黃土路塹邊坡在鐵路與公路規(guī)范中的應(yīng)用

劉斌 張?zhí)?石旭東

摘 要：本文以黃土路塹邊坡為研究對(duì)象，對(duì)黃土路塹邊坡的形式、坡率及穩(wěn)定性進(jìn)行研究，以得到黃土路塹邊坡隨著時(shí)間變化在鐵路、公路規(guī)范中的演化規(guī)律，為以后相應(yīng)工程提供參考。

關(guān)鍵詞：黃土路塹邊坡;邊坡形式;鐵路;公路

中圖分類號(hào)：U416.16 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）18-0085-03

Abstract： Taking the loess cutting slope as the research object， this paper studied the slope form， slope rate and stability analysis of the loess cutting slope， so as to obtain the evolution law of the loess cutting slope in railway and highway specifications with time， and provide basis and reference for the corresponding engineering practice in the future.

Keywords： loess cutting slope;slope form;railway;highway

1 黃土路塹邊坡在鐵路規(guī)范中的演化

1.1 黃土路塹邊坡的邊坡形式及坡率

表1對(duì)1985—2018年施行鐵路規(guī)范中各個(gè)黃土路塹邊坡形式的邊坡適用高度進(jìn)行了歸納總結(jié)。從表1可以看出，邊坡形式由早期的直線形逐漸完善為直線形（一坡到頂）、折線形（上緩下陡）、階梯形（小平臺(tái)）和階梯形（大平臺(tái)）等形式。其中，折線形邊坡適用范圍較小，只適用于非均質(zhì)土層且坡高度（[H]）不大于15 m的邊坡;直線形（一坡到頂）與階梯形（大、小平臺(tái)）邊坡適用范圍較廣，在相應(yīng)的邊坡高度下，均質(zhì)土層與非均質(zhì)土層邊坡均能應(yīng)用，且在相同的邊坡形式下，非均質(zhì)土層邊坡最大高度小于均質(zhì)土層下的邊坡最大高度。在各個(gè)時(shí)期施行的規(guī)范中，新施行的規(guī)范與原規(guī)范相比，在邊坡形式不變的情況下，邊坡適用高度最大值出現(xiàn)適當(dāng)減小的趨勢(shì)。

1985—2018年施行的鐵路規(guī)范在確定黃土路塹坡率時(shí)，在以10 m界限將邊坡高度劃分為[H]≤10 m、10 m<[H]≤20 m、20 m<[H]≤30 m區(qū)間的基礎(chǔ)上，根據(jù)黃土成因規(guī)定相應(yīng)區(qū)間的坡率，且規(guī)定高度大的區(qū)間坡率緩于高度小的區(qū)間坡率。在同一高度區(qū)間下，老黃土（Q2、Q1）土層坡率要陡于新黃土（Q3、Q4）土層的邊坡坡率。表2對(duì)以上施行規(guī)范中de邊坡坡率變化范圍進(jìn)行了總結(jié)。從表2可以看到，1985—2018年施行的規(guī)范中，黃土路塹邊坡坡率變化范圍出現(xiàn)變緩的趨勢(shì)。

1.2 黃土路塹邊坡穩(wěn)定分析

在對(duì)黃土路塹邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析時(shí)，各個(gè)時(shí)期所施行的鐵路規(guī)范提出檢算方法宜為圓弧法，且安全系數(shù)不小于1.25。對(duì)于設(shè)有大平臺(tái)的深路塹，除必須對(duì)全高邊坡作穩(wěn)定檢算外，還應(yīng)對(duì)大平臺(tái)毗鄰的上下分段邊坡作局部穩(wěn)定檢算。

2 黃土路塹邊坡在公路規(guī)范中的演化

2.1 黃土路塹邊坡的邊坡形式及坡率

與鐵路規(guī)范演化規(guī)律類似，現(xiàn)行公路規(guī)范中黃土路塹的邊坡形式分為直線形（一坡到頂）、折線形（上緩下陡）和臺(tái)階形（大、小平臺(tái)）三種類型，且各種邊坡形式下的適用高度數(shù)值范圍與鐵路規(guī)范相近。同樣，1995—2019年施行的公路規(guī)范中同一邊坡形式適用高度也出現(xiàn)了適當(dāng)減小的變化。但是，由于公路的道路等級(jí)不同，公路規(guī)范中建議高速公路、一級(jí)公路黃土路塹邊坡宜采用臺(tái)階形。需要注意的是，《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30—2004）、《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30—2015）及《黃土地區(qū)高速公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（DB 62/T 2991—2019）規(guī)定，黃土路塹邊坡高度超過(guò)30 m時(shí)，應(yīng)與隧道方案進(jìn)行比較。

