鐵路路塹高邊坡的長期穩(wěn)定評價(jià)方法及分級預(yù)警方法

楊甲鋒 肖鵬

摘 要：在鐵路建設(shè)與運(yùn)維中，由于工程地質(zhì)條件、自然及施工環(huán)境條件等因素影響，路塹高邊坡安全一直是鐵路工程重點(diǎn)關(guān)注的問題。針對鐵路路塹高邊坡的長期穩(wěn)定性問題，詳細(xì)分析了邊坡的安全系數(shù)與變形關(guān)系、巖土體的長期強(qiáng)度與時(shí)間關(guān)系，建立了邊坡安全系數(shù)剪切變形時(shí)間關(guān)系模型，提出長期穩(wěn)定安全系數(shù)、變形速率冪次值、位限指數(shù)等3個(gè)路塹高邊坡長期穩(wěn)定性評價(jià)指標(biāo)，以及高邊坡安全穩(wěn)定四級預(yù)警方法與高邊坡安全穩(wěn)定八級預(yù)警方法，并明確了不同預(yù)警等級下建議采取的應(yīng)急處理措施。通過實(shí)際工程監(jiān)測數(shù)據(jù)對鐵路路塹高邊坡瞬時(shí)穩(wěn)定安全系數(shù)、長期穩(wěn)定安全系數(shù)、長期累積變形狀態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)分析，確定了該路塹高邊坡的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警分級。

關(guān)鍵詞：鐵路工程;邊坡工程;路塹高邊坡;長期穩(wěn)定性;安全系數(shù);分級預(yù)警

中圖分類號：U211.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-6717（2022）05-0067-11

收稿日期：2021-06-14

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（52078086、51778092）;國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2019YFC1509605）

作者簡介：楊甲鋒（1981- ），男，高級工程師，主要從事土木與鐵路工程研究，E-mail：65009390@qq.com。

肖鵬（通信作者），男，博士，E-mail：xpcqdx2012@163.com。

Received：2021-06-14

Foundation items：National Natural Science Foundation of China （No. 52078086， 51778092）; National Key R & D Program of China （No. 2019YFC1509605）

Author brief：YANG Jiafeng （1981- ）， senior engineer， main research interests： civil and railway engineering， E-mail： 65009390@qq.com.

XIAO Peng （corresponding author）， PhD， E-mail： xpcqdx2012@163.com.

Long-term stability and hierarchical early warning scheme for high slope of railway cutting

YANG Jiafeng， XIAO Peng

（1. Chongqing Railway Investment Group Co.， Ltd.， Chongqing 400023， P. R. China; 2. School of Civil Engineering， Chongqing University， Chongqing 400045， P. R. China）

Abstract：In railway construction， operation and maintenance， due to the influence of engineering geological factors， natural and construction activities and other factors， the safety of high cutting slope is one of the main key concerns of railway engineering. For the long-term stability of railway roadbed slope，based on the slope safety factor and deformation relationship， long-term strength of rock and soil， and tempo relationship， this paper established the safety factor of slope， shear deformation and time relation model， proposed three cut high slope stability evaluation index， including the long-term stability safety coefficient， the exponential value of deformation rate and the index of limit，and four-level and eight-level early warning schemes for high slope safety and stability，specified the emergency treatment measures which should be taken under different early warning levels.Through the actual engineering monitoring data， the instantaneous stability safety factor， long-term stability safety factor and long-term cumulative deformation state of high railway cut slope were systematically analyzed， and the risk warning classification of the high cut slope was determined.

Keywords：railway engineering; slope engineering; high cutting slope; long-term slope stability; safety factor; graded early warning

