铁路路堤稳定性影响因素分析

吴雪婷，徐光黎

（1.岩土钻掘与防护教育部工程研究中心，武汉 430074；2.中国地质大学（武汉）工程学院，武汉 430074）

铁路路堤稳定性影响因素分析

吴雪婷1，2，徐光黎1，2

（1.岩土钻掘与防护教育部工程研究中心，武汉 430074；2.中国地质大学（武汉）工程学院，武汉 430074）

铁路路堤稳定性分析是路堤设计、施工和运营阶段的关键，其影响因素很复杂。以典型的双线铁路路堤模型为基础，采用传统的瑞典条分法对铁路路堤施工期和运营期的稳定性分别进行了计算，对得到的稳定安全系数进行了系统分析，讨论了路堤高度、地基土类型及固结程度、地基土抗剪强度参数等对铁路路堤稳定性的影响。结果表明：随着路堤的增高，稳定安全系数呈双曲线的递减趋势；在施工期，考虑地基土固结时得出的稳定安全系数均大于不考虑固结时的结果，两者之间具有良好的线性相关性。从安全角度考虑，建议铁路路堤填筑完建期的稳定性分析采用快剪指标，对于软弱地基，还应考虑地基土的固结强度增长；放置与铺轨期和运营期的稳定性检算宜采用固快指标。

铁路路堤；稳定性；影响因素；固结

1 概 述

随着我国铁路建设事业的不断发展，尤其是高速无碴铁路的兴建，铁路所通过路段的各种地质情况越来越复杂，为了最大限度地减少灾害的发生，以及满足线路稳定性、平顺性、经济合理性的要求，无论是在其勘察、设计还是施工阶段，铁路路堤和地基的整体稳定性分析一直都是岩土工程领域关注的热点问题之一。影响路堤稳定性的因素很多，很多学者在这方面进行了相关研究［1－4］，但针对铁路路堤稳定性影响因素的系统分析并不多见。

本文选取典型的双线铁路路堤模型，采用传统的瑞典条分法对铁路路堤施工期和运营期的稳定性进行了计算，对得到的稳定安全系数进行了系统分析，讨论了路堤高度、地基土类型及固结程度、地基土抗剪强度参数等对铁路路堤稳定性的影响，并给出了不同阶段路堤稳定性分析的参数取值建议。

2 路堤稳定性计算方法

路堤稳定性分析包括路堤堤身的稳定性、路堤和地基的整体稳定性、路堤沿斜坡地基或软弱层带滑动的稳定性等内容［5］。路堤的堤身稳定性、路堤和地基的整体稳定性一般采用圆弧滑动面计算，路堤沿斜坡地基或软弱层带滑动的稳定性一般采用非圆弧滑动面计算。目前，圆弧滑动破坏的稳定性计算方法较多，各规范采用的方法也不尽相同［5－10］，工程上实际采用的主要是瑞典条分法和简化Bishop法。瑞典条分法是最简单最古老的一种条分法，此法应用时间很长，积累了丰富的工程经验，一般得到的安全系数偏低，即误差偏于安全方面，故目前仍然是工程上常用的方法［11］。

路堤和地基的整体稳定性分析可以采用瑞典条分法［6］，计算图示见图1。

图1 瑞典条分法计算示意图［6］Fig.1 Calculation diagram of Felleniusmethod

当不考虑地基土的固结时，稳定安全系数Fs的计算公式为

式中：i，j为分土条编号，i表示土条底部的滑裂面在地基土层内，j表示土条底部的滑裂面在路堤填料内；PT为各土条在滑弧切线方向下滑力总和；Si为地基土内（AB弧）抗剪力（见图1）；Sj为路堤内（BC弧）抗剪力（见图1）；Pj为当第j土条的滑裂面处于路堤填料内时，若该土条滑裂面与设置的土工织物相交，则Pj为该层土工织物每延米宽（顺路线方向）的设计拉力。

