铁路桥梁高陡边坡稳定坡角线分析方法研究

2016-08-01陈亚东

铁道勘察 2016年3期

关键词：夹角安全系数滑动

陈亚东

(京张城际铁路有限公司，北京　100070)

铁路桥梁高陡边坡稳定坡角线分析方法研究

陈亚东

(京张城际铁路有限公司，北京100070)

摘要我国修建铁路、公路等交通基础设施面临大量的边坡工程问题，而规范中并未对桥基荷载作用下边坡整体稳定性的分析方法给出建议，也未对基岩地区陡立岸坡的桥基布置提出详实的指导意见，对稳定坡线的具体计算方法也未明确给出。通过对一般的桥基边坡稳定坡角线的经验分析，提出一种基于反分析原理的稳定坡角线位置判定方法，以适应陡坡地段桥梁基础布置及工程设计的需要。基于该理论模型，将其理论应用于某山区铁路桥基边坡稳定性分析工作中，预测出该桥基边坡的稳定坡角线。

关键词铁路桥梁边坡坡角线稳定性

我国是一个多山的国家，修建铁路、公路等交通基础设施将不可避免地面临大量边坡工程问题。铁路桥基边坡“稳定坡角线”这一概念是由我国《铁路工程地质勘察规范》(TB10012—2007)中提出，该规范4.2.2条文说明中指出在岸坡陡立地段如何设置桥墩台关系到工程的安危，进行岸坡稳定性评价是该类地段工程地质调绘的重点之一。黄土地区陡立岸坡地段通常采用桥基设置在稳定坡角线以下来保障工程安全；基岩地区陡立岸坡地段也应根据地层岩性、结构面特征、水文地质特征及水文条件等进行工程地质条件的综合分析，做出岸坡稳定性评价，为工程基础设置提供依据。令人遗憾的是，该规范并未对桥基荷载作用下边坡整体稳定性的分析方法给出建议，也未对基岩地区陡立岸坡的桥基布置提出详实的指导意见。因此，岩质边坡也需要地质专业提供边坡的稳定坡线，而目前规范对稳定坡线的具体计算方法均未明确给出，给工程技术人员带来较大的难题。

《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG D63—2007)中虽未对桥基边坡的稳定性及斜坡桥基的整体稳定性作出说明，但其规定当基础侧面设有斜坡或台阶，其台阶总宽度与深度之比达到某界限时，m值均减小50%取用。《建筑桩基技术规范》5.1.5中将斜坡地段明确视为场地和地基条件复杂的建筑类型，并将该地段建筑桩基设计等级按照甲级进行设计。同时，该规范5.4.1中将坡地桩基视为特殊地质条件的桩基，并指出其最大的问题是滑坡失稳或地震作用下的稳定问题，并指出建筑桩基与边坡应保持一定的水平距离。参考唐山大地震震害调查的经验，建议地质条件较好的情况下，地震影响水平范围从边坡坡脚算起为5倍的边坡高度；地质条件较差时，影响范围可能达到10倍的边坡高度。一般的铁路桥基边坡多为桥隧相连，边坡高度较大，该规定对于山区铁路桥基边坡而言，需要开挖的土方量巨大，不符合铁路斜坡地段桩基设计的实际情况。

桥梁基础必须放置在稳定基面线以下，桥基位置的选择应避开顺层、古滑坡等不良地质条件分布的区域。由于稳定坡角线对布置桥墩台基础的位置有较大意义，铁路行业需要在布置桥墩台时预先对边坡稳定坡线的具体位置有一个基本的认识，各铁路设计单位及相关院校也针对陡坡稳定坡线的取值进行研究，取得了一些经验性的成果。

1模型的建立

针对一般桥基边坡稳定坡角线的经验分析方法，研究提出一种基于反分析原理的稳定坡角线位置判定方法，在对边坡岩土物理力学参数进行反演的基础上，考虑基础作用宽度、埋置深度和荷载作用模式，分析稳定坡角线的具体位置，以适应陡坡地段桥梁基础布置及工程设计的需要。

步骤包括：确定边坡参数反演的临界滑动面S1；按极限平衡状态反算边坡各层岩土体黏聚力S2；设定稳定坡角线的起始位置S3；按照反算得到的边坡各层岩土体黏聚力，重新计算桥基荷载作用下的边坡稳定性S4；判断安全系数是否大于等于设计安全系数S5；分析得到该桥基边坡的稳定坡角线S6。

确定边坡参数反演的临界滑动面，确定边坡剖面上坡脚与各坡面变坡点P1、P2、…、P(n-1)之间的连线与水平线OO′之间夹角的最小值θmin，令极限平衡条件参数反演时边坡滑动面与水平面之间的夹角为α=θmin-1，见图1。

图1　稳定坡角线搜索界限示意

按极限平衡状态反算边坡岩土体综合黏聚力

(1)