2020年國務(wù)院政府工作報(bào)告中提出，要重點(diǎn)支持既促消費(fèi)惠民生又調(diào)結(jié)構(gòu)增后勁的“兩新一重”建設(shè)，包括：新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、新型城鎮(zhèn)化建設(shè)以及交通與水利重大工程建設(shè)。鐵路工程作為交通重大工程，也是“兩新一重”建設(shè)的重點(diǎn)支持對象，對于鐵路這類重大交通基礎(chǔ)設(shè)施，在大規(guī)模的建設(shè)過程中，線路不可避免地要以深路塹形式通過丘坡地區(qū)，其地質(zhì)災(zāi)害的防范與預(yù)警需求十分突出。鐵路工程設(shè)計(jì)階段通常僅考慮路塹高邊坡的短期穩(wěn)定性檢算，而忽略了長期穩(wěn)定性問題，然而路塹高邊坡的長期穩(wěn)定性直接影響鐵路建設(shè)與運(yùn)營安全。為評價(jià)路塹邊坡的長期穩(wěn)定性，通常在深路塹地段設(shè)置側(cè)斜管、多點(diǎn)位移計(jì)、土壓力盒、邊坡整體GPS等自動(dòng)化監(jiān)測設(shè)備，以監(jiān)測路塹變形、土體內(nèi)部壓力等參數(shù)。土體強(qiáng)度、變形特性與時(shí)間的關(guān)系，即土體的流變性，包括蠕變、流動(dòng)、松弛、應(yīng)變率效應(yīng)和長期強(qiáng)度效應(yīng)等，土體蠕變的研究方法主要有三軸蠕變試驗(yàn)法及直剪蠕變試驗(yàn)法等。Mesri等通過一維固結(jié)蠕變試驗(yàn)研究構(gòu)建了不同土體蠕變本構(gòu)模型。由于鐵路建設(shè)運(yùn)營對安全和變形的要求極高，因此，有必要對路塹高邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，以評估深路塹邊坡的長期變形及穩(wěn)定性，判斷其對鐵路工程的安全影響，形成合理的工程預(yù)警應(yīng)對措施建議。邊坡穩(wěn)定性評價(jià)分析通常采用數(shù)值模擬與理論分析相結(jié)合的方法。然而，建立長期穩(wěn)定分級評估方法時(shí)所需評價(jià)指標(biāo)與時(shí)間緊密相關(guān)，在傳統(tǒng)的邊坡穩(wěn)定性分析中，運(yùn)用的參數(shù)不隨時(shí)間改變。所以，在建立評估方法之前，需要獲得長期條件下邊坡安全系數(shù)與時(shí)間、位移的關(guān)系，確定穩(wěn)定性分析可取的指標(biāo)。筆者利用某鐵路工程路塹高邊坡的長期監(jiān)測數(shù)據(jù)，基于邊坡變形與時(shí)間關(guān)系建立邊坡長期穩(wěn)定性分級評估方法，并對不同邊坡提出相應(yīng)的預(yù)警方法，研究結(jié)果可為類似的高邊坡長期穩(wěn)定性監(jiān)測、評估、預(yù)警提供借鑒與參考。

1 考慮流變效應(yīng)的邊坡安全系數(shù)時(shí)間位移關(guān)系

1.1 邊坡安全系數(shù)與變形關(guān)系

1.1.1 巖土體剪應(yīng)力和剪應(yīng)變本構(gòu)模型

應(yīng)力應(yīng)

變的非線性關(guān)系是土的基本特性之一，通常可以用雙曲線擬合土體三軸試驗(yàn)（σ-σ）-ε曲線數(shù)據(jù)，如圖1 （a）所示。三軸試驗(yàn)中，如果土的應(yīng)力應(yīng)變曲線近似于雙曲線關(guān)系，在試驗(yàn)中，土的強(qiáng)度不可能ε達(dá)到無窮大時(shí)獲得，往往以應(yīng)變值ε=15%來確定;有峰值點(diǎn)時(shí)，取（σ-σ）為峰值點(diǎn)強(qiáng)度。

因此，認(rèn)為剪應(yīng)力和剪應(yīng)變關(guān)系依然滿足雙曲線模型，如圖1 （b）所示。由此可得出剪應(yīng)力與剪應(yīng)變關(guān)系式，如式（1）所示。

τ=γa+bγ（1）

式中：a、b為待定常數(shù)，根據(jù)邊界確定。將γ=γ，τ=τ代入式（1）中可得式（2）。

τ=γa+bγ（2）

對式（2）求導(dǎo)，并令γ=0，得到式（3）。

dτdγ=1a=G（3）

式中：G為γ-τ曲線的初始切線模量，假定G與峰值剪應(yīng)變時(shí)的割線模量G滿足式（4）的定值倍數(shù)關(guān)系，即

G=nG=nτγ（4）

式中：n為常數(shù)，可根據(jù)單剪試驗(yàn)確定，其值一般介于4～9之間。

將邊界條件式（2）～式（4）代入式（1）中，化簡可得

ττ=nγγ+（n-1）γ（5）

由此，便建立了僅含γ、τ和n三個(gè)待定常量的簡化物理方程，可通過單剪試驗(yàn)確定。其中，n=1時(shí)，式（5）可轉(zhuǎn)化為理想彈塑性模型，n=+∞時(shí)，則為理想剛塑性模型。

