順層邊坡穩(wěn)定性分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

畢全超　王立新

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

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順層邊坡穩(wěn)定性分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

畢全超王立新

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

摘要:順層邊坡穩(wěn)定性分析一直是山區(qū)鐵路工程建設(shè)最為關(guān)心的難點(diǎn)問(wèn)題之一.由于順層邊坡滑動(dòng)面的位置分布復(fù)雜，往往不能夠準(zhǔn)確定位，缺乏一套科學(xué)合理的穩(wěn)定性分析及滑動(dòng)面搜索的方法.為此，論文建立了考慮多級(jí)平臺(tái)幾何特征和巖層產(chǎn)狀的順層邊坡滑動(dòng)分析模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)順層邊坡安全系數(shù)的計(jì)算及潛在滑動(dòng)面分析的過(guò)程.同時(shí)，論文通過(guò)編程計(jì)算將理論方法轉(zhuǎn)化為操作便捷的程序，研究成果較好地應(yīng)用于靖宇至松江河鐵路路基邊坡設(shè)計(jì)工作中，有效地提高了該順層邊坡設(shè)計(jì)精度及效率.

關(guān)鍵詞:順層；邊坡；多級(jí)平臺(tái)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；穩(wěn)定性

0引言

因此，論文主要針對(duì)順層邊坡的穩(wěn)定性分析方法及優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行研究，基于理論研究成果研發(fā)相關(guān)程序計(jì)算模塊，并結(jié)合某鐵路邊坡工程進(jìn)行應(yīng)用.本文對(duì)促進(jìn)順層邊坡設(shè)計(jì)向高效、高精度的方向發(fā)展具有較大的研究和應(yīng)用意義.

1分析模型的建立

1.1模型假定

借鑒文獻(xiàn)[7]的研究成果，論文主要以邊坡開挖后坡頂上方的斜坡地表高程逐漸升高的順層邊坡為研究對(duì)象，假定頂部坡面可以為水平或傾斜方向.最下部為1級(jí)邊坡，假定n級(jí)邊坡坡頂與頂部?jī)A斜坡面相交，分析剖面與邊坡設(shè)計(jì)開挖平面相垂直，滑動(dòng)面由順坡向結(jié)構(gòu)面與陡傾縱向裂隙組合而成，順層邊坡分析模型如圖1所示.

圖1　順層邊坡示意圖

如圖1所示，假定順層邊坡存在一組主控結(jié)構(gòu)面過(guò)坡腳B0，順坡向結(jié)構(gòu)面之間彼此平行，其與水平面之間的夾角為α.n級(jí)邊坡與自然坡面AnC相交，坡面AnC其與水平面之間的夾角為β.假定縱向裂隙MD垂直分布，D為當(dāng)前計(jì)算滑體對(duì)應(yīng)的控制性結(jié)構(gòu)面與縱向裂隙之間的交點(diǎn)，設(shè)M點(diǎn)為縱向裂隙與AnC的交點(diǎn).假定潛在最不利滑動(dòng)面在n級(jí)邊坡范圍內(nèi)，即最小安全系數(shù)對(duì)應(yīng)的滑動(dòng)剪出口N均發(fā)生在開挖范圍內(nèi).該模型可以考慮不同級(jí)別邊坡范圍內(nèi)巖層的厚度差異問(wèn)題，將第i級(jí)邊坡坡面相交的結(jié)構(gòu)面范圍內(nèi)的巖層厚度視為ti，巖層間結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度用ci和φi來(lái)表示，巖層抗拉強(qiáng)度為σDti.

