境外铁路路基软岩边坡整治实例分析

尹进，聂如松，唐晓冬，刘正强，龚申，陈飞

境外铁路路基软岩边坡整治实例分析

尹进1，聂如松2，唐晓冬3，刘正强4，龚申4，陈飞4

(1. 中土集团 福州勘察设计研究院，福建 福州 350000；2.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；3. 中国土木集团，北京 100000；4. 中土集团 福州勘察设计研究院，福建 福州 350000)

为合理地对境外铁路路基边坡进行整治，对尼日利亚拉伊铁路部分区段路堑边坡的溜坍原因进行分析，重点阐释雨水及施工工艺等因素导致边坡溜坍时所采取的临时防护措施。同时，借助岩土分析软件GEO-STUDIO中的SLOPE/W与SEEP/W模块，构建降雨条件下的境外铁路路基边坡数值模型，采用施工现场所取土样的基本物理力学指标作为模型参数，结合境外铁路特点与边坡稳定性计算结果，提出合理可行的路基边坡整治措施，并对整治后的边坡进行监测。研究结果表明：整治方案有效地解决了路基边坡溜坍病害对线路稳定和铁路行车安全的影响，对海外同类型工程具有一定的借鉴作用。

境外工程；溜坍；整治方案；数值模拟

铁路路基是为满足轨道铺设和运营条件而修筑的土工构筑物，与桥梁、隧道等结构一起构成铁路线路基础。边坡是路基的重要组成部分，边坡的稳定性是铁路路基设计、施工以及养维工作中工程师密切关注的问题。其中，降雨对路基边坡稳定性影响显著，雨季引起的边坡溜坍与坡面冲刷等自然现象是研究人员密切关注的热点问题[1−2]。降雨对边坡的影响主要表现在以下几个方面：1) 边坡土体在雨水浸泡作用下力学性质出现劣化现象，土体的抗剪强度及强度指标黏聚力与内摩擦角有一定程度下降；2) 雨水浸泡后土体的重度增加了，在渗流力的作用下，边坡下滑力增大，导致边坡稳定性下降[3]。3) 在降雨条件下，边坡上部的非饱和区会形成暂态饱和区，因此水压力会有所增大，水压力的增加往往对于边坡的稳定性具有不利的影响，导致边坡滑塌现象的产生[4]。目前国内外对滑坡灾害的研究十分关注，其中最先提出滑坡概念的是莱伊尔[5]。边坡分析中的极限平衡法主要是将边坡进行条分，对单一的条块进行力或者力矩的平衡方程分析，其中的简化方法包括瑞典条分法、Bishop法、Janbu法等，这些方法采取了不同的假设，所以使用条件也不太相同[6]。目前大量分析方法都是利用计算机来完成的，在一定程度上减少了计算的工作量，同时结果也较为准确。在数值模拟方面，李长冬等[7]以三峡库区兴山县高阳镇香溪河北岸的二里半滑坡为例，按照实际问题建立模型，利用开发的Slope Designer对二里半滑坡进行稳定性计算，结果验证了数值分析的准确性。ZHANG等[8]在对滑坡进行分析时，运用数值分析软件，计算结果与现场实测结果相似，说明了数值分析的准确性。夏园 园[9]对某地区的路堑边坡进行勘察，借助软件GEO- SLOPE的帮助对该地区的边坡进行了稳定性计算。毛肖杰[10]运用边坡稳定性分析软件GEO-SLOPE，以云南某露天铁矿为背景，对边坡稳定性进行了计算，并进一步对影响边坡稳定性的因素进行了分析。本文主要分析降雨对边坡稳定性的影响，为了对境外路基边坡稳定性进行合理分析，需要在分析时考虑雨水渗流的影响。结合降雨条件下边坡稳定性的研究也有不少，王丽[11]运用GEO-SLOPE岩土分析软件，与内蒙古呼和浩特地区的降雨条件相结合，通过对稳定性的计算，分析降雨对于土质边坡稳定性的影响。Ng等[12]提出影响边坡稳定性的因素主要有降雨强度与初始地下水位高度。为了对境外铁路路基边坡的稳定性进行分析，本文主要借助岩土分析软件GEO-STUDIO，利用GEO-STUDIO中的SEEP/W与SLOPE/W模块对降雨条件下的渗流场进行耦合。同时，由于海外工程的特殊性，在工程病害整治中需更多考虑工程经济、施工周期，且结合现场施工材料、物质设备的可行性开展现场施工。前期边坡溜坍多以放缓边坡坡率、重力式挡墙+框架、基底换填为主。针对较复杂地质条件下边坡溜坍情况，不能有效、及时地借鉴国内工程整治经验如框架锚索或锚杆等，对边坡进行处理，此外，由于国外工程业主、咨询方的强势，为在既定施工工期下，在保证铁路临时通行的前提下，需采用短、快有效的防护措施进行处理保证边坡的稳定性，这些往往都是跟国内同类型工程有一定差异的。尼日利亚拉伊铁路某路堑边坡为软质岩路堑，该段地貌属剥蚀丘陵区，自然坡度10°~15°，植被较发育，中心最大挖方约22 m，岩层以风化泥岩为主，遇水易软化具有膨胀性。本文以该边坡为实例进行分析，结合现场工程施工现状，通过有限元分析法对降雨前后边坡稳定性进行模拟，结合施工现场工况对边坡进行整治，结果表明方案的有效性，对后续类似工程施工具有一定的指导作用。

