尹進，聶如松，唐曉冬，劉正強，龔申，陳飛

境外鐵路路基軟巖邊坡整治實例分析

尹進1，聶如松2，唐曉冬3，劉正強4，龔申4，陳飛4

(1. 中土集團 福州勘察設計研究院，福建 福州 350000；2.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075；3. 中國土木集團，北京 100000；4. 中土集團 福州勘察設計研究院，福建 福州 350000)

為合理地對境外鐵路路基邊坡進行整治，對尼日利亞拉伊鐵路部分區(qū)段路塹邊坡的溜坍原因進行分析，重點闡釋雨水及施工工藝等因素導致邊坡溜坍時所采取的臨時防護措施。同時，借助巖土分析軟件GEO-STUDIO中的SLOPE/W與SEEP/W模塊，構建降雨條件下的境外鐵路路基邊坡數(shù)值模型，采用施工現(xiàn)場所取土樣的基本物理力學指標作為模型參數(shù)，結合境外鐵路特點與邊坡穩(wěn)定性計算結果，提出合理可行的路基邊坡整治措施，并對整治后的邊坡進行監(jiān)測。研究結果表明：整治方案有效地解決了路基邊坡溜坍病害對線路穩(wěn)定和鐵路行車安全的影響，對海外同類型工程具有一定的借鑒作用。

境外工程；溜坍；整治方案；數(shù)值模擬

鐵路路基是為滿足軌道鋪設和運營條件而修筑的土工構筑物，與橋梁、隧道等結構一起構成鐵路線路基礎。邊坡是路基的重要組成部分，邊坡的穩(wěn)定性是鐵路路基設計、施工以及養(yǎng)維工作中工程師密切關注的問題。其中，降雨對路基邊坡穩(wěn)定性影響顯著，雨季引起的邊坡溜坍與坡面沖刷等自然現(xiàn)象是研究人員密切關注的熱點問題[1?2]。降雨對邊坡的影響主要表現(xiàn)在以下幾個方面：1) 邊坡土體在雨水浸泡作用下力學性質(zhì)出現(xiàn)劣化現(xiàn)象，土體的抗剪強度及強度指標黏聚力與內(nèi)摩擦角有一定程度下降；2) 雨水浸泡后土體的重度增加了，在滲流力的作用下，邊坡下滑力增大，導致邊坡穩(wěn)定性下降[3]。3) 在降雨條件下，邊坡上部的非飽和區(qū)會形成暫態(tài)飽和區(qū)，因此水壓力會有所增大，水壓力的增加往往對于邊坡的穩(wěn)定性具有不利的影響，導致邊坡滑塌現(xiàn)象的產(chǎn)生[4]。目前國內(nèi)外對滑坡災害的研究十分關注，其中最先提出滑坡概念的是萊伊爾[5]。邊坡分析中的極限平衡法主要是將邊坡進行條分，對單一的條塊進行力或者力矩的平衡方程分析，其中的簡化方法包括瑞典條分法、Bishop法、Janbu法等，這些方法采取了不同的假設，所以使用條件也不太相同[6]。目前大量分析方法都是利用計算機來完成的，在一定程度上減少了計算的工作量，同時結果也較為準確。在數(shù)值模擬方面，李長冬等[7]以三峽庫區(qū)興山縣高陽鎮(zhèn)香溪河北岸的二里半滑坡為例，按照實際問題建立模型，利用開發(fā)的Slope Designer對二里半滑坡進行穩(wěn)定性計算，結果驗證了數(shù)值分析的準確性。ZHANG等[8]在對滑坡進行分析時，運用數(shù)值分析軟件，計算結果與現(xiàn)場實測結果相似，說明了數(shù)值分析的準確性。夏園 園[9]對某地區(qū)的路塹邊坡進行勘察，借助軟件GEO- SLOPE的幫助對該地區(qū)的邊坡進行了穩(wěn)定性計算。毛肖杰[10]運用邊坡穩(wěn)定性分析軟件GEO-SLOPE，以云南某露天鐵礦為背景，對邊坡穩(wěn)定性進行了計算，并進一步對影響邊坡穩(wěn)定性的因素進行了分析。本文主要分析降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響，為了對境外路基邊坡穩(wěn)定性進行合理分析，需要在分析時考慮雨水滲流的影響。結合降雨條件下邊坡穩(wěn)定性的研究也有不少，王麗[11]運用GEO-SLOPE巖土分析軟件，與內(nèi)蒙古呼和浩特地區(qū)的降雨條件相結合，通過對穩(wěn)定性的計算，分析降雨對于土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響。Ng等[12]提出影響邊坡穩(wěn)定性的因素主要有降雨強度與初始地下水位高度。為了對境外鐵路路基邊坡的穩(wěn)定性進行分析，本文主要借助巖土分析軟件GEO-STUDIO，利用GEO-STUDIO中的SEEP/W與SLOPE/W模塊對降雨條件下的滲流場進行耦合。同時，由于海外工程的特殊性，在工程病害整治中需更多考慮工程經(jīng)濟、施工周期，且結合現(xiàn)場施工材料、物質(zhì)設備的可行性開展現(xiàn)場施工。前期邊坡溜坍多以放緩邊坡坡率、重力式擋墻+框架、基底換填為主。針對較復雜地質(zhì)條件下邊坡溜坍情況，不能有效、及時地借鑒國內(nèi)工程整治經(jīng)驗如框架錨索或錨桿等，對邊坡進行處理，此外，由于國外工程業(yè)主、咨詢方的強勢，為在既定施工工期下，在保證鐵路臨時通行的前提下，需采用短、快有效的防護措施進行處理保證邊坡的穩(wěn)定性，這些往往都是跟國內(nèi)同類型工程有一定差異的。尼日利亞拉伊鐵路某路塹邊坡為軟質(zhì)巖路塹，該段地貌屬剝蝕丘陵區(qū)，自然坡度10°~15°，植被較發(fā)育，中心最大挖方約22 m，巖層以風化泥巖為主，遇水易軟化具有膨脹性。本文以該邊坡為實例進行分析，結合現(xiàn)場工程施工現(xiàn)狀，通過有限元分析法對降雨前后邊坡穩(wěn)定性進行模擬，結合施工現(xiàn)場工況對邊坡進行整治，結果表明方案的有效性，對后續(xù)類似工程施工具有一定的指導作用。

