文／顏九千 中鐵四院集團南寧勘察設計院有限公司 廣西南寧 530003

引言：

近年來我國的經(jīng)濟建設與鐵路交通得到了質的飛躍與發(fā)展，人們生活水平的提升促使其對鐵路運輸?shù)囊笕找嬖鲩L，鐵路工程線路的鋪設也愈加綿長。鐵路運輸工程的節(jié)節(jié)高升促使沿線邊坡的數(shù)量也有所增加。但經(jīng)常因為自然、人為等各項外界因素、自身因素的施壓，致使路基邊坡極易產(chǎn)生折損?？梢哉f，交通體系的重中之重就是路基的建設，建設在各式各樣土地上的地基是否穩(wěn)固且牢靠直接與整個交通運輸?shù)目煽啃韵鄴煦^。因此，研究此項課題，具有十分重要的意義。

1.國內外研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

對于邊坡穩(wěn)定的研究國外從二十世紀就已經(jīng)初步開始了，并且經(jīng)過近一個世紀的改良與優(yōu)化，時下已經(jīng)形成一套較為成熟的體系與理論，共有四種研究理論。另外，也有如同模糊數(shù)學一樣將理論與結果相整合的特殊的方法[1]。無論是何種理論與方法，都有與之對應的范圍與方式，并存在各式各樣的弊端與長處，其中，極限平衡法是各項研究理論中最為成熟的，也是各項鐵路應用中最為主流的方法。為此，國外將其作為重點方法進行研究，大量學者紛紛投入其中。

極限平衡法并不是經(jīng)由一些力的介入，而使地基發(fā)生一系列的改變，在此基礎上，完成計算與平衡的問題，而是在全部計算的基礎之上加入大量的假設問題進而獲取一定的計算成果與解決方式。在對計算結果與計算準確度不會形成太大的干預與影響的基礎上，這種計算方式不僅節(jié)省了計算的時間、縮減了計算的步驟，也對計算量有所優(yōu)化，這也是國際上對于邊坡穩(wěn)定領域的鉆研普遍采取該項方式與理論的原因所在。在極限平衡理論長達一個世紀的形成、發(fā)展、改良與優(yōu)化的過程中，國際范圍內的各項專家學者均有其各自的側重方向，并依據(jù)前人的理論基礎進行進一步的改善，進而呈現(xiàn)出全新的理論方法，頗為成熟的有瑞典法、簡布法、畢肖普法等等。

上文中講述的一些舊式的極限平衡方法在運用到現(xiàn)代化鐵路路基邊坡極限建設時會存在一定的不足，比如，繁雜的計算步驟等，且人工計算也會在一定程度上對研究結果產(chǎn)生誤差。因此，繼上段提到的方式后，又出現(xiàn)了全新的理論與體系，例如摩根斯坦-普賴斯法等等。特別是隨著第四次工業(yè)革命的開始與壯大，各項計算方式與輔助工具的突破與深入，許多研究學者開始重視極限平衡的理論與研究，并在此基礎上將其以不同方式與不同角度歸納至一個體系之中，進而得出邊坡穩(wěn)定分析的主流計算方式。極限平衡法與通用條分法是現(xiàn)階段比較流行也比較普遍使用的方式。

即使研究專家與學者夜以繼日、前仆后繼地投入至邊坡極限狀態(tài)的研究中，依據(jù)現(xiàn)階段的研究成果與研究程度來看，目前仍未有較為成熟的評判方法，基于該方法在某些特殊情況下會存在一定的問題，舊式的理論與體系會隨著時間的演進而不斷改進，以更科學的研究方式與理論在鐵路工程的各項環(huán)節(jié)中進行研究與應用，但是我們應當明白，無論對舊式理論與體系進行怎樣的鉆研與突破，都應在對其具備十分成熟的理解與尊重的情況下進行。

