山区高速铁路高陡边坡稳定性与变形分析*

孟庆文，冷伍明，肖武权

(1.铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142;2.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)

在山区铁路建设中存在大量高陡边坡。对于在自然状态下稳定的边坡，在施工过程和施工后是否稳定是摆在铁路建设中的一个重要课题。考虑施工过程边坡稳定性和变形特征有利于正确判断各施工阶段边坡稳定，采取合理的施工工艺。考虑施工过程稳定性分析已有不少研究成果［1－2］，对边坡稳定性分析方法很多，而极限平衡理论是经典的边坡稳定性分析方法，极限平衡方法虽然有一定的局限性［3］，因其概念清楚，方法简单而在实际工程中被广泛采用［4］。极限平衡方法有很多种，如普通条分法(瑞典圆弧法，Fel1enious法)、简化 Bishop法、Janbu普通条分法、Morgenstern－price法等［5－6］。对边坡变形预测研究分析大多采用有限元分析，方法很多［7－11］。本文以长昆铁路客运专线某高陡边坡为例，分析边坡在施工过程的稳定性与变形特征。

1 边坡概况、开挖阶段划分与岩土参数

研究线路位于长昆铁路客运专线新建乡特大桥与黄板桥1号大桥之间的路堑边坡，中心最大挖深27.5 m，最大堑坡高42 m。边坡地层为黏土、强～弱风化白云质灰岩。岩层产状为131°∠54°，中线走向 258.6°。

计算横断面DK316+729.764.2如图1所示。左侧边坡为设置五级台阶的路堑边坡，高度为42 m，右侧边坡为设置二级台阶的路堑边坡，高度为19 m。路基边坡根据不同岩土性质分别为1∶(1.5～1.1)。左侧边坡在开挖一级台阶后，在斜坡上设置3根锚杆，开挖二级台阶后，在斜坡上设置2根锚杆，开挖三级台阶后，在斜坡上设置2根锚杆，锚杆长度统一为12 m;右侧边坡在开挖二级台阶后，在斜坡上设置2根锚杆，锚杆长度统一为10 m，锚杆采用直径32 mm的HRB400螺纹钢制作，钻孔直径110mm，钻孔俯斜30°。锚杆弹性模量为2e+008 kPa。左侧边坡坡脚采用桩长为14 m，桩截面尺寸为2×1.5 m，桩间距为6 m的桩板墙。

根据该段路基设计图，本段路基为路堑。其施工过程主要以左侧边坡施工来划分，根据设计，其施工过程可分为以下几个阶段，如图1所示。

阶段一:开挖第一级台阶(台阶编号从上往下);

阶段二:施工1，2和3排锚杆;

阶段三:开挖第二级台阶;

阶段四:施工4和5排锚杆;

阶段五:开第挖三级台阶;

阶段六:施工6和7排锚杆;

阶段七:开第挖四级台阶;

阶段八:施工桩板墙并开挖第五级台阶和完成路基面开挖。

图1 边坡设计横断面示意图Fig.1 Calculated section diagram

边坡各地层主要岩土参数如表1所示。

表1 各地层主要岩土参数Table 1 Soil physical character

2 考虑施工过程稳定性分析

本次研究中分别计算潜在滑动面可能为圆弧形或折线(包括平面)2种情况，以及在不考虑地下水及考虑岩土全部被水饱和下边坡最小安全系数。当潜在滑动面位于黏土中时，考虑滑动面为圆弧形，分别采用力矩平衡法和静力平衡法计算。采用力矩平衡法选择了Fel1enious法、简化Bishop法和Morgenstern－price法(M.P法)。采用静力平衡法时选择了简化 Janbu法和 Morgenstern－price法(M.P法)。当潜在滑动面沿岩土分界面时，考虑潜在滑动面为折线(包括平面)时，采用静力平衡法，选择了简化 Janbu法和 Morgenstern－price法(M.P法)。

2.1 滑动面考虑为圆弧时稳定性分析

表2是在考虑滑面为圆弧时在自然状态和第一、二施工阶段边坡最小安全系数。由表2可看出，在天然边坡状态下，按4种方法计算的边坡最小安全系数在不考虑地下水时为3.875，在考虑地下水时为3.346。在施工阶段，边坡安全系数最小值是在第一施工阶段，即开挖一级边坡后边坡最小安全系数在不考虑地下水时为3.175，在考虑地下水时为2.744。显然，地下水存在降低了边坡的稳定性［12－13，6－7］。边坡在一级边坡开挖并施作锚杆后，边坡安全系数最大，且在以后开挖与施工阶段，基本上不变化。从边坡安全系数来看，无论是在自然状态下还是施工过程中边坡是安全的。

表2 滑动面考虑为圆弧时最小安全系数Table 2 The minimum safety factors of slope of different phases(potential arc slope surface)

2.2 考虑潜在滑动面为折线时稳定性分析

表3是在考虑滑面为折线时在自然状态和第一、二施工阶段边坡最小安全系数，由表3可看出，在天然边坡状态下，按2种方法计算的边坡最小安全系数在不考虑地下水时为3.455，在考虑地下水时为2.821。在施工阶段，边坡安全系数最小值是在第一施工阶段，即开挖一级边坡后边坡最小安全系数在不考虑地下水时为2.648，在考虑地下水时为1.870。边坡在一级边坡开挖并施作锚杆后，边坡安全系数最大，且在以后开挖与施工阶段，基本上不变化。从边坡安全系数大小来看，在自然状态和施工阶段边坡是安全的。

表3 考虑滑面为折线(包括平面)时最小安全系数Table 3 The minimum safety factors of slope of different phases(potential polygonal slope surface)