1 降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響

在對邊坡穩(wěn)定性進行分析時，主要從2個方面進行分析考慮：1) 探究在含水率增加的情況下，巖土體力學性質(zhì)受到土顆粒相互之間基質(zhì)吸力的影響而發(fā)生的變化規(guī)律；2) 暫態(tài)飽和區(qū)的形成，通過圖1的統(tǒng)計可知，土體的黏聚力與內(nèi)摩擦角隨著含水率大小而發(fā)生變化，同時地下水也會隨之發(fā)生抬升現(xiàn)象。

(a) 黏聚力隨含水率變化；(b) 內(nèi)摩擦角隨含水率變化

對降雨條件下邊坡穩(wěn)定性進行分析時，利用極限平衡法對穩(wěn)定性隨時間變化規(guī)律進行分析。研究表明：非飽和土體的抗剪強度會隨著含水率的變化而發(fā)生變化，土體在天然狀態(tài)處于非飽和態(tài)，F(xiàn)redlund等[16]提出了應用于非飽和抗剪強度的摩爾庫倫準則：

式中：為總正應力；′為土體有效黏聚力；′為土體有效內(nèi)摩擦角；u和u為表示孔隙氣壓力與孔隙水壓力；(u?u)為基質(zhì)吸力；φ為反應基質(zhì)吸力增加程度的摩擦角。

參考圖1可知，含水率的增加，對土體黏聚力與內(nèi)摩擦角存在“劣化作用”，同時在天然狀態(tài)下邊坡土體的基質(zhì)吸力較高，在降雨條件下，土體內(nèi)部含水率增大，基質(zhì)吸力會逐漸降低直至趨于0，最終導致土體抗剪強度的下降[16]。因此Fredlund提出的非飽和土摩爾庫倫準則從理論上分析了巖土體在降雨情況下抗剪強度下降的原因。

在降雨條件下，土體的含水率由于發(fā)生了雨水的入滲作用，因此土體的含水率會在一定程度上有所增加。對降雨入滲條件下的土體進行分析，土體條塊從上到下通常劃分為4個區(qū)域：飽和區(qū)、過渡區(qū)、傳到區(qū)與濕潤區(qū)，其中進行分析時將濕潤區(qū)的前緣定義為濕潤鋒。在對邊坡穩(wěn)定性進行求解時，首先對單個土體條塊進行分析求解。模型選用Montrasio等[17]提出的簡化抗剪強度計算模型，將4個區(qū)域簡化為飽和區(qū)與非飽和區(qū)，簡化模型如圖2所示。

