鐵路橋梁高陡邊坡穩(wěn)定坡角線分析方法研究

陳亞東

(京張城際鐵路有限公司，北京　100070)

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鐵路橋梁高陡邊坡穩(wěn)定坡角線分析方法研究

陳亞東

(京張城際鐵路有限公司，北京100070)

摘要我國修建鐵路、公路等交通基礎設施面臨大量的邊坡工程問題，而規(guī)范中并未對橋基荷載作用下邊坡整體穩(wěn)定性的分析方法給出建議，也未對基巖地區(qū)陡立岸坡的橋基布置提出詳實的指導意見，對穩(wěn)定坡線的具體計算方法也未明確給出。通過對一般的橋基邊坡穩(wěn)定坡角線的經(jīng)驗分析，提出一種基于反分析原理的穩(wěn)定坡角線位置判定方法，以適應陡坡地段橋梁基礎布置及工程設計的需要。基于該理論模型，將其理論應用于某山區(qū)鐵路橋基邊坡穩(wěn)定性分析工作中，預測出該橋基邊坡的穩(wěn)定坡角線。

關鍵詞鐵路橋梁邊坡坡角線穩(wěn)定性

我國是一個多山的國家，修建鐵路、公路等交通基礎設施將不可避免地面臨大量邊坡工程問題。鐵路橋基邊坡“穩(wěn)定坡角線”這一概念是由我國《鐵路工程地質勘察規(guī)范》(TB10012—2007)中提出，該規(guī)范4.2.2條文說明中指出在岸坡陡立地段如何設置橋墩臺關系到工程的安危，進行岸坡穩(wěn)定性評價是該類地段工程地質調繪的重點之一。黃土地區(qū)陡立岸坡地段通常采用橋基設置在穩(wěn)定坡角線以下來保障工程安全；基巖地區(qū)陡立岸坡地段也應根據(jù)地層巖性、結構面特征、水文地質特征及水文條件等進行工程地質條件的綜合分析，做出岸坡穩(wěn)定性評價，為工程基礎設置提供依據(jù)。令人遺憾的是，該規(guī)范并未對橋基荷載作用下邊坡整體穩(wěn)定性的分析方法給出建議，也未對基巖地區(qū)陡立岸坡的橋基布置提出詳實的指導意見。因此，巖質邊坡也需要地質專業(yè)提供邊坡的穩(wěn)定坡線，而目前規(guī)范對穩(wěn)定坡線的具體計算方法均未明確給出，給工程技術人員帶來較大的難題。

《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》(JTG D63—2007)中雖未對橋基邊坡的穩(wěn)定性及斜坡橋基的整體穩(wěn)定性作出說明，但其規(guī)定當基礎側面設有斜坡或臺階，其臺階總寬度與深度之比達到某界限時，m值均減小50%取用。《建筑樁基技術規(guī)范》5.1.5中將斜坡地段明確視為場地和地基條件復雜的建筑類型，并將該地段建筑樁基設計等級按照甲級進行設計。同時，該規(guī)范5.4.1中將坡地樁基視為特殊地質條件的樁基，并指出其最大的問題是滑坡失穩(wěn)或地震作用下的穩(wěn)定問題，并指出建筑樁基與邊坡應保持一定的水平距離。參考唐山大地震震害調查的經(jīng)驗，建議地質條件較好的情況下，地震影響水平范圍從邊坡坡腳算起為5倍的邊坡高度；地質條件較差時，影響范圍可能達到10倍的邊坡高度。一般的鐵路橋基邊坡多為橋隧相連，邊坡高度較大，該規(guī)定對于山區(qū)鐵路橋基邊坡而言，需要開挖的土方量巨大，不符合鐵路斜坡地段樁基設計的實際情況。

橋梁基礎必須放置在穩(wěn)定基面線以下，橋基位置的選擇應避開順層、古滑坡等不良地質條件分布的區(qū)域。由于穩(wěn)定坡角線對布置橋墩臺基礎的位置有較大意義，鐵路行業(yè)需要在布置橋墩臺時預先對邊坡穩(wěn)定坡線的具體位置有一個基本的認識，各鐵路設計單位及相關院校也針對陡坡穩(wěn)定坡線的取值進行研究，取得了一些經(jīng)驗性的成果。