1 降雨对边坡稳定性的影响

在对边坡稳定性进行分析时，主要从2个方面进行分析考虑：1) 探究在含水率增加的情况下，岩土体力学性质受到土颗粒相互之间基质吸力的影响而发生的变化规律；2) 暂态饱和区的形成，通过图1的统计可知，土体的黏聚力与内摩擦角随着含水率大小而发生变化，同时地下水也会随之发生抬升现象。

(a) 黏聚力随含水率变化；(b) 内摩擦角随含水率变化

对降雨条件下边坡稳定性进行分析时，利用极限平衡法对稳定性随时间变化规律进行分析。研究表明：非饱和土体的抗剪强度会随着含水率的变化而发生变化，土体在天然状态处于非饱和态，Fredlund等[16]提出了应用于非饱和抗剪强度的摩尔库伦准则：

式中：为总正应力；′为土体有效黏聚力；′为土体有效内摩擦角；u和u为表示孔隙气压力与孔隙水压力；(u−u)为基质吸力；φ为反应基质吸力增加程度的摩擦角。

参考图1可知，含水率的增加，对土体黏聚力与内摩擦角存在“劣化作用”，同时在天然状态下边坡土体的基质吸力较高，在降雨条件下，土体内部含水率增大，基质吸力会逐渐降低直至趋于0，最终导致土体抗剪强度的下降[16]。因此Fredlund提出的非饱和土摩尔库伦准则从理论上分析了岩土体在降雨情况下抗剪强度下降的原因。

在降雨条件下，土体的含水率由于发生了雨水的入渗作用，因此土体的含水率会在一定程度上有所增加。对降雨入渗条件下的土体进行分析，土体条块从上到下通常划分为4个区域：饱和区、过渡区、传到区与湿润区，其中进行分析时将湿润区的前缘定义为湿润锋。在对边坡稳定性进行求解时，首先对单个土体条块进行分析求解。模型选用Montrasio等[17]提出的简化抗剪强度计算模型，将4个区域简化为饱和区与非饱和区，简化模型如图2所示。

图2 条块受力模型

图中：h表示饱和层的高度，为土条的总高度，为条块宽度。对单个土块进行受力分析。假设土层为一层，在简化模型中，新条块的有效内摩擦力与原土层取值相同，新条块的表观黏聚力 为[17]：

式中：为试验参数，大小为3.4[17]，因此将式(1)简化为：

参考图2分析可知，条块的重力值大小为：

式中：为天然重度；s为饱和重度。

在降雨条件下除了受到重力之外，还会受到雨水入渗的渗流作用，因此在饱和区域产生一个与坡面平行的渗透力，大小为：

式中：为水的重度，10 kN/m3。

最终边坡稳定性通过稳定性系数进行分析，s定义为抗滑力与下滑力的比值。

稳定性系数的大小可以通过二者的比值求解得出：

代入表达式得到式(8)

