質量與安全決定黃土高邊坡穩定性安全系數的取值

姜鳳蘭

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京　100055)

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質量與安全決定黃土高邊坡穩定性安全系數的取值

姜鳳蘭

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京100055)

摘要結合晉中南鐵路工程實例，運用規范推薦的多種計算方法，對一般工況和地震工況下的黃土高邊坡進行分析比較，最終提出不同邊坡高度在不同工況下安全系數和坡率的建議值。

關鍵詞黃土高邊坡穩定性安全系數坡率

在地質背景復雜的黃土地區進行鐵路建設的同時，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。在經濟合理的前提下保證邊坡的整體穩定性與坡面穩定性，是工程中需要解決的技術難題。當線路位于黃土高陡邊坡前緣或中部時，黃土高邊坡的穩定性對鐵路能否安全運營有極其重要的影響，為此，采用多種方法評價黃土高邊坡穩定性是極其必要的。

1邊坡穩定性評價標準

鐵路工程邊坡穩定性系數FSt有關規定：《鐵路特殊路基設計規范》(TB10035—2006)規定黃土路塹邊坡穩定安全系數FSt為1.25[1]，《鐵路路基設計規范》(TB10001—2005)規定土質路塹邊坡高度大于20 m時，邊坡穩定安全系數FSt為1.15～1.25[2]；《鐵路工程抗震設計規范》(2009年版GB50111—2006)規定黃土高邊坡抗震穩定安全系數FSt為1.15[3]。

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

表1　建筑工程邊坡穩定安全系數FSt

建筑工程邊坡穩定性評價標準[4]：

邊坡穩定性狀態分為穩定、基本穩定、欠穩定和不穩定四種狀態，其中邊坡穩定系數FS<1.00為不穩定，1.00≤FS<1.05為欠穩定，1.05≤FSFSt為穩定。

2黃土高邊坡穩定性常用分析方法

邊坡穩定性歷來是國內外學術界和工程界關注的重要課題。國內雖然對公路、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，在黃土地區高等級公路建設中，遇到了大量坡高大于30 m的路塹高邊坡情況，并出現不少坡體滑動失穩的事故。由于黃土結構的特殊性，使得黃土邊坡的失穩具有一定的特征。

目前對黃土高邊坡穩定性分析主要表現在如下四個方面：一是采用經典的土力學方法評價黃土邊坡穩定性，如采用極限平衡理論法及圓弧法等工程中常用的邊坡穩定分析方法；二是根據黃土地質結構和土質特點建立的力學驗算方法，如裂隙法等；三是在對已建黃土邊坡工程地質和水文地質調查及對比研究基礎上，經過統計分析建立經驗方法或數據表格，常被稱為工程地質法；四是采用有限元數值模擬分析的方法。本文結合工程實例，分別選用理正巖土系列軟件的邊坡穩定分析模塊與GEO-SLOPE程序的SLOPE/W模塊，采用規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)法等計算邊坡穩定性。

3典型工程實例

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、老黃土和粉質黏土。新黃土為第四系上更新統風積黃土，淺黃色，結構疏松，小孔隙發育，顆粒極細，砂質含量高，夾有一定白云母，手搓具滑膩感，浸水具濕陷性，厚約7 m。老黃土為中更新統的洪積老黃土，黃色，結構均勻、致密，與上覆新黃土沒有明確界線，厚約8 m；下部為第三系粉質黏土，棕紅色，鈣、硅質膠結，上部結構疏松，鈣質結核較多，結核粒徑0.5～2 cm，中下部淋濾強烈，有鈣硅質層出現，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，開挖邊坡達到41.2 m，選擇該最不利的DK39+380斷面進行穩定性評價。

3.1邊坡穩定性計算模型

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

圖1　DK39+380自然邊坡計算模型

圖2　DK39+380深路塹計算模型(坡率1∶1.25)

3.2邊坡穩定性分析計算參數選取

黃土抗剪強度的測試結果較離散，且黃土的抗剪強度受含水率的影響較大，含水率較低時，土的強度較大，含水率增大，土的強度迅速降低，而邊坡土體的含水率受外環境條件影響也不是一成不變的。因此，如何確定計算參數是一個公認的難題，考慮工程長期使用以及各種不利條件，計算參數結合土工試驗、地區經驗及試算綜合選用(如表2)。

3.3不同條件下邊坡穩定性分析

一般工況及地震工況下邊坡不同坡率穩定性分析結果如表3、表4所示。

表2　計算參數

表3　一般工況(非地震)下邊坡不同坡率穩定性分析

表4　地震工況下邊坡不同坡率穩定性分析

4結論

(1)根據邊坡工程地質條件、可能的破壞模式以及已經出現的變形破壞跡象對邊坡的穩定性狀態作出定性判斷，并對其穩定性趨勢作出估計，確保技術經濟合理性。根據《鐵路特殊路基設計規范》、《鐵路路基設計規范》和《建筑邊坡工程技術規范》關于黃土(土質)邊坡穩定性分析的有關規定，結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，邊坡穩定安全系數FSt取1.25；黃土路塹邊坡高度為20～30 m，邊坡穩定安全系數FSt取1.30；黃土路塹邊坡高度超過30 m，邊坡穩定安全系數FSt取1.35。地震工況下黃土路塹邊坡穩定安全系數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，穩定安全系數隨著坡率的提高有增大的趨勢。路塹邊坡坡率為1∶0.75時，各種分析方法的邊坡穩定系數Fs均位于1.05～Fst范圍內，屬于基本穩定狀態；路塹邊坡坡率為1∶1.0時，瑞典圓弧法和簡布法的邊坡穩定系數Fs小于Fst，屬于基本穩定狀態，畢肖普法和摩根斯坦—普萊斯法的邊坡穩定系數Fs大于Fst，屬于穩定狀態；路塹邊坡坡率為1∶1.25時，各種分析方法的邊坡穩定系數Fs均大于Fst，屬于穩定狀態。

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

參考文獻

[1]張少宏，康順祥，李永紅.降雨對黃土邊坡穩定性的影響[J].水土保持通報，2005(5)：42-44

[2]中華人民共和國鐵道部.TB 10035—2006鐵路特殊路基設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2007

[3]中華人民共和國鐵道部.TB 10001—2005鐵路路基設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2006

[4]中華人民共和國建設部.GB 50111—2006鐵路工程抗震設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2007

[5]中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB 50330—2013建筑邊坡工程技術規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2014

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

[7]張小禮.黃土地區高陡邊坡的失穩分析及治理[J].科技視界，2012(33)：134-135

[8]李帆，楊建國.黃土邊坡穩定性分析方法研究[J].鐵道工程學報，2008(12)

[9]沙曉君.黃土高邊坡工程穩定性分析及設計[J].合作經濟與科技，2012(8):109-111

[10]王根龍，張茂省，蘇天明，等.黃土崩塌破壞模式及離散元數值模擬分析[J].工程地質學報，2011(4)

[11]陳昌富，彭振斌.高陡邊坡穩定性分析與計算方法[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年畢業于鐵三院職工鐵道工程學院線路專業。

文章編號：1672-7479(2016)03-0043-03

中圖分類號：P642.2

文獻標識碼：A

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

JIANG Fenglan