黄土路堑高边坡横断面形式研究

2021-01-11张天赐

河南科技 2021年23期

张天赐

摘要：由于黄土的特殊性，结合20 m以上高路堑边坡断面形式的系统研究较少，设计方案缺乏理论性指导。结合实际工程，采用数值分析软件，建立不同工况模型，对比分析综合边坡坡率、开挖断面面积与安全系数之间的关系，结合潜在破裂面迁移规律阐释结构形式安全系数变化机理，为类似工程提供参考。

关键词：黄土地区;路堑高边坡;横断面形式;综合边坡坡率;安全系数

中图分类号：U416 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）23-0120-03

Abstract： Due to the particularity of loess， there are few systematic studies on the section form of high cut slope above 20 m， and the design scheme lacks theoretical guidance. Combined with the actual project， numerical analysis software was used to establish models under different working conditions， and the relationship between comprehensive slope ratio， excavation section area and safety factor was compared and analyzed. Based on the migration law of potential fracture surface， the variation mechanism of safety factor of structural form was explained， which can provide reference for the construction of similar projects.

Keywords： loess region;cutting high slope;cross section form;comprehensive slope ratio;safety factor

在黄土地区修建铁路时，不可避免地会遇到很多路堑边坡[1-2]。黄土具有特殊的裂隙性、水敏性等，开挖后既有的应力平衡状态遭到破坏，呈现应力重分布现象，容易造成坡顶开裂、土体内部节理张裂或应力集中现象，影响边坡的稳定性。国内外学者对之开展了较多的研究，积累了工程设计和施工经验，形成了相关规范，但主要局限于边坡高度小于20 m的工况，对于20 m以上的高边坡的设计标准多为推荐标准。有关黄土路堑高边坡断面形式的系统研究较少，设计方案缺乏理论性指导[3-5]。综合分析，黄土地区高路堑边坡断面形式设计需要确定坡高、边坡坡比、台阶宽度及工程措施之间的合理匹配，保证开挖完成后的高边坡稳定性及受力合理性[6-9]。

结合黄土路堑高边坡实际工程，基于物理力学参数，采用数值分析软件，建立不同工况模型，对比分析综合边坡坡率、开挖断面面积与安全系数之间的关系，结合潜在破裂面迁移规律阐释结构形式安全系数变化机理，为类似工程提供参考。

1 工程概况

该黄土路堑边坡属于兰州至张掖三四线铁路，边坡上层岩性为第四系上更新统风积砂质黄土，具有严重的湿陷性，下层为第三系上新统泥岩。其中：砂质黄土为灰黄色，粉粒，中密，稍湿，Ⅱ级普通土，分布于梁峁地表，厚度大于60 m;泥岩为棕红色，泥质胶结，中厚层状构造，岩体较完整，岩质较软，Ⅳ级软石。

2 有限元模型的建立

采用GeoStudio有限元软件中的SLOPE/W模块，结合《铁路特殊路基设计规范》（TB 10035—2018）[10]和图1，基于该区域降雨量为300～500 mm的情况，边坡每级设置为10 m，边坡高度取42 m，坡顶距离左侧边界25 m，坡底距离边坡右侧边界25 m，总厚度62 m，模型中黄土为均质材料。本构模型采用摩尔-库伦模型，其中土体容重为16.0 kN/m3，内摩擦角为21.0 °，粘聚力为35.0 kPa。本次模型分析共采用9组工况，具体参数见表1。

3 结果分析

3.1 各工况条件下计算结果研究

各工况条件下综合边坡坡率、安全系数和开挖断面面积值见表2。分析可知：综合工况1～工况7，随着平台宽度的增加或边坡坡率变缓，边坡整体稳定性逐渐增加，与工况1相比，工况2、工况3、工况4、工况5边坡的安全系数分别增加了7.98%、16.12%、-2.06%、-11.84%，开挖断面面积分别增加了15.05%、30.10%、-9.35%、-33.74%;当设置宽平台、边坡中部设置大平台时，工况6和工况7与工况1相比，安全系数分别增加了10.89%和10.29%，开挖断面面积分别增加了19.92%和17.70%;当边坡中部大平台上部设置陡边坡时，工况7和工况8与工况1相比，安全系数分别增加了1.03%和6.60%，开挖断面面积分别增加了6.53%和13.72%。

结合综合边坡坡率、开挖断面面积随安全系数的变化规律（见图2）可知：随着安全系数的增加，综合边坡坡率呈降低趋势，开挖断面面积呈上升趋势;综合边坡坡率变化率随安全系数的增加先增加后减小，开挖断面面积变化率也随安全系数的增加先增加后减小;工况9与工况2相比，设置了宽大平台，同时平台上部设置了陡邊坡，开挖断面面积降低了1.15%，但安全系数下降了1.27%，不满足设计规范要求。

3.2 边坡破坏形式研究

图3为工况3和工况5下边坡安全系数分布云图。对于工况3，最小安全系数为1.354。对于工况5，最小安全系数为1.028。两种工况下，潜在破裂面出口均通过坡脚。工况3潜在破裂面曲线半径大于工况5，且由于单级边坡坡度变缓，工况3单级边坡位置安全系数明显高于工况5。

在实际工程中发现，当按照规范要求设置宽大平台时，坡面生长植物会阻碍雨水下流，同时冬季容易积雪造成入渗，导致平台后缘土体悬空前缘冲毁。宽大平台处是边坡的薄弱面，因此阶梯型边坡应尽量设置小平台边坡。分析结果显示，设置小平台边坡会使安全系数降低，因此可在保证安全系数的前提下，设置小平台缓边坡的边坡结构形式。

4 结语

基于黄土的特殊性，针对实际高路堑边坡工程，采用GeoStudio有限元软件中的SLOPE/W模块建立9组工况模型，对比分析综合边坡坡率、开挖断面面积与安全系数之间的关系，阐释结构形式安全系数变化机理，结合实际工况，提出设置小平台缓边坡的边坡结构型式，从而为类似工程提供参考。

参考文献：

[1]谢永利，刘新荣，晏长根，等.特殊岩土体工程边坡研究进展[J].土木工程学报，2020（9）：93-105.

[2]王嘉乐.砂质黄土路堑高边坡设计方案分析[J].中国高新区，2018（11）：166-167.

[3]陈波.黄土路堑边坡的失稳破坏因素与变形模式分析[J].地下水，2011（4）：102-104.

[4]叶万军，杨更社.基于坡面稳定的黄土路堑高边坡优化设计[J].岩土力学，2009（2）：531-535.

[5]李炜，郑南翔，支喜兰，等.黄土路堑高边坡断面形式研究[J].公路交通科技（应用技术版），2007（10）：68-71.

[6]梁胜明.既有铁路黄土路堑高边坡变形成因分析及整治措施[J].铁路技术创新，2017（2）：44-46.

[7]师述橙.基于可靠度和数值分析的黄土边坡优化设计[D].西安：长安大学，2020：33-37.

[8]李元松，王玉，朱冬林，等.边坡稳定性评价方法研究现状与发展趋势[J].武汉工程大学学报，2021（4）：428-435.

[9]赵笑然，李远富，高升，等.基于组合赋权-集对分析的铁路岩质边坡稳定性评价方法[J].铁道建筑，2021（8）：93-97.