铁路路堑高边坡稳定性分析和设计方案优化

孙宏伟

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300251)

近年来我国铁路建设发展迅猛,随着一批批新建项目的上马,越来越多的设计难点也呈现出来,山区铁路遇到的超高边坡设计问题也越来越多。铁路深路堑高边坡一直是路基设计中的重要关注点,如何对工程开挖边坡的稳定性进行合理、正确的分析评价,进而采取合理的边坡防护措施,直接决定了工程的安全成败。

1 高边坡坡形坡率设计基本原则

铁路路堑边坡坡形一般设置为台阶式,台阶高度一般为6～12 m,完整岩体及顶级缓坡可设至15 m左右,平台宽一般1～3 m。对于高边坡,常在坡体中部设置4～6 m宽的中间平台,以减小坡脚应力,优化坡体受力状态,使上下级边坡某种程度上分离。

边坡坡率一般根据边坡地质岩性、产状及风化程度,通常采用如下原则：弱风化岩(1∶0.50)～(1∶1.00),强风化岩(1∶1.00)～(1∶1.50),全风化、坡残积层及松散软弱土层(1∶1.50)～(1∶1.75)。

2 高边坡稳定性分析方法

2.1 边坡稳定性分析方法适应性分析

对高边坡进行稳定性评价在工程中应用最广泛的是极限平衡法。即根据边坡破坏的边界条件,应用力学分析的方法,对边坡可能发生的沿着某一潜在滑动面发生的滑动失稳破坏进行理论计算和力学分析,通过反复分析和计算比较,给出坡体安全系数(稳定性系数)。通过安全系数定量评价边坡的稳定性,由于安全系数比较直观,因而被工程界广泛采用。

极限平衡法对滑体的范围和滑面的形态进行分析,正确选用滑面计算参数,分析滑体的各种荷载,运用力学平衡原理对滑体进行稳定性分析。基于该原理的分析方法很多,如瑞典条分法、Bishop法、Janbu法、不平衡传递系数法等。

非岩质边坡破坏模式一般可分为圆弧型破坏(黏性土质)和平面破坏(砂性土质)以及特殊形态破坏；非岩质边坡主要是指覆盖层、坡残积土边坡,全风化岩层边坡等。使用的分析方法是瑞典条分法、Bishop法,其中Bishop法应用的更加广泛,结果更加合理。Bishop法假定各土条底部滑动面上的抗滑安全系数均相同,即等于整个滑动面的平均安全系数,取单位长度边坡按平面问题计算,如图1所示[1]。假定滑动圆弧为AC,圆心为O,半径为R。将滑动土体分成若干条带,取第i条带分析其受力情况。根据刚体平衡条件及Mohr-Coulomb准则推导出的安全系数公式如下

式中Ks——坡体安全系数；

Wi——第i个条带自重；

αi——第i个条带滑动面法线与竖直方向的夹角；

bi——第i个条带宽度；

ci、φi——滑动面上土体的黏聚力及内摩擦角；

li——第i个条带滑动面弧长；

uili——第i个条带孔隙水压力；

mαi——中间计算系数。

图1 Bishop法计算简图

而在实际工程中常见的是非圆弧滑动面的土质边坡,如土质边坡位于倾斜的非土质岩层层面上或土质边坡下面有非圆弧型的软弱夹层,滑动面形状受到软弱夹层或岩层影响而呈现非圆弧形。大部分岩坡在丧失稳定性时的滑动面可能为沿着岩体软弱岩层滑动,或沿着岩体中的结构面滑动,当这软弱面不存在时,也可能在岩体中滑动。但主要是前面2种情况较多。此时,滑动面为非圆弧型,此种情况适用性较好的分析方法是Janbu法。Janbu法假定[2]：①滑动面上的切向力Ti等于滑动面上土所发挥的抗剪强度,即Ti=(Nitanφi+cili)/Ks；②条带两侧法向力E的作用点位置为已知,且一般假定作用于条带地面以上1/3高度处。经过分析,条间力作用点的位置对边坡稳定安全系数影响较小。取任一条带分析(图2),αti为推力线与水平线的夹角,hti为条间力作用点的位置。未知量有：安全系数Ks；n个土条底部法向反力Ni；n个法向条间力之差ΔEi及n-1个切向条间力Xi。可通过对每一条带力及力矩平衡条件建立3n个方程来求解。根据刚体平衡条件、安全系数的定义和摩尔-库伦破坏准则,推导出的安全系数公式如下