当考虑地基土的固结时，稳定安全系数Fs的计算公式为

式中ΔSi为由于固结而引起的地基强度增长，其他符号意义同公式（1）。

3 稳定性分析算例概况

3.1 计算模型

本文选取典型双线铁路路堤进行稳定性检算。假设铁路路堤顶面宽13.8 m，线间距5 m，路堤坡率1∶1.5。路堤填筑高度为H，分别取H＝3，5，8，15，20 m，H值涵盖了低路堤、一般路堤和高路堤情况。根据相关规定［8］，轨道及列车荷载换算土柱为3.4 m×2.7 m（宽×高）。稳定性检算断面如图2所示。分别选取淤泥、淤泥质黏土、黏土1、黏土2、粉质黏土和粉土共6种不同类型的地基土进行对比分析，地基土涵盖了软土、松软土等不同的土质类型，土层厚度为10 m，其下部土层为持力层。地基处理方案为砂井排水固结法，砂井直径7 cm，等边三角形布置，间距1.4 m，加固深度10 m，铺设2层土工布，抗拉强度为80 kN。

图2 稳定性检算断面图Fig.2 The cross section of stability analysis

3.2 计算参数

铁路路堤填料及6种类型地基土层的物理力学参数如表1所示。

3.3 计算工况

铁路路堤和地基的整体稳定性分析可分为路堤施工期和运营期2个阶段，对于路堤施工期，又可以细分为填筑完建期和放置与铺轨期2个亚阶段。在稳定性检算时，对于施工期的填筑完建期，路基的外荷载取填筑完建期的路堤高度，采用直剪快剪指标，

分别考虑地基土固结度U＝0%，40%，50%，60%，

70%这5种固结情况进行计算；对于施工期的放置与铺轨期，路基的外荷载也取填筑完建期的路堤高度，但分别采用固结快剪指标和快剪指标并考虑U＝80%的固结度进行对比验算；对于运营期，路基的外荷载除考虑路堤高度外，还要考虑轨道及列车荷载，采用固结快剪指标和快剪指标并考虑U＝95%的固结度进行对比验算。上述9种稳定性计算工况及抗剪强度指标的选取如表2所示。

表1 路堤填料及地基土层的物理力学参数表Table 1 The parameters of fillings and foundation soils

表2 路堤稳定性计算工况及抗剪强度指标Table 2 Operating conditions of stability analysis and shear strength parameters

4 稳定性计算及影响因素分析

4.1 路堤高度对铁路路堤稳定性的影响

本文采用瑞典条分法，针对稳定性计算的9种工况，分别对上述6种类型的地基土在5种路堤填筑高度情况下的稳定安全系数进行了计算，计算断面共270个。各类地基土在不同计算工况、不同路堤高度下的最小安全系数变化曲线如图3所示。

由图3可知，对于6种类型的地基土而言，无论在何种工况条件下，随着路堤的增高，其稳定安全系数减小。在路堤高度由3 m增加到20 m的过程中，稳定安全系数变化幅度逐渐减小；路堤高度由3 m增加到8 m时，稳定安全系数骤减；而由8 m增加到20 m时，稳定安全系数减小速率逐渐变缓，总体上呈现形如双曲线的变化趋势（如图4所示，以（a）淤泥为例，其他地基土亦同），且当路堤增加到一定高度后，稳定安全系数趋于定值，不再受路堤高度的影响。

综合各类地基土在各种工况下的计算结果，路堤高度从3 m增加到20 m时，对于（a）淤泥，稳定安全系数平均减小了62%；对于（b）淤泥质黏土，减小了66%；对于（c）黏土1，减小了66%；对于（d）黏土2，减小了72%；对于（e）粉质黏土，减小了64%；对于（f）粉土，减小了66%。由此可见，当稳定性分析方法相同时，地基土类型对稳定安全系数的变化趋势影响不大。