1.2搜索計(jì)算過(guò)程

順層邊坡穩(wěn)定性分析之前，各級(jí)邊坡的高度及平臺(tái)寬度均需事先擬定，順層邊坡穩(wěn)定性分析從下部第1級(jí)邊坡過(guò)坡腳B0的巖層結(jié)構(gòu)面開始，并逐級(jí)向上分析每一級(jí)邊坡范圍內(nèi)各個(gè)巖層結(jié)構(gòu)面上方邊坡的穩(wěn)定性.同時(shí)，需要注意的是每一次結(jié)構(gòu)面的穩(wěn)定性分析均需要考慮不同位置縱向裂隙的影響.縱向裂隙MD的搜索從左向右進(jìn)行，步長(zhǎng)搜索增量為Δε，直至搜索超過(guò)該層控制性結(jié)構(gòu)面與邊坡坡面的交點(diǎn)為止，并記錄對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)面上方邊坡體的穩(wěn)定安全系數(shù)與下滑力.通過(guò)這種逐級(jí)搜索分析模式，實(shí)現(xiàn)了順層邊坡最小安全系數(shù)的分析和最大下滑力計(jì)算過(guò)程，同時(shí)記錄兩種最不利情況下邊坡巖層的具體位置和縱向裂隙的位置，主要計(jì)算步驟如圖2所示[7].

圖2　順層邊坡分析主要步驟

2工程應(yīng)用實(shí)例

2.1搜索計(jì)算過(guò)程

本文基于上述理論方法，編制了順層邊坡穩(wěn)定性分析的計(jì)算軟件.邊坡設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)輸入順層邊坡的基本計(jì)算參數(shù)，快速計(jì)算順層邊坡最小安全系數(shù)及最大下滑力，同時(shí)提供最不利滑動(dòng)面的具體位置，也包含邊坡局部及整體穩(wěn)定性的計(jì)算結(jié)果，便于邊坡設(shè)計(jì)人員使用.

可能是因?yàn)樾郧橄嘟?，周有光和張?jiān)屎妥隽撕芏嗄甑暮门笥选Ｓ幸惶?，在上海教書的他給還在杭州讀書的她寫了一封信，雖然信中的內(nèi)容很普通，沒(méi)有一句有關(guān)情愛(ài)的話。但張?jiān)屎褪盏叫藕?，還是很緊張，和比她年齡大的同學(xué)商量后，才敢回信。暑假兩人再見(jiàn)面時(shí)，已經(jīng)沒(méi)有以前相處時(shí)的自然，很多年以后，張?jiān)屎突貞浧鸷椭苡泄馓裘餍嫩E的那一幕，依然清晰得宛如昨日。

2.2優(yōu)化設(shè)計(jì)工程應(yīng)用

靖宇至松江河新建鐵路工程設(shè)計(jì)里程DK19+700附近，路塹邊坡在開挖過(guò)程中出現(xiàn)了大范圍的工程滑坡.經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，該區(qū)域多分布為強(qiáng)風(fēng)化-中風(fēng)化頁(yè)巖，且?guī)r層層理結(jié)合強(qiáng)度較低(見(jiàn)圖5)，當(dāng)巖層傾向線路方向時(shí)，容易產(chǎn)生順層滑動(dòng)現(xiàn)象.因此，為避免邊坡在后續(xù)施工中出現(xiàn)進(jìn)一步的垮塌現(xiàn)象，變更設(shè)計(jì)需要對(duì)該范圍路塹邊坡工點(diǎn)做全面、系統(tǒng)、精度高的計(jì)算分析，并對(duì)邊坡整體及局部穩(wěn)定性進(jìn)行研究.

圖3　宇松線設(shè)計(jì)里程DK19+700附近邊坡巖層結(jié)構(gòu)

考慮邊坡開挖棄方工程量、邊坡整體及局部穩(wěn)定性等因素，路塹邊坡在支擋結(jié)構(gòu)上部每級(jí)邊坡高度初步選定為8 m，平臺(tái)寬度統(tǒng)一選為2 m，強(qiáng)風(fēng)化頁(yè)巖層間粘聚力取13 kPa，層間內(nèi)摩擦角取23°，巖層順坡向傾角為17°，坡比擬采用1∶1、1∶1.25和1∶1.5三種方案進(jìn)行穩(wěn)定性分析.經(jīng)TSDI_Rockslope V1.0軟件分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，若樁頂以上采用1∶1.25作為每級(jí)邊坡的坡比，坡腳采用樁板墻進(jìn)行支護(hù)，樁頂以上邊坡采用預(yù)應(yīng)力錨索防護(hù)即可滿足設(shè)計(jì)安全系數(shù)的要求，且邊坡開挖棄方工程量也在可控范圍內(nèi).因此，樁板墻上方每級(jí)邊坡坡比統(tǒng)一采用1∶1.25進(jìn)行設(shè)計(jì).