1.2 國內研究現(xiàn)狀

相較于國外對該領域的研究，我國國內的起步較晚，從上世紀中期才開始進行鉆研，并依據(jù)數(shù)理統(tǒng)計等各項方法。在地基土的研究上，部分專家對此頗有研究，并成為各項目與相關專業(yè)研究的參考文件。對于礦山邊坡的可靠性研究，學者對于該領域研究有一定專業(yè)性，并著重闡述了相關模型與理論的操作方式與論證方法。近年來，邊坡可靠性的研究較為普遍，并普遍應用在抗滑樁的研究中。倪學者與葉學者依據(jù)陜北地區(qū)的地質情況與地理條件進行研究，并綜合性統(tǒng)籌考慮該項工程的各項問題，提出了改良措施[2]。

我國于上個世紀八十年代開啟對鐵路科技項目的研究，促使鐵路領域獲得全新的突破與進展；1987年10日相關規(guī)范與方案正式啟動對于隧道、路基等各項方面的可行性、可靠性等鉆研。2000年，國家正式審批對于橋梁工程的研究與探討。并以相關規(guī)范與標準為前提，將概率設計法與容許應力法進行整合與應用。為適應國民經(jīng)濟的發(fā)展與優(yōu)化，鐵路局在2008年正式對舊式標準進行修纂，并于2011年全面開啟對鐵路路基極限狀態(tài)的研究。

2.地震作用下鐵路路基邊坡設計可靠性

在實際進行鐵路施工建設時，為了考慮項目工程技術的先進性、成本造價的合理性、鐵路路基的可靠性，技術人員在建設時可以依據(jù)概率論為主要研究理論，設計路基的極限狀態(tài)，依據(jù)前文敘述的研究現(xiàn)狀與理論發(fā)展，我們不難發(fā)現(xiàn)，該理論普遍以失效概率或安全程度作為評判該項目的可靠性的參照與標準。

以可靠度的基本概念作為依據(jù)，可以將對結構功能要求的因素整理為兩個綜合量，即荷載效應S 和抗力R，假設荷載效應S 和抗力R 作為兩個獨立的隨機變量，都為連續(xù)型隨機變量，并且服從某種數(shù)學分布[3]。

以安全性的相關理念作為參考，可依據(jù)鐵路路基的結構功能要求的相關標準作為參考量，也就是荷載效應和抗力，如若二者作為相對獨立的變量，并且均是持續(xù)性的隨機變量，那么根據(jù)某項理論的鉆研與研究，該結構極限可將其分為三種表達方式，也就是荷載效應與抗力之間呈相等的關系、荷載效應減去工程承載抗力為零、荷載效應或抗力兩者中有一個等于1。假設現(xiàn)存一個名為X 的隨機變量，令X 和荷載效應減去抗力的結果相同，那么X 變量就是邊坡穩(wěn)定狀態(tài)下該方程式的函數(shù)。此時，構成該關系體系的三項方程等式的意義為X 變量大于零，符合地基建設要求。而當X 的結構失效概率就可以依據(jù)Pr ＝P（此時的荷載效應小于或等于抗力）＝P（此時荷載效應減去抗力差小于等于零）＝P（此時荷載效應或抗力任意一個小于等于1）。故此，依據(jù)先前建立的等式與關系，就可以計算出當前地基的失效概率。

首先，路塹地段極限狀態(tài)方程中的隨機變量。若將其與另一地段的變量對比，因為該地段不將軌道靜載狀態(tài)與列車動載狀態(tài)下路基自身的變化作為考量因素，故而隨機變量中無法計算土柱的相關數(shù)值與影響因素，那么該地段的基本變量就是邊坡高度、坡率，該路段土所承受的各方面力：重度、黏聚力、填土內摩擦角和該路段所承受的水平地震力。

其次，路堤地段極限狀態(tài)方程中的隨機變量。當路基遭受地震時，對路基產(chǎn)生影響的元素與上段中的元素基本相同，不過需要額外考慮軌道承載力。此時的方程等式為變量X 等于荷載效應減去抗力等于力（這個力可以是上述任意一個元素，這里筆者將不再進行贅述）。

