孫宏偉

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300251)

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

1 高邊坡坡形坡率設計基本原則

鐵路路塹邊坡坡形一般設置為臺階式,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,常在坡體中部設置4～6 m寬的中間平臺,以減小坡腳應力,優(yōu)化坡體受力狀態(tài),使上下級邊坡某種程度上分離。

邊坡坡率一般根據邊坡地質巖性、產狀及風化程度,通常采用如下原則：弱風化巖(1∶0.50)～(1∶1.00),強風化巖(1∶1.00)～(1∶1.50),全風化、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)定性分析方法適應性分析

對高邊坡進行穩(wěn)定性評價在工程中應用最廣泛的是極限平衡法。即根據邊坡破壞的邊界條件,應用力學分析的方法,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)破壞進行理論計算和力學分析,通過反復分析和計算比較,給出坡體安全系數(穩(wěn)定性系數)。通過安全系數定量評價邊坡的穩(wěn)定性,由于安全系數比較直觀,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)進行分析,正確選用滑面計算參數,分析滑體的各種荷載,運用力學平衡原理對滑體進行穩(wěn)定性分析?；谠撛淼姆治龇椒ê芏?如瑞典條分法、Bishop法、Janbu法、不平衡傳遞系數法等。

非巖質邊坡破壞模式一般可分為圓弧型破壞(黏性土質)和平面破壞(砂性土質)以及特殊形態(tài)破壞；非巖質邊坡主要是指覆蓋層、坡殘積土邊坡,全風化巖層邊坡等。使用的分析方法是瑞典條分法、Bishop法,其中Bishop法應用的更加廣泛,結果更加合理。Bishop法假定各土條底部滑動面上的抗滑安全系數均相同,即等于整個滑動面的平均安全系數,取單位長度邊坡按平面問題計算,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。根據剛體平衡條件及Mohr-Coulomb準則推導出的安全系數公式如下

式中Ks——坡體安全系數；

Wi——第i個條帶自重；

αi——第i個條帶滑動面法線與豎直方向的夾角；

bi——第i個條帶寬度；

ci、φi——滑動面上土體的黏聚力及內摩擦角；

li——第i個條帶滑動面弧長；

uili——第i個條帶孔隙水壓力；

mαi——中間計算系數。

圖1 Bishop法計算簡圖

而在實際工程中常見的是非圓弧滑動面的土質邊坡,如土質邊坡位于傾斜的非土質巖層層面上或土質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非圓弧形。大部分巖坡在喪失穩(wěn)定性時的滑動面可能為沿著巖體軟弱巖層滑動,或沿著巖體中的結構面滑動,當這軟弱面不存在時,也可能在巖體中滑動。但主要是前面2種情況較多。此時,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)揮的抗剪強度,即Ti=(Nitanφi+cili)/Ks；②條帶兩側法向力E的作用點位置為已知,且一般假定作用于條帶地面以上1/3高度處。經過分析,條間力作用點的位置對邊坡穩(wěn)定安全系數影響較小。取任一條帶分析(圖2),αti為推力線與水平線的夾角,hti為條間力作用點的位置。未知量有：安全系數Ks；n個土條底部法向反力Ni；n個法向條間力之差ΔEi及n-1個切向條間力Xi。可通過對每一條帶力及力矩平衡條件建立3n個方程來求解。根據剛體平衡條件、安全系數的定義和摩爾-庫倫破壞準則,推導出的安全系數公式如下

式中Ks——坡體安全系數；

Wi——第i個條帶自重；

αi——第i個條帶滑動面與水平方向的夾角；

bi——第i個條帶寬度；

ci、φi——滑動面上土體的黏聚力及內摩擦角；

ΔXi——第i個條帶切向條間力之差；

mαi——中間計算系數。

圖2 Janbu法條分法的計算簡圖

2.2 計算指標的選取原則

穩(wěn)定性計算參數的選取主要依據以下4個方面：現場試驗指標、室內試驗指標、相關經驗指標和反算指標,計算指標原則上應以現場試驗及室內試驗成果為準。

現場試驗是在邊坡工程現場進行現場大型剪切試驗,或者給合工程地質勘探鉆孔進行孔內現場剪切試驗,對于軟弱地層亦可采用十字板剪切試驗,以及其他結構面強度現場試驗方法等,從而求得邊坡巖土現場試驗指標；室內試驗是結合邊坡工程地質勘察,利用工程地質勘探孔取得原狀樣或擾動樣,通過室內試驗的方法,獲取邊坡巖土基本物理力學指標,求得巖土抗剪強度參數值；相關經驗指標是指在巖土工程勘察設計工作實踐中,對于巖土強度指標,運用工程地質類比方法,利用既有工程中類似巖土的相關指標數值、經驗數據,類比確定當前工程的強度指標；指標反算是根據給定邊坡工程變形性狀,判斷邊坡穩(wěn)定程度或安全系數,采用一系列反分析方法,確定邊坡巖土主要強度指標。