1.1.2 邊坡安全系數(shù)與剪應(yīng)變關(guān)系模型

由式（5）得單元土體安全系數(shù)F與剪應(yīng)變?chǔ)玫年P(guān)系式

F=ττ=γ+（n-1）γnγ（6）

當(dāng)n=1，即本構(gòu)關(guān)系為理想彈塑性模型時(shí)，F(xiàn)與剪應(yīng)變?chǔ)玫年P(guān)系式

F=γγ（7）

當(dāng)n=+∞，即本構(gòu)關(guān)系為理想剛塑性模型時(shí)，當(dāng)剪應(yīng)變?chǔ)?0時(shí)，F(xiàn)=+∞;當(dāng)γ>0時(shí)，有τ=τ，即F=1。

1.1.3 邊坡滑動(dòng)條塊靜力平衡方程

Fellenius法

F=∑（cl+Wcos θtan φ）∑Wsin θ（8）

簡化Bishop法

F=∑1m[cb+Wtan φ]∑Wsin θ（9）

Fellenius法和Bishop法安全系數(shù)方程與圓弧轉(zhuǎn)動(dòng)半徑R無關(guān)，實(shí)際上是滿足滑動(dòng)面上切向力平衡。

1.1.4 土體剪應(yīng)變與坡面位移幾何方程

基于單剪試驗(yàn)原理，發(fā)生剪應(yīng)變時(shí)，剪切位移S=Dtan（γ）≈Dγ，其中，D為滑面厚度。

因此，根據(jù)圖2中的幾何關(guān)系，可知坡面任一點(diǎn)水平位移S和豎向位移S分別為

S=γDcos α（10a）

S=γDsin α（10b）

1.2 巖土體長期強(qiáng)度與時(shí)間關(guān)系

1.2.1 對數(shù)型衰減模型

采用對數(shù)函數(shù)描述抗剪強(qiáng)度隨時(shí)間衰減的規(guī)律，其表達(dá)式為

τ=Aln t*-B（11）

式中：t為剪切試驗(yàn)中試樣破壞的時(shí)間，通常以s、min或h為單位;對于長期強(qiáng)度，因考慮建筑物或結(jié)構(gòu)物的有效期或設(shè)計(jì)期限t，通常以a為單位，故t>t。因此，定義時(shí)間比尺參數(shù)t=t/T。如果試驗(yàn)過程t以min為時(shí)間間隔，為獲得以a為單位表示的結(jié)果數(shù)據(jù)，則T=1/（365×24×60），故由式（11）得

τ=Aln t-Aln T-B（12）

因此，長期強(qiáng)度τ為

τ=Aln t-Aln T-B （13）

式中：t為長期強(qiáng)度對應(yīng)的時(shí)間，或建筑物、構(gòu)筑物使用期限，按式（14）確定。

τ-ττ=3%（14）

將式（14）代入式（13），得

t=exp（1.03ln 100+0.03B/A-0.03T）（15）

由此，要確定強(qiáng)度隨時(shí)間的變化關(guān)系，只要獲得A、B兩個(gè)參數(shù)即可，嚴(yán)格的做法需要開展不同歷時(shí)下的蠕變試驗(yàn)。在缺乏蠕變試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，可采用估算方法確定。令不同土質(zhì)的長期強(qiáng)度滿足式（16）。

τ=λτ（16）

式中：τ為瞬時(shí)強(qiáng)度，可由室內(nèi)試驗(yàn)測得;λ大小與土性相關(guān)，取值范圍一般介于0.65～0.75之間，取0.7。由于瞬時(shí)強(qiáng)度也滿足式（12），故得

τ=Aln t-Aln T-B（17）

由式（3）、式（12）～式（17）聯(lián)立可解得A、B為

A=0.009 71τ（100λ-103）ln（t）-4.605

B=0.009 71τ（100λln（t）+1 317.2λ-1 831.1）ln（t）-4.605（18）

因此，只需要獲得瞬時(shí)強(qiáng)度及對應(yīng)的時(shí)間即可確定長期強(qiáng)度衰減曲線。

1.2.2 雙曲線型衰減模型

根據(jù)強(qiáng)度與時(shí)間變化規(guī)律，可以采用抗剪強(qiáng)度隨時(shí)間增長而降低的雙曲線函數(shù)進(jìn)行描述，其表達(dá)式為