式中Ks——坡体安全系数；

Wi——第i个条带自重；

αi——第i个条带滑动面与水平方向的夹角；

bi——第i个条带宽度；

ci、φi——滑动面上土体的黏聚力及内摩擦角；

ΔXi——第i个条带切向条间力之差；

mαi——中间计算系数。

图2 Janbu法条分法的计算简图

2.2 计算指标的选取原则

稳定性计算参数的选取主要依据以下4个方面：现场试验指标、室内试验指标、相关经验指标和反算指标,计算指标原则上应以现场试验及室内试验成果为准。

现场试验是在边坡工程现场进行现场大型剪切试验,或者给合工程地质勘探钻孔进行孔内现场剪切试验,对于软弱地层亦可采用十字板剪切试验,以及其他结构面强度现场试验方法等,从而求得边坡岩土现场试验指标；室内试验是结合边坡工程地质勘察,利用工程地质勘探孔取得原状样或扰动样,通过室内试验的方法,获取边坡岩土基本物理力学指标,求得岩土抗剪强度参数值；相关经验指标是指在岩土工程勘察设计工作实践中,对于岩土强度指标,运用工程地质类比方法,利用既有工程中类似岩土的相关指标数值、经验数据,类比确定当前工程的强度指标；指标反算是根据给定边坡工程变形性状,判断边坡稳定程度或安全系数,采用一系列反分析方法,确定边坡岩土主要强度指标。

选定岩土体力学参数指标的主要原则是：综合考虑室内试验、反算和经验指标,有条件时采用现场试验指标。由于室内试验指标一般偏低,而现场试验指标一般偏高的特点,反算指标介于现场试验指标和室内试验指标之间较为可靠；经验参数指标一般可以对拟定计算指标进行判断分析,尤其当发现反算指标与相关试验指标相冲突时,作为辅助手段,进行全面、综合分析和判断以确定计算指标。

3 工程实例

3.1 工程概况

某段铁路工程以深挖方通过,如图3所示,地势左高右低,路堑最大边坡高约40.6 m,超出一般情况下铁路路基边坡高度30 m限制。初步设计方案中,右侧工程边坡高度达到40.6 m,分为5级,每级边坡高8 m,边坡坡率1∶1.25,级间平台宽度2.0 m,采取的措施以孔窗护坡防护为主,未做特别设计,现经详细地质勘查,该处地层情况较差,经研究分析,拟对初步设计方案进行优化设计,以满足工程安全稳定的需要。该段地层情况如下。

表层粉质黏土：黄褐色,硬塑,含植物根系及少量砾石,层厚5～12 m,分布于本段路基冲沟地表。下为千枚岩,全风化,灰黄色,灰绿色,层厚10～15 m；下为千枚岩,灰绿色,强风化,岩层产状130°∠45°,经计算左侧边坡顺层。地震动峰值加速度0.1g。

图3 某铁路边坡开挖示意(单位：m)

计算断面处边坡主要岩性为粉质黏土、全～强风化千枚岩,经地质钻探和室内试验测得的计算参数见表1。首先对边坡稳定性进行分析评价,稳定性计算中考虑自然工况和地震工况。

表1 计算参数

3.2 左侧边坡稳定性分析

本工点左侧边坡顺层,根据地质资料分析,全～强风化岩层分界面存在薄弱层面,可能发生沿此薄弱面发生的顺层破坏。经地质钻探和试验分析,得到该层面抗剪参数,依据此数据运用改进janbu法对左侧边坡进行分析,边坡稳定性分析模型如图4所示，结果如图5所示。此模式下,边坡的安全系数为1.38,地震工况下也大于1.0,整体稳定性较好,可见此模式的潜在破坏不易发生。

图4 某工程边坡稳定性分析模型

图5 顺层滑动模式边坡稳定性分析

该处右侧边坡岩层上覆较厚粉质黏土,其下全风化千枚岩均为非岩质体,较为松散,工程边坡开挖后,易发生近似于圆弧型滑动破坏,对边坡上部松散堆积覆盖层进行稳定分析,结果如图6所示。