圖2 條塊受力模型

圖中：h表示飽和層的高度，為土條的總高度，為條塊寬度。對單個土塊進行受力分析。假設土層為一層，在簡化模型中，新條塊的有效內(nèi)摩擦力與原土層取值相同，新條塊的表觀黏聚力 為[17]：

式中：為試驗參數(shù)，大小為3.4[17]，因此將式(1)簡化為：

參考圖2分析可知，條塊的重力值大小為：

式中：為天然重度；s為飽和重度。

在降雨條件下除了受到重力之外，還會受到雨水入滲的滲流作用，因此在飽和區(qū)域產(chǎn)生一個與坡面平行的滲透力，大小為：

式中：為水的重度，10 kN/m3。

最終邊坡穩(wěn)定性通過穩(wěn)定性系數(shù)進行分析，s定義為抗滑力與下滑力的比值。

穩(wěn)定性系數(shù)的大小可以通過二者的比值求解得出：

代入表達式得到式(8)

代入數(shù)值計算：

利用函數(shù)關系對穩(wěn)定性系數(shù)大小和飽和層高度關系進行求解，其中橫坐標表示飽和層高度，縱坐標表示穩(wěn)定性系數(shù)大小，繪制關系圖如圖3所示。

從圖3可以看出，隨著雨水的入滲，飽和層高度逐漸增大，利用公式求解出邊坡穩(wěn)定性系數(shù)呈下降趨勢，由此可知降雨不利于邊坡穩(wěn)定性。

2 邊坡災害實例分析

2.1 邊坡基本物理力學性質(zhì)

目前新建的拉伊鐵路位于尼日利亞的西南部，線路南部起點為最大的港口城市Lagos，向東北經(jīng)Abeokuta至Ibadan。沿線經(jīng)過Lagos，Ogun和Oyo 3個大州，地理位置十分重要。本項目主要為Lagos至Ibadan沿線城鎮(zhèn)的客貨交流提供運輸徑路，線路在近期的目標以客運為主，同時兼顧貨運，長期目標為客貨并重。其中正線路長度為156.8 km，在設計時采用國鐵Ⅰ級標準，設計時速150 km/h。

圖4 顆粒級配曲線

本文以拉伊鐵路某段路塹邊坡為例，其中左側邊坡高約22 m，右側邊坡約為15 m，坡度1:1.5，路基邊坡屬于全風化的泥巖。采集路段土樣開展基本物理力學性質(zhì)指標試驗，試驗段土樣的級配曲線如圖4所示。

土層的基本物理力學性質(zhì)指標見表1。

2.2 邊坡災害及原因分析

在路塹邊坡的施工過程中，基本已挖到路基基床的表層頂面。在原設計中各級邊坡的坡率大小為1:1.5，并每隔8 m處設置一個2.0 m的平臺。參考《尼日利亞排水設計手冊》的地區(qū)月降雨量，繪制Laogs地區(qū)的降雨量隨月份變化柱狀圖如圖5所示。

表1 土樣基本物理參數(shù)

圖5 降雨時程曲線

從圖中可以看出，在Laogs地區(qū)降雨主要集中分布在5~10月份，冬季降雨較少，年降雨量為1 727 mm。在雨量較多的月份，由于基礎段主要為粉質(zhì)黏土與泥巖，遇水后強度較低，容易出現(xiàn)根部失穩(wěn)的現(xiàn)象，路塹邊坡兩側出現(xiàn)溜坍病害，其中在一級邊坡中間部位出現(xiàn)溜坍體，邊坡整體下滑約1~2 m。

由于尼日利亞在雨季的降雨量較大，雨水是引發(fā)邊坡失穩(wěn)的主要原因，原有路基邊坡長時間受到降雨影響而引發(fā)溜坍現(xiàn)象，為了減小持續(xù)降雨帶來的危害，需要對路基邊坡采取臨時防護措施來迅速排出邊坡水分、保護坡腳防止水害加深。針對國外特殊工程地質(zhì)條件，施工現(xiàn)場采取的臨時措施為：1) 對現(xiàn)場溜坍體進行清除，現(xiàn)場最大的溜坍體依然可能出現(xiàn)溜坍，將部分施工完成的骨架拉裂，裂帶存在于一級邊坡平臺處。現(xiàn)場通過鋪設塑料布將裂帶進行遮蓋，防止雨水的持續(xù)滲入裂痕；2) 依據(jù)現(xiàn)場試驗結果，對路基基床下以及擋土墻下進行換填處理；3) 加強對邊坡坡腳的排水處理措施，按照設計的尺寸進行臨時溝槽開挖，防止邊坡坡腳出現(xiàn)進一步的溜坍。