最后，在探究地震能夠影響到路基的關鍵原因時，有關邊坡的各項數(shù)據(jù)以及參考依據(jù)可以依據(jù)國家規(guī)定的相關條例法規(guī)與基建抗震設計等內容進行一定的取值與研究，而車荷載可以依據(jù)建設軌道的承載重力分為以下五種類型：特重型、重型、次重型、中型和輕型進行探討，并依據(jù)探討的重量標準而換取不同的承載強度與力度進行鉆研，并依據(jù)地震不同級別的不同影響進行專業(yè)性的探究。故而，此時的變量因素可依據(jù)當前的土質與內摩擦角等相關元素進行參考與選擇，以便得出更加科學與有效的結論[4]。

2.1 瑞典條分法

在確定地震荷載情況下影響鐵路路基的可靠性與穩(wěn)定性的相應推算前提應當為，選取工程項目單線相關數(shù)據(jù)、標準軌距狀態(tài)下路基的相應數(shù)值。本次計算以瑞典條分法為主要支撐，計算其可靠性與可行性的相關流程如下：

在不計算條件力對圓弧面的影響的前提下，可將其設置為滑動面，并評定出圓弧破壞面，依據(jù)邊坡的相應分析流程與分析依據(jù)，自動搜索高危、高頻滑動面，進而獲得滑動土體，并遵循相應的標準與比例對其完成統(tǒng)一的、一致的劃分。

選取上段中提到的隨意一種土體作為該理論的研究主體并對其所承受的各項力進行剖析，剖析結果如下：以靜力平衡為前提條件，總共會受到土體自身承受的動力、滑面上抗剪力、法向力以及土體遭受地震時所施加的水平力。

依據(jù)抗滑力與滑力之間的作用力與關系進行分析，則此面的可靠程度為Z。

依據(jù)圓心與土體為參照對象，遵循上述步驟重新計算可靠程度，也就是Z 值，對相應的條件進行科學調整或改變，以此來獲得計算數(shù)值。

2.2 地震荷載作用下的研究

對路基邊坡或基建在地震的情況下的安全性與安全程度進行一定的剖析與總結，以獲得邊坡穩(wěn)定的相關數(shù)值與信息。在地震的情況下計算出可靠程度，也就是Z 值的計算方式與2.1 的理論前提與計算方法類似，均需要選取工程項目單線相關數(shù)據(jù)、標準軌距狀態(tài)下路基的相應數(shù)值，并以瑞典條分法作為主要理論體系。依據(jù)理正邊坡的相關研究方式與各影響因素的參考與選擇的相關步驟如下：

坡高：在符合國家條例法規(guī)要求以及鐵路路基設計理念的前提下，選擇科學的取值范圍，并以整數(shù)為單位。（9±3 米最佳）。

土重度：在得知土體自身重量后，選取適應的取值范圍與取值數(shù)量。

黏聚力：在得知粘性土的相關數(shù)據(jù)與取值范圍后，可以選取14±7kPa 的數(shù)值。

內摩擦角：在得知有關內摩擦角的相應數(shù)據(jù)與取值范圍后，可選取25±10°的數(shù)值，所選取的角度應當為整數(shù)值[5]。

2.3 可靠性理論探究

依據(jù)上段中的步驟與指標進行對比，并對其在極限狀態(tài)下的安全程度依據(jù)上段步驟進行計算，將軌距的具體情況以及理論作為計算可靠性的基礎條件之一。二者僅有的區(qū)別在于，運用上段的分析方式計算可靠程度的相關數(shù)值時，需要考慮路基所承載的列車重點對自身的影響。計算可靠程度數(shù)值時，在得知該路段或路基的坡高、黏聚力、內摩擦角與土體重度后，就可以完成相應數(shù)值的計算，同樣需要依據(jù)不同級別的地震與地震的影響程度進行分別的計算與取值。

仍然需要肯定可靠程度的相關數(shù)值在地震狀態(tài)時的變化，最大程度地使可靠程度的相關數(shù)值接近路基在極限狀態(tài)下的相關數(shù)據(jù)，并結合相關規(guī)范計算具體的數(shù)值區(qū)間或取值范圍。依舊以瑞典條分法為主要理論體系，依據(jù)不同級別的地震強度以及地震可能對其存在的影響進行計算，計算方法如2.2。