代入数值计算：

利用函数关系对稳定性系数大小和饱和层高度关系进行求解，其中横坐标表示饱和层高度，纵坐标表示稳定性系数大小，绘制关系图如图3所示。

从图3可以看出，随着雨水的入渗，饱和层高度逐渐增大，利用公式求解出边坡稳定性系数呈下降趋势，由此可知降雨不利于边坡稳定性。

2 边坡灾害实例分析

2.1 边坡基本物理力学性质

目前新建的拉伊铁路位于尼日利亚的西南部，线路南部起点为最大的港口城市Lagos，向东北经Abeokuta至Ibadan。沿线经过Lagos，Ogun和Oyo 3个大州，地理位置十分重要。本项目主要为Lagos至Ibadan沿线城镇的客货交流提供运输径路，线路在近期的目标以客运为主，同时兼顾货运，长期目标为客货并重。其中正线路长度为156.8 km，在设计时采用国铁Ⅰ级标准，设计时速150 km/h。

图4 颗粒级配曲线

本文以拉伊铁路某段路堑边坡为例，其中左侧边坡高约22 m，右侧边坡约为15 m，坡度1:1.5，路基边坡属于全风化的泥岩。采集路段土样开展基本物理力学性质指标试验，试验段土样的级配曲线如图4所示。

土层的基本物理力学性质指标见表1。

2.2 边坡灾害及原因分析

在路堑边坡的施工过程中，基本已挖到路基基床的表层顶面。在原设计中各级边坡的坡率大小为1:1.5，并每隔8 m处设置一个2.0 m的平台。参考《尼日利亚排水设计手册》的地区月降雨量，绘制Laogs地区的降雨量随月份变化柱状图如图5所示。

表1 土样基本物理参数

图5 降雨时程曲线

从图中可以看出，在Laogs地区降雨主要集中分布在5~10月份，冬季降雨较少，年降雨量为1 727 mm。在雨量较多的月份，由于基础段主要为粉质黏土与泥岩，遇水后强度较低，容易出现根部失稳的现象，路堑边坡两侧出现溜坍病害，其中在一级边坡中间部位出现溜坍体，边坡整体下滑约1~2 m。

由于尼日利亚在雨季的降雨量较大，雨水是引发边坡失稳的主要原因，原有路基边坡长时间受到降雨影响而引发溜坍现象，为了减小持续降雨带来的危害，需要对路基边坡采取临时防护措施来迅速排出边坡水分、保护坡脚防止水害加深。针对国外特殊工程地质条件，施工现场采取的临时措施为：1) 对现场溜坍体进行清除，现场最大的溜坍体依然可能出现溜坍，将部分施工完成的骨架拉裂，裂带存在于一级边坡平台处。现场通过铺设塑料布将裂带进行遮盖，防止雨水的持续渗入裂痕；2) 依据现场试验结果，对路基基床下以及挡土墙下进行换填处理；3) 加强对边坡坡脚的排水处理措施，按照设计的尺寸进行临时沟槽开挖，防止边坡坡脚出现进一步的溜坍。

2.3 数值计算模型的构建

为了对施工现场实例进行进一步分析，利用GEO-STUDIO对现场工况进行数值模型的构建。基于渗流计算结果以及土体的抗剪强度参数可以进行极限平衡法或者进行强度折减有限元法进行边坡稳定性计算。在原理上，极限平衡法主要是将滑体划分为较多的土条，通过利用静力分析法来判断边坡的稳定性，通过计算滑动力与抗滑力的比值、滑动力矩与抗滑力矩的比值从而获得安全系数。目前比较常用的极限平衡法主要包括：瑞典条分法、简化的毕肖普法、简布法和Morgenstern-Price法(M-P法)，不同稳定性计算方法对比如表2所示。

表2 不同稳定性计算方法对比

从表2可知，M-P法是一种比较严格的条分法，在进行计算时，同时考虑了力平衡与力矩平衡，因此本文在进行分析时，采用M-P法，选择特征边坡地质剖面图如图6所示。

图6 拉伊铁路特征边坡地质剖面图

将岩性相同的区域用闭合多段线进行绘制，利用GEO-SLOPE可以导入DXF格式的功能，将CAD绘制的闭合岩层曲线按照1:1的比例将模型进行导入，其中将相同的岩层设置为相同的颜色，求出在天然状态下边坡的稳定性系数s=1.217。

