鐵路橋梁高陡邊坡穩(wěn)定坡角線分析方法研究

陳亞東

(京張城際鐵路有限公司，北京　100070)

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鐵路橋梁高陡邊坡穩(wěn)定坡角線分析方法研究

陳亞東

(京張城際鐵路有限公司，北京100070)

摘要我國修建鐵路、公路等交通基礎(chǔ)設(shè)施面臨大量的邊坡工程問題，而規(guī)范中并未對橋基荷載作用下邊坡整體穩(wěn)定性的分析方法給出建議，也未對基巖地區(qū)陡立岸坡的橋基布置提出詳實(shí)的指導(dǎo)意見，對穩(wěn)定坡線的具體計(jì)算方法也未明確給出。通過對一般的橋基邊坡穩(wěn)定坡角線的經(jīng)驗(yàn)分析，提出一種基于反分析原理的穩(wěn)定坡角線位置判定方法，以適應(yīng)陡坡地段橋梁基礎(chǔ)布置及工程設(shè)計(jì)的需要。基于該理論模型，將其理論應(yīng)用于某山區(qū)鐵路橋基邊坡穩(wěn)定性分析工作中，預(yù)測出該橋基邊坡的穩(wěn)定坡角線。

關(guān)鍵詞鐵路橋梁邊坡坡角線穩(wěn)定性

我國是一個(gè)多山的國家，修建鐵路、公路等交通基礎(chǔ)設(shè)施將不可避免地面臨大量邊坡工程問題。鐵路橋基邊坡“穩(wěn)定坡角線”這一概念是由我國《鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(TB10012—2007)中提出，該規(guī)范4.2.2條文說明中指出在岸坡陡立地段如何設(shè)置橋墩臺關(guān)系到工程的安危，進(jìn)行岸坡穩(wěn)定性評價(jià)是該類地段工程地質(zhì)調(diào)繪的重點(diǎn)之一。黃土地區(qū)陡立岸坡地段通常采用橋基設(shè)置在穩(wěn)定坡角線以下來保障工程安全；基巖地區(qū)陡立岸坡地段也應(yīng)根據(jù)地層巖性、結(jié)構(gòu)面特征、水文地質(zhì)特征及水文條件等進(jìn)行工程地質(zhì)條件的綜合分析，做出岸坡穩(wěn)定性評價(jià)，為工程基礎(chǔ)設(shè)置提供依據(jù)。令人遺憾的是，該規(guī)范并未對橋基荷載作用下邊坡整體穩(wěn)定性的分析方法給出建議，也未對基巖地區(qū)陡立岸坡的橋基布置提出詳實(shí)的指導(dǎo)意見。因此，巖質(zhì)邊坡也需要地質(zhì)專業(yè)提供邊坡的穩(wěn)定坡線，而目前規(guī)范對穩(wěn)定坡線的具體計(jì)算方法均未明確給出，給工程技術(shù)人員帶來較大的難題。

《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D63—2007)中雖未對橋基邊坡的穩(wěn)定性及斜坡橋基的整體穩(wěn)定性作出說明，但其規(guī)定當(dāng)基礎(chǔ)側(cè)面設(shè)有斜坡或臺階，其臺階總寬度與深度之比達(dá)到某界限時(shí)，m值均減小50%取用?！督ㄖ痘夹g(shù)規(guī)范》5.1.5中將斜坡地段明確視為場地和地基條件復(fù)雜的建筑類型，并將該地段建筑樁基設(shè)計(jì)等級按照甲級進(jìn)行設(shè)計(jì)。同時(shí)，該規(guī)范5.4.1中將坡地樁基視為特殊地質(zhì)條件的樁基，并指出其最大的問題是滑坡失穩(wěn)或地震作用下的穩(wěn)定問題，并指出建筑樁基與邊坡應(yīng)保持一定的水平距離。參考唐山大地震震害調(diào)查的經(jīng)驗(yàn)，建議地質(zhì)條件較好的情況下，地震影響水平范圍從邊坡坡腳算起為5倍的邊坡高度；地質(zhì)條件較差時(shí)，影響范圍可能達(dá)到10倍的邊坡高度。一般的鐵路橋基邊坡多為橋隧相連，邊坡高度較大，該規(guī)定對于山區(qū)鐵路橋基邊坡而言，需要開挖的土方量巨大，不符合鐵路斜坡地段樁基設(shè)計(jì)的實(shí)際情況。

