顺层边坡稳定性分析及优化设计研究

毕全超　王立新

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)



顺层边坡稳定性分析及优化设计研究

毕全超王立新

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)

摘要:顺层边坡稳定性分析一直是山区铁路工程建设最为关心的难点问题之一.由于顺层边坡滑动面的位置分布复杂，往往不能够准确定位，缺乏一套科学合理的稳定性分析及滑动面搜索的方法.为此，论文建立了考虑多级平台几何特征和岩层产状的顺层边坡滑动分析模型，实现了对顺层边坡安全系数的计算及潜在滑动面分析的过程.同时，论文通过编程计算将理论方法转化为操作便捷的程序，研究成果较好地应用于靖宇至松江河铁路路基边坡设计工作中，有效地提高了该顺层边坡设计精度及效率.

关键词:顺层；边坡；多级平台；优化设计；稳定性

0引言

因此，论文主要针对顺层边坡的稳定性分析方法及优化设计问题进行研究，基于理论研究成果研发相关程序计算模块，并结合某铁路边坡工程进行应用.本文对促进顺层边坡设计向高效、高精度的方向发展具有较大的研究和应用意义.

1分析模型的建立

1.1模型假定

借鉴文献[7]的研究成果，论文主要以边坡开挖后坡顶上方的斜坡地表高程逐渐升高的顺层边坡为研究对象，假定顶部坡面可以为水平或倾斜方向.最下部为1级边坡，假定n级边坡坡顶与顶部倾斜坡面相交，分析剖面与边坡设计开挖平面相垂直，滑动面由顺坡向结构面与陡倾纵向裂隙组合而成，顺层边坡分析模型如图1所示.

图1　顺层边坡示意图

如图1所示，假定顺层边坡存在一组主控结构面过坡脚B0，顺坡向结构面之间彼此平行，其与水平面之间的夹角为α.n级边坡与自然坡面AnC相交，坡面AnC其与水平面之间的夹角为β.假定纵向裂隙MD垂直分布，D为当前计算滑体对应的控制性结构面与纵向裂隙之间的交点，设M点为纵向裂隙与AnC的交点.假定潜在最不利滑动面在n级边坡范围内，即最小安全系数对应的滑动剪出口N均发生在开挖范围内.该模型可以考虑不同级别边坡范围内岩层的厚度差异问题，将第i级边坡坡面相交的结构面范围内的岩层厚度视为ti，岩层间结构面的抗剪强度用ci和φi来表示，岩层抗拉强度为σDti.

1.2搜索计算过程

顺层边坡稳定性分析之前，各级边坡的高度及平台宽度均需事先拟定，顺层边坡稳定性分析从下部第1级边坡过坡脚B0的岩层结构面开始，并逐级向上分析每一级边坡范围内各个岩层结构面上方边坡的稳定性.同时，需要注意的是每一次结构面的稳定性分析均需要考虑不同位置纵向裂隙的影响.纵向裂隙MD的搜索从左向右进行，步长搜索增量为Δε，直至搜索超过该层控制性结构面与边坡坡面的交点为止，并记录对应结构面上方边坡体的稳定安全系数与下滑力.通过这种逐级搜索分析模式，实现了顺层边坡最小安全系数的分析和最大下滑力计算过程，同时记录两种最不利情况下边坡岩层的具体位置和纵向裂隙的位置，主要计算步骤如图2所示[7].

图2　顺层边坡分析主要步骤

2工程应用实例

2.1搜索计算过程

本文基于上述理论方法，编制了顺层边坡稳定性分析的计算软件.边坡设计人员可以通过输入顺层边坡的基本计算参数，快速计算顺层边坡最小安全系数及最大下滑力，同时提供最不利滑动面的具体位置，也包含边坡局部及整体稳定性的计算结果，便于边坡设计人员使用.

