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        質(zhì)量與安全決定黃土高邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)的取值

        2016-08-01 08:07:32姜鳳蘭
        鐵道勘察 2016年3期
        關(guān)鍵詞:坡率坡坡路塹

        姜鳳蘭

        (中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

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        質(zhì)量與安全決定黃土高邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)的取值

        姜鳳蘭

        (中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京100055)

        摘要結(jié)合晉中南鐵路工程實(shí)例,運(yùn)用規(guī)范推薦的多種計(jì)算方法,對一般工況和地震工況下的黃土高邊坡進(jìn)行分析比較,最終提出不同邊坡高度在不同工況下安全系數(shù)和坡率的建議值。

        關(guān)鍵詞黃土高邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)坡率

        在地質(zhì)背景復(fù)雜的黃土地區(qū)進(jìn)行鐵路建設(shè)的同時(shí),形成了大量的黃土路塹高邊坡,這些黃土路塹高邊坡縱斷面長,橫斷面寬,坡高極大,工程量巨大。在經(jīng)濟(jì)合理的前提下保證邊坡的整體穩(wěn)定性與坡面穩(wěn)定性,是工程中需要解決的技術(shù)難題。當(dāng)線路位于黃土高陡邊坡前緣或中部時(shí),黃土高邊坡的穩(wěn)定性對鐵路能否安全運(yùn)營有極其重要的影響,為此,采用多種方法評價(jià)黃土高邊坡穩(wěn)定性是極其必要的。

        1邊坡穩(wěn)定性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

        鐵路工程邊坡穩(wěn)定性系數(shù)FSt有關(guān)規(guī)定:《鐵路特殊路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10035—2006)規(guī)定黃土路塹邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)FSt為1.25[1],《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10001—2005)規(guī)定土質(zhì)路塹邊坡高度大于20 m時(shí),邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)FSt為1.15~1.25[2];《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(2009年版GB50111—2006)規(guī)定黃土高邊坡抗震穩(wěn)定安全系數(shù)FSt為1.15[3]。

        《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330—2013)規(guī)定:建筑工程邊坡穩(wěn)定性系數(shù)除按照破壞后果嚴(yán)重性外,尚考慮了邊坡穩(wěn)定性因素(巖土類別和坡高)來確定FSt,黃土邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)見表1[4]。

        表1 建筑工程邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)FSt

        建筑工程邊坡穩(wěn)定性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[4]:

        邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)分為穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、欠穩(wěn)定和不穩(wěn)定四種狀態(tài),其中邊坡穩(wěn)定系數(shù)FS<1.00為不穩(wěn)定,1.00≤FS<1.05為欠穩(wěn)定,1.05≤FSFSt為穩(wěn)定。

        2黃土高邊坡穩(wěn)定性常用分析方法

        邊坡穩(wěn)定性歷來是國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工程界關(guān)注的重要課題。國內(nèi)雖然對公路、鐵路黃土邊坡開展了許多研究,但是主要局限于坡高小于30 m的情況。近年來,在黃土地區(qū)高等級公路建設(shè)中,遇到了大量坡高大于30 m的路塹高邊坡情況,并出現(xiàn)不少坡體滑動失穩(wěn)的事故。由于黃土結(jié)構(gòu)的特殊性,使得黃土邊坡的失穩(wěn)具有一定的特征。

        目前對黃土高邊坡穩(wěn)定性分析主要表現(xiàn)在如下四個方面:一是采用經(jīng)典的土力學(xué)方法評價(jià)黃土邊坡穩(wěn)定性,如采用極限平衡理論法及圓弧法等工程中常用的邊坡穩(wěn)定分析方法;二是根據(jù)黃土地質(zhì)結(jié)構(gòu)和土質(zhì)特點(diǎn)建立的力學(xué)驗(yàn)算方法,如裂隙法等;三是在對已建黃土邊坡工程地質(zhì)和水文地質(zhì)調(diào)查及對比研究基礎(chǔ)上,經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析建立經(jīng)驗(yàn)方法或數(shù)據(jù)表格,常被稱為工程地質(zhì)法;四是采用有限元數(shù)值模擬分析的方法。本文結(jié)合工程實(shí)例,分別選用理正巖土系列軟件的邊坡穩(wěn)定分析模塊與GEO-SLOPE程序的SLOPE/W模塊,采用規(guī)范推薦的極限平衡法,包括瑞典圓弧法、畢肖普(Bishop)法、非圓弧法簡布(Janbu)法、任意曲線形狀破裂面的摩根斯坦—普萊斯(Morgenstern-Price)法等計(jì)算邊坡穩(wěn)定性。

        3典型工程實(shí)例

        DK39+310~+470段線路從黃土緩坡中部開挖,坡高66.5 m,坡度約33°,坡向245°。地層出露自上而下分別為新黃土、老黃土和粉質(zhì)黏土。新黃土為第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土,淺黃色,結(jié)構(gòu)疏松,小孔隙發(fā)育,顆粒極細(xì),砂質(zhì)含量高,夾有一定白云母,手搓具滑膩感,浸水具濕陷性,厚約7 m。老黃土為中更新統(tǒng)的洪積老黃土,黃色,結(jié)構(gòu)均勻、致密,與上覆新黃土沒有明確界線,厚約8 m;下部為第三系粉質(zhì)黏土,棕紅色,鈣、硅質(zhì)膠結(jié),上部結(jié)構(gòu)疏松,鈣質(zhì)結(jié)核較多,結(jié)核粒徑0.5~2 cm,中下部淋濾強(qiáng)烈,有鈣硅質(zhì)層出現(xiàn),厚約0.5 m。DK39+380斷面位于黃土斜坡中部,線路以挖方的形式通過,開挖邊坡達(dá)到41.2 m,選擇該最不利的DK39+380斷面進(jìn)行穩(wěn)定性評價(jià)。

