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摘 要：由于黃土的特殊性，結(jié)合20 m以上高路塹邊坡斷面形式的系統(tǒng)研究較少，設(shè)計方案缺乏理論性指導。結(jié)合實際工程，采用數(shù)值分析軟件，建立不同工況模型，對比分析綜合邊坡坡率、開挖斷面面積與安全系數(shù)之間的關(guān)系，結(jié)合潛在破裂面遷移規(guī)律闡釋結(jié)構(gòu)形式安全系數(shù)變化機理，為類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：黃土地區(qū);路塹高邊坡;橫斷面形式;綜合邊坡坡率;安全系數(shù)

中圖分類號：U416 文獻標識碼：A 文章編號：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

在黃土地區(qū)修建鐵路時，不可避免地會遇到很多路塹邊坡[1-2]。黃土具有特殊的裂隙性、水敏性等，開挖后既有的應(yīng)力平衡狀態(tài)遭到破壞，呈現(xiàn)應(yīng)力重分布現(xiàn)象，容易造成坡頂開裂、土體內(nèi)部節(jié)理張裂或應(yīng)力集中現(xiàn)象，影響邊坡的穩(wěn)定性。國內(nèi)外學者對之開展了較多的研究，積累了工程設(shè)計和施工經(jīng)驗，形成了相關(guān)規(guī)范，但主要局限于邊坡高度小于20 m的工況，對于20 m以上的高邊坡的設(shè)計標準多為推薦標準。有關(guān)黃土路塹高邊坡斷面形式的系統(tǒng)研究較少，設(shè)計方案缺乏理論性指導[3-5]。綜合分析，黃土地區(qū)高路塹邊坡斷面形式設(shè)計需要確定坡高、邊坡坡比、臺階寬度及工程措施之間的合理匹配，保證開挖完成后的高邊坡穩(wěn)定性及受力合理性[6-9]。

結(jié)合黃土路塹高邊坡實際工程，基于物理力學參數(shù)，采用數(shù)值分析軟件，建立不同工況模型，對比分析綜合邊坡坡率、開挖斷面面積與安全系數(shù)之間的關(guān)系，結(jié)合潛在破裂面遷移規(guī)律闡釋結(jié)構(gòu)形式安全系數(shù)變化機理，為類似工程提供參考。

1 工程概況

該黃土路塹邊坡屬于蘭州至張掖三四線鐵路，邊坡上層巖性為第四系上更新統(tǒng)風積砂質(zhì)黃土，具有嚴重的濕陷性，下層為第三系上新統(tǒng)泥巖。其中：砂質(zhì)黃土為灰黃色，粉粒，中密，稍濕，Ⅱ級普通土，分布于梁峁地表，厚度大于60 m;泥巖為棕紅色，泥質(zhì)膠結(jié)，中厚層狀構(gòu)造，巖體較完整，巖質(zhì)較軟，Ⅳ級軟石。

2 有限元模型的建立

采用GeoStudio有限元軟件中的SLOPE/W模塊，結(jié)合《鐵路特殊路基設(shè)計規(guī)范》（TB 10035—2018）[10]和圖1，基于該區(qū)域降雨量為300～500 mm的情況，邊坡每級設(shè)置為10 m，邊坡高度取42 m，坡頂距離左側(cè)邊界25 m，坡底距離邊坡右側(cè)邊界25 m，總厚度62 m，模型中黃土為均質(zhì)材料。本構(gòu)模型采用摩爾-庫倫模型，其中土體容重為16.0 kN/m3，內(nèi)摩擦角為21.0 °，粘聚力為35.0 kPa。本次模型分析共采用9組工況，具體參數(shù)見表1。

3 結(jié)果分析

3.1 各工況條件下計算結(jié)果研究

各工況條件下綜合邊坡坡率、安全系數(shù)和開挖斷面面積值見表2。分析可知：綜合工況1～工況7，隨著平臺寬度的增加或邊坡坡率變緩，邊坡整體穩(wěn)定性逐漸增加，與工況1相比，工況2、工況3、工況4、工況5邊坡的安全系數(shù)分別增加了7.98%、16.12%、-2.06%、-11.84%，開挖斷面面積分別增加了15.05%、30.10%、-9.35%、-33.74%;當設(shè)置寬平臺、邊坡中部設(shè)置大平臺時，工況6和工況7與工況1相比，安全系數(shù)分別增加了10.89%和10.29%，開挖斷面面積分別增加了19.92%和17.70%;當邊坡中部大平臺上部設(shè)置陡邊坡時，工況7和工況8與工況1相比，安全系數(shù)分別增加了1.03%和6.60%，開挖斷面面積分別增加了6.53%和13.72%。

結(jié)合綜合邊坡坡率、開挖斷面面積隨安全系數(shù)的變化規(guī)律（見圖2）可知：隨著安全系數(shù)的增加，綜合邊坡坡率呈降低趨勢，開挖斷面面積呈上升趨勢;綜合邊坡坡率變化率隨安全系數(shù)的增加先增加后減小，開挖斷面面積變化率也隨安全系數(shù)的增加先增加后減小;工況9與工況2相比，設(shè)置了寬大平臺，同時平臺上部設(shè)置了陡邊坡，開挖斷面面積降低了1.15%，但安全系數(shù)下降了1.27%，不滿足設(shè)計規(guī)范要求。

3.2 邊坡破壞形式研究

圖3為工況3和工況5下邊坡安全系數(shù)分布云圖。對于工況3，最小安全系數(shù)為1.354。對于工況5，最小安全系數(shù)為1.028。兩種工況下，潛在破裂面出口均通過坡腳。工況3潛在破裂面曲線半徑大于工況5，且由于單級邊坡坡度變緩，工況3單級邊坡位置安全系數(shù)明顯高于工況5。

在實際工程中發(fā)現(xiàn)，當按照規(guī)范要求設(shè)置寬大平臺時，坡面生長植物會阻礙雨水下流，同時冬季容易積雪造成入滲，導致平臺后緣土體懸空前緣沖毀。寬大平臺處是邊坡的薄弱面，因此階梯型邊坡應(yīng)盡量設(shè)置小平臺邊坡。分析結(jié)果顯示，設(shè)置小平臺邊坡會使安全系數(shù)降低，因此可在保證安全系數(shù)的前提下，設(shè)置小平臺緩邊坡的邊坡結(jié)構(gòu)形式。

4 結(jié)語

基于黃土的特殊性，針對實際高路塹邊坡工程，采用GeoStudio有限元軟件中的SLOPE/W模塊建立9組工況模型，對比分析綜合邊坡坡率、開挖斷面面積與安全系數(shù)之間的關(guān)系，闡釋結(jié)構(gòu)形式安全系數(shù)變化機理，結(jié)合實際工況，提出設(shè)置小平臺緩邊坡的邊坡結(jié)構(gòu)型式，從而為類似工程提供參考。

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