橋梁基礎(chǔ)必須放置在穩(wěn)定基面線以下，橋基位置的選擇應(yīng)避開順層、古滑坡等不良地質(zhì)條件分布的區(qū)域。由于穩(wěn)定坡角線對布置橋墩臺基礎(chǔ)的位置有較大意義，鐵路行業(yè)需要在布置橋墩臺時(shí)預(yù)先對邊坡穩(wěn)定坡線的具體位置有一個(gè)基本的認(rèn)識，各鐵路設(shè)計(jì)單位及相關(guān)院校也針對陡坡穩(wěn)定坡線的取值進(jìn)行研究，取得了一些經(jīng)驗(yàn)性的成果。

1模型的建立

針對一般橋基邊坡穩(wěn)定坡角線的經(jīng)驗(yàn)分析方法，研究提出一種基于反分析原理的穩(wěn)定坡角線位置判定方法，在對邊坡巖土物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行反演的基礎(chǔ)上，考慮基礎(chǔ)作用寬度、埋置深度和荷載作用模式，分析穩(wěn)定坡角線的具體位置，以適應(yīng)陡坡地段橋梁基礎(chǔ)布置及工程設(shè)計(jì)的需要。

步驟包括：確定邊坡參數(shù)反演的臨界滑動面S1；按極限平衡狀態(tài)反算邊坡各層巖土體黏聚力S2；設(shè)定穩(wěn)定坡角線的起始位置S3；按照反算得到的邊坡各層巖土體黏聚力，重新計(jì)算橋基荷載作用下的邊坡穩(wěn)定性S4；判斷安全系數(shù)是否大于等于設(shè)計(jì)安全系數(shù)S5；分析得到該橋基邊坡的穩(wěn)定坡角線S6。

確定邊坡參數(shù)反演的臨界滑動面，確定邊坡剖面上坡腳與各坡面變坡點(diǎn)P1、P2、…、P(n-1)之間的連線與水平線OO′之間夾角的最小值θmin，令極限平衡條件參數(shù)反演時(shí)邊坡滑動面與水平面之間的夾角為α=θmin-1，見圖1。

圖1　穩(wěn)定坡角線搜索界限示意

按極限平衡狀態(tài)反算邊坡巖土體綜合黏聚力

(1)

式中Ks——臨界滑動面對應(yīng)的穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取1.0或1.05；

Gp——邊坡滑動面以上單位寬度邊坡巖土體的重量；

A——邊坡滑動面單位寬度的面積；

φm——邊坡巖土體的綜合內(nèi)摩擦角；

FhE——邊坡滑動面以上單位寬度邊坡巖土體受到的水平地震力。

圖2　穩(wěn)定坡角線搜索起始位置

設(shè)定穩(wěn)定坡角線的起始位置，在邊坡剖面上自坡頂向下做一條與坡頂線平行的輔助線，輔助線與坡頂線在垂直方向上的距離d與橋基底面設(shè)計(jì)埋置深度相等。令橋基基底前緣位于臨界滑動面上，橋基基底后緣與坡腳的連接線設(shè)定為穩(wěn)定坡角線的起始位置。令穩(wěn)定坡角線的起始位置與水平面之間的夾角為β，如圖2所示。按照反算得到的邊坡巖土體綜合黏聚力重新計(jì)算橋基荷載作用下的邊坡穩(wěn)定性(如圖3)，計(jì)算穩(wěn)定坡角線的起始位置以上范圍邊坡體的穩(wěn)定安全系數(shù)

圖3　橋基邊坡滑動體受力分析示意

(2)

式中Gq——橋基單位寬度的重量；

H——橋基頂面每延米受到的側(cè)向力合力；

V——橋基頂面每延米受到的豎向力合力；

φq——橋基底面所接觸的巖土體內(nèi)摩擦角。

比較穩(wěn)定坡角線起始位置以上范圍邊坡體的穩(wěn)定安全系數(shù)與設(shè)計(jì)安全系數(shù)[K]之間的關(guān)系。若滿足K≥[K]，則停止計(jì)算；否則，令穩(wěn)定坡角線的起始位置與水平面之間的夾角β=β-1，重復(fù)(S4)與(S5)的分析過程。

確定滿足K≥[K]的條件后，記錄下此時(shí)夾角對應(yīng)的滑動面位置，該滑動面與剖面的交線即為該橋基邊坡穩(wěn)定坡角線對應(yīng)的位置(如圖4所示)。

邊坡巖土體力學(xué)參數(shù)中綜合黏聚力不易獲取，且不同的邊坡取值相差甚遠(yuǎn)，因此采用反演黏聚力的方法獲取的參數(shù)值更接近實(shí)際情況。若考慮對內(nèi)摩擦角進(jìn)行反分析，則借鑒式(1)的思路，綜合內(nèi)摩擦角可以表示為

(3)

圖4　一種穩(wěn)定坡角線分析方法(反算黏聚力)