图7 天然状态下边坡稳定性

为了进一步分析降雨对边坡稳定性的影响，在进行分析时加入降雨边界条件，在非饱和土体内部的渗流遵循Darcy定律：

式中：k为非饱和土中水的渗透系数，在同一种土中，渗透系数的大小随着含水率的增大而增大。本文在分析时，采用GEO-SLOPE的地下水渗流分析模块SEEP/W。

在对边坡进行分析时，为了在SEEP/W上实现降雨工况的模拟，可以将降雨当作流量边界进行处理。Fredlund等[16]在对流量边界进行处理时，将单元上的流量进行了处理，将之转化为节点的入渗，当降雨量大于入渗能力时，入渗量等于入渗能力；当降雨量小于入渗能力时，入渗量等于降雨量，用等式表达为式(11)与式(12)。

降雨最多的月份为6月，平均降雨量为0.005 5 m/d，绘制在降雨条件下孔隙水压力云图如图8所示，图中箭头表示渗流的速度矢量。

图8 边坡孔隙水压力云图

从图8可以看出，通过GEO-STUDIO的地下水渗流分析模块SEEP/W进行分析，随着降雨的入渗，边坡表面浅层区域的孔隙水压力逐渐增加，土体的饱和度逐渐上升，与此同时土体的抗剪强度降低，边坡变得更加危险，通过Morgenstern-Price法(M-P法)求出的边坡稳定性系数s=1.130，小于干燥状态下稳定性系数，在持续降雨条件下，容易发生溜坍等自然灾害，因此需要加强对边坡的整治。

图9 降雨条件下边坡稳定性系数大小

结合第2节分析可知，在降雨入渗条件下影响边坡稳定性的主要原因为边坡内的暂态饱和层随着降雨时长的增加而逐渐增大，此时土体内的含水率随之增大，弱化了边坡土体的抗剪强度。为了提高边坡稳定性，避免自然灾害的发生，需要对境外边坡进行整治，一方面可以增加排水措施以减小雨水的入渗量；另一方面可以通过换填等措施提高既有边坡土体的抗剪强度。

3 边坡整治措施

在对目标段路堑边坡采取临时防护措施后，边坡溜坍的情况得到了一定程度的缓解，但是在持续降雨条件的影响下，由于现场施工力量不足等原因，边坡发生了进一步的溜坍，已施工完成的骨架边坡基本发生了破坏，现场病害如图10所示。

图10 现场病害

结合施工现场实际情况可知，临时的防护措施不可行，经过与欧洲咨询公司沟通协商后进行现场取样，完成基本土工试验，通过对失稳前后全风化泥岩进行土样测试发现，边坡失稳后内摩擦角=12°，黏聚力=2.1 kPa。根据土工试验与施工现场边坡坍塌情况判断泥岩风化层具有较强的黏性，在雨水的影响下容易发生软化崩解，土层具有一定的膨胀性，因此边坡开挖过陡并长期暴露是导致垮塌现象发生的主要原因。考虑到边坡已经发生了破坏，研究段土体已发生了较大的剪切位移，强度严重衰减，为了防止在雨季发生更大规模的边坡破坏甚至出现滑坡现象，因此需要尽快采取支挡防护措施。结合边坡模拟检验结果，提出边坡病害防护措施如下：

1) 清除边坡两侧的路堑溜坍体，放缓边坡坡率，将二级边坡坡率放缓为1:4.5，同时在路堑坡脚设置3~6.5 m高度的挡墙，挡墙斜率1:0.25，顶部宽度为1.0~2.3 m，在挡墙顶部设置桩基，桩长6~8 m，坡面采用人字形截水骨架护坡，骨架内采用六棱柱进行铺砌，边坡坡面采用植草处理；

2) 考虑到泥岩段的承载力较低，对挡墙基础以及基床下进行换填处理，挡墙下部换填1.0 m的碎石或片石，路基基床下换填0.5 m的中粗砂与1.5 m的碎石与片石。

对采取处理措施后的边坡稳定性进行分析，如图11所示，s=1.441。

图11 整治后边坡稳定性系数

分析图11可知，在对边坡进行整治处理后，在降雨条件下，边坡的稳定性系数得到了明显的提升，边坡趋于安全，通过模拟并对路堑边坡进行长期观测，证明目前边坡的整治方案是可行的。

