某山區(qū)高速鐵路橋基高陡邊坡穩(wěn)定性分析及設(shè)計方案

摘要 以某山區(qū)高速鐵路橋基右側(cè)高陡邊坡工程為例，根據(jù)邊坡工程地質(zhì)條件，通過現(xiàn)場調(diào)查和工程地質(zhì)分析，確定邊坡破壞可能發(fā)生的位置以及形式，并選擇代表性斷面對幾種潛在破壞位置進(jìn)行穩(wěn)定性分析，選擇安全系數(shù)最小的破壞形式，對其進(jìn)行加固設(shè)計后的穩(wěn)定性分析，最終選定加固方案，以期為以后鐵路工程中處理類似問題提供一定的參考。

關(guān)鍵詞 高陡邊坡;穩(wěn)定性分析;邊坡加固

中圖分類號 TU457 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）06-0138-03

引言

近年來，由于我國鐵路建設(shè)的蓬勃發(fā)展，很多鐵路項目在山區(qū)修建，而在山區(qū)鐵路建設(shè)中存在著大量高陡邊坡。高陡邊坡的穩(wěn)定性分析是巖土工程中相關(guān)課題研究的主要方向，它覆蓋鐵路、水利水電、礦山、公路等眾多工程建設(shè)領(lǐng)域，如何對高陡邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行合理、正確的分析評價，進(jìn)而采取合理的邊坡防護(hù)措施，直接影響工程建設(shè)推進(jìn)和人民的生命財產(chǎn)安全[1-4]。

1 工程概述

該橋某墩右側(cè)邊坡陡峭，邊坡最大高差約112 m。橋墩右側(cè)山體表覆第四系殘積粉質(zhì)黏土，坡體植被覆蓋茂密，坡面植被被砍伐后，第四系松散層裸露，雨水沖刷、施工開挖易引起第四系松散層溜塌，施工過程中存在安全隱患。為保證橋基工程的安全，消除施工及運(yùn)營期間的安全隱患，需對該高陡邊坡采取防護(hù)加固措施。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

橋址區(qū)地處山丘陵夾丘間谷地，地勢呈西北高，東南低，坡長約150 m，橫向影響范圍約60 m，邊坡最大高差約112 m，坡度約40°，覆蓋茂密植被，坡面以竹子、松樹、雜草為主。

2.2 地形地貌

谷地表層為（Q4al+pl）細(xì)圓礫土，褐黃色，厚約0.0～

1.0 m，顆粒以板巖為主，圓棱狀;丘坡表層為（Q4el+dl）粉質(zhì)黏土、細(xì)角礫土。粉質(zhì)黏土，褐黃色，硬塑，厚約0.0～

1.0 m;細(xì)角礫土，灰褐色，稍密，顆粒以板巖為主，尖棱狀，厚約1.0～2.5 m。

下伏基巖為（Ptb）板巖，強(qiáng)～弱風(fēng)化。強(qiáng)風(fēng)化為灰褐色，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，呈塊狀，層厚約為3.0～

13.5 m;弱風(fēng)化為青灰色，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎。巖層產(chǎn)狀為：10°∠75°。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

該地區(qū)屬華南地震區(qū)中的銅陵-揚(yáng)州地震帶，基本不存在孕震構(gòu)造，地震活動不頻繁、也不強(qiáng)烈，處于低烈度區(qū)，有感地震大部分是受來自外圍地區(qū)中強(qiáng)地震的影響，區(qū)域穩(wěn)定性較好，未見明顯地質(zhì)構(gòu)造痕跡。

3 邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 計算軟件及計算方法

計算軟件為Slide邊坡穩(wěn)定性分析軟件，計算方法為Morgenstern-Price法和簡化Bishop法。簡化Bishop法進(jìn)行穩(wěn)定性分析時適用于破壞滑動面為圓弧形，且對于近似圓弧形的滑動面也可以進(jìn)行穩(wěn)定性分析，分析時假設(shè)條塊間作用力只有法向力沒有切向力，得到的安全系數(shù)比瑞典條分法略高。Morgenstern-Price法假設(shè)條塊間的作用力都為非零值。條塊間剪切力和法向力的合力作用角度對于各條塊是變化的。Morgenstern-Price法滿足了所有三個平衡方程——水平和豎直方向上的作用力平衡方程以及力矩平衡方程，適用于任意形狀滑動面。