選定巖土體力學參數指標的主要原則是：綜合考慮室內試驗、反算和經驗指標,有條件時采用現場試驗指標。由于室內試驗指標一般偏低,而現場試驗指標一般偏高的特點,反算指標介于現場試驗指標和室內試驗指標之間較為可靠；經驗參數指標一般可以對擬定計算指標進行判斷分析,尤其當發(fā)現反算指標與相關試驗指標相沖突時,作為輔助手段,進行全面、綜合分析和判斷以確定計算指標。

3 工程實例

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。初步設計方案中,右側工程邊坡高度達到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坡防護為主,未做特別設計,現經詳細地質勘查,該處地層情況較差,經研究分析,擬對初步設計方案進行優(yōu)化設計,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,全風化,灰黃色,灰綠色,層厚10～15 m；下為千枚巖,灰綠色,強風化,巖層產狀130°∠45°,經計算左側邊坡順層。地震動峰值加速度0.1g。

圖3 某鐵路邊坡開挖示意(單位：m)

計算斷面處邊坡主要巖性為粉質黏土、全～強風化千枚巖,經地質鉆探和室內試驗測得的計算參數見表1。首先對邊坡穩(wěn)定性進行分析評價,穩(wěn)定性計算中考慮自然工況和地震工況。

表1 計算參數

3.2 左側邊坡穩(wěn)定性分析

本工點左側邊坡順層,根據地質資料分析,全～強風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。經地質鉆探和試驗分析,得到該層面抗剪參數,依據此數據運用改進janbu法對左側邊坡進行分析,邊坡穩(wěn)定性分析模型如圖4所示，結果如圖5所示。此模式下,邊坡的安全系數為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

該處右側邊坡巖層上覆較厚粉質黏土,其下全風化千枚巖均為非巖質體,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行穩(wěn)定分析,結果如圖6所示。

圖6 圓弧型滑動模式邊坡穩(wěn)定性分析

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

3.3 對初步設計方案的優(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,采取加強坡面護砌、邊坡錨固、增加坡腳錨固樁等加強邊坡防護措施等。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,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、工程地質條件復雜,需要結合后幾項措施提高邊坡穩(wěn)定性,降低施工和長期運營中的風險,保證鐵路運輸安全。

初步設計方案中,邊坡級間平臺寬度為2.0 m,對于此高邊坡顯得過小,應增加級間平臺寬度,擬對第2、3級平臺寬度進行加寬,由2 m加寬至7 m,根據計算結果評價措施優(yōu)劣。

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

圖7 不同級間平臺寬度對應的坡體安全系數

另外初步設計方案中,對邊坡坡率設計為1∶1.25,根據現有地層資料,由于左側邊坡上覆較厚土層,坡率應放緩至1∶1.5,由于塹頂地形橫坡較平緩,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。

經計算,改進坡率及平臺寬度后,坡體最不利安全系數為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 改進方案左側邊坡穩(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,需加強工程邊坡坡面防護,增加坡面錨固防護措施：對坡腳設置矮擋墻加固,以穩(wěn)定坡腳,對三、四級塹坡實施框架錨桿防護,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%)和用地數量(兩側各增加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,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。從長遠看,經濟效果也很明顯,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用,長期效益良好。

4 結論

本文的研究得出如下結論。

(1)對鐵路高邊坡的設計防護應以地質資料及試驗成果為基礎,選取正確的計算參數,首先對設計方案進行穩(wěn)定性評價,對可能發(fā)生的潛在坡體滑動模式進行充分的分析。

(2)對于邊坡分析評價應綜合考慮地層情況,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)定性分析成果應用于設計時尚應考慮一定的安全冗余,應綜合考慮各種因素,因地制宜,采取合理的防護措施。

(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、用地數量增加,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、工程地質條件復雜,需要結合一定的防護措施以提高邊坡穩(wěn)定性,降低施工和長期運營中的風險,保證鐵路運輸安全。

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