4 结论

1) 在分析降雨条件下，边坡的稳定性变化规律时，从定量的角度进行分析，采用实际的数据进行代入，结合Fredlund提出的非饱和土抗剪强度的摩尔库伦准则，在Montrasio提出的简化抗剪强度计算模型上进行分析。边坡内部会出现暂时的饱和区域，随着降雨入渗，虽然降雨入渗的速度在一定程度上受到时间的影响，但是饱和区域深度会逐渐增加，采用边坡稳定性公式对条块模型进行稳定性系数求解，从模拟的曲线图表容易看出：随着饱和区域深度的增大，边坡的稳定性系数则会随之降低。

2) 该路堑边坡软质岩具膨胀性，受降雨及施工原因引发边坡溜坍，尤其在海外工程中，由于国内环境的差异性往往不能够及时采取措施整治，给项目的成本和实施带来一定影响。同时，欧洲咨询由于设计理念的不同对地质参数、边坡稳定性检算方法、稳定性系数与国内标准不同，现场设计中需因地制宜，充分调查既有情况找出合适、可行的边坡整治方案。

3) 工程竣工后应对该段路堑边坡进行长期观测，用以证明目前的边坡整治方案是可行的。

[1] 李伟, 肖蓉, 吴礼舟. 岩质边坡中结构面上水压分布假设的改进研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2017, 36(3): 599−608. LI Wei, XIAO Rong, WU Lizhou. Improved assumption of hydraulic pressure distribution on structural surface in rock slope[J]. Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2017, 36(3): 599−608.

[2] 孙和顺. 浆砌片石拱形截水骨架生态护坡施工技术研究[J]. 中国公路, 2017(19): 114−115. SUN Heshun. Research on ecological slope protection technology of intercepting frame covered with motor rubble[J]. China Highway, 2017(19): 114−115.

[3] CHEN H X, ZHANG L M. A physically-based distributed cell model for predicting regional rainfall- induced shallow slope failures[J]. Engineering Geology, 2014, 176(13): 79−92.

[4] 唐晓松, 赵尚毅, 郑颖人, 等. 渗流作用下利用有限元强度折减法的边坡稳定性分析[J]. 公路交通科技, 2007, 24(9): 6−10. TANG Xiaosong, ZHAO Shangyi, ZHENG Yingren, et al. Stability analysis of slope under seepage action by finite element strength reduction method[J]. Highway Transportation Technology, 2007, 24(9): 6−10.

[5] 莱伊尔. 地质学原理[M]. 北京: 北京大学出版社, 2008. Laiyier. Principles of geology[M]. Beijing: Beijing University Press, 2008.

[6] 庄锦亮, 孔思丽, 宋鑫华. 基于FLAC(3D)和极限平衡法土质边坡稳定性分析与影响因素的探讨[J]. 人民珠江, 2016, 37(3): 42−45. ZHUANG Jinliang, KONG Sili, SONG Xinhua. Stability analysis and discussion of influencing factors of soil slope based on FLAC(3D) and limit equilibrium method[J]. People Pearl River, 2016, 37(3): 42−45.

[7] 李长冬, 胡新丽. 滑坡稳定性评价及治理工程设计软件Slope Designer[J]. 地质科技情报, 2006, 25(1): 95− 98. LI Changdong, HU Xinli. Landslide stability evaluation and control engineering design software Slope Designer[J]. Geological Science and Technology Information, 2006, 25(1): 95−98.

[8] ZHANG Y, YANG J, YANG F. Field investigation and numerical analysis of landslide induced by tunneling[J]. Engineering Failure Analysis, 2015(47): 25−33.

[9] 夏园园. GEO-SLOPE软件在某路堑边坡稳定性分析中的应用[J]. 山西建筑, 2018(5): 69−71. XIA Yuanyuan. Application of GEO-SLOPE software in stability analysis of a cutting[J]. Shanxi Architecture, 2018(5): 69−71.

