m；下為千枚巖,灰綠色,強(qiáng)風(fēng)化,巖層產(chǎn)狀130°∠45°,經(jīng)計(jì)算左側(cè)邊坡順層。地震動峰值加速度0.1g。

圖3 某鐵路邊坡開挖示意(單位：m)

計(jì)算斷面處邊坡主要巖性為粉質(zhì)黏土、全～強(qiáng)風(fēng)化千枚巖,經(jīng)地質(zhì)鉆探和室內(nèi)試驗(yàn)測得的計(jì)算參數(shù)見表1。首先對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析評價(jià),穩(wěn)定性計(jì)算中考慮自然工況和地震工況。

表1 計(jì)算參數(shù)

3.2 左側(cè)邊坡穩(wěn)定性分析

本工點(diǎn)左側(cè)邊坡順層,根據(jù)地質(zhì)資料分析,全～強(qiáng)風(fēng)化巖層分界面存在薄弱層面,可能發(fā)生沿此薄弱面發(fā)生的順層破壞。經(jīng)地質(zhì)鉆探和試驗(yàn)分析,得到該層面抗剪參數(shù),依據(jù)此數(shù)據(jù)運(yùn)用改進(jìn)janbu法對左側(cè)邊坡進(jìn)行分析,邊坡穩(wěn)定性分析模型如圖4所示，結(jié)果如圖5所示。此模式下,邊坡的安全系數(shù)為1.38,地震工況下也大于1.0,整體穩(wěn)定性較好,可見此模式的潛在破壞不易發(fā)生。

圖4 某工程邊坡穩(wěn)定性分析模型

圖5 順層滑動模式邊坡穩(wěn)定性分析

該處右側(cè)邊坡巖層上覆較厚粉質(zhì)黏土,其下全風(fēng)化千枚巖均為非巖質(zhì)體,較為松散,工程邊坡開挖后,易發(fā)生近似于圓弧型滑動破壞,對邊坡上部松散堆積覆蓋層進(jìn)行穩(wěn)定分析,結(jié)果如圖6所示。

圖6 圓弧型滑動模式邊坡穩(wěn)定性分析

對該工程邊坡進(jìn)行穩(wěn)定分析,搜索其最不利滑面,得到坡體安全系數(shù)為1.045,小于規(guī)定值1.25,需要施加防護(hù)措施或改變坡體形態(tài)。

3.3 對初步設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化

提高路塹邊坡穩(wěn)定性的措施一般有：增加中間邊坡平臺寬度,放緩邊坡坡率,降低每級邊坡高度,采取加強(qiáng)坡面護(hù)砌、邊坡錨固、增加坡腳錨固樁等加強(qiáng)邊坡防護(hù)措施等。但一般情況下,施工簡單、效果好、投資增加較少的措施是前3項(xiàng),但會造成邊坡高度、土石方開挖量和用地的增加。但是如果地形陡峭、地下水發(fā)育、邊坡順層或存在薄弱面、工程地質(zhì)條件復(fù)雜,需要結(jié)合后幾項(xiàng)措施提高邊坡穩(wěn)定性,降低施工和長期運(yùn)營中的風(fēng)險(xiǎn),保證鐵路運(yùn)輸安全。

初步設(shè)計(jì)方案中,邊坡級間平臺寬度為2.0 m,對于此高邊坡顯得過小,應(yīng)增加級間平臺寬度,擬對第2、3級平臺寬度進(jìn)行加寬,由2 m加寬至7 m,根據(jù)計(jì)算結(jié)果評價(jià)措施優(yōu)劣。

如圖7所示,當(dāng)級間平臺寬度由2 m增加至4 m時(shí),安全系數(shù)提高4.88%,由4 m增加至5 m,安全系數(shù)提高1%,由5 m提高至6 m,安全系數(shù)提高8.04%。由2 m增加至4 m,邊坡安全系數(shù)提高較多,寬度增至5 m,提高較少,由5 m提高至6.0 m,安全系數(shù)提高較多,但此時(shí)由于邊坡平臺過寬,工程挖方量提高過大,不是很經(jīng)濟(jì),因此決定第二、三級邊坡平臺增加至4.0 m,較經(jīng)濟(jì)合理。