1模型的建立

針對一般橋基邊坡穩(wěn)定坡角線的經(jīng)驗分析方法，研究提出一種基于反分析原理的穩(wěn)定坡角線位置判定方法，在對邊坡巖土物理力學參數(shù)進行反演的基礎上，考慮基礎作用寬度、埋置深度和荷載作用模式，分析穩(wěn)定坡角線的具體位置，以適應陡坡地段橋梁基礎布置及工程設計的需要。

步驟包括：確定邊坡參數(shù)反演的臨界滑動面S1；按極限平衡狀態(tài)反算邊坡各層巖土體黏聚力S2；設定穩(wěn)定坡角線的起始位置S3；按照反算得到的邊坡各層巖土體黏聚力，重新計算橋基荷載作用下的邊坡穩(wěn)定性S4；判斷安全系數(shù)是否大于等于設計安全系數(shù)S5；分析得到該橋基邊坡的穩(wěn)定坡角線S6。

確定邊坡參數(shù)反演的臨界滑動面，確定邊坡剖面上坡腳與各坡面變坡點P1、P2、…、P(n-1)之間的連線與水平線OO′之間夾角的最小值θmin，令極限平衡條件參數(shù)反演時邊坡滑動面與水平面之間的夾角為α=θmin-1，見圖1。

圖1　穩(wěn)定坡角線搜索界限示意

按極限平衡狀態(tài)反算邊坡巖土體綜合黏聚力

(1)

式中Ks——臨界滑動面對應的穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取1.0或1.05；

Gp——邊坡滑動面以上單位寬度邊坡巖土體的重量；

A——邊坡滑動面單位寬度的面積；

φm——邊坡巖土體的綜合內摩擦角；

FhE——邊坡滑動面以上單位寬度邊坡巖土體受到的水平地震力。

圖2　穩(wěn)定坡角線搜索起始位置

設定穩(wěn)定坡角線的起始位置，在邊坡剖面上自坡頂向下做一條與坡頂線平行的輔助線，輔助線與坡頂線在垂直方向上的距離d與橋基底面設計埋置深度相等。令橋基基底前緣位于臨界滑動面上，橋基基底后緣與坡腳的連接線設定為穩(wěn)定坡角線的起始位置。令穩(wěn)定坡角線的起始位置與水平面之間的夾角為β，如圖2所示。按照反算得到的邊坡巖土體綜合黏聚力重新計算橋基荷載作用下的邊坡穩(wěn)定性(如圖3)，計算穩(wěn)定坡角線的起始位置以上范圍邊坡體的穩(wěn)定安全系數(shù)

圖3　橋基邊坡滑動體受力分析示意

(2)

式中Gq——橋基單位寬度的重量；

H——橋基頂面每延米受到的側向力合力；

V——橋基頂面每延米受到的豎向力合力；

φq——橋基底面所接觸的巖土體內摩擦角。

比較穩(wěn)定坡角線起始位置以上范圍邊坡體的穩(wěn)定安全系數(shù)與設計安全系數(shù)[K]之間的關系。若滿足K≥[K]，則停止計算；否則，令穩(wěn)定坡角線的起始位置與水平面之間的夾角β=β-1，重復(S4)與(S5)的分析過程。

確定滿足K≥[K]的條件后，記錄下此時夾角對應的滑動面位置，該滑動面與剖面的交線即為該橋基邊坡穩(wěn)定坡角線對應的位置(如圖4所示)。

邊坡巖土體力學參數(shù)中綜合黏聚力不易獲取，且不同的邊坡取值相差甚遠，因此采用反演黏聚力的方法獲取的參數(shù)值更接近實際情況。若考慮對內摩擦角進行反分析，則借鑒式(1)的思路，綜合內摩擦角可以表示為

(3)

圖4　一種穩(wěn)定坡角線分析方法(反算黏聚力)