在公路規(guī)范中，邊坡高度被劃分為[H]≤6 m、6 m<[H]≤12 m、12 m<[H]≤20 m、20 m<[H]≤30 m四個(gè)區(qū)間，然后在考慮黃土分區(qū)、新老黃土分類及成因的情況下對(duì)相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的邊坡坡率給出了規(guī)定值。其坡率演化規(guī)律符合上陡下緩的設(shè)計(jì)思想，新黃土土層坡率緩于老黃土土層的邊坡坡率，與鐵路規(guī)范設(shè)計(jì)思想一致。

2.2 黃土路塹邊坡穩(wěn)定分析

公路規(guī)范中，邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)宜綜合采用工程地質(zhì)類比法、圖解分析法、極限平衡法和數(shù)值分析法。邊坡穩(wěn)定性計(jì)算應(yīng)在正常工況、非正常工況Ⅰ及非正常工況Ⅱ下進(jìn)行。由于公路等級(jí)（高速公路、一級(jí)公路;二級(jí)及二級(jí)以下公路）不同，路塹邊坡安全系數(shù)在1.02～1.30變化。在以上條件下，高等級(jí)道路安全系數(shù)高于低等級(jí)道路安全系數(shù)，且在同一道路等級(jí)形式下，正常工況、非正常工況Ⅰ、非正常工況Ⅱ情況下的安全系數(shù)依次減小。

3 黃土路塹邊坡在鐵路、公路規(guī)范中的應(yīng)用比較

3.1 邊坡形式與坡率

通過(guò)對(duì)黃土路塹邊坡在鐵路、公路規(guī)范中的演化規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，邊坡形式在兩種規(guī)范中均由早期的直線形單一形式完善為直線形、折線形、階梯形等形式，且兩種規(guī)范各個(gè)形式的高度適用范圍也較一致。對(duì)比30年來(lái)鐵路、公路施行規(guī)范，在同一邊坡形式下，路塹邊坡形式的最大適用高度出現(xiàn)逐漸減小的情況，在鐵路規(guī)范中，同一邊坡高度范圍下，坡率出現(xiàn)也越來(lái)越緩的變化。近年來(lái)，隨著技術(shù)發(fā)展的進(jìn)步，車輛行車速度大幅度提高，列車荷載顯著增加，加之由于環(huán)境演變?cè)斐刹糠值貐^(qū)降雨量增大、地震等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，使得黃土地區(qū)路塹邊坡建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)更高，以保證線路運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性。而規(guī)范中邊坡高度減小、坡率減緩的變化，有利于提高邊坡的穩(wěn)定性，與以上建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)變化需求是相一致的。

對(duì)于深路塹黃土邊坡（[H]>20 m），由于階梯形形式可以減小土體對(duì)坡腳的壓力，較其他坡形穩(wěn)定性好[1]，因此，在實(shí)際工程中，鐵路、公路路塹邊坡均廣泛采用此種形式。在確定階梯形坡形時(shí)，首先要確定綜合坡率，因?yàn)榫C合坡率的選取對(duì)邊坡穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性具有直接影響。相關(guān)資料顯示，黃土自然高邊坡的綜合坡率一般為1∶1.1～1∶1.05，陜西黃土地區(qū)坡率調(diào)查值緩于甘肅黃土地區(qū)，其中一部分原因是甘肅降雨量少于陜西地區(qū)[2]。綜合坡率確定的影響因素主要是平臺(tái)寬度與單級(jí)坡率（包括單級(jí)高度），由于地區(qū)之間降雨量等因素的差異，地區(qū)間（如甘肅、陜西地區(qū)）的設(shè)計(jì)思想難免會(huì)存在差異，但在設(shè)計(jì)時(shí)需要滿足以下條件：①減輕坡腳壓力，提高坡體的穩(wěn)定性;②注意與坡體支擋防護(hù)、截排水一致;③人、車、路、環(huán)境有機(jī)統(tǒng)一。

