质量与安全决定黄土高边坡稳定性安全系数的取值

2016-08-01姜凤兰

铁道勘察 2016年3期

关键词：坡坡路堑设计规范

姜凤兰

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京　100055)

质量与安全决定黄土高边坡稳定性安全系数的取值

姜凤兰

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京100055)

摘要结合晋中南铁路工程实例，运用规范推荐的多种计算方法，对一般工况和地震工况下的黄土高边坡进行分析比较，最终提出不同边坡高度在不同工况下安全系数和坡率的建议值。

关键词黄土高边坡稳定性安全系数坡率

在地质背景复杂的黄土地区进行铁路建设的同时，形成了大量的黄土路堑高边坡，这些黄土路堑高边坡纵断面长，横断面宽，坡高极大，工程量巨大。在经济合理的前提下保证边坡的整体稳定性与坡面稳定性，是工程中需要解决的技术难题。当线路位于黄土高陡边坡前缘或中部时，黄土高边坡的稳定性对铁路能否安全运营有极其重要的影响，为此，采用多种方法评价黄土高边坡稳定性是极其必要的。

1边坡稳定性评价标准

铁路工程边坡稳定性系数FSt有关规定：《铁路特殊路基设计规范》(TB10035—2006)规定黄土路堑边坡稳定安全系数FSt为1.25[1]，《铁路路基设计规范》(TB10001—2005)规定土质路堑边坡高度大于20 m时，边坡稳定安全系数FSt为1.15～1.25[2]；《铁路工程抗震设计规范》(2009年版GB50111—2006)规定黄土高边坡抗震稳定安全系数FSt为1.15[3]。

《建筑边坡工程技术规范》(GB50330—2013)规定：建筑工程边坡稳定性系数除按照破坏后果严重性外，尚考虑了边坡稳定性因素(岩土类别和坡高)来确定FSt，黄土边坡稳定安全系数见表1[4]。

表1　建筑工程边坡稳定安全系数FSt

建筑工程边坡稳定性评价标准[4]：

边坡稳定性状态分为稳定、基本稳定、欠稳定和不稳定四种状态，其中边坡稳定系数FS<1.00为不稳定，1.00≤FS<1.05为欠稳定，1.05≤FSFSt为稳定。

2黄土高边坡稳定性常用分析方法

边坡稳定性历来是国内外学术界和工程界关注的重要课题。国内虽然对公路、铁路黄土边坡开展了许多研究，但是主要局限于坡高小于30 m的情况。近年来，在黄土地区高等级公路建设中，遇到了大量坡高大于30 m的路堑高边坡情况，并出现不少坡体滑动失稳的事故。由于黄土结构的特殊性，使得黄土边坡的失稳具有一定的特征。

目前对黄土高边坡稳定性分析主要表现在如下四个方面：一是采用经典的土力学方法评价黄土边坡稳定性，如采用极限平衡理论法及圆弧法等工程中常用的边坡稳定分析方法；二是根据黄土地质结构和土质特点建立的力学验算方法，如裂隙法等；三是在对已建黄土边坡工程地质和水文地质调查及对比研究基础上，经过统计分析建立经验方法或数据表格，常被称为工程地质法；四是采用有限元数值模拟分析的方法。本文结合工程实例，分别选用理正岩土系列软件的边坡稳定分析模块与GEO-SLOPE程序的SLOPE/W模块，采用规范推荐的极限平衡法，包括瑞典圆弧法、毕肖普(Bishop)法、非圆弧法简布(Janbu)法、任意曲线形状破裂面的摩根斯坦—普莱斯(Morgenstern-Price)法等计算边坡稳定性。

3典型工程实例

DK39+310～+470段线路从黄土缓坡中部开挖，坡高66.5 m，坡度约33°，坡向245°。地层出露自上而下分别为新黄土、老黄土和粉质黏土。新黄土为第四系上更新统风积黄土，浅黄色，结构疏松，小孔隙发育，颗粒极细，砂质含量高，夹有一定白云母，手搓具滑腻感，浸水具湿陷性，厚约7 m。老黄土为中更新统的洪积老黄土，黄色，结构均匀、致密，与上覆新黄土没有明确界线，厚约8 m；下部为第三系粉质黏土，棕红色，钙、硅质胶结，上部结构疏松，钙质结核较多，结核粒径0.5～2 cm，中下部淋滤强烈，有钙硅质层出现，厚约0.5 m。DK39+380断面位于黄土斜坡中部，线路以挖方的形式通过，开挖边坡达到41.2 m，选择该最不利的DK39+380断面进行稳定性评价。

