北屯至富蕴至准东铁路路堤高边坡的加固设计研究

梁东海

(新疆铁道勘察设计院，乌鲁木齐 830011)

北屯至富蕴至准东铁路位于北疆地区，沿途经过北屯市、富蕴县及吉木萨尔县，其中富蕴县及吉木萨尔县境内的线路走行于剥蚀平原区和剥蚀丘陵区。夏季炎热，极端最高气温40.1～41.5℃;冬季寒冷，极端低气温－40.6～－37.0℃，最大积雪厚度88 cm，最大季节冻土深度207 cm。线路所经地区大部分为天然草场，地层主要为粉土、粉质黏土及含粉黏粒较多的砂类土。路堤若采用卵砾石土填筑，则运距较远、工程造价较高，因此利用铁路就近的粉土或粉质黏土作为填料可降低工程造价。但由于该地区春融期昼夜温差及季节温差较大，路堤边坡处于冻融循环状态，易发生稳定性破坏，因此须对边坡采取加固措施。

1 路堤边坡破坏形式

冬季，路堤边坡表层部分冻结膨胀，发生变形;初春时该部分逐渐融化;初春时白天气温升高，冻结土层部分融化，夜晚气温降至零度以下，融化的土体又重新冻结。这样每年冻融循环、初春时昼夜冻融交替，路堤边坡内部易形成最不利滑动面，边坡的破坏形式主要表现为土体沿最不利滑动面下滑，从而引起边坡的稳定性破坏。

2 路堤坡面破坏的影响因素及机理分析

2.1 影响因素

非冻土地区路堤边坡的稳定性主要受填土容重、黏聚力、内摩擦角、边坡高度等因素的影响，而冻土地区路堤边坡稳定性除受以上因素影响外，还以环境温度作为主要影响因素［1］。

不同路堤填料土的容重、黏聚力、内摩擦角有很大差异，故填料性质对路堤边坡稳定起着重要作用，春融期黏性土填料的边坡稳定性小于砂类土及砾石类土填料的边坡稳定性;路堤边坡稳定安全系数随着坡度的增加而降低，且降低的速率随着坡度的增加而变缓［1］。

2.2 机理分析

冬季时，路堤处于冻结状态，填土中的未冻水沿着温度降低的方向迁移，在温度高的土体范围内，因为未冻水含量减少而破坏了该土体范围内冰水之间的热力平衡，导致了未冻水向冰方向的水分迁移［2］，使未冻土的含水量低于初始含水量，而冻土的含水量高于初始含水量。这说明土体中的水分正在重新分布，水分从未冻土中向冻土中迁移，从而在路堤内形成热平衡状态。此时，路堤冻结部分的土体体积增大，其冻胀系数随着粉黏粒含量的增加而增大。

春季来临，路堤坡面积雪融化，路堤土也将发生从外部向内部的融化，路堤内冻土的热平衡状态将发生变化，导致路堤坡面表层的土体处于饱和状态。溶解的水被冻结土层阻挡，这样在融化土体与冻结土体间形成滞水润滑界面［3］。此时融化部分的土体的容重、黏聚力及内摩擦角遇夏季时发生很大变化:土体含水量增大，黏聚力及内摩擦角均减小，抗剪强度降低［4］，易产生沿着与冻结土体间的滞水润滑界面的滑动。

3 设计加固措施

鉴于季节性冻土区春融期高路堤坡面破坏的特点，可采用降低边坡坡率的方法增加边坡稳定性，但此举会增加土石方及工程占地，不利于当地生态环境的保护。而土工格栅具有很高的抗拉强度及很低的屈服伸长率，且具有较好的耐酸碱、耐腐蚀、抗老化、抗低温等性能，能满足不同结构、不同部位的使用要求［5］。用于加固路堤边坡时，不易发生网眼破坏和变形，通过网眼与土体之间的嵌锁、咬合作用及网面的摩阻力对土体产生的拉力，限制了土体在压实过程中的侧向滑移，大大增强土体的自立稳定，而且土工格栅使土体的内部不能形成贯通的剪切滑动面，从而增强了土体的抗剪切能力［6］。

3.1 稳定性分析

采用圆弧滑动法(Bishop法)［7］对路堤高度为12 m、坡率为1∶1.5、填料为粉土的路堤边坡进行稳定性分析，路堤填料未冻结时 c=15 kPa，φ=21°，γ=19 kN/m3，含水量w=10%，经计算最小安全系数为1.18，且最不利滑动面不在冻结影响厚度范围内，满足相关规范要求，见图1。

图1 稳定性检算结果(Ks=1.18)(单位:m)

