边坡溜坍设计方案分析

汪明玉

中国铁路上海局集团有限公司 上海 200071

引言

边坡失稳，处理方案多样，重力式挡墙截面形式多样，本文提出一种较经济、受力简单，性能可靠，便于施工的断面形式，并对此截面挡墙的抗倾覆稳定、抗滑稳定、合力偏心矩、墙身截面进行检算，分析挡墙背后土体的应力分布规律，并对相似工况提出参考处理方案。

1 线路既有状态

合九线某段，单线区段，自然地貌山峦起伏，该区段内路堑高度2～4m不等，自然坡率1∶1～1∶1.5，较陡，黏性土体。坡面植被发育线路断面如图1。连续强降雨造成此区段路堑边坡发生局部溜坍，溜坍土体阻塞水沟正常排水，需进行复旧加固。

2 方案比选

在处理滑坡，坍塌病害时常采用一些加固措施，如改良边坡或地基的土质，设置支挡建筑物等。改良土质由于出土困难、造价高昂等原因不予考虑。支挡结构可以不减少水沟排水截面，同时减少开挖量且收回坡脚，工程经济合理故考虑采用支挡结构。支挡结构分为重力式挡土墙与轻型挡土墙，像锚杆挡土墙、预应力锚索、抗滑桩等的轻型挡土墙措施考虑到施工复杂性与造价较贵，本地点采用重力式挡土墙。重力式挡土墙通常有干砌片石、浆砌片石、混凝土及砖等土石圬工建造，不需要复杂的施工设备和技术，造价较低。考虑施工现场的出土困难与施工效果决定采用线型简单的梯形直线墙背式重力式挡土墙加固，墙身为片石混凝土,初拟尺寸如图1[1]。

图1 初拟尺寸（单位为厘米）

2.1 计算参数

翻阅相关资料可知：挡土墙基底与地基间的摩擦系数f=0.4，地基为黏性土质，容许承载力[σ]土=200kN/m2，土体内摩擦角φ0=35o，土与墙背间的摩擦角δ=φ0/2 =17.5o，墙后填土重度γ=18.0KN/m3，墙身圬土重度γ=23.0KN/m3，外墙竖直α=0。以a=2m,b=3m为列，挡墙高，墙身截面积S=1.7325m2。

2.2 滑动稳定性检算

已知破裂角公式：

令ψ=φ0+δ-α=35 +17.5 =52.5o故tanψ=1.3

水平方向分力：E x=Eacos(δ-α)=18.05KN/m

竖直方向分力：E y=Easin(δ-α)=5.69KN/m

2.3 抗滑稳定性检算

墙身自重：G=1.7325 ×23 = 39.8475(kN/m)，设被动土压力Ep=0，则：

在不考虑被动土压力的情况下，所拟尺寸不满足抗滑稳定性要求，故将基底倾斜，令tanα00.2。由于挡墙高H的变化，故极限破裂角发生变化按上述方法得出：tanθ=0.805，Ea=22.47KN/m，Ex=21.43KN/m，Ey=6.75KN/m。

2.4 计算修改尺寸后的挡墙抗倾覆稳定性检算

抗倾覆稳定系数0K为稳定力矩之和，与倾覆力矩之和的比值。即：

倾覆稳定性系数：

2.5 合力偏心距及基底应力检算

基地应力不允许超过地基容许承载力。为避免挡土墙发生显著不均匀沉降，还应控制作用于墙基底的合力偏心距：

其中：

e—基底合力的偏心距（m）：当为倾斜基底时，为倾斜基底合力的偏心距，土质地基不应大于B/6，岩石地基不应大于B/4；

B—基底宽度（m），倾斜基底为其斜宽；

Zn—作用于基底上的垂直分力对墙趾的力臂（m）；

∑N—作用于基底的总垂直力（KN）[2]。

当为倾斜基底时，作用于其上的总垂直力为：

基底应力：

2.6 挡土墙墙身H/2截面强度检算（如图3）

图3 墙身H/2土压应力图

2.6.1 法向应力检算。墙身H/2截面处距墙顶1.05米处应力：

挡墙上半部分所受到的主动土压力：

当 时，墙身圬工出现拉应力，当拉应力超过容许值时，压应力应按三角形重新分布计算。

2.6.2 剪应力计算。

所拟定的挡土墙尺寸满足稳定要求。按以上计算方法，不同的坡长按上述计算方法得出的结果如下：

对于不同坡率挡墙的计算结果如下：

表2 不同坡率对应的检验系数

从表1可以看出对于1:1.5的坡率，此挡墙尺寸各种检算系数符合要求。从表二可以看出对于陡于1:1.5边坡有失稳风险，施工时应刷坡至坡度缓于1:1.5，同时运出弃土。故此段边坡溜坍位置挡墙可以采用图示尺寸，并预埋排水管同时设置10cm厚碎石反滤层防止土体流失造成坡体空洞。重做60cm宽、30cm厚浆砌片石沟底。方案如图4所示。按以上所设计的挡墙在经过两个雨季的使用后效果良好[3]。

表1 坡度1:1.5时不同坡长对应的检验系数

图4 采用尺寸

根据图2可以看出当a持续延长至σ1=σH时，出现图5应力图b，并通过如下方程可求得a、b值如下：

图5 土压应力图b

即当a=6.2m，b=9.3m开始，随着a的增加挡土墙上的主动土压力不再变化。

3 结束语

对于边坡坡率较陡发生溜坍的地段，挡墙的设置可以减少开挖量并收坡至1：1.5以上，并且坡率越缓挡墙越稳定。

从上述结论中虽然看出随着坡长的增加，挡墙尺寸均满足各种理论数据的检算，并且坡长增大至一定程度，应力不再变化。但是在实际自然环境中，随着时间的变迁，雨水对边坡长时间的浸泡造成土体内摩擦角变小，易造成边坡溜坍。故针对长边坡，通常设置天沟将水流引开防止雨水浸泡土体，设置浆砌片石护坡与拱柱拱圈防止水流冲刷维持边坡整体稳定性。对于超长边坡还可以通过刷方减载设置多次平台的方式稳固土体。同时应在挡墙中埋设排水管防止雨水截留在土体中。

从表1数据中可以看出C20片石砼挡墙墙身截面检算安全余量较大，在石材丰富的地区，考虑到工程经济型经过检算可以选取浆砌片石挡墙代替C20片石砼挡墙。

在山区铁路中路堑与路堤的路基断面形式经常出现。在建设开挖后边坡大面积暴露在大气中，受水和温度变化等自然因素的影响，极易招致失稳，同时大量弃土可能无法安置，此时可在边坡的坡脚修建挡墙，减少土方开挖，陡坡上的路堤，在下坡一侧要收缩路堤边坡，此时可在边坡的坡脚设置挡土墙，承受山体压力，减少开挖量或收回坡脚，使工程经济合理。