邊坡溜坍設計方案分析

汪明玉

中國鐵路上海局集團有限公司 上海 200071

引言

邊坡失穩，處理方案多樣，重力式擋墻截面形式多樣，本文提出一種較經濟、受力簡單，性能可靠，便于施工的斷面形式，并對此截面擋墻的抗傾覆穩定、抗滑穩定、合力偏心矩、墻身截面進行檢算，分析擋墻背后土體的應力分布規律，并對相似工況提出參考處理方案。

1 線路既有狀態

合九線某段，單線區段，自然地貌山巒起伏，該區段內路塹高度2～4m不等，自然坡率1∶1～1∶1.5，較陡，黏性土體。坡面植被發育線路斷面如圖1。連續強降雨造成此區段路塹邊坡發生局部溜坍，溜坍土體阻塞水溝正常排水，需進行復舊加固。

2 方案比選

在處理滑坡，坍塌病害時常采用一些加固措施，如改良邊坡或地基的土質，設置支擋建筑物等。改良土質由于出土困難、造價高昂等原因不予考慮。支擋結構可以不減少水溝排水截面，同時減少開挖量且收回坡腳，工程經濟合理故考慮采用支擋結構。支擋結構分為重力式擋土墻與輕型擋土墻，像錨桿擋土墻、預應力錨索、抗滑樁等的輕型擋土墻措施考慮到施工復雜性與造價較貴，本地點采用重力式擋土墻。重力式擋土墻通常有干砌片石、漿砌片石、混凝土及磚等土石圬工建造，不需要復雜的施工設備和技術，造價較低。考慮施工現場的出土困難與施工效果決定采用線型簡單的梯形直線墻背式重力式擋土墻加固，墻身為片石混凝土,初擬尺寸如圖1[1]。

圖1 初擬尺寸（單位為厘米）

2.1 計算參數

翻閱相關資料可知：擋土墻基底與地基間的摩擦系數f=0.4，地基為黏性土質，容許承載力[σ]土=200kN/m2，土體內摩擦角φ0=35o，土與墻背間的摩擦角δ=φ0/2 =17.5o，墻后填土重度γ=18.0KN/m3，墻身圬土重度γ=23.0KN/m3，外墻豎直α=0。以a=2m,b=3m為列，擋墻高，墻身截面積S=1.7325m2。

2.2 滑動穩定性檢算

已知破裂角公式：

令ψ=φ0+δ-α=35 +17.5 =52.5o故tanψ=1.3

水平方向分力：E x=Eacos(δ-α)=18.05KN/m

豎直方向分力：E y=Easin(δ-α)=5.69KN/m

2.3 抗滑穩定性檢算

墻身自重：G=1.7325 ×23 = 39.8475(kN/m)，設被動土壓力Ep=0，則：

在不考慮被動土壓力的情況下，所擬尺寸不滿足抗滑穩定性要求，故將基底傾斜，令tanα00.2。由于擋墻高H的變化，故極限破裂角發生變化按上述方法得出：tanθ=0.805，Ea=22.47KN/m，Ex=21.43KN/m，Ey=6.75KN/m。

2.4 計算修改尺寸后的擋墻抗傾覆穩定性檢算

抗傾覆穩定系數0K為穩定力矩之和，與傾覆力矩之和的比值。即：

傾覆穩定性系數：

2.5 合力偏心距及基底應力檢算

基地應力不允許超過地基容許承載力。為避免擋土墻發生顯著不均勻沉降，還應控制作用于墻基底的合力偏心距：

其中：

e—基底合力的偏心距（m）：當為傾斜基底時，為傾斜基底合力的偏心距，土質地基不應大于B/6，巖石地基不應大于B/4；

B—基底寬度（m），傾斜基底為其斜寬；

Zn—作用于基底上的垂直分力對墻趾的力臂（m）；

∑N—作用于基底的總垂直力（KN）[2]。

當為傾斜基底時，作用于其上的總垂直力為：

基底應力：

2.6 擋土墻墻身H/2截面強度檢算（如圖3）

圖3 墻身H/2土壓應力圖

2.6.1 法向應力檢算。墻身H/2截面處距墻頂1.05米處應力：

擋墻上半部分所受到的主動土壓力：

當 時，墻身圬工出現拉應力，當拉應力超過容許值時，壓應力應按三角形重新分布計算。

2.6.2 剪應力計算。

所擬定的擋土墻尺寸滿足穩定要求。按以上計算方法，不同的坡長按上述計算方法得出的結果如下：

對于不同坡率擋墻的計算結果如下：

表2 不同坡率對應的檢驗系數

從表1可以看出對于1:1.5的坡率，此擋墻尺寸各種檢算系數符合要求。從表二可以看出對于陡于1:1.5邊坡有失穩風險，施工時應刷坡至坡度緩于1:1.5，同時運出棄土。故此段邊坡溜坍位置擋墻可以采用圖示尺寸，并預埋排水管同時設置10cm厚碎石反濾層防止土體流失造成坡體空洞。重做60cm寬、30cm厚漿砌片石溝底。方案如圖4所示。按以上所設計的擋墻在經過兩個雨季的使用后效果良好[3]。

表1 坡度1:1.5時不同坡長對應的檢驗系數

圖4 采用尺寸

根據圖2可以看出當a持續延長至σ1=σH時，出現圖5應力圖b，并通過如下方程可求得a、b值如下：

圖5 土壓應力圖b

即當a=6.2m，b=9.3m開始，隨著a的增加擋土墻上的主動土壓力不再變化。

3 結束語

對于邊坡坡率較陡發生溜坍的地段，擋墻的設置可以減少開挖量并收坡至1：1.5以上，并且坡率越緩擋墻越穩定。

從上述結論中雖然看出隨著坡長的增加，擋墻尺寸均滿足各種理論數據的檢算，并且坡長增大至一定程度，應力不再變化。但是在實際自然環境中，隨著時間的變遷，雨水對邊坡長時間的浸泡造成土體內摩擦角變小，易造成邊坡溜坍。故針對長邊坡，通常設置天溝將水流引開防止雨水浸泡土體，設置漿砌片石護坡與拱柱拱圈防止水流沖刷維持邊坡整體穩定性。對于超長邊坡還可以通過刷方減載設置多次平臺的方式穩固土體。同時應在擋墻中埋設排水管防止雨水截留在土體中。

從表1數據中可以看出C20片石砼擋墻墻身截面檢算安全余量較大，在石材豐富的地區，考慮到工程經濟型經過檢算可以選取漿砌片石擋墻代替C20片石砼擋墻。

在山區鐵路中路塹與路堤的路基斷面形式經常出現。在建設開挖后邊坡大面積暴露在大氣中，受水和溫度變化等自然因素的影響，極易招致失穩，同時大量棄土可能無法安置，此時可在邊坡的坡腳修建擋墻，減少土方開挖，陡坡上的路堤，在下坡一側要收縮路堤邊坡，此時可在邊坡的坡腳設置擋土墻，承受山體壓力，減少開挖量或收回坡腳，使工程經濟合理。