4.2 施工期地基土固结度对铁路路堤稳定性的影响

铁路路堤施工期稳定性分析时，尤其对于软土地基上修筑的路堤，由于固结而引起的地基土强度增长将在很大程度上影响路堤和地基的整体稳定性。据图3，对于6种类型的地基土而言，无论在何种路堤高度下，对比工况1至工况6的稳定安全系数可知，当稳定性分析考虑了地基土的固结后，随着固结度的增大（U＝0%→80%），路堤稳定安全系数也逐渐增大，且几乎呈线性增加的趋势。

将6种地基土、5种路堤高度下，考虑不同固结度时和不考虑固结时的计算结果进行综合的统计回归分析，回归曲线及方程如图5所示。

由图5可知，当考虑地基土固结（Fst（U））时，得出的稳定安全系数均大于不考虑固结（Fs0）时的结果，且Fst（U）与Fs0两者之间具有良好的线性相关性，相关系数R接近于1。根据施工期快剪指标不考虑固结时的计算结果，可按上述回归公式计算得到考虑不同固结度下的路堤稳定安全系数。

4.3 强度指标对铁路路堤稳定性的影响

对于施工期的放置与铺轨期，将工况6（Fst（U＝80%））和工况7（Fsg）的结果进行对比，由图3可知，对于淤泥质黏土、黏土2、粉质黏土和粉土，均有Fst（U＝80%）＞Fsg，即采用快剪指标并考虑地基土的固结时，其稳定安全系数大于采用固快指标的计算值；而对于淤泥和黏土1，当路堤高度较小时，Fst（U＝80%）＜Fsg，路堤高度较大时，才符合Fst（U＝80%）＞Fsg的规律性。这是因为，对于淤泥和黏土1，快剪指标较低，在低路堤时，地基固结引起的强度增长仍然小于固快指标的缘故。将6种地基土在工况6和工况7下的计算结果进行统计回归分析，回归曲线及方程如图6所示。

图3 各类地基土在不同工况下的稳定安全系数Fig.3 The safety factors in different operating conditions for different foundation soils

图4 Fs（Fs′）-H关系曲线（（a）淤泥）Fig.4 Relation curve of Fs（Fs′）-H（（a）represents silt）

图5 Fst（U）-Fs0回归曲线Fig.5 Regression curve of Fst（U）-Fs0

图6 Fst（U＝80%）-Fsg回归曲线Fig.6 Regression curve of Fst（U＝80%）-Fsg

由图6可知，当采用快剪指标并考虑80%的固结度时，路堤稳定安全系数的计算值一般大于采用固结快剪指标时的值，且两者之间具有很好的线性相关性，Fst（U＝80%）平均较Fsg增大24%左右。

对于运营期，将工况8（Fst′（U＝95%））和工况9（Fsg′）的结果进行对比，由图3可知，对于淤泥质黏土、黏土1、黏土2、粉质黏土和粉土，均有Fst′（U＝95%）＞Fsg′，即采用快剪指标并考虑地基土的固结时，其稳定安全系数大于采用固快指标的计算值；而对于淤泥，当路堤高度较小时，Fst′（U＝95%）＜Fsg′，路堤高度较大时，才满足Fst′（U＝95%）＞Fsg′的规律性。同理，对于淤泥，快剪指标较低，在低路堤时，地基固结引起的强度增长小于固快指标。将6种地基土在工况8和工况9下的结果进行统计回归分析，回归曲线及方程如图7所示。

由图7可知，采用快剪指标并考虑95%的固结度时，路堤稳定安全系数的计算值一般大于采用固结快剪指标的计算结果，且两者之间基本呈线性关系，Fst′（U＝95%）平均较Fsg′增大33%左右。

图7 Fst′（U＝95%）-Fsg′回归曲线Fig.7 Regression curve of Fst′（U＝95%）-Fsg′

5 结 论

通过上述分析，可以得出以下结论：

（1）对于各类地基土层，无论在何种工况条件下，随着路堤的增高，其稳定安全系数减小。路堤高度由3 m增加到20 m的过程中，稳定安全系数变化幅度逐渐减小，总体上呈现双曲线的递减变化趋势，且当路堤增加到一定高度以后，其稳定性将与路堤高度无关。

