深厚覆蓋層鐵路路塹邊坡開(kāi)挖穩(wěn)定性分析

唐小軍

（云南省鐵路集團(tuán)有限公司，云南 昆明 650118）

1 引言

在鐵路建設(shè)中路塹邊坡占有重要地位，西南地區(qū)山高谷深，地形起伏較大，路塹邊坡中高邊坡有較高比例，其穩(wěn)定性對(duì)于鐵路路基施工及今后鐵路運(yùn)營(yíng)安全有重要影響，特別是深厚覆蓋層地質(zhì)條件下的路塹高邊坡穩(wěn)定性顯得尤其重要。目前國(guó)內(nèi)學(xué)者和專(zhuān)家對(duì)于路塹邊坡進(jìn)行了大量研究：伏坤等針對(duì)傳統(tǒng)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)法具有較大的主觀因素，提出采用基于主成分分析法對(duì)鐵路高陡路塹邊坡進(jìn)行分析，分析結(jié)果與傳統(tǒng)分析法吻合。江濤針對(duì)鐵路路塹邊坡設(shè)計(jì)，對(duì)容許應(yīng)力法與極限狀態(tài)法進(jìn)行了比較，驗(yàn)證了極限狀態(tài)法理論正確性以及分項(xiàng)系數(shù)取值的合理性。李新繼等研究了在既有鐵路附近進(jìn)行鐵路路塹邊坡開(kāi)挖施工過(guò)程中采用爆破方法對(duì)既有鐵路運(yùn)營(yíng)影響及其減少影響的措施。高芳芳等研究了勘察設(shè)計(jì)階段對(duì)順層路塹邊坡穩(wěn)定性的判斷，研究認(rèn)為巖層走向與鐵路路線走向的夾角是判斷路塹邊坡穩(wěn)定性的最重要條件。王德文等研究了膨脹土特殊地質(zhì)條件路段條件下深路塹邊坡滑坡產(chǎn)生的機(jī)理，并對(duì)該類(lèi)條件下邊坡穩(wěn)定進(jìn)行驗(yàn)算。代云山分析了鈣質(zhì)頁(yè)巖條件下鐵路路段順層滑坡，通過(guò)對(duì)該類(lèi)滑坡從構(gòu)造、巖性以及水文特征等方面綜合研究，得出滑坡產(chǎn)生原因并針對(duì)性采取防治措施。董捷等針對(duì)鐵路巖質(zhì)路塹邊坡，提出一種利用模糊數(shù)學(xué)原理的路塹邊坡危險(xiǎn)型評(píng)價(jià)模型，提高了巖質(zhì)路塹邊坡穩(wěn)定性分析的效率。

通過(guò)以上論述，就目前來(lái)說(shuō)對(duì)于鐵路路塹邊坡研究范圍較廣，研究也較為深入，但對(duì)于深厚覆蓋層條件下的路塹邊坡研究相對(duì)較少。因此本文主要基于對(duì)深厚覆蓋層條件下鐵路路塹邊坡開(kāi)挖對(duì)該類(lèi)型邊坡的位移、剪切應(yīng)變及邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究。

2 工程概況與模型建立

研究工點(diǎn)為云南某在建鐵路項(xiàng)目，K51+182～K51+407 深挖路塹段，該路塹段地貌為構(gòu)造侵蝕，溶蝕低中山，深挖路塹段穿越山麓斜坡地帶，地形起伏較大，覆蓋層厚度大，該路段長(zhǎng)225 米，最大挖方邊坡高度為38.6 米。根據(jù)地勘報(bào)告，覆蓋層主要為粘土、碎石土，下伏巖層主要為泥巖，泥巖成風(fēng)化、中風(fēng)化狀態(tài)。本次建模采用geo-studio 軟件中SIGMA/W模塊進(jìn)行二維有限元建模分析，依據(jù)設(shè)計(jì)提供的斷面設(shè)計(jì)圖、提供的地層勘查設(shè)計(jì)報(bào)告及地質(zhì)鉆孔斷面圖，利用CAD 軟件導(dǎo)入到geo-studio 軟件中進(jìn)行模型構(gòu)建。建立好的模型如圖1所示，在模型中紫色區(qū)域?yàn)閹r土層，藍(lán)色區(qū)域?yàn)楦采w土層?；疑珔^(qū)域?yàn)殚_(kāi)挖區(qū)域。模型總共由7149個(gè)節(jié)點(diǎn)，7007個(gè)單元構(gòu)成，網(wǎng)格均為四邊形網(wǎng)格，尺寸較為均勻，有利于分析計(jì)算，保證計(jì)算精度的同時(shí)，不容易報(bào)錯(cuò)。為更好地分析邊坡土體變形及應(yīng)變情況，在路塹左側(cè)邊坡各級(jí)邊坡的坡腳處設(shè)置6 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

