姜鳳蘭

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京　100055)

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質(zhì)量與安全決定黃土高邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)的取值

姜鳳蘭

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京100055)

摘要結(jié)合晉中南鐵路工程實例，運用規(guī)范推薦的多種計算方法，對一般工況和地震工況下的黃土高邊坡進行分析比較，最終提出不同邊坡高度在不同工況下安全系數(shù)和坡率的建議值。

關(guān)鍵詞黃土高邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)坡率

在地質(zhì)背景復(fù)雜的黃土地區(qū)進行鐵路建設(shè)的同時，形成了大量的黃土路塹高邊坡，這些黃土路塹高邊坡縱斷面長，橫斷面寬，坡高極大，工程量巨大。在經(jīng)濟合理的前提下保證邊坡的整體穩(wěn)定性與坡面穩(wěn)定性，是工程中需要解決的技術(shù)難題。當(dāng)線路位于黃土高陡邊坡前緣或中部時，黃土高邊坡的穩(wěn)定性對鐵路能否安全運營有極其重要的影響，為此，采用多種方法評價黃土高邊坡穩(wěn)定性是極其必要的。

1邊坡穩(wěn)定性評價標(biāo)準(zhǔn)

鐵路工程邊坡穩(wěn)定性系數(shù)FSt有關(guān)規(guī)定：《鐵路特殊路基設(shè)計規(guī)范》(TB10035—2006)規(guī)定黃土路塹邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)FSt為1.25[1]，《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》(TB10001—2005)規(guī)定土質(zhì)路塹邊坡高度大于20 m時，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)FSt為1.15～1.25[2]；《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》(2009年版GB50111—2006)規(guī)定黃土高邊坡抗震穩(wěn)定安全系數(shù)FSt為1.15[3]。

《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330—2013)規(guī)定：建筑工程邊坡穩(wěn)定性系數(shù)除按照破壞后果嚴(yán)重性外，尚考慮了邊坡穩(wěn)定性因素(巖土類別和坡高)來確定FSt，黃土邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)見表1[4]。

表1　建筑工程邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)FSt

建筑工程邊坡穩(wěn)定性評價標(biāo)準(zhǔn)[4]：

邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)分為穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、欠穩(wěn)定和不穩(wěn)定四種狀態(tài)，其中邊坡穩(wěn)定系數(shù)FS<1.00為不穩(wěn)定，1.00≤FS<1.05為欠穩(wěn)定，1.05≤FSFSt為穩(wěn)定。

2黃土高邊坡穩(wěn)定性常用分析方法

邊坡穩(wěn)定性歷來是國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工程界關(guān)注的重要課題。國內(nèi)雖然對公路、鐵路黃土邊坡開展了許多研究，但是主要局限于坡高小于30 m的情況。近年來，在黃土地區(qū)高等級公路建設(shè)中，遇到了大量坡高大于30 m的路塹高邊坡情況，并出現(xiàn)不少坡體滑動失穩(wěn)的事故。由于黃土結(jié)構(gòu)的特殊性，使得黃土邊坡的失穩(wěn)具有一定的特征。

目前對黃土高邊坡穩(wěn)定性分析主要表現(xiàn)在如下四個方面：一是采用經(jīng)典的土力學(xué)方法評價黃土邊坡穩(wěn)定性，如采用極限平衡理論法及圓弧法等工程中常用的邊坡穩(wěn)定分析方法；二是根據(jù)黃土地質(zhì)結(jié)構(gòu)和土質(zhì)特點建立的力學(xué)驗算方法，如裂隙法等；三是在對已建黃土邊坡工程地質(zhì)和水文地質(zhì)調(diào)查及對比研究基礎(chǔ)上，經(jīng)過統(tǒng)計分析建立經(jīng)驗方法或數(shù)據(jù)表格，常被稱為工程地質(zhì)法；四是采用有限元數(shù)值模擬分析的方法。本文結(jié)合工程實例，分別選用理正巖土系列軟件的邊坡穩(wěn)定分析模塊與GEO-SLOPE程序的SLOPE/W模塊，采用規(guī)范推薦的極限平衡法，包括瑞典圓弧法、畢肖普(Bishop)法、非圓弧法簡布(Janbu)法、任意曲線形狀破裂面的摩根斯坦—普萊斯(Morgenstern-Price)法等計算邊坡穩(wěn)定性。

3典型工程實例

DK39+310～+470段線路從黃土緩坡中部開挖，坡高66.5 m，坡度約33°，坡向245°。地層出露自上而下分別為新黃土、老黃土和粉質(zhì)黏土。新黃土為第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土，淺黃色，結(jié)構(gòu)疏松，小孔隙發(fā)育，顆粒極細(xì)，砂質(zhì)含量高，夾有一定白云母，手搓具滑膩感，浸水具濕陷性，厚約7 m。老黃土為中更新統(tǒng)的洪積老黃土，黃色，結(jié)構(gòu)均勻、致密，與上覆新黃土沒有明確界線，厚約8 m；下部為第三系粉質(zhì)黏土，棕紅色，鈣、硅質(zhì)膠結(jié)，上部結(jié)構(gòu)疏松，鈣質(zhì)結(jié)核較多，結(jié)核粒徑0.5～2 cm，中下部淋濾強烈，有鈣硅質(zhì)層出現(xiàn)，厚約0.5 m。DK39+380斷面位于黃土斜坡中部，線路以挖方的形式通過，開挖邊坡達(dá)到41.2 m，選擇該最不利的DK39+380斷面進行穩(wěn)定性評價。