τ=A′-B′tC′+t（19）

式中：A′、B′、C′為擬合參數(shù)。

當(dāng)t→∞時(shí)，長期強(qiáng)度τ∞→A′-B′，即雙曲線衰減模型以長期強(qiáng)度為漸近線。當(dāng)t→0時(shí)，長期強(qiáng)度τ→A′，即A′為瞬時(shí)沖擊強(qiáng)度。

可根據(jù)試驗(yàn)測得上述3個(gè)參數(shù)。在缺乏試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，也可根據(jù)直剪試驗(yàn)測得的剪切時(shí)間與強(qiáng)度值（t，τ）和經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式τ∞=λτ，以及（τ∞-τ）/τ=δ%等3個(gè)已知條件，代入式（19）可以確定該式中的3個(gè)參數(shù)A′、B′、C′的值，分別用A、B、C表示。

強(qiáng)度對數(shù)型衰減模型和雙曲線型衰減模型的區(qū)別在于：當(dāng)t→0時(shí)，前者趨于無窮大，后者趨于固定值;t→∞時(shí)，前者強(qiáng)度值趨于無窮小，后者存在漸近線。在短期內(nèi)，兩個(gè)模型都能很好地描述強(qiáng)度的衰減特性。

1.3 邊坡安全系數(shù)時(shí)間位移關(guān)系

1.3.1 F-t關(guān)系

由式（12）和式（17）得出抗剪強(qiáng)度方程為

τ=τAln t-Aln T-BAln t-Aln T-B（20）

令B/A=η，式（20）變?yōu)?/p>

τ=τln t-ln T-ηln t-ln T-η（21）

由此得出強(qiáng)度隨時(shí)間變化的衰減系數(shù)λ

λ=ln t-ln T-ηln t-ln T-η（22）

由此定義瞬時(shí)安全系數(shù)為

F=ττ（23）

式中：τ為單剪試驗(yàn)測得的抗剪強(qiáng)度。

因危險(xiǎn)滑面上的剪應(yīng)力τ與時(shí)間無關(guān)，由式（23）得

τ=τF（24）

由此可得安全系數(shù)F隨時(shí)間t的變化關(guān)系式

F=ττ=Fλ（25）

1.3.2 邊坡破壞區(qū)γ-t關(guān)系及坡面位移S-t關(guān)系

由式（6）得安全系數(shù)F和剪應(yīng)變?chǔ)玫年P(guān)系式為

γ=γnF+1-n（26）

將式（25）代入式（26），得出剪應(yīng)變?chǔ)门c時(shí)間t的關(guān)系式

γ=γnFλ+1-n（27）

將式（10a）、式（10b）分別代入式（27），得坡面水平位移S和豎向位移S與安全系數(shù)F的關(guān)系式

S=γDcos αnF+（1-n）

S=γDsin αnF+（1-n）（28）

由此，矢量位移S與時(shí)間t的關(guān)系式

S=γDnFλ+（1-n）（29）

因此，由式（25）和式（29）即可計(jì)算出安全系數(shù)時(shí)間位移關(guān)系。其中，衰減系數(shù)λ方程由對數(shù)型強(qiáng)度模型導(dǎo)出;若采用雙曲線型強(qiáng)度模型，式（25）和式（29）λ調(diào)整為

λ=A′-B′t/（t+C′）A*-B*t/（t+C*）（30）

式（29）中，極限剪應(yīng)變?chǔ)每梢酝ㄟ^試驗(yàn)測得。劉斯宏等通過大型單剪切試驗(yàn)測得粉砂質(zhì)泥巖堆石料在法向壓力200 kPa時(shí)極限剪應(yīng)變處于2%～5%之間，劉平等認(rèn)為，在沒有峰值時(shí)，壩體堆石料的剪應(yīng)力剪應(yīng)變曲線中，剪應(yīng)變一般取5%，有峰值時(shí)，取峰值剪應(yīng)力對應(yīng)的剪應(yīng)變。同時(shí)，極限剪應(yīng)變?chǔ)貌⒉皇枪潭ǔ?shù)，而是與土的性質(zhì)、密實(shí)度與潮濕狀態(tài)、法向壓力等因素密切相關(guān)。