2算例分析

某橋基預布置在一處強風化砂巖邊坡上，邊坡巖土體的綜合內摩擦角為32°，橋基底面設計埋置深度d為2 m，橋基底面寬度為3.5 m，該邊坡坡面線上有3個變坡點，分別是P1、P2和P3，線段OO′構成過坡腳的水平線，線段P3P4構成該邊坡的坡頂線，橋基單位寬度的重量Gq為520 kN/m，橋基頂面每延米受到的側向力合力H為125 kN/m，橋基頂面每延米受到的豎向力合力V為345 kN/m，臨界滑動面對應的穩(wěn)定安全系數(shù)Ks為1.05，設計安全系數(shù)[K]取1.25。

(S1)確定邊坡參數(shù)反演的臨界滑動面：

分別計算OP1、OP2、OP3與OO′之間的夾角

θ1=46°

θ2=37°

θ2=44°

取θmin=37°，令極限平衡條件參數(shù)反演時邊坡滑動面與水平面之間的夾角為α=θmin-1=36°。

作θmin對應的輔助線，即OA0，確定限平衡條件參數(shù)反演時夾角α對應的邊坡滑動面，即OA1。

(S2)按極限平衡狀態(tài)反算邊坡巖土體綜合黏聚力：

(S3)設定穩(wěn)定坡角線的起始位置：

按照橋基底面設計埋置深度d為2 m，橋基底面寬度為3.5 m，自坡頂垂直向下2 m做一條與坡頂線平行的輔助線，令橋基基底前緣位于夾角α對應的邊坡滑動面，即OA1上，橋基基底后緣與坡腳的連接線OM設定為穩(wěn)定坡角線的起始位置，此時穩(wěn)定坡角線的起始位置與水平面之間的夾角β=32°。

(S4)重新計算橋基荷載作用下的邊坡穩(wěn)定性：

重新確定穩(wěn)定坡角線上方邊坡體滑動面以上單位寬度邊坡巖土體的重量Gp、邊坡滑動面以上單位寬度邊坡巖土體受到的水平地震力FhE和邊坡滑動面單位寬度的面積A,Gp=5 340.5 kN/m,FhE=427.4 kN/m，A=57 m，橋基底面所接觸的巖土體內摩擦角φq=23°，此時穩(wěn)定坡角線上方邊坡體的穩(wěn)定安全系數(shù)為

(S5)判斷安全系數(shù)是否大于等于設計安全系數(shù)：

比較穩(wěn)定坡角線的起始位置以上范圍邊坡體的穩(wěn)定安全系數(shù)K與設計安全系數(shù)[K]之間的關系，穩(wěn)定坡角線的起始位置與水平面之間的夾角β=32°時,K<[K]=1.25,令穩(wěn)定坡角線的起始位置與水平面之間的夾角β=β-1=31°，重復S4與S5的分析過程。

經(jīng)計算，當β=24°時,K=1.251≥[K]=1.25,停止計算。

(S6)分析得到該橋基邊坡的穩(wěn)定坡角線：

此時夾角β=24°對應的滑動面與邊坡剖面的交線OM即為該橋基邊坡穩(wěn)定坡角線對應的位置(如圖5)。

圖5　最終穩(wěn)定坡角線的位置

3結論

(1)針對一般橋基邊坡穩(wěn)定坡角線的經(jīng)驗分析方法，研究提出一種基于反分析原理的穩(wěn)定坡角線位置判定方法，在對邊坡巖土物理力學參數(shù)進行反演的基礎上，考慮基礎作用寬度、埋置深度和荷載作用模式，分析穩(wěn)定坡角線的具體位置，以適應陡坡地段橋梁基礎布置及工程設計的需要。

(2)基于該理論模型，將其理論研究成果應用于某山區(qū)鐵路橋基邊坡穩(wěn)定性分析工作中，并預測出該橋基邊坡的穩(wěn)定坡角線，較好地指導了斜坡橋基的設計方案，為該橋基邊坡工程優(yōu)化設計提供了有力的技術支持。

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收稿日期：2016-03-04

作者簡介：陳亞東(1979—)，男，2004年畢業(yè)于石家莊鐵道學院計算機科學與技術專業(yè)，工學學士，工程師。

文章編號：1672-7479(2016)03-0032-04

中圖分類號：P642.2； U442.2

文獻標識碼：A

Study on the Stability Line of Slopes Near Railway Bridge

CHEN Yadong