在高速公路中，考慮到?jīng)_刷是黃土邊坡破壞的決定性影響因素，一般采用“寬臺(tái)陡坡”的設(shè)計(jì)思想[3]。在公路規(guī)范中，當(dāng)路塹邊坡高度大于30 m時(shí)，應(yīng)與隧道方案進(jìn)行比較，但在鐵路規(guī)范中未有以上規(guī)定，也就是說(shuō)，相較于公路路塹邊坡工程，鐵路建設(shè)中采用階梯形邊坡形式更加普遍。在鐵路規(guī)范中，對(duì)于黃土地區(qū)的鐵路路塹邊坡，降雨量越大，其邊坡坡率越緩。由此可見(jiàn)，對(duì)于黃土深路塹邊坡，公路、鐵路設(shè)計(jì)思想存在一定的差異。

由1.1、1.2小節(jié)可知，鐵路規(guī)范在路塹邊坡高度為[H]≤10 m、10 m<[H]≤20 m、20 m<[H]≤30 m范圍內(nèi)對(duì)坡率進(jìn)行規(guī)定，公路規(guī)范路塹邊坡坡率則在邊坡高度[H]≤6 m、6 m<[H]≤12 m、12 m<[H]≤20 m、20 m<[H]≤30 m情況下取值。由此可見(jiàn)，在邊坡高度相同的情況下，公路黃土路塹邊坡分級(jí)更多，且公路相應(yīng)分級(jí)邊坡的坡率也更陡。

3.2 邊坡穩(wěn)定性分析

在邊坡穩(wěn)定性分析方面，高速公路與鐵路路塹邊坡中穩(wěn)定分析方法一般為極限平衡法[4-5]，結(jié)合1.2與2.2可以發(fā)現(xiàn)，鐵路規(guī)范與公路規(guī)范中穩(wěn)定性分析方法類似。在規(guī)定安全系數(shù)時(shí)，鐵路路塹邊坡安全系數(shù)不小于1.25。公路中邊坡穩(wěn)定性計(jì)算中，將其分成正常工況、非正常工況Ⅰ、非正常工況Ⅱ三種工況進(jìn)行計(jì)算分析，又由于道路等級(jí)的不同（高速公路、一級(jí)公路、二級(jí)及二級(jí)以下公路），穩(wěn)定安全系數(shù)呈現(xiàn)出在1.02～1.30變化的情況。由此可見(jiàn)，公路邊坡穩(wěn)定性分析情況更加復(fù)雜，安全系數(shù)變化范圍更大。

4 結(jié)論

①鐵路、公路規(guī)范中黃土路塹邊坡形式均由直線形等單一形式演變?yōu)橹本€形、折線形和階梯形等形式，且出現(xiàn)同一邊坡形式下最大邊坡適用高度逐漸變小、同一邊坡高度下邊坡坡率逐漸變緩的情況。以上變化與車輛行車速度提高，列車荷載增加，環(huán)境演變?cè)斐刹糠值貐^(qū)降雨量增大、地震等地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生情況下建設(shè)標(biāo)高提高的需要是一致的，能夠有效提高邊坡的穩(wěn)定性，保證行車安全。

②深路塹黃土邊坡廣泛采用階梯形邊坡形式，在確定綜合坡率時(shí)，要根據(jù)所在地的地質(zhì)、降雨情況，在一定條件下合理確定平臺(tái)寬度、單級(jí)坡率之間的組合關(guān)系。

③在公路設(shè)計(jì)規(guī)范中，當(dāng)邊坡高度大于30 m時(shí)，要與隧道方案進(jìn)行比選，且在考慮降雨的情況下，高速公路設(shè)計(jì)中一般采取“寬臺(tái)陡坡”的設(shè)計(jì)思想，而鐵路設(shè)計(jì)中，對(duì)于降雨量大的地區(qū)，一般采取減緩坡率的措施。

④在邊坡高度相同的情況下，公路黃土路塹邊坡分級(jí)更多，相應(yīng)分級(jí)邊坡的坡率也更陡。

⑤在邊坡穩(wěn)定性分析方面，鐵路黃土路塹邊坡穩(wěn)定檢算方法宜為圓弧法，安全系數(shù)不小于1.25。由于道路等級(jí)等因素的影響，公路邊坡穩(wěn)定性分析情況更加復(fù)雜，安全系數(shù)變化范圍較大。

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