2算例分析

某橋基預(yù)布置在一處強(qiáng)風(fēng)化砂巖邊坡上，邊坡巖土體的綜合內(nèi)摩擦角為32°，橋基底面設(shè)計(jì)埋置深度d為2 m，橋基底面寬度為3.5 m，該邊坡坡面線上有3個(gè)變坡點(diǎn)，分別是P1、P2和P3，線段OO′構(gòu)成過坡腳的水平線，線段P3P4構(gòu)成該邊坡的坡頂線，橋基單位寬度的重量Gq為520 kN/m，橋基頂面每延米受到的側(cè)向力合力H為125 kN/m，橋基頂面每延米受到的豎向力合力V為345 kN/m，臨界滑動面對應(yīng)的穩(wěn)定安全系數(shù)Ks為1.05，設(shè)計(jì)安全系數(shù)[K]取1.25。

(S1)確定邊坡參數(shù)反演的臨界滑動面：

分別計(jì)算OP1、OP2、OP3與OO′之間的夾角

θ1=46°

θ2=37°

θ2=44°

取θmin=37°，令極限平衡條件參數(shù)反演時(shí)邊坡滑動面與水平面之間的夾角為α=θmin-1=36°。

作θmin對應(yīng)的輔助線，即OA0，確定限平衡條件參數(shù)反演時(shí)夾角α對應(yīng)的邊坡滑動面，即OA1。

(S2)按極限平衡狀態(tài)反算邊坡巖土體綜合黏聚力：

(S3)設(shè)定穩(wěn)定坡角線的起始位置：

按照橋基底面設(shè)計(jì)埋置深度d為2 m，橋基底面寬度為3.5 m，自坡頂垂直向下2 m做一條與坡頂線平行的輔助線，令橋基基底前緣位于夾角α對應(yīng)的邊坡滑動面，即OA1上，橋基基底后緣與坡腳的連接線OM設(shè)定為穩(wěn)定坡角線的起始位置，此時(shí)穩(wěn)定坡角線的起始位置與水平面之間的夾角β=32°。

(S4)重新計(jì)算橋基荷載作用下的邊坡穩(wěn)定性：

重新確定穩(wěn)定坡角線上方邊坡體滑動面以上單位寬度邊坡巖土體的重量Gp、邊坡滑動面以上單位寬度邊坡巖土體受到的水平地震力FhE和邊坡滑動面單位寬度的面積A,Gp=5 340.5 kN/m,FhE=427.4 kN/m，A=57 m，橋基底面所接觸的巖土體內(nèi)摩擦角φq=23°，此時(shí)穩(wěn)定坡角線上方邊坡體的穩(wěn)定安全系數(shù)為

(S5)判斷安全系數(shù)是否大于等于設(shè)計(jì)安全系數(shù)：

比較穩(wěn)定坡角線的起始位置以上范圍邊坡體的穩(wěn)定安全系數(shù)K與設(shè)計(jì)安全系數(shù)[K]之間的關(guān)系，穩(wěn)定坡角線的起始位置與水平面之間的夾角β=32°時(shí),K<[K]=1.25,令穩(wěn)定坡角線的起始位置與水平面之間的夾角β=β-1=31°，重復(fù)S4與S5的分析過程。

經(jīng)計(jì)算，當(dāng)β=24°時(shí),K=1.251≥[K]=1.25,停止計(jì)算。

(S6)分析得到該橋基邊坡的穩(wěn)定坡角線：

此時(shí)夾角β=24°對應(yīng)的滑動面與邊坡剖面的交線OM即為該橋基邊坡穩(wěn)定坡角線對應(yīng)的位置(如圖5)。

圖5　最終穩(wěn)定坡角線的位置

3結(jié)論

(1)針對一般橋基邊坡穩(wěn)定坡角線的經(jīng)驗(yàn)分析方法，研究提出一種基于反分析原理的穩(wěn)定坡角線位置判定方法，在對邊坡巖土物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行反演的基礎(chǔ)上，考慮基礎(chǔ)作用寬度、埋置深度和荷載作用模式，分析穩(wěn)定坡角線的具體位置，以適應(yīng)陡坡地段橋梁基礎(chǔ)布置及工程設(shè)計(jì)的需要。

(2)基于該理論模型，將其理論研究成果應(yīng)用于某山區(qū)鐵路橋基邊坡穩(wěn)定性分析工作中，并預(yù)測出該橋基邊坡的穩(wěn)定坡角線，較好地指導(dǎo)了斜坡橋基的設(shè)計(jì)方案，為該橋基邊坡工程優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了有力的技術(shù)支持。

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收稿日期：2016-03-04

作者簡介：陳亞東(1979—)，男，2004年畢業(yè)于石家莊鐵道學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，工程師。

文章編號：1672-7479(2016)03-0032-04

中圖分類號：P642.2； U442.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Study on the Stability Line of Slopes Near Railway Bridge

CHEN Yadong