3 考虑施工过程边坡变形分析

3.1 工点计算模型

计算采用平面应变假设。有限元分析采用二维线弹性模型，边坡岩土两侧为x方向约束，地基底部为x、y方向约束。分析区域共划分2100个四边形等参单元，锚杆采用单独的杆系单元，桩板墙采用构造单元(structure)模拟。有限单元划分如图2所示。

图2 边坡单元划分简图Fig.2 Finite element model mesh generation

3.2 考虑开挖过程边坡位移分析

边坡在开挖施工过程中，由于卸荷作用，边坡应力重分配，沿水平和竖向发生位移［14］;在不同施工阶段，位移大小和方向不同，呈复杂的变化。由于卸荷作用，边坡以竖向向上位移为主，如图3所示。

3.2.1 累积水平位移分析

图3 第八施工阶段边坡位移矢量图Fig.3 The slope displacements vector graph of the eighth construction state

表4为各施工阶段累计水平位移变化范围。图4为最后施工阶段累计水平位移等值线图。图4和表4中正值表示向右方向位移，负值表示向左方向位移。由表4可看出:各施工阶段水平位移值不大，随着施工进行位移逐渐增大，位移最大值发生在最后施工阶段。靠近坡脚，一般水平位移与坡向相同;而在开挖坡体上方，则水平位移方向随施工进行发生复杂变化，可与坡向相同或与坡向相反。施加锚杆后，一般在土质边坡处发生向坡体内位移，说明锚杆限制了坡体向坡向方向的位移［15］，而在岩质边坡处，则没有明显的影响。在不考虑地下水时，正位移最大值为1.6 mm，负位移最大值为2.3 mm。地下水的存在降低了边坡的岩土强度，变形增加［7］，考虑地下水充满边坡时，各施工阶段水平位移值有些变化，一般正位移增大，最大值为6.4 mm，负位移变小，但第七和最后施工阶段则变大为4.9 mm。

表4 各施工阶段累计水平位移变化范围Table 4 Horizontal displacements of shoring structure of different phases

图4 第八施工阶段边坡累积水平位移等值线图(考虑地下水)Fig.4 Slope horizontal displacements isogram of the eighth construction(saturated)(displacement unit:m)

3.2.2 边坡累积垂直位移分析

表5所示为各施工阶段累计垂直位移变化范围，图5所示为最后施工阶段累计垂直位移等值线图，表中正值表示垂直向上方向发生位移(上隆)，负值表示垂直向下方向发生位移(沉降)。由于是路堑边坡，开挖卸荷作用使坡体发生回弹变形，随着边坡开挖的进行，累积垂直位移(向上回弹)逐渐增加。由表5可看出:竖向位移值以正值(上隆)占绝对主导地位，位移最大值发生在最后施工阶段。即发生在开挖至设计位置，最大值位于四级边坡台阶，不考虑地下水充满边坡时，最大值为11.1 mm;考虑地下水充满边坡时，最大值为10.6 mm。因此，当边坡充满地下水时，边坡垂直回弹变形略减小。

表5 各施工阶段累计垂直位移变化范围Table 5 Vertical displacements of shoring structure of different phases

图5 第八施工阶段边坡累积垂直位移图(不考虑地下水)Fig.5 Slope vertical displacements isogram of the eighth construction(anhydrous)(displacement unit:m)

4 结论

(1)考虑滑面为圆弧时，在天然边坡状态下，按4种稳定性方法计算的边坡最小安全系数在不考虑地下水时为3.875，考虑地下水时为3.346。在施工阶段，边坡安全系数最小值是在第一施工阶段，即开挖一级边坡后边坡最小安全系数在不考虑地下水时为3.175，在考虑地下水时为2.744。显然，地下水存在降低了边坡的稳定性。

(2)考虑滑面为折线时，在天然边坡状态下，按二种稳定性方法计算的边坡最小安全系数在不考虑地下水时为3.455，在考虑地下水时为2.821。在施工阶段，边坡安全系数最小值是在第一施工阶段，不考虑地下水时为2.648，考虑地下水时为1.870。边坡在一级边坡开挖并施作锚杆后，边坡安全系数最大，且在以后开挖与施工阶段，基本上不变化。

(3)边坡在开挖施工过程中，边坡应力重分配，沿水平和竖向发生位移;在不同施工阶段，位移大小和方向不同，呈复杂的变化:

①随着施工进行位移逐渐增大，位移最大值发生在最后施工阶段。靠近坡脚，一般水平位移与坡向的相同;而在开挖坡体上方，则水平位移方向随施工进行发生复杂变化，可与坡向相同或与坡向相反。施加锚杆后，一般在土质边坡处发生向坡体内位移，说明锚杆限制了坡体向坡向方向的位移，而在岩质边坡处，则没有明显的影响。考虑地下水充满边坡时，各施工阶段水平位移增大，最大可增大至无水时的4倍，即从1.6 mm增大到了6.4 mm。

②各施工阶段累计垂直位移垂直向上(上隆)，随着边坡开挖的进行，累积垂直位移(向上回弹)逐渐增加，最大值发生在最后施工阶段:不考虑地下水时，最大值为11.1 mm;考虑地下水充满边坡时，最大值为10.6 mm。因此当边坡充满地下水时，边坡垂直回弹变形略为减小。

(4)按现行高速铁路规范设计的边坡，稳定性有较好的保障，其位移在可接受的范围内。地下水对坡体水平位移影响明显，在地下水变化较大的山区和雨季施工时应引起注意，加强观测和预防措施;锚杆对控制岩质边坡局部位移有一定的作用。研究成果可用于指导该山区高速铁路的边坡设计，也可供同类工程设计和施工参考。

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