图6 圆弧型滑动模式边坡稳定性分析

对该工程边坡进行稳定分析,搜索其最不利滑面,得到坡体安全系数为1.045,小于规定值1.25,需要施加防护措施或改变坡体形态。

3.3 对初步设计方案的优化

提高路堑边坡稳定性的措施一般有：增加中间边坡平台宽度,放缓边坡坡率,降低每级边坡高度,采取加强坡面护砌、边坡锚固、增加坡脚锚固桩等加强边坡防护措施等。但一般情况下,施工简单、效果好、投资增加较少的措施是前3项,但会造成边坡高度、土石方开挖量和用地的增加。但是如果地形陡峭、地下水发育、边坡顺层或存在薄弱面、工程地质条件复杂,需要结合后几项措施提高边坡稳定性,降低施工和长期运营中的风险,保证铁路运输安全。

初步设计方案中,边坡级间平台宽度为2.0 m,对于此高边坡显得过小,应增加级间平台宽度,拟对第2、3级平台宽度进行加宽,由2 m加宽至7 m,根据计算结果评价措施优劣。

如图7所示,当级间平台宽度由2 m增加至4 m时,安全系数提高4.88%,由4 m增加至5 m,安全系数提高1%,由5 m提高至6 m,安全系数提高8.04%。由2 m增加至4 m,边坡安全系数提高较多,宽度增至5 m,提高较少,由5 m提高至6.0 m,安全系数提高较多,但此时由于边坡平台过宽,工程挖方量提高过大,不是很经济,因此决定第二、三级边坡平台增加至4.0 m,较经济合理。

图7 不同级间平台宽度对应的坡体安全系数

另外初步设计方案中,对边坡坡率设计为1∶1.25,根据现有地层资料,由于左侧边坡上覆较厚土层,坡率应放缓至1∶1.5,由于堑顶地形横坡较平缓,放缓边坡和增加边坡平台宽度后边坡高度增加0.5 m,增加值较小,比较合理。

经计算,改进坡率及平台宽度后,坡体最不利安全系数为1.277(图8),大于1.25的规范要求值,地震工况下也大于1.0,满足要求。

图8 改进方案左侧边坡稳定性分析成果

虽然边坡整体稳定性较好,但由于边坡过高覆盖层较厚,另外考虑地下水及降水对顺层层面的弱化影响作用,需加强工程边坡坡面防护,增加坡面锚固防护措施：对坡脚设置矮挡墙加固,以稳定坡脚,对三、四级堑坡实施框架锚杆防护,防止表层滑塌破坏。

优化后的方案,虽然增加了土方(增加15%)和用地数量(两侧各增加10 m),但由于是山区,人烟稀少,有条件增加用地。同时边坡高度几乎未增加,通过改善边坡坡率和平台宽度,坡体的整体和局部稳定性情况得到了很大改善,另外通过对坡面施加框架锚杆防护,使浅层边坡的局部稳定性大幅提高,通过对坡脚采用矮挡墙加固,稳固了边坡坡脚,大大提高了边坡的抗震稳定性,工程效果良好。从长远看,经济效果也很明显,虽然短期投入有一定的增加,但边坡的稳定性从根本上得到了很大提高,减少了以后边坡维修治理的费用,长期效益良好。

4 结论

本文的研究得出如下结论。

(1)对铁路高边坡的设计防护应以地质资料及试验成果为基础,选取正确的计算参数,首先对设计方案进行稳定性评价,对可能发生的潜在坡体滑动模式进行充分的分析。

(2)对于边坡分析评价应综合考虑地层情况,松散的覆盖层、堆积层易发生圆弧型滑动破坏,存在明显的贯通节理裂隙的顺层边坡易发生顺层失稳破坏,对于没有明显滑面的顺层边坡,也存在沿不同岩层界面发生滑动的趋势。

(3)稳定性分析成果应用于设计时尚应考虑一定的安全冗余,应综合考虑各种因素,因地制宜,采取合理的防护措施。

(4)增加中间边坡平台宽度,放缓边坡坡率可以有效地提高边坡稳定性,虽然会使工程土方、用地数量增加,但对提高边坡稳定性是最简便、最有效的方法。另外如果地形陡峭、地下水发育、边坡顺层或存在薄弱面、工程地质条件复杂,需要结合一定的防护措施以提高边坡稳定性,降低施工和长期运营中的风险,保证铁路运输安全。

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