圖1 路塹開(kāi)挖模型

3 路塹開(kāi)挖模擬

巖土變形等工程問(wèn)題分析的精確度與數(shù)值模擬中采用的本構(gòu)模型有重要關(guān)系，本次路塹開(kāi)挖模擬，土體采用大多數(shù)有限元分析中采用的土體本構(gòu)模型—莫爾－庫(kù)侖模型（Mohr- Coulomb Model），材料類(lèi)型為采用總應(yīng)力參數(shù)進(jìn)行賦值。除模擬采用的土體本構(gòu)模型對(duì)模擬結(jié)果影響較大外，模擬采用的邊界約束條件對(duì)分析結(jié)果影響同樣十分重要，為盡量再現(xiàn)路塹邊坡開(kāi)挖的自然狀況，模型采用邊界位移約束條件：模型左右兩側(cè)采用約束X方向位移，模型底部采用約束X-Y 方向位移，模型頂部采用自由面不進(jìn)行約束。模擬忽略該路塹邊坡地質(zhì)歷史中受到的各種地質(zhì)作用產(chǎn)生的構(gòu)造應(yīng)力，只對(duì)邊坡原位土體在自重作用下的位移及應(yīng)力進(jìn)行考慮。

模擬按照路塹邊坡現(xiàn)場(chǎng)施工順序，采用自上而下逐層進(jìn)行開(kāi)挖，由于路塹邊坡開(kāi)挖深度較大，施工單位施工組織設(shè)計(jì)中采用大致分五次進(jìn)行分層開(kāi)挖，邊開(kāi)挖邊進(jìn)行邊坡防護(hù)施工，由于本次分析只針對(duì)邊坡開(kāi)挖時(shí)土體變形及穩(wěn)定情況分析，因此對(duì)邊坡支護(hù)措施進(jìn)行忽略。模型通過(guò)采用五個(gè)階段對(duì)邊坡開(kāi)挖進(jìn)行模擬，分析每個(gè)階段開(kāi)挖路塹邊坡的位移、剪切應(yīng)變情況進(jìn)行分析。模型各土層的物理力學(xué)參數(shù)參考值，如表1所示。

表1 各巖土層力學(xué)參數(shù)參考值

4 位移與剪應(yīng)變?cè)隽糠治?/h2>

4.1 土體位移分析

當(dāng)路塹邊坡從第一次開(kāi)挖到邊坡開(kāi)挖深度達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，路塹邊坡土體中各坡腳監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移變化情況如圖2所示，通過(guò)對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)完成第一階段土體開(kāi)挖時(shí)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移基本沒(méi)有增長(zhǎng)，表明上部覆蓋層土體的穩(wěn)定性良好；當(dāng)?shù)诙A段土體開(kāi)挖結(jié)束后，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、監(jiān)測(cè)點(diǎn)2 及監(jiān)測(cè)點(diǎn)3 土體的位移開(kāi)始增加，表明上部覆蓋層土體邊坡穩(wěn)定性開(kāi)始降低；在第三階段、第四階段土體開(kāi)挖完成時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、監(jiān)測(cè)點(diǎn)2 及監(jiān)測(cè)點(diǎn)3 土體的位移量增長(zhǎng)速度最快，表明上部覆蓋層土體位移顯著增大，邊坡穩(wěn)定性顯著降低：當(dāng)?shù)谖咫A段土體開(kāi)挖完成時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、監(jiān)測(cè)點(diǎn)2 及監(jiān)測(cè)點(diǎn)3 土體位移量增長(zhǎng)明顯變緩，表明上部覆蓋層土體邊坡開(kāi)始趨于穩(wěn)定。