以DK19+740斷面穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果為例，若該邊坡樁頂以上部位采用預(yù)應(yīng)力錨索加固，其上部為二級(jí)邊坡，設(shè)有一個(gè)邊坡平臺(tái)，為預(yù)防樁頂上部邊坡發(fā)生越頂滑動(dòng)，需要逐級(jí)對(duì)邊坡做局部穩(wěn)定性分析.運(yùn)用TSDI_Rockslope V1.0軟件中順層邊坡穩(wěn)定性分析模塊進(jìn)行計(jì)算分析，即可得到邊坡采用預(yù)應(yīng)力錨索防護(hù)時(shí)每延米所需要的加固力，該斷面分析結(jié)果如表1所示.

表1　宇松線設(shè)計(jì)里程DK19+740路塹邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

按照每孔錨索450 kN的設(shè)計(jì)拉力計(jì)算，樁頂以上第1級(jí)邊坡需要布置3道錨索，頂部的第2級(jí)邊坡需要布置1道錨索即可，斷面變更設(shè)計(jì)如圖6所示.

圖4　宇松線設(shè)計(jì)里程DK19+740橫斷面施工圖(變更設(shè)計(jì))

同理，采用該模塊對(duì)DK19+700-DK19+960之間共14個(gè)斷面進(jìn)行了整體及局部穩(wěn)定性分析計(jì)算，研發(fā)的TSDI_Rockslope V1.0軟件在頁(yè)巖順層邊坡變更設(shè)計(jì)中發(fā)揮了積極的作用.應(yīng)用研發(fā)成果在較短的時(shí)間內(nèi)解決了最不利順層組合滑動(dòng)面自動(dòng)搜索與計(jì)算的過(guò)程，分析了邊坡整體與局部穩(wěn)定性等問(wèn)題，也為樁板墻及上部預(yù)應(yīng)力錨索的設(shè)計(jì)計(jì)算提供了可靠的依據(jù).

3主要結(jié)論

順層邊坡一直以來(lái)因其危害大、計(jì)算難度高，備受邊坡工程技術(shù)人員的關(guān)注，本文通過(guò)考慮順層巖質(zhì)邊坡結(jié)構(gòu)面的特點(diǎn)，建立了其穩(wěn)定性分析模型.該模型不僅考慮了地層的巖層厚度、結(jié)構(gòu)面位置、結(jié)構(gòu)面的物理力學(xué)強(qiáng)度，還能夠較好地分析各個(gè)平臺(tái)之間邊坡的局部穩(wěn)定性問(wèn)題.基于本文所建立的上述理論，編制了順層邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算程序，將其應(yīng)用于宇松線鐵路路基順層邊坡穩(wěn)定性分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)中.上述方法和手段對(duì)分析順層邊坡的穩(wěn)定性有較強(qiáng)的可操作性，有效地提高了順層邊坡穩(wěn)定性分析的精細(xì)化程度，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值.

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Study on stability analysis method and optimal design of bedding slope

BI Quan-chao,WANG Li-xin

(Hebei University of Architecture,Zhangjiakou,Hebei,075000,China)

Abstract：The bedding slope is one of the most influential complex problems to railway engineering construction in mountain area.There is no rational stability analysis method of bedding slope to calculate accurately factor and location,because the locations of their glide planes is very complex to lacate.So the stability analysis model which is based on considering multi stage platform and attitude of stratum is established,and this model can search the minimum safety coefficient and analyze each sliding plane.In addition,in order to improve the analysis efficiency to stability of bedding slope for engineers,a software is developed to calculate the factor of the bedding slope,and it is very effectively to improve accuracy and efficiency to bedding slope design of railway engineering from Jingyu to Songjianghe City.

Key words：bedding；slope；multi stage platform;optimal design；stability

收稿日期：2015-12-07

基金項(xiàng)目：河北省科技廳計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：15275416)，河北省教育廳青年基金(編號(hào)：QN2014136)，河北建筑工程學(xué)院青年基金(編號(hào)：Q-201310).

作者簡(jiǎn)介：畢全超(1981-)，男，副教授，碩士生導(dǎo)師，從事土力學(xué)及邊坡穩(wěn)定性研究.

中圖分類號(hào):TU 457

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A