3.1邊坡穩(wěn)定性計算模型

黃土路塹邊坡每8 m一級，每級間設(shè)3.0 m寬平臺，路塹邊坡設(shè)計為1∶0.75、1∶1.0和1∶1.25三種坡率，計算模型選擇DK39+380斷面的自然邊坡和深路塹三種不同邊坡坡率進行邊坡穩(wěn)定性分析，邊坡最大開挖高度達(dá)到41.2 m(如圖1、圖2所示)。

圖1　DK39+380自然邊坡計算模型

圖2　DK39+380深路塹計算模型(坡率1∶1.25)

3.2邊坡穩(wěn)定性分析計算參數(shù)選取

黃土抗剪強度的測試結(jié)果較離散，且黃土的抗剪強度受含水率的影響較大，含水率較低時，土的強度較大，含水率增大，土的強度迅速降低，而邊坡土體的含水率受外環(huán)境條件影響也不是一成不變的。因此，如何確定計算參數(shù)是一個公認(rèn)的難題，考慮工程長期使用以及各種不利條件，計算參數(shù)結(jié)合土工試驗、地區(qū)經(jīng)驗及試算綜合選用(如表2)。

3.3不同條件下邊坡穩(wěn)定性分析

一般工況及地震工況下邊坡不同坡率穩(wěn)定性分析結(jié)果如表3、表4所示。

表2　計算參數(shù)

表3　一般工況(非地震)下邊坡不同坡率穩(wěn)定性分析

表4　地震工況下邊坡不同坡率穩(wěn)定性分析

4結(jié)論

(1)根據(jù)邊坡工程地質(zhì)條件、可能的破壞模式以及已經(jīng)出現(xiàn)的變形破壞跡象對邊坡的穩(wěn)定性狀態(tài)作出定性判斷，并對其穩(wěn)定性趨勢作出估計，確保技術(shù)經(jīng)濟合理性。根據(jù)《鐵路特殊路基設(shè)計規(guī)范》、《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》和《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》關(guān)于黃土(土質(zhì))邊坡穩(wěn)定性分析的有關(guān)規(guī)定，結(jié)合路基邊坡高度和氣候特征，建議一般工況下黃土路塹邊坡高度低于20 m，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)FSt取1.25；黃土路塹邊坡高度為20～30 m，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)FSt取1.30；黃土路塹邊坡高度超過30 m，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)FSt取1.35。地震工況下黃土路塹邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)FSt取1.15。

(2)由一般工況和地震工況下不同路塹邊坡坡率的變化來看，穩(wěn)定安全系數(shù)隨著坡率的提高有增大的趨勢。路塹邊坡坡率為1∶0.75時，各種分析方法的邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs均位于1.05～Fst范圍內(nèi)，屬于基本穩(wěn)定狀態(tài)；路塹邊坡坡率為1∶1.0時，瑞典圓弧法和簡布法的邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs小于Fst，屬于基本穩(wěn)定狀態(tài)，畢肖普法和摩根斯坦—普萊斯法的邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs大于Fst，屬于穩(wěn)定狀態(tài)；路塹邊坡坡率為1∶1.25時，各種分析方法的邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs均大于Fst，屬于穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)根據(jù)各種路塹邊坡坡率采用不同分析方法的結(jié)論來看，建議鐵路黃土路塹邊坡高度大于30 m時，邊坡坡率采用1∶1.25；黃土路塹邊坡高度小于30 m時，邊坡坡率采用1∶1.0。

參考文獻

[1]張少宏，康順祥，李永紅.降雨對黃土邊坡穩(wěn)定性的影響[J].水土保持通報，2005(5)：42-44

[2]中華人民共和國鐵道部.TB 10035—2006鐵路特殊路基設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2007

[3]中華人民共和國鐵道部.TB 10001—2005鐵路路基設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2006

[4]中華人民共和國建設(shè)部.GB 50111—2006鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2007

[5]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50330—2013建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014

[6]鄭良飛，折學(xué)森，葉萬軍.黃土路塹高邊坡穩(wěn)定性分析新方法-特殊滑裂面快速搜索法[J].地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報，2008(6)：188-191

[7]張小禮.黃土地區(qū)高陡邊坡的失穩(wěn)分析及治理[J].科技視界，2012(33)：134-135

[8]李帆，楊建國.黃土邊坡穩(wěn)定性分析方法研究[J].鐵道工程學(xué)報，2008(12)

[9]沙曉君.黃土高邊坡工程穩(wěn)定性分析及設(shè)計[J].合作經(jīng)濟與科技，2012(8):109-111

[10]王根龍，張茂省，蘇天明，等.黃土崩塌破壞模式及離散元數(shù)值模擬分析[J].工程地質(zhì)學(xué)報，2011(4)

[11]陳昌富，彭振斌.高陡邊坡穩(wěn)定性分析與計算方法[J].西部探礦工程，1995(4):31-33

收稿日期：2016-03-11

作者簡介：姜鳳蘭(1962—)，女，1983年畢業(yè)于鐵三院職工鐵道工程學(xué)院線路專業(yè)。

文章編號：1672-7479(2016)03-0043-03

中圖分類號：P642.2

文獻標(biāo)識碼：A

Discussion on the Safety Factor of Stability of High Loess Slope in Railway

JIANG Fenglan