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2.2优化设计工程应用

靖宇至松江河新建铁路工程设计里程DK19+700附近，路堑边坡在开挖过程中出现了大范围的工程滑坡.经现场踏勘，该区域多分布为强风化-中风化页岩，且岩层层理结合强度较低(见图5)，当岩层倾向线路方向时，容易产生顺层滑动现象.因此，为避免边坡在后续施工中出现进一步的垮塌现象，变更设计需要对该范围路堑边坡工点做全面、系统、精度高的计算分析，并对边坡整体及局部稳定性进行研究.

图3　宇松线设计里程DK19+700附近边坡岩层结构

考虑边坡开挖弃方工程量、边坡整体及局部稳定性等因素，路堑边坡在支挡结构上部每级边坡高度初步选定为8 m，平台宽度统一选为2 m，强风化页岩层间粘聚力取13 kPa，层间内摩擦角取23°，岩层顺坡向倾角为17°，坡比拟采用1∶1、1∶1.25和1∶1.5三种方案进行稳定性分析.经TSDI_Rockslope V1.0软件分析结果发现，若桩顶以上采用1∶1.25作为每级边坡的坡比，坡脚采用桩板墙进行支护，桩顶以上边坡采用预应力锚索防护即可满足设计安全系数的要求，且边坡开挖弃方工程量也在可控范围内.因此，桩板墙上方每级边坡坡比统一采用1∶1.25进行设计.

以DK19+740断面稳定性计算结果为例，若该边坡桩顶以上部位采用预应力锚索加固，其上部为二级边坡，设有一个边坡平台，为预防桩顶上部边坡发生越顶滑动，需要逐级对边坡做局部稳定性分析.运用TSDI_Rockslope V1.0软件中顺层边坡稳定性分析模块进行计算分析，即可得到边坡采用预应力锚索防护时每延米所需要的加固力，该断面分析结果如表1所示.

表1　宇松线设计里程DK19+740路堑边坡稳定性计算

按照每孔锚索450 kN的设计拉力计算，桩顶以上第1级边坡需要布置3道锚索，顶部的第2级边坡需要布置1道锚索即可，断面变更设计如图6所示.

图4　宇松线设计里程DK19+740横断面施工图(变更设计)

同理，采用该模块对DK19+700-DK19+960之间共14个断面进行了整体及局部稳定性分析计算，研发的TSDI_Rockslope V1.0软件在页岩顺层边坡变更设计中发挥了积极的作用.应用研发成果在较短的时间内解决了最不利顺层组合滑动面自动搜索与计算的过程，分析了边坡整体与局部稳定性等问题，也为桩板墙及上部预应力锚索的设计计算提供了可靠的依据.

3主要结论

顺层边坡一直以来因其危害大、计算难度高，备受边坡工程技术人员的关注，本文通过考虑顺层岩质边坡结构面的特点，建立了其稳定性分析模型.该模型不仅考虑了地层的岩层厚度、结构面位置、结构面的物理力学强度，还能够较好地分析各个平台之间边坡的局部稳定性问题.基于本文所建立的上述理论，编制了顺层边坡稳定性分析计算程序，将其应用于宇松线铁路路基顺层边坡稳定性分析和优化设计中.上述方法和手段对分析顺层边坡的稳定性有较强的可操作性，有效地提高了顺层边坡稳定性分析的精细化程度，具有良好的推广应用价值.

参考文献

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[6]李道明.顺层岩质边坡稳定性分析与防治研究[D].武汉：武汉理工大学,2007

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[8]成永刚，王玉峰.层面倾角对顺层岩质滑坡贡献率研究[J].岩土力学,2011,32(12):3708～3712

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

基金项目：河北省科技厅计划项目(编号：15275416)，河北省教育厅青年基金(编号：QN2014136)，河北建筑工程学院青年基金(编号：Q-201310).

作者简介：毕全超(1981-)，男，副教授，硕士生导师，从事土力学及边坡稳定性研究.

中图分类号:TU 457

文献标识码：A