（2）在铁路路堤施工期稳定性分析时，考虑地基土固结时得出的稳定安全系数均大于不考虑固结时的结果，且两者之间具有良好的线性相关性。要提高路堤稳定安全系数可采用延长填土间隙期，使地基固结程度加大的方法。施工期的填筑完建期稳定性分析，建议采用快剪指标，对于软弱地基，应考虑地基土的固结强度增长。

（3）对于施工期的放置与铺轨期，采用快剪指标并考虑80%的固结度时，路堤稳定安全系数的计算值一般大于采用固快指标时的值，即采用固快指标时，结果偏于安全。因此，对于实际工程设计，推荐施工期的放置与铺轨期的稳定性检算采用固快指标。

（4）对于运营期，采用快剪指标并考虑95%的固结度时，路堤稳定安全系数的计算值一般大于采用固快指标的计算结果，即采用固快指标计算铁路路堤运营期的稳定系数具有一定的安全储备，也符合土力学理论。

［1］ 邓卫东.路堤稳定安全系数取值探讨［J］.中国公路学报，2004，17（4）：11－16.（DENGWei-dong.Study of the safety factors of embankment in highway［J］.China Journal of Highway and Transport，2004，17（4）：11－16.（in Chinese））

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［5］ JTG D30－2004，公路路基设计规范［S］.（JTG D30－2004，Specifications for design of highway subgrade［S］.（in Chinese））

［6］ JTJ 017－96，公路软土地基路堤设计与施工技术规范［S］.（JTJ 017－96，Technical specifications for design and construction of highway embankment on soft ground［S］.（in Chinese））

［7］ JTJ 250－98，港口工程地基规范［S］.（JTJ 250－98，Code for foundation of harbour engineering［S］.（in Chinese））

［8］ TB 10001－2005，铁路路基设计规范［S］.（TB 10001－2005，Code for design on subgrade of railway［S］.（in Chinese））

［9］ 道路土工－软弱地盘对策工指针［S］.昭和61年11月.（in Japanese）

［10］铁道构造物等设计标准·同解说－土构造物［S］.平成4年10月.（in Japanese）

［11］陈仲颐，周景星，王洪瑾.土力学［M］.北京：清华大学出版社，1994.（CHEN Zhong-yi，ZHOU Jin-xing，WANG Hong-jin.SoilMechanics［M］.Beijing：Tsinghua University Press，1994.（in Chinese））

（编辑：曾小汉）

Influence Factor Analysis of Stability for Railway Embankment

WU Xue-ting1，2，XU Guang-li1，2
（1.Engineering Research Center of Rock-Soil Drilling＆Excvation and Protection，Ministry of Education，Wuhan 430074，China；2.Faculty of Engineering，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China）

The stability analysis of railway embankment is the key problem in design，construction and operation stage.The influence factors are very complicated.On the basis of the typical double line railway embankmentmodel and by using traditional Felleniusmethod，the stability of construction and operation period is calculated.The parameters，such as embankment height，foundation soil type，consolidation and shear strength，which have influence on the safety factor，have been studied systematically.The results of analysis show that：with the increase of embankment height，the safety factor is decreased in a hyperbola form；in the construction period，the safety factor considering consolidation is larger than the one without considering consolidation.From the view of engineering safety，it is suggested that the stability analysis of railway embankment in filling completion period should adopt the quick direct shear parameters and consider the consolidation for the soft foundation，and in track-laid or operation period should use the consolidated quick direct shear parameters.

railway embankment；stability；influence factor；consolidation

U213.11

A

1001－5485（2010）06－0049－05

2009-11-02；

2010-03-20

吴雪婷（1981-），女，湖北武汉人，博士研究生，主要从事地基处理方向的研究，（电话）15327308331（电子信箱）wuxueting121＠sina.com。