3.2 破壞位置和形式

結(jié)合現(xiàn)場踏勘、地質(zhì)勘察報告及穩(wěn)定性評價報告進(jìn)行研究，初步判定該處邊坡破壞可能發(fā)生的位置和形式有以下3種：

（1）粉質(zhì)黏土內(nèi)部發(fā)生圓弧形破壞。

（2）土石分界處發(fā)生折線形破壞。

（3）強(qiáng)～弱風(fēng)化巖層分界處的折線形破壞。

3.3 參數(shù)選擇

穩(wěn)定性計算參數(shù)的選取主要依據(jù)以下4個方面：相關(guān)經(jīng)驗、參數(shù)反算、現(xiàn)場試驗和室內(nèi)試驗，計算指標(biāo)原則上應(yīng)以現(xiàn)場試驗及室內(nèi)試驗成果為準(zhǔn)。

相關(guān)經(jīng)驗是指采用工程類比法，借鑒已實施工程中類似的相關(guān)指標(biāo)數(shù)值、經(jīng)驗數(shù)據(jù)，類比選取當(dāng)前工程的計算參數(shù);參數(shù)反算是結(jié)合當(dāng)前邊坡的變形狀態(tài)，推測邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)或安全系數(shù)，通過數(shù)值反分析得到邊坡穩(wěn)定性計算參數(shù);現(xiàn)場試驗是指通過現(xiàn)場大型剪切試驗，或者利用地質(zhì)勘探孔實施孔內(nèi)現(xiàn)場剪切試驗等方法，得到邊坡穩(wěn)定性計算參數(shù);室內(nèi)試驗是指通過地質(zhì)勘探孔獲取原狀樣或擾動樣，并對其進(jìn)行室內(nèi)試驗，得到邊坡穩(wěn)定性計算參數(shù)。

選定巖土體邊坡穩(wěn)定性計算參數(shù)的主要原則是：綜合考慮經(jīng)驗和反算指標(biāo)、室內(nèi)試驗，有條件時采用現(xiàn)場試驗指標(biāo)。一般情況下，室內(nèi)試驗獲得的計算參數(shù)較小，而現(xiàn)場試驗獲得的計算參數(shù)較大;反算指標(biāo)位于現(xiàn)場試驗和室內(nèi)試驗獲得計算參數(shù)之間，比較可靠;當(dāng)試驗指標(biāo)與反算指標(biāo)矛盾時，可將經(jīng)驗參數(shù)作為參考，通過分析得到計算參數(shù)。

綜合上述分析，由于該邊坡破壞后果嚴(yán)重，故選取保守的計算參數(shù)，采用室內(nèi)試驗指標(biāo)，經(jīng)地質(zhì)鉆探和室內(nèi)試驗測得的計算參數(shù)見表1。

4 穩(wěn)定性計算

《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》[5]規(guī)定：一般工況下，永久邊坡的最小穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)為1.15～1.25，該邊坡工程破壞后可能造成的后果很嚴(yán)重，故最小穩(wěn)定安全系數(shù)取1.25。

4.1 粉質(zhì)黏土內(nèi)部圓弧形破壞

該處右側(cè)邊坡巖層上覆較厚的粉質(zhì)黏土，較為松散，坡面植被破壞后，易發(fā)生近似于圓弧形滑動破壞，對邊坡上部松散粉質(zhì)黏土層進(jìn)行穩(wěn)定分析，結(jié)果如圖1所示。自動搜索圓弧形滑面，采用Morgenstern-Price法得到坡體最不利安全系數(shù)為1.187，采用簡化Bishop法得到坡體最不利安全系數(shù)為1.194，均小于規(guī)定值1.25。

4.2 土石分界處折線形破壞

選擇6處土石界面作為潛在滑面進(jìn)行穩(wěn)定分析，結(jié)果如圖2所示。采用Morgenstern-Price法得到坡體最不利安全系數(shù)為0.939，采用簡化Bishop法得到坡體最不利安全系數(shù)為0.934，均小于規(guī)定值1.25。