2 高邊坡長期穩(wěn)定評價(jià)指標(biāo)與風(fēng)險(xiǎn)分類分級預(yù)警

2.1 高邊坡長期穩(wěn)定評價(jià)指標(biāo)

2.1.1 長期穩(wěn)定安全系數(shù)F

邊坡安全系數(shù)的降低是土體抗剪強(qiáng)度衰減所致，然而土體抗剪強(qiáng)度衰減主要有兩個(gè)因素：1）長期強(qiáng)度特性;2）降雨等環(huán)境影響。前者體現(xiàn)單元土體抵抗破壞的能力隨加載時(shí)間的延長而降低，反之，要求對于永久邊坡，瞬時(shí)加載土體強(qiáng)度最高;后者是土體遇水軟化效應(yīng)。對于永久邊坡，《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10001—2016）要求一般工況安全系數(shù)不低于1.15～1.25，實(shí)質(zhì)上該安全系數(shù)是由抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)（快剪、固結(jié)快剪、慢剪）測得的強(qiáng)度指標(biāo)換算而來的瞬時(shí)穩(wěn)定安全系數(shù)，并未考慮巖土體蠕變特性，也就是未考慮到巖土體的長期強(qiáng)度。

從剪切蠕變試驗(yàn)可知，荷載水平λ超過70%時(shí)，土體處于緩慢破壞狀態(tài)，按照安全系數(shù)定義，此時(shí)F低于1.43，雖滿足設(shè)計(jì)規(guī)范中不低于1.15～1.25的要求，但邊坡此時(shí)卻處于緩慢破壞狀態(tài)。因此，采用瞬時(shí)安全系數(shù)評價(jià)邊坡長期穩(wěn)定不合適，應(yīng)采用與邊坡蠕變時(shí)間相關(guān)的長期穩(wěn)定安全系數(shù)F，圖3給出了荷載水平、瞬時(shí)安全系數(shù)F和長期安全系數(shù)F的關(guān)系。

從圖中可以看出，邊坡處于快速穩(wěn)定、緩慢穩(wěn)定、緩慢破壞、快速破壞4種狀態(tài)區(qū)域?qū)?yīng)的安全系數(shù)F閾值分別為3.33、1.43、1.00，長期穩(wěn)定安全系數(shù)F閾值分別為2.22、1.00、0.70。

2.1.2 變形速率冪次值p

上述長期穩(wěn)定安全系數(shù)評價(jià)指標(biāo)雖然反映了巖土體的長期強(qiáng)度特性，但未考慮不利降雨等環(huán)境因素的影響，當(dāng)遇到不利環(huán)境因素時(shí)，邊坡變形速率和位移均會(huì)發(fā)生響應(yīng)。因此，長期穩(wěn)定狀態(tài)評價(jià)還需考慮邊坡變形速率，即通過速率冪次判別準(zhǔn)則進(jìn)行邊坡狀態(tài)評價(jià)。由圖3可見，快速穩(wěn)定、緩慢穩(wěn)定、緩慢破壞、快速破壞4種狀態(tài)區(qū)域?qū)?yīng)的速率冪次p值分別為2、1、0。

2.1.3 位限指數(shù)S

圖4給出了坡面位移隨時(shí)間的變化關(guān)系，通常，變形速率由緩慢破壞至最終破壞可能需數(shù)十年甚至上百年，這與土質(zhì)條件相關(guān)。但如果位移初值就比較大，或者實(shí)測位移已接近極限位移，即便變形速率未達(dá)到快速破壞界限值，也是一個(gè)十分危險(xiǎn)的信號。因此，變形穩(wěn)定尚需附加一個(gè)重要指標(biāo)，即位限指數(shù)S，其計(jì)算式為

S=S-SS-S（31）

式中：S為破壞位移，即極限位移;S為測試中值;S為瞬時(shí)變形。

圖中S為測試初值，即測試開始時(shí)，已經(jīng)發(fā)生但尚未測得的位移。從圖4中可以看出，測試?yán)鄯e位移為ΔS=S-S，將其代入式（29），得到ΔS與時(shí)間Δt的關(guān)系式