式中Ks——临界滑动面对应的稳定安全系数，一般取1.0或1.05；

Gp——边坡滑动面以上单位宽度边坡岩土体的重量；

A——边坡滑动面单位宽度的面积；

φm——边坡岩土体的综合内摩擦角；

FhE——边坡滑动面以上单位宽度边坡岩土体受到的水平地震力。

图2　稳定坡角线搜索起始位置

设定稳定坡角线的起始位置，在边坡剖面上自坡顶向下做一条与坡顶线平行的辅助线，辅助线与坡顶线在垂直方向上的距离d与桥基底面设计埋置深度相等。令桥基基底前缘位于临界滑动面上，桥基基底后缘与坡脚的连接线设定为稳定坡角线的起始位置。令稳定坡角线的起始位置与水平面之间的夹角为β，如图2所示。按照反算得到的边坡岩土体综合黏聚力重新计算桥基荷载作用下的边坡稳定性(如图3)，计算稳定坡角线的起始位置以上范围边坡体的稳定安全系数

图3　桥基边坡滑动体受力分析示意

(2)

式中Gq——桥基单位宽度的重量；

H——桥基顶面每延米受到的侧向力合力；

V——桥基顶面每延米受到的竖向力合力；

φq——桥基底面所接触的岩土体内摩擦角。

比较稳定坡角线起始位置以上范围边坡体的稳定安全系数与设计安全系数[K]之间的关系。若满足K≥[K]，则停止计算；否则，令稳定坡角线的起始位置与水平面之间的夹角β=β-1，重复(S4)与(S5)的分析过程。

确定满足K≥[K]的条件后，记录下此时夹角对应的滑动面位置，该滑动面与剖面的交线即为该桥基边坡稳定坡角线对应的位置(如图4所示)。

边坡岩土体力学参数中综合黏聚力不易获取，且不同的边坡取值相差甚远，因此采用反演黏聚力的方法获取的参数值更接近实际情况。若考虑对内摩擦角进行反分析，则借鉴式(1)的思路，综合内摩擦角可以表示为

(3)

图4　一种稳定坡角线分析方法(反算黏聚力)

2算例分析

某桥基预布置在一处强风化砂岩边坡上，边坡岩土体的综合内摩擦角为32°，桥基底面设计埋置深度d为2 m，桥基底面宽度为3.5 m，该边坡坡面线上有3个变坡点，分别是P1、P2和P3，线段OO′构成过坡脚的水平线，线段P3P4构成该边坡的坡顶线，桥基单位宽度的重量Gq为520 kN/m，桥基顶面每延米受到的侧向力合力H为125 kN/m，桥基顶面每延米受到的竖向力合力V为345 kN/m，临界滑动面对应的稳定安全系数Ks为1.05，设计安全系数[K]取1.25。

(S1)确定边坡参数反演的临界滑动面：

分别计算OP1、OP2、OP3与OO′之间的夹角

θ1=46°

θ2=37°

θ2=44°

取θmin=37°，令极限平衡条件参数反演时边坡滑动面与水平面之间的夹角为α=θmin-1=36°。

作θmin对应的辅助线，即OA0，确定限平衡条件参数反演时夹角α对应的边坡滑动面，即OA1。

(S2)按极限平衡状态反算边坡岩土体综合黏聚力：

(S3)设定稳定坡角线的起始位置：

按照桥基底面设计埋置深度d为2 m，桥基底面宽度为3.5 m，自坡顶垂直向下2 m做一条与坡顶线平行的辅助线，令桥基基底前缘位于夹角α对应的边坡滑动面，即OA1上，桥基基底后缘与坡脚的连接线OM设定为稳定坡角线的起始位置，此时稳定坡角线的起始位置与水平面之间的夹角β=32°。

(S4)重新计算桥基荷载作用下的边坡稳定性：

重新确定稳定坡角线上方边坡体滑动面以上单位宽度边坡岩土体的重量Gp、边坡滑动面以上单位宽度边坡岩土体受到的水平地震力FhE和边坡滑动面单位宽度的面积A,Gp=5 340.5 kN/m,FhE=427.4 kN/m，A=57 m，桥基底面所接触的岩土体内摩擦角φq=23°，此时稳定坡角线上方边坡体的稳定安全系数为

(S5)判断安全系数是否大于等于设计安全系数：

比较稳定坡角线的起始位置以上范围边坡体的稳定安全系数K与设计安全系数[K]之间的关系，稳定坡角线的起始位置与水平面之间的夹角β=32°时,K<[K]=1.25,令稳定坡角线的起始位置与水平面之间的夹角β=β-1=31°，重复S4与S5的分析过程。

经计算，当β=24°时,K=1.251≥[K]=1.25,停止计算。

(S6)分析得到该桥基边坡的稳定坡角线：

此时夹角β=24°对应的滑动面与边坡剖面的交线OM即为该桥基边坡稳定坡角线对应的位置(如图5)。