4.3 強(qiáng)～弱風(fēng)化巖層分界處折線形破壞

選擇強(qiáng)風(fēng)化板巖與弱風(fēng)化板巖的巖層風(fēng)化界面作為潛在滑面進(jìn)行穩(wěn)定分析，結(jié)果如圖3所示。采用Morgenstern-Price法得到坡體最不利安全系數(shù)為1.482，采用簡化Bishop法得到坡體最不利安全系數(shù)為1.481，均大于規(guī)定值1.25。

通過對邊坡可能出現(xiàn)的三種破壞位置以及模式進(jìn)行穩(wěn)定性分析可知，粉質(zhì)黏土層內(nèi)以及土巖分界面處坡體最不利安全系數(shù)均小于規(guī)定值1.25，強(qiáng)～弱風(fēng)化巖層分界面處安全系數(shù)大于規(guī)定值1.25;綜合判定：邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，邊坡在粉質(zhì)黏土層及土石分界面處易發(fā)生滑動破壞，且土石分界處發(fā)生折線形破壞的概率最大，須對邊坡進(jìn)行防護(hù)加固處理。

5 防護(hù)加固設(shè)計

提高路塹邊坡穩(wěn)定性的措施一般有：加大邊坡平臺寬度，放緩邊坡的坡率，降低邊坡高度，加強(qiáng)坡面護(hù)砌、

邊坡錨固、增加坡腳錨固樁等加強(qiáng)邊坡防護(hù)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，但會增加邊坡高度、土石方開挖數(shù)量及用地。若地形陡峭、邊坡順層、地下水發(fā)育、工程地質(zhì)條件復(fù)雜，需要結(jié)合后幾項措施提高邊坡穩(wěn)定性，降低施工和運(yùn)營中的風(fēng)險，保證運(yùn)輸安全。

若對該項目邊坡采用刷坡方案，則邊坡總高度、土石方開挖數(shù)量以及用地均較大，對山體植被破壞嚴(yán)重，增加施工和運(yùn)營中的風(fēng)險，并且征用大量土地作為工程建設(shè)使用難度較大。為盡量減少征地和破壞山體植被，該次設(shè)計方案在原坡面進(jìn)行防護(hù)加固，具體措施為：在橋基右側(cè)設(shè)置錨固樁，錨固樁背后空懸部分設(shè)置50 cm厚現(xiàn)澆鋼筋混凝土攔石墻;樁后橫向距離30 m范圍內(nèi)，一級邊坡坡率不陡于1∶1.25，邊坡高度8 m，采用錨索格梁護(hù)坡防護(hù);一級邊坡以上坡面，原地面施做錨桿+十字梁（砍樹）。同時在樁后30 m位置坡面上設(shè)置被動柔性防護(hù)網(wǎng)。防護(hù)加固設(shè)計典型橫斷面見圖4。

對防護(hù)加固設(shè)計方案進(jìn)行穩(wěn)定分析，結(jié)果如圖5所示。得到坡體最不利安全系數(shù)為1.278，大于1.25的規(guī)范要求值，滿足要求。

通過對邊坡進(jìn)行防護(hù)加固，增加了邊坡的整體和局部穩(wěn)定性;對坡面施工錨索格梁和錨桿+十字梁防護(hù)，使淺層邊坡的局部穩(wěn)定性大幅提高，并且對坡腳采用錨固樁加固，穩(wěn)固邊坡坡腳，大大提高了邊坡的穩(wěn)定性，工程效果良好。

6 結(jié)論

該文的研究得出以下結(jié)論：

（1）結(jié)合工程地質(zhì)條件及穩(wěn)定性分析，該邊坡表覆第四系殘積粉質(zhì)黏土，邊坡在粉質(zhì)黏土層及土石分界處易發(fā)生滑動破壞，且土巖分界面處發(fā)生折線形破壞的概率最大。

（2）采用Morgenstern-Price法和簡化Bishop法對采取防護(hù)加固措施后的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，得到最不利安全系數(shù)大于1.25，滿足邊坡穩(wěn)定性要求，證明防護(hù)加固方案技術(shù)可行。

參考文獻(xiàn)

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[5]鐵路路基設(shè)計規(guī)范： TB 10001—2016[S]. 北京：中國鐵道出版社， 2017.

收稿日期：2022-02-18

作者簡介：王濤（1991—），男，碩士，工程師，從事巖土工程勘察及路基工程設(shè)計工作。