ΔS=S-S=

γDnFln（Δt+t）-ln T-ηln t-ln T-η+（1-n）-γD（32）

ΔS=S-S=

γDnFA′-B′（t+Δt）/（t+Δt+C′）A′-B′t/（t+C′）+（1-n）-γD（33）

式（32）和式（33）分別為強(qiáng)度對數(shù)衰減模型和雙曲線衰減模型下的兩種表達(dá)式。在已知參數(shù)n、γ、t、τ和已知條件A′=τ+ B′、τ=λτ的情況下，式（33）中僅有C′、D、γ三個(gè)參數(shù)待定，可通過現(xiàn)場變形觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合確定。

位限指數(shù)S表示位移發(fā)展的相對大小，最大值為1，如超過1即為已發(fā)生滑動(dòng)破壞。因此，通過邊坡位限指數(shù)S將邊坡變形程度劃分為微變形、小變形、中變形、大變形，其取值標(biāo)準(zhǔn)如表1所列。

綜上，路塹高邊坡長期穩(wěn)定評價(jià)3個(gè)指標(biāo)依次為：長期穩(wěn)定安全系數(shù)F、變形速率冪次值p和位限指數(shù)S。

2.2 高邊坡風(fēng)險(xiǎn)分類分級預(yù)警方法

2.2.1 高邊坡安全穩(wěn)定四級預(yù)警方法

根據(jù)變形速率冪次值p與位限指數(shù)S對邊坡變形速率及邊坡變形程度的界定，將邊坡安全穩(wěn)定預(yù)警信號分為4級，分別用綠色、黃色、橙色、紅色表示。四級預(yù)警方法是依靠現(xiàn)場變形觀測數(shù)據(jù)分析的位移監(jiān)測速率冪次值p與位限指數(shù)S得出，S以邊坡變形程度為依據(jù)分為4類，p以邊坡變形速率為依據(jù)分為4類。各級預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)如表2所示，分別為：一級綠色預(yù)警位于表中左下角，其標(biāo)準(zhǔn)為：位移監(jiān)測速率冪次值p≥2且位限指數(shù)滿足0≤S<0.5，或者1≤p<2且位限指數(shù)滿足0≤S<0.25;四級紅色預(yù)警位于表中右上角，其標(biāo)準(zhǔn)為：位移監(jiān)測速率冪次值p<0且位限指數(shù)滿足0.5≤S<1.0，或者0≤p<1且位限指數(shù)滿足0.75≤S<1;二級黃色預(yù)警位于主對角線下方與一級綠色警戒上方之間，其標(biāo)準(zhǔn)為：位移監(jiān)測速率冪次值0≤p<1且位限指數(shù)0≤S<0.25，或者速率冪次值1≤p<2且位限指數(shù)0.25≤S<0.5，或者速率冪次值p≥2且位限指數(shù)0.5≤S<0.75;三級橙色預(yù)警位于主對角線上方與四級紅色警戒下方之間，其標(biāo)準(zhǔn)為：位移監(jiān)測速率冪次值p<0且位限指數(shù)滿足0.25≤S<0.5，或者速率冪次值0≤p<1且位限指數(shù)滿足0.5≤S<0.75，或者速率冪次值1≤p<2且位限指數(shù)滿足0.75≤S<1。表2中，主對角線是二級黃色預(yù)警的預(yù)警分界線，考慮到鐵路路塹高邊坡破壞對線路工程設(shè)施及列車安全運(yùn)行影響較大，需加強(qiáng)對高邊坡安全穩(wěn)定性的監(jiān)測。四級預(yù)警方法主要反映高邊坡短期和中期穩(wěn)定情況，適用于只依靠現(xiàn)場變形觀測數(shù)據(jù)條件下進(jìn)行的風(fēng)險(xiǎn)初判，可作為直觀預(yù)警預(yù)報(bào)參考。

2.2.2 高邊坡安全穩(wěn)定八級預(yù)警方法

八級預(yù)警方法是在四級預(yù)警方法的基礎(chǔ)上考慮了安全系數(shù)指標(biāo)對高邊坡長期穩(wěn)定性的影響，將安全系數(shù)F納入四級預(yù)警方法，形成八級預(yù)警方法，F(xiàn)以高邊坡長期穩(wěn)定程度指標(biāo)為依據(jù)分為4類。八級預(yù)警方法是在四級預(yù)警參數(shù)基礎(chǔ)上，對結(jié)合穩(wěn)定性分析軟件計(jì)算獲得的長期穩(wěn)定安全系數(shù)進(jìn)行精細(xì)評判，實(shí)現(xiàn)對高邊坡短期、中期與長期評價(jià)，使預(yù)警方法更加全面、精準(zhǔn)、可靠。