[10] 毛肖杰. 基于Geo-Studio的某露天矿风化砂质边坡稳定性分析[D].昆明: 昆明理工大学, 2015. MAO Xiaojie. Stability analysis of wind-sand slope in an open-pit mine based on Geo-Studio[D]. Kunming: Kunming University of Science and Technology, 2015.

[11] 王丽. 应用GEO-SLOPE软件模拟分析降雨入渗下边坡稳定性[J]. 内蒙古科技与经济, 2015(19): 100−101. WANG Li. GEO-SLOPE software simulation analysis of slope stability under rainfall infiltration[J]. Inner Mongolia Science and Technology & Economy, 2015(19): 100−101.

[12] Ng C W W, Shi Q. A numerical investigation of the stability of unsaturated soil slopes subjected to transient seepage[J]. Computers and Geotechnics, 1998, 22(1): 1− 28.

[13] 钱春香, 刘建坤, 肖军华. 铁路粉土路基土的变形与强度特性试验研究[J]. 铁道建筑技术, 2007(6): 66−69. QIAN Chunxiang, LIU Jiankun, XIAO Junhua. Experimental study on deformation and strength characteristics of railway silty subgrade soil[J]. Railway Construction Technology, 2007(6): 66−69.

[14] 邓钟尉. 基于三轴试验的非饱和土抗剪强度影响因素分析[J]. 城市勘测, 2014(6): 164−168. DENG Zhongwei. Analysis of influencing factors of unsaturated soil shear strength based on triaxial test[J]. Urban Survey, 2014(6): 164−168.

[15] 黄琨, 万军伟, 陈刚, 等. 非饱和土的抗剪强度与含水率关系的试验研究[J]. 岩土力学, 2012(9): 2600−2604. HUANG Kun, WAN Junwei, CHEN Gang, et al. Experimental study on the relationship between shear strength and water content of unsaturated soils[J]. Rock and Soil Mechanics, 2012(9): 2600−2604.

[16] Fredlund D G, Morgenstern N R, Widger R A. The shear strength of unsaturated soils[J]. Canadian Geotechnical Journal, 1978,15(3): 313−321.

[17] Montrasio L, Valentino R. A model for triggering mechanisms of shallow landslides[J]. Natural Hazards & Earth System Sciences, 2008, 8(5): 1149−1159.

Landslide analysis of soft rock slope for oversea railway subgrade

YIN Jin1, NIE Rusong2, TANG Xiaodong3, LIU Zhengqiang4, GONG Shen4, CHEN Fei4

(1. CCECC Fuzhou Survey and Design Insititute, Fuzhou 350000, China;2. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;3. China Civil Engineering Construction Corporation, Beijing 100000 China;4. CCECC Fuzhou Survey and Design Insititute, Fuzhou 350000, China)

When the railway subgrade slope collapses in the overseas railway project, due to engineering background, construction technology, exploration environment and other factors, there are certain differences between the remediation methods and the domestic ones. In order to rationally rectify the slope of the overseas railway subgrade, this paper analyzed the reasons for the slippery slope of the section of the Rai Railway in Nigeria, focusing on the slope in the rainy season and the construction process and temporary protective measures taken at the time. Further, with the SLOPE/W and SEEP/W module in the geotechnical analysis software GEO-STUDIO, the numerical model of the overseas railway subgrade slope under rainfall conditions was constructed. The mode parameters were derived from the basic physical and mechanical indexes of the soil samples taken at the construction site. Combined with the characteristics of overseas railways and the calculation results of slope stability, a reasonable and feasible subgrade slope treatment measures were proposed. Through the monitoring of the slope after rectification, the results show that the remediation plan effectively solves the impact of roadbed slope slipping disease on line stability and railway traffic safety, and has certain reference for overseas similar projects.

overseas engineering; slippery; remediation plan; numerical simulation

10.19713/j.cnki.43−1423/u.T20190804

TU457

A

1672 − 7029(2020)07 − 1679 − 09

2019−09−09

中国土木集团科研资助项目(2018-KY-01)

聂如松(1980−)，男，湖南衡阳人，副教授，博士，从事铁路路基和桥梁桩基础工程方面的教学与科研工作；E−mail：nierusong97@csu.edu.cn

(编辑 涂鹏)