3.1边坡稳定性计算模型

黄土路堑边坡每8 m一级，每级间设3.0 m宽平台，路堑边坡设计为1∶0.75、1∶1.0和1∶1.25三种坡率，计算模型选择DK39+380断面的自然边坡和深路堑三种不同边坡坡率进行边坡稳定性分析，边坡最大开挖高度达到41.2 m(如图1、图2所示)。

图1　DK39+380自然边坡计算模型

图2　DK39+380深路堑计算模型(坡率1∶1.25)

3.2边坡稳定性分析计算参数选取

黄土抗剪强度的测试结果较离散，且黄土的抗剪强度受含水率的影响较大，含水率较低时，土的强度较大，含水率增大，土的强度迅速降低，而边坡土体的含水率受外环境条件影响也不是一成不变的。因此，如何确定计算参数是一个公认的难题，考虑工程长期使用以及各种不利条件，计算参数结合土工试验、地区经验及试算综合选用(如表2)。

3.3不同条件下边坡稳定性分析

一般工况及地震工况下边坡不同坡率稳定性分析结果如表3、表4所示。

表2　计算参数

表3　一般工况(非地震)下边坡不同坡率稳定性分析

表4　地震工况下边坡不同坡率稳定性分析

4结论

(1)根据边坡工程地质条件、可能的破坏模式以及已经出现的变形破坏迹象对边坡的稳定性状态作出定性判断，并对其稳定性趋势作出估计，确保技术经济合理性。根据《铁路特殊路基设计规范》、《铁路路基设计规范》和《建筑边坡工程技术规范》关于黄土(土质)边坡稳定性分析的有关规定，结合路基边坡高度和气候特征，建议一般工况下黄土路堑边坡高度低于20 m，边坡稳定安全系数FSt取1.25；黄土路堑边坡高度为20～30 m，边坡稳定安全系数FSt取1.30；黄土路堑边坡高度超过30 m，边坡稳定安全系数FSt取1.35。地震工况下黄土路堑边坡稳定安全系数FSt取1.15。

(2)由一般工况和地震工况下不同路堑边坡坡率的变化来看，稳定安全系数随着坡率的提高有增大的趋势。路堑边坡坡率为1∶0.75时，各种分析方法的边坡稳定系数Fs均位于1.05～Fst范围内，属于基本稳定状态；路堑边坡坡率为1∶1.0时，瑞典圆弧法和简布法的边坡稳定系数Fs小于Fst，属于基本稳定状态，毕肖普法和摩根斯坦—普莱斯法的边坡稳定系数Fs大于Fst，属于稳定状态；路堑边坡坡率为1∶1.25时，各种分析方法的边坡稳定系数Fs均大于Fst，属于稳定状态。

(3)根据各种路堑边坡坡率采用不同分析方法的结论来看，建议铁路黄土路堑边坡高度大于30 m时，边坡坡率采用1∶1.25；黄土路堑边坡高度小于30 m时，边坡坡率采用1∶1.0。

参考文献

[1]张少宏，康顺祥，李永红.降雨对黄土边坡稳定性的影响[J].水土保持通报，2005(5)：42-44

[2]中华人民共和国铁道部.TB 10035—2006铁路特殊路基设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2007

[3]中华人民共和国铁道部.TB 10001—2005铁路路基设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2006

[4]中华人民共和国建设部.GB 50111—2006铁路工程抗震设计规范[S].北京：中国计划出版社，2007

[5]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50330—2013建筑边坡工程技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2014

[6]郑良飞，折学森，叶万军.黄土路堑高边坡稳定性分析新方法-特殊滑裂面快速搜索法[J].地球科学与环境学报，2008(6)：188-191

[7]张小礼.黄土地区高陡边坡的失稳分析及治理[J].科技视界，2012(33)：134-135

[8]李帆，杨建国.黄土边坡稳定性分析方法研究[J].铁道工程学报，2008(12)

[9]沙晓君.黄土高边坡工程稳定性分析及设计[J].合作经济与科技，2012(8):109-111

[10]王根龙，张茂省，苏天明，等.黄土崩塌破坏模式及离散元数值模拟分析[J].工程地质学报，2011(4)