表4詳細(xì)闡述了表2與表3中信號指示燈顏色的具體含義。表中從左至右危險(xiǎn)等級逐漸升高，警戒程度逐級加強(qiáng)。

工程中，可根據(jù)不同信號顏色進(jìn)行預(yù)警，以確保列車安全運(yùn)行，預(yù)警級別與報(bào)警信號對應(yīng)關(guān)系如表5所示。綠色信號定義為“警消級”，表示無任何危險(xiǎn)征兆，可取消預(yù)警信號;黃色信號定義為“警示級”，表示需密切關(guān)注變形速率及位限指數(shù)變化;橙色信號定義為“警戒級”，表示已有明顯危險(xiǎn)征兆，此時(shí)須加強(qiáng)監(jiān)測密度、跟蹤預(yù)報(bào)，并采取加固措施降低其警示級別;紅色信號定義為“警鳴級”，表示已發(fā)生危險(xiǎn)情況，此時(shí)列車必須停止運(yùn)行，并緊急疏散現(xiàn)場監(jiān)測人員，啟動(dòng)報(bào)警器。

3 高邊坡長期穩(wěn)定評價(jià)方法及預(yù)警方法的工程應(yīng)用

針對某鐵路路塹高邊坡，利用現(xiàn)場布設(shè)的監(jiān)測點(diǎn)得到的位移與時(shí)間關(guān)系數(shù)據(jù)，結(jié)合提出的高邊坡長期穩(wěn)定性評價(jià)方法對該高邊坡進(jìn)行評估，計(jì)算其3個(gè)長期穩(wěn)定性評價(jià)指標(biāo)，最后確定對應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)分級預(yù)警方法。

3.1 瞬時(shí)穩(wěn)定安全系數(shù)分析

圖5為所研究高邊坡的幾何概化模型。土質(zhì)條件為上層硬塑黃土、下層堅(jiān)硬黃土。一級邊坡采用坡面墻防護(hù)措施，從坡腳至坡頂共設(shè)置了8處位移監(jiān)測點(diǎn)，坡高H=42 m。具體布置如圖5所示。

穩(wěn)定分析計(jì)算應(yīng)用geostudio軟件，分別采用瑞典法、簡化Bishop法、M-P法和簡化Janbu法等剛體極限平衡法進(jìn)行安全系數(shù)計(jì)算，結(jié)果如表6所列。

邊坡工程設(shè)計(jì)中，常采用瑞典法和Bishop法兩種方法對其進(jìn)行穩(wěn)定性評價(jià)。瑞典法由于不考慮條件作用力，使得所得安全系數(shù)偏小;而Bishop法考慮了條間法向力，所得安全系數(shù)與具有嚴(yán)格條分意義的M-P法較為接近，能近似反映土體底部法向應(yīng)力或土體底部抗力。因此，對于圓弧滑動(dòng)模式的均質(zhì)邊坡，以Bishop法所得安全系數(shù)為代表值，反映滑面上任一土體抗剪強(qiáng)度與剪應(yīng)力的比值。

3.2 長期穩(wěn)定安全系數(shù)分析

因滑面穿過不同土層，長期強(qiáng)度分析時(shí)采用綜合黏聚力c和綜合內(nèi)摩擦角φ，其取值按照滑面弧長加權(quán)平均確定;長期強(qiáng)度折減系數(shù)λ取0.7，極限剪應(yīng)變?chǔ)?5%。各參數(shù)取值及計(jì)算結(jié)果如表7所示。

根據(jù)表7中參數(shù)，采用邊坡安全系數(shù)與時(shí)間關(guān)系模型，可獲得安全系數(shù)F-t關(guān)系曲線，如圖6所示。

由圖6可知，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)隨時(shí)間發(fā)展而逐漸降低，最終趨于穩(wěn)定。在λ=0.7時(shí)，按照Bishop法計(jì)算得出長期穩(wěn)定安全系數(shù)F=1.372，說明該高邊坡具有長期穩(wěn)定性。