春融时，由于积雪及边坡表层土体的融化，路堤边坡含水量增大接近饱和，黏聚力及内摩擦角均减小，根据文献［4］的研究，黏聚力降至约c=6 kPa，内摩擦角降至约φ=16°，最不利滑动面存在于融化土体与冻结土体间的滞水润滑界面。采用圆弧滑动法对冻结影响范围内的土体进行稳定性检算，得出最小安全系数为0.90，最不利滑动面接近气候影响层线，见图2。因此必须对冻结影响范围内的土体进行加固。

图2 稳定性检算结果(Ks=0.90)(单位:m)

3.2 确定土工格栅的铺设层数

所需土工格栅总拉力TS(单宽)按式(1)［8］计算

式中 TS——所需土工格栅总拉力，kN/m;

Ksr——加筋土路堤边坡最小安全系数，取1.3;

Ks——未加筋路堤边坡最小安全系数;

M0——未加筋路堤边坡滑面对应的滑动力矩，kN·m;

D——对应于每一滑面的TS相对于滑动圆心的力臂，m，TS的作用点可设定在坡高的1/3处。

由上述稳定性检算可知 M0=272×34.4=9 357 kN·m，其中272 kN为下滑力。故

所需土工格栅的层数

式中 Ta——土工格栅每延米的抗拉强度，取 Ta=35 kN。

3.3 确定土工格栅的宽度

可根据式(3)［9］确定土工格栅的锚固长度

式中 Le——土工格栅的锚固长度，m;

Fs——抗拔稳定安全系数，取2.0;

σ0——作用在某层土工格栅上的土压力，按自重应力计算，kN;

fGs——土工格栅与填土的摩擦系数，取 fGs=0.8fs=0.8tanφ。

则土工格栅的宽度L=La+Le，见图3，La为非锚固区土工格栅的长度。

图3 土工格栅宽度示意

由于最危险滑动面接近气候影响层线，亦可根据《铁路路基土工合成材料应用设计规范》按式(4)［10］确定土工格栅的宽度

式中 L1——气候影响层厚度，m;

L2——土工格栅的锚固长度，一般取 0.5～1.0 m。

根据前述最大季节冻土深度，气候影响层厚度约为3.5 m，土工格栅的锚固长度取0.5 m，土工格栅的铺设宽度L=3.5+0.5=4.0 m。

3.4 边坡加固措施

(1)路堤基床填筑非冻胀性的A或B组填料。

(2)路堤边坡采用直线形，边坡坡率采用1∶1.5。

(3)路堤两侧边坡平铺土工格栅，从地面0.3 m起每填筑高0.8 m路堤两侧边坡铺设一层4.0 m宽的土工格栅，直至基床表层下。格栅每幅纵向搭接宽度不小于0.3 m。为防止土工格栅外露而加速老化，格栅边缘距边坡坡面的距离保持0.1 m，见图4。

图4 土工格栅加固路堤边坡示意(单位:m)

4 结语

在北疆季节性冻土地区采用土工格栅加固路堤高边坡，具有施工方便快捷，操作简单，节约用地，工程造价低等优点，但边坡坡率、坡高、填土性质、土工格栅的技术参数及布设形式等诸多因素都影响着路堤结构的稳定性。设计时应综合考虑各个因素，经反复计算和比较，充分发挥土工格栅的工程特性，达到既保证路堤边坡稳定又降低工程造价的目的。

［1］徐学燕，马元顺，李治国.季节性冻土地区路堤边坡稳定性影响因素研究［J］.低温建筑技术，2010(1):86-87.

［2］王枝秋.季节性冻土地区铁路路基冻害及其防治措施［J］.铁道勘察，2009(3):22-24.

［3］葛琪.基于冻融界面强度损伤的季冻区土质边坡稳定性研究［D］.长春:吉林大学，2010.

［4］边加敏，王保田.含水量对非饱和土抗剪强度参数的影响研究［J］.地下空间与工程学报，2011，7(1):17-21，43.

［5］杨伟文.土工格栅锚喷网结构在高陡边坡防护中的应用［J］.铁道标准设计，2005(7):26-28.

［6］赵家明，李书强.客运专线双向土工格栅加固路堤边坡施工技术研究［J］.西部探矿工程，2007(4):131-134.

［7］孙宏伟.铁路路堑高边坡稳定性分析和设计方案优化［J］.铁道标准设计，2012(1):26-29.

［8］中华人民共和国水利部.GB50290—98 土工合成材料应用技术规范［S］.北京:中国计划出版社，1998.

［9］中华人民共和国交通部.JTJ/T109—98 公路土工合成材料应用技术规范［S］.北京:人民交通出版社，1999.

［10］中华人民共和国铁道部.TB10118—2006 J532—2006 铁路路基土工合成材料应用设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2006.