        3.1邊坡穩(wěn)定性計(jì)算模型

        黃土路塹邊坡每8 m一級,每級間設(shè)3.0 m寬平臺,路塹邊坡設(shè)計(jì)為1∶0.75、1∶1.0和1∶1.25三種坡率,計(jì)算模型選擇DK39+380斷面的自然邊坡和深路塹三種不同邊坡坡率進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析,邊坡最大開挖高度達(dá)到41.2 m(如圖1、圖2所示)。

        圖1 DK39+380自然邊坡計(jì)算模型

        圖2 DK39+380深路塹計(jì)算模型(坡率1∶1.25)

        3.2邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算參數(shù)選取

        黃土抗剪強(qiáng)度的測試結(jié)果較離散,且黃土的抗剪強(qiáng)度受含水率的影響較大,含水率較低時(shí),土的強(qiáng)度較大,含水率增大,土的強(qiáng)度迅速降低,而邊坡土體的含水率受外環(huán)境條件影響也不是一成不變的。因此,如何確定計(jì)算參數(shù)是一個公認(rèn)的難題,考慮工程長期使用以及各種不利條件,計(jì)算參數(shù)結(jié)合土工試驗(yàn)、地區(qū)經(jīng)驗(yàn)及試算綜合選用(如表2)。

        3.3不同條件下邊坡穩(wěn)定性分析

        一般工況及地震工況下邊坡不同坡率穩(wěn)定性分析結(jié)果如表3、表4所示。

        表2 計(jì)算參數(shù)

        表3 一般工況(非地震)下邊坡不同坡率穩(wěn)定性分析

        表4 地震工況下邊坡不同坡率穩(wěn)定性分析

        4結(jié)論

        (1)根據(jù)邊坡工程地質(zhì)條件、可能的破壞模式以及已經(jīng)出現(xiàn)的變形破壞跡象對邊坡的穩(wěn)定性狀態(tài)作出定性判斷,并對其穩(wěn)定性趨勢作出估計(jì),確保技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理性。根據(jù)《鐵路特殊路基設(shè)計(jì)規(guī)范》、《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》和《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》關(guān)于黃土(土質(zhì))邊坡穩(wěn)定性分析的有關(guān)規(guī)定,結(jié)合路基邊坡高度和氣候特征,建議一般工況下黃土路塹邊坡高度低于20 m,邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)FSt取1.25;黃土路塹邊坡高度為20~30 m,邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)FSt取1.30;黃土路塹邊坡高度超過30 m,邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)FSt取1.35。地震工況下黃土路塹邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)FSt取1.15。

        (2)由一般工況和地震工況下不同路塹邊坡坡率的變化來看,穩(wěn)定安全系數(shù)隨著坡率的提高有增大的趨勢。路塹邊坡坡率為1∶0.75時(shí),各種分析方法的邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs均位于1.05~Fst范圍內(nèi),屬于基本穩(wěn)定狀態(tài);路塹邊坡坡率為1∶1.0時(shí),瑞典圓弧法和簡布法的邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs小于Fst,屬于基本穩(wěn)定狀態(tài),畢肖普法和摩根斯坦—普萊斯法的邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs大于Fst,屬于穩(wěn)定狀態(tài);路塹邊坡坡率為1∶1.25時(shí),各種分析方法的邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs均大于Fst,屬于穩(wěn)定狀態(tài)。

        (3)根據(jù)各種路塹邊坡坡率采用不同分析方法的結(jié)論來看,建議鐵路黃土路塹邊坡高度大于30 m時(shí),邊坡坡率采用1∶1.25;黃土路塹邊坡高度小于30 m時(shí),邊坡坡率采用1∶1.0。

        參考文獻(xiàn)

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        [3]中華人民共和國鐵道部.TB 10001—2005鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社,2006

        [4]中華人民共和國建設(shè)部.GB 50111—2006鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國計(jì)劃出版社,2007

        [5]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50330—2013建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2014

        [6]鄭良飛,折學(xué)森,葉萬軍.黃土路塹高邊坡穩(wěn)定性分析新方法-特殊滑裂面快速搜索法[J].地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報(bào),2008(6):188-191

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        [11]陳昌富,彭振斌.高陡邊坡穩(wěn)定性分析與計(jì)算方法[J].西部探礦工程,1995(4):31-33

        收稿日期:2016-03-11

        作者簡介:姜鳳蘭(1962—),女,1983年畢業(yè)于鐵三院職工鐵道工程學(xué)院線路專業(yè)。

        文章編號:1672-7479(2016)03-0043-03

        中圖分類號:P642.2

        文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

        Discussion on the Safety Factor of Stability of High Loess Slope in Railway

        JIANG Fenglan

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