3.3 長期累積變形狀態(tài)分析

3.3.1 位移與時(shí)間關(guān)系分析

分別選取坡頂處測點(diǎn)1、坡中部測點(diǎn)6、坡腳處測點(diǎn)8為邊坡總體變形發(fā)展情況的代表測點(diǎn)。圖7為測點(diǎn)1相應(yīng)矢量方向位移隨時(shí)間變化的關(guān)系及位移時(shí)間擬合關(guān)系，擬合曲線能良好地反映位移隨時(shí)間的變化關(guān)系。同理，測點(diǎn)6、測點(diǎn)8的位移時(shí)間擬合結(jié)果也較好。具體擬合參數(shù)如表8所示。

由表8可以看出，邊坡3個(gè)代表點(diǎn)測得的位限指數(shù)S在0.34～0.36間小幅變化，平均值為0.35，處于0.25<S≤0.50的小變形階段。

3.3.2 變形速率與時(shí)間的關(guān)系分析

圖8為測點(diǎn)1、6、8處邊坡矢量方向位移及變形速率隨時(shí)間的變化情況。因速率變化實(shí)測數(shù)據(jù)存在明顯圍繞橫坐標(biāo)軸上下波動(dòng)的特點(diǎn)，體現(xiàn)在累積位移減小與增大的交替變化上。總體上，各測點(diǎn)變形速率呈現(xiàn)衰減的變化特征，而且在前期衰減最為迅速，后期逐漸趨于0。

采用冪函數(shù)速率曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到冪函數(shù)的兩個(gè)系數(shù)，結(jié)果如表9所示。從表中可知，邊坡不同位置處變形速率冪次值p均大于1，平均值為1.65，表明該路塹高邊坡處于緩慢穩(wěn)定狀態(tài)。

通過長期穩(wěn)定安全系數(shù)F、位限指數(shù)S、變形速率p值3個(gè)指標(biāo)來評價(jià)高邊坡的長期穩(wěn)定性。其中，F(xiàn)反映高邊坡長期強(qiáng)度發(fā)揮水平、S反映位移變化發(fā)展程度、p值反映變形速率收斂快慢，3個(gè)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果如表10所示。表中位限指數(shù)S、變形速率p值取坡頂、坡中、坡腳3處測點(diǎn)平均值。

按八級預(yù)警方法評價(jià)可知，該斷面邊坡長期穩(wěn)定安全系數(shù)F=1.372，位移監(jiān)測速率冪次值1≤p<2且位限指數(shù)0.25<S≤0.50，預(yù)警級別屬于警消級，信號燈顯示綠色。因此，該斷面邊坡長期處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)論

基于鐵路路塹高邊坡穩(wěn)定性問題，系統(tǒng)研究了邊坡巖土體變形時(shí)間效應(yīng)與安全系數(shù)、邊坡安全系數(shù)與剪切變形及長期強(qiáng)度的內(nèi)在關(guān)系，形成了高邊坡長期穩(wěn)定評價(jià)指標(biāo)及分級預(yù)警方法。得到如下主要結(jié)論：

1）根據(jù)剪切流變試驗(yàn)中剪應(yīng)力水平μ=τ/τ與安全系數(shù)F的倒數(shù)關(guān)系，得到土體變形演化不同狀態(tài)剪應(yīng)力水平閾值及對應(yīng)的安全系數(shù)F，確定不同邊坡安全系數(shù)F對應(yīng)的變形狀態(tài)。

2）建立綜合反映土體應(yīng)力應(yīng)變特性影響的邊坡位移安全系數(shù)函數(shù)關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，考慮巖土體的長期強(qiáng)度影響因素，構(gòu)建了安全系數(shù)剪切變形時(shí)間的關(guān)系模型。

3）綜合考慮邊坡設(shè)計(jì)安全系數(shù)、位移發(fā)展程度和變形速率變化特征，提出路塹高邊坡長期穩(wěn)定3指標(biāo)評價(jià)方法，即長期穩(wěn)定安全系數(shù)F、位限指數(shù)S和變形速率冪次值p。

4）基于路塹高邊坡長期穩(wěn)定控制指標(biāo)，提出兩種高邊坡風(fēng)險(xiǎn)分級預(yù)警方法，根據(jù)不同預(yù)警等級明確了不同等級下應(yīng)該采取的應(yīng)急處理措施。

5）通過對實(shí)際鐵路工程中高邊坡的長期位移監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，應(yīng)用穩(wěn)定3指標(biāo)評價(jià)方法進(jìn)行評價(jià)并確定其風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警分級，為類似工程的長期穩(wěn)定評價(jià)及預(yù)警分析提供參照。

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（編輯 王秀玲）