依據(jù)上文的理論分析，引出鐵路路基邊坡極限的相關研究與論述，并依據(jù)其安全程度的相關概念為主要體系研究，得出了兩個有關結構功能的元素與極限方程列組。剖析各項影響因素以及變量，分別依據(jù)路堤與路塹兩種不同狀況進行深究，并得出與之相關的方程式。再將對主要影響的三個因素進行鉆研與比較，為該課題系列的分析得出了強有力的論證方法。

在一樣的標準下，邊坡穩(wěn)定的可靠程度會隨著地震等級的提升而有所下降，其安全程度與地震級別雖然互相影響，但并沒有表現(xiàn)出清晰的正比例或反比例關系。依據(jù)粘性土路基在地震的水平影響下進行了可靠性的探究，其計算方法與計算方式與上文中基本一樣，并依據(jù)專業(yè)的計算軟件與計算輔助工具得出粘性土壤的各個邊坡在6 至9 四個等級的地震影響下，可靠程度相對穩(wěn)定，可靠指標也相對平緩。

當發(fā)生六級地震時，地震所產(chǎn)生的水平作用力對鐵路路基邊坡極限狀態(tài)的影響系數(shù)為0.05，粘性路塹邊坡的影響結果的大致將其計算為2.48，粘性路堤邊坡的影響結果可將其計算為2.5。

當發(fā)生七級地震時，地震所產(chǎn)生的水平作用力對鐵路路基邊坡極限狀態(tài)的影響系數(shù)為0.1，粘性路塹邊坡的影響結果的大致將其計算為2.68，粘性路堤邊坡的影響結果可將其大致計算為2.7。0.15 是地震水平作用力影響系數(shù)值，粘性路塹邊坡的影響結果取值為2.76。

當發(fā)生八級地震時，地震所產(chǎn)生的水平作用力對鐵路路基邊坡極限狀態(tài)的影響系數(shù)為0.2，粘性路塹邊坡的影響結果大致將其計算為2.98，粘性路堤邊坡的影響結果可將其大致計算為3.0。0.3 是地震水平作用力影響系數(shù)值，粘性路塹邊坡的影響結果的大致將其計算為3.45，粘性路堤邊坡的影響結果可將其大致計算為3.5。

當發(fā)生九級地震時，地震所產(chǎn)生的水平作用力對鐵路路基邊坡極限狀態(tài)的影響系數(shù)為0.4，粘性路塹邊坡的影響結果的大致將其計算為4.0，粘性路堤邊坡的影響結果可將其大致計算為4.05。

本設計的基礎是在墻體內安裝2個儲料箱進行儲料，分別儲存潔凈水和潔凈大米并通過進料閥進行控制，使用傳送帶作為運送工具，使電飯煲能到達指定的進料區(qū)。并在到達進料區(qū)后，先后打開進水閥和進米閥進行放料，進料量及進料過程全部由單片機進行控制。并在完成指定指令后，電飯煲由傳送帶送回烹飪區(qū)。

此外，粘性土路基邊坡在遭受地震水平力的影響時，路塹式邊坡的黏聚力數(shù)值為0.8，土體自身的重量因素影響應當分為優(yōu)勢與劣勢兩個部分進行剖析，且二者之間存在十分顯著的區(qū)分：優(yōu)勢抗力時，分項系數(shù)為0.85，無限接近其處于正常狀態(tài)時的數(shù)值，而當其處于劣勢抗力時，分項系數(shù)為1.05，與其在正常狀態(tài)下的差距過大，且此時路基對于地震水平作用力的影響系數(shù)甚至高達1.3，十分不利于路基的可靠性與安全指數(shù)的提升[6]。