圖7 不同級間平臺寬度對應(yīng)的坡體安全系數(shù)

另外初步設(shè)計(jì)方案中,對邊坡坡率設(shè)計(jì)為1∶1.25,根據(jù)現(xiàn)有地層資料,由于左側(cè)邊坡上覆較厚土層,坡率應(yīng)放緩至1∶1.5,由于塹頂?shù)匦螜M坡較平緩,放緩邊坡和增加邊坡平臺寬度后邊坡高度增加0.5 m,增加值較小,比較合理。

經(jīng)計(jì)算,改進(jìn)坡率及平臺寬度后,坡體最不利安全系數(shù)為1.277(圖8),大于1.25的規(guī)范要求值,地震工況下也大于1.0,滿足要求。

圖8 改進(jìn)方案左側(cè)邊坡穩(wěn)定性分析成果

雖然邊坡整體穩(wěn)定性較好,但由于邊坡過高覆蓋層較厚,另外考慮地下水及降水對順層層面的弱化影響作用,需加強(qiáng)工程邊坡坡面防護(hù),增加坡面錨固防護(hù)措施：對坡腳設(shè)置矮擋墻加固,以穩(wěn)定坡腳,對三、四級塹坡實(shí)施框架錨桿防護(hù),防止表層滑塌破壞。

優(yōu)化后的方案,雖然增加了土方(增加15%)和用地?cái)?shù)量(兩側(cè)各增加10 m),但由于是山區(qū),人煙稀少,有條件增加用地。同時(shí)邊坡高度幾乎未增加,通過改善邊坡坡率和平臺寬度,坡體的整體和局部穩(wěn)定性情況得到了很大改善,另外通過對坡面施加框架錨桿防護(hù),使淺層邊坡的局部穩(wěn)定性大幅提高,通過對坡腳采用矮擋墻加固,穩(wěn)固了邊坡坡腳,大大提高了邊坡的抗震穩(wěn)定性,工程效果良好。從長遠(yuǎn)看,經(jīng)濟(jì)效果也很明顯,雖然短期投入有一定的增加,但邊坡的穩(wěn)定性從根本上得到了很大提高,減少了以后邊坡維修治理的費(fèi)用,長期效益良好。

4 結(jié)論

本文的研究得出如下結(jié)論。

(1)對鐵路高邊坡的設(shè)計(jì)防護(hù)應(yīng)以地質(zhì)資料及試驗(yàn)成果為基礎(chǔ),選取正確的計(jì)算參數(shù),首先對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行穩(wěn)定性評價(jià),對可能發(fā)生的潛在坡體滑動模式進(jìn)行充分的分析。

(2)對于邊坡分析評價(jià)應(yīng)綜合考慮地層情況,松散的覆蓋層、堆積層易發(fā)生圓弧型滑動破壞,存在明顯的貫通節(jié)理裂隙的順層邊坡易發(fā)生順層失穩(wěn)破壞,對于沒有明顯滑面的順層邊坡,也存在沿不同巖層界面發(fā)生滑動的趨勢。

(3)穩(wěn)定性分析成果應(yīng)用于設(shè)計(jì)時(shí)尚應(yīng)考慮一定的安全冗余,應(yīng)綜合考慮各種因素,因地制宜,采取合理的防護(hù)措施。

(4)增加中間邊坡平臺寬度,放緩邊坡坡率可以有效地提高邊坡穩(wěn)定性,雖然會使工程土方、用地?cái)?shù)量增加,但對提高邊坡穩(wěn)定性是最簡便、最有效的方法。另外如果地形陡峭、地下水發(fā)育、邊坡順層或存在薄弱面、工程地質(zhì)條件復(fù)雜,需要結(jié)合一定的防護(hù)措施以提高邊坡穩(wěn)定性,降低施工和長期運(yùn)營中的風(fēng)險(xiǎn),保證鐵路運(yùn)輸安全。

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