圖2 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)總位移量變化圖

由圖3分析可以直觀發(fā)現(xiàn)，當(dāng)路塹邊坡開(kāi)挖完成時(shí)，路塹邊坡位移的整體情況。路塹邊坡位移量最大的區(qū)域出現(xiàn)在上部覆蓋層土體，其中位移量最大的區(qū)域?yàn)樽髠?cè)第三級(jí)邊坡坡頂區(qū)域土體；其次在左側(cè)第一級(jí)邊坡頂部也出現(xiàn)一定位移增大區(qū)域；綜合分析來(lái)看，深厚覆蓋層路塹邊坡土體在開(kāi)挖過(guò)程及開(kāi)挖完成后，邊坡土體位移最大區(qū)域出現(xiàn)在覆蓋層與下伏巖層交界區(qū)域土體，因此需要重點(diǎn)加強(qiáng)該區(qū)域土體的防護(hù)與加固，來(lái)保證整個(gè)路塹邊坡的穩(wěn)定。

圖3 第五次開(kāi)挖完成后總位移云圖

4.2 邊坡土體剪應(yīng)變量分析

由圖4分析可以發(fā)現(xiàn)，五次開(kāi)挖過(guò)程中監(jiān)測(cè)點(diǎn)4 在所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)中最大剪切應(yīng)變峰值最大，其次為監(jiān)測(cè)點(diǎn)3峰值最大剪切應(yīng)變峰值量較大，最大剪切應(yīng)變峰值最小的為監(jiān)測(cè)點(diǎn)2；其中監(jiān)測(cè)點(diǎn)4 在第三次開(kāi)挖完成后，增速最大，在第四次開(kāi)挖完成時(shí)，達(dá)到最大剪切增量峰最大值，因此分析可以得出，當(dāng)覆蓋層開(kāi)挖完成時(shí)，由于覆蓋層土體相互約束被開(kāi)挖破壞，因此覆蓋層邊坡土體剪切應(yīng)變量迅速增加，當(dāng)?shù)谒拇伍_(kāi)挖完成時(shí)，由于覆蓋層與下伏巖層交界處土體下部約束土體進(jìn)一步被挖除，因此交界處土體的剪切應(yīng)變繼續(xù)增加，達(dá)到峰值，而第五次開(kāi)挖完成時(shí)，由于土體應(yīng)力重分布，交界面土體開(kāi)始趨于穩(wěn)定，因此剪切應(yīng)變量開(kāi)始逐步減小。

圖4 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大剪切應(yīng)變變化圖

從圖5可以更直觀的發(fā)現(xiàn)，在第三級(jí)邊坡底部及第四、第五級(jí)邊坡后部區(qū)域開(kāi)始形成貫通的剪切應(yīng)變塑性區(qū)，表明該區(qū)域邊坡土體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，因此從土體剪切應(yīng)變量來(lái)分析，同樣證明需要注重覆蓋層與下伏巖層交界區(qū)域邊坡的防護(hù)與加固，且需要在該區(qū)域邊坡土體剪切應(yīng)變量達(dá)到峰值前進(jìn)行加固，也就是在開(kāi)挖下伏巖層前即需要完成對(duì)該區(qū)域土體進(jìn)行加固后方能進(jìn)行下伏巖層的開(kāi)挖。

圖5 第五次開(kāi)挖完成后最大剪切應(yīng)變?cè)茍D

5 總結(jié)

通過(guò)對(duì)深覆蓋層路塹邊坡開(kāi)挖的模擬分析，可以認(rèn)為：在路塹邊坡開(kāi)挖過(guò)程中邊坡土體滑動(dòng)威脅最大的區(qū)域?yàn)楦采w層與下伏巖層交界區(qū)域的覆蓋層邊坡土體；且該區(qū)域邊坡土體滑動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)最大的時(shí)間點(diǎn)為交界區(qū)域土體下部下伏巖層開(kāi)挖完成時(shí)。本文從土體位移及土體剪切應(yīng)變量?jī)煞矫孢M(jìn)行分析，論證了在深覆蓋層地質(zhì)條件下鐵路路塹邊坡開(kāi)挖時(shí)，當(dāng)覆蓋層土體的下層下伏巖層開(kāi