當粘性土路基邊坡在遭受地震水平力的影響時，路堤式邊坡的黏聚力數(shù)值為0.8，土體自身的重量因素影響應當分為優(yōu)勢與劣勢兩個部分進行剖析，且二者之間存在十分顯著的區(qū)分：優(yōu)勢抗力時，分項系數(shù)為0.85，無限接近其處于正常狀態(tài)時的數(shù)值，而當其處于劣勢抗力時，分項系數(shù)為1.06，與其在正常狀態(tài)下的差距過大，且此時路基對于地震水平作用力的影響系數(shù)甚至高達0.8，如若此時機動車的車載重量無法對路基自身起到一定的作用，則此時的相關分項系數(shù)值為1.1。

3.對比與展望

3.1 對比

針對路堤與路塹在地震水平作用力的影響下，分別對其用極限狀態(tài)法與容許應力法進行比較與說明，我們不難發(fā)現(xiàn)：

在符合相關條例法規(guī)的允許下對其進行比較與說明并沒有得出與之相對應的計算數(shù)值、表達方程式、分項系數(shù)值等相關數(shù)據(jù)，依據(jù)本文講述的理論步驟與計算方式可以大致得出與之對應的數(shù)值與取值范圍。

依據(jù)上文敘述的流程與計算公式進行計算，容許應力法的可靠程度數(shù)值均在1 以上，符合關于鐵路可靠性的標準。極限狀態(tài)法所得出的數(shù)值也大于1，符合鐵路路基在地震狀態(tài)下極限狀態(tài)的標準與要求。同樣，路堤與路塹無論如何發(fā)生變化或受到何種力的影響與作用，二者的所得數(shù)值的變化也均有一定的規(guī)律可循，二者存在著一定的統(tǒng)一性與協(xié)調性。

通過對兩種方法的對比，不難發(fā)現(xiàn)，當1.25 是邊坡安全系數(shù)范圍時，路堤自身、路堤與地基之間的可靠性與統(tǒng)一性的，可以被管控在百分之五以內。當1.25 是路塹安全系數(shù)取值范圍時，二者之間的數(shù)值差距卻高達10%甚至之上。但當安全范圍數(shù)值取在1.3 時，其可控程度則與路堤類似，均可控制在百分之五以內。

依據(jù)對初步模擬路堤與路塹，在發(fā)生地震時以及受到地震水平作用力的情況下的數(shù)值取值對比，不難發(fā)現(xiàn)，該狀態(tài)下的抗力與作用比值存在著一定的比例與關系。其與容許應力法相比也存在著可行性與準確性，但對于地震設計工況下的比較與方法來說，仍存在一定的進步空間。

將何種算法與理論作為研究的主體，依據(jù)概率法對其進行模擬、闡述與說明，分析路堤與路塹分別處于極限狀態(tài)時的上升空間與發(fā)展程度，可為相關領域進行借鑒。極限狀態(tài)法是以概率算法為前提的全新設計理論，現(xiàn)階段仍需要大量的數(shù)據(jù)、實例來進行理論支持與訂正，時下仍需要統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺進行計算與收集。

3.2 展望

如若變換本文中的相應因素或抗力，其計算結果也會存在與之對應的變化，因此，在今后的探究中，應當采取不同情況、不同列車荷載狀況等多個隨機變量因素進行探查。同樣，對于其在地震狀態(tài)下的穩(wěn)定性計算仍需有一定的改進與改良，可將其進行另一課題進行探究、闡釋與說明。考慮到現(xiàn)階段該理論體系仍然存有一定的不足與局限，相關學者對于結果的可行性仍要進行考察?？傊?，對于該課題的研究仍需要深入改良與優(yōu)化，剖析更深階層存在的問題與理論。

結語：

因筆者自身的學識仍有極高的進步空間、筆力也需要進一步優(yōu)化與提升，對于本篇文章的論述便到此為止，但對于該課題的研究并不會隨著此篇文章的結束而停滯不前，若日后有突破性的研究與進展，將會對本篇文章予以補充與說明，或者是重新開啟一篇文章進行論述，庶竭駑鈍，為該領域的相關學者與專家提供幫助。