2.3 數(shù)值計算模型的構建

為了對施工現(xiàn)場實例進行進一步分析，利用GEO-STUDIO對現(xiàn)場工況進行數(shù)值模型的構建。基于滲流計算結果以及土體的抗剪強度參數(shù)可以進行極限平衡法或者進行強度折減有限元法進行邊坡穩(wěn)定性計算。在原理上，極限平衡法主要是將滑體劃分為較多的土條，通過利用靜力分析法來判斷邊坡的穩(wěn)定性，通過計算滑動力與抗滑力的比值、滑動力矩與抗滑力矩的比值從而獲得安全系數(shù)。目前比較常用的極限平衡法主要包括：瑞典條分法、簡化的畢肖普法、簡布法和Morgenstern-Price法(M-P法)，不同穩(wěn)定性計算方法對比如表2所示。

表2 不同穩(wěn)定性計算方法對比

從表2可知，M-P法是一種比較嚴格的條分法，在進行計算時，同時考慮了力平衡與力矩平衡，因此本文在進行分析時，采用M-P法，選擇特征邊坡地質(zhì)剖面圖如圖6所示。

圖6 拉伊鐵路特征邊坡地質(zhì)剖面圖

將巖性相同的區(qū)域用閉合多段線進行繪制，利用GEO-SLOPE可以導入DXF格式的功能，將CAD繪制的閉合巖層曲線按照1:1的比例將模型進行導入，其中將相同的巖層設置為相同的顏色，求出在天然狀態(tài)下邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)s=1.217。

圖7 天然狀態(tài)下邊坡穩(wěn)定性

為了進一步分析降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響，在進行分析時加入降雨邊界條件，在非飽和土體內(nèi)部的滲流遵循Darcy定律：

式中：k為非飽和土中水的滲透系數(shù)，在同一種土中，滲透系數(shù)的大小隨著含水率的增大而增大。本文在分析時，采用GEO-SLOPE的地下水滲流分析模塊SEEP/W。

在對邊坡進行分析時，為了在SEEP/W上實現(xiàn)降雨工況的模擬，可以將降雨當作流量邊界進行處理。Fredlund等[16]在對流量邊界進行處理時，將單元上的流量進行了處理，將之轉化為節(jié)點的入滲，當降雨量大于入滲能力時，入滲量等于入滲能力；當降雨量小于入滲能力時，入滲量等于降雨量，用等式表達為式(11)與式(12)。

降雨最多的月份為6月，平均降雨量為0.005 5 m/d，繪制在降雨條件下孔隙水壓力云圖如圖8所示，圖中箭頭表示滲流的速度矢量。

圖8 邊坡孔隙水壓力云圖

從圖8可以看出，通過GEO-STUDIO的地下水滲流分析模塊SEEP/W進行分析，隨著降雨的入滲，邊坡表面淺層區(qū)域的孔隙水壓力逐漸增加，土體的飽和度逐漸上升，與此同時土體的抗剪強度降低，邊坡變得更加危險，通過Morgenstern-Price法(M-P法)求出的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)s=1.130，小于干燥狀態(tài)下穩(wěn)定性系數(shù)，在持續(xù)降雨條件下，容易發(fā)生溜坍等自然災害，因此需要加強對邊坡的整治。

圖9 降雨條件下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)大小

結合第2節(jié)分析可知，在降雨入滲條件下影響邊坡穩(wěn)定性的主要原因為邊坡內(nèi)的暫態(tài)飽和層隨著降雨時長的增加而逐漸增大，此時土體內(nèi)的含水率隨之增大，弱化了邊坡土體的抗剪強度。為了提高邊坡穩(wěn)定性，避免自然災害的發(fā)生，需要對境外邊坡進行整治，一方面可以增加排水措施以減小雨水的入滲量；另一方面可以通過換填等措施提高既有邊坡土體的抗剪強度。

3 邊坡整治措施

在對目標段路塹邊坡采取臨時防護措施后，邊坡溜坍的情況得到了一定程度的緩解，但是在持續(xù)降雨條件的影響下，由于現(xiàn)場施工力量不足等原因，邊坡發(fā)生了進一步的溜坍，已施工完成的骨架邊坡基本發(fā)生了破壞，現(xiàn)場病害如圖10所示。

圖10 現(xiàn)場病害

結合施工現(xiàn)場實際情況可知，臨時的防護措施不可行，經(jīng)過與歐洲咨詢公司溝通協(xié)商后進行現(xiàn)場取樣，完成基本土工試驗，通過對失穩(wěn)前后全風化泥巖進行土樣測試發(fā)現(xiàn)，邊坡失穩(wěn)后內(nèi)摩擦角=12°，黏聚力=2.1 kPa。根據(jù)土工試驗與施工現(xiàn)場邊坡坍塌情況判斷泥巖風化層具有較強的黏性，在雨水的影響下容易發(fā)生軟化崩解，土層具有一定的膨脹性，因此邊坡開挖過陡并長期暴露是導致垮塌現(xiàn)象發(fā)生的主要原因?？紤]到邊坡已經(jīng)發(fā)生了破壞，研究段土體已發(fā)生了較大的剪切位移，強度嚴重衰減，為了防止在雨季發(fā)生更大規(guī)模的邊坡破壞甚至出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象，因此需要盡快采取支擋防護措施。結合邊坡模擬檢驗結果，提出邊坡病害防護措施如下：

1) 清除邊坡兩側的路塹溜坍體，放緩邊坡坡率，將二級邊坡坡率放緩為1:4.5，同時在路塹坡腳設置3~6.5 m高度的擋墻，擋墻斜率1:0.25，頂部寬度為1.0~2.3 m，在擋墻頂部設置樁基，樁長6~8 m，坡面采用人字形截水骨架護坡，骨架內(nèi)采用六棱柱進行鋪砌，邊坡坡面采用植草處理；

2) 考慮到泥巖段的承載力較低，對擋墻基礎以及基床下進行換填處理，擋墻下部換填1.0 m的碎石或片石，路基基床下?lián)Q填0.5 m的中粗砂與1.5 m的碎石與片石。

對采取處理措施后的邊坡穩(wěn)定性進行分析，如圖11所示，s=1.441。

圖11 整治后邊坡穩(wěn)定性系數(shù)

分析圖11可知，在對邊坡進行整治處理后，在降雨條件下，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)得到了明顯的提升，邊坡趨于安全，通過模擬并對路塹邊坡進行長期觀測，證明目前邊坡的整治方案是可行的。

4 結論

1) 在分析降雨條件下，邊坡的穩(wěn)定性變化規(guī)律時，從定量的角度進行分析，采用實際的數(shù)據(jù)進行代入，結合Fredlund提出的非飽和土抗剪強度的摩爾庫倫準則，在Montrasio提出的簡化抗剪強度計算模型上進行分析。邊坡內(nèi)部會出現(xiàn)暫時的飽和區(qū)域，隨著降雨入滲，雖然降雨入滲的速度在一定程度上受到時間的影響，但是飽和區(qū)域深度會逐漸增加，采用邊坡穩(wěn)定性公式對條塊模型進行穩(wěn)定性系數(shù)求解，從模擬的曲線圖表容易看出：隨著飽和區(qū)域深度的增大，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)則會隨之降低。

2) 該路塹邊坡軟質(zhì)巖具膨脹性，受降雨及施工原因引發(fā)邊坡溜坍，尤其在海外工程中，由于國內(nèi)環(huán)境的差異性往往不能夠及時采取措施整治，給項目的成本和實施帶來一定影響。同時，歐洲咨詢由于設計理念的不同對地質(zhì)參數(shù)、邊坡穩(wěn)定性檢算方法、穩(wěn)定性系數(shù)與國內(nèi)標準不同，現(xiàn)場設計中需因地制宜，充分調(diào)查既有情況找出合適、可行的邊坡整治方案。

3) 工程竣工后應對該段路塹邊坡進行長期觀測，用以證明目前的邊坡整治方案是可行的。

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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

中國土木集團科研資助項目(2018-KY-01)

聶如松(1980?)，男，湖南衡陽人，副教授，博士，從事鐵路路基和橋梁樁基礎工程方面的教學與科研工作；E?mail：nierusong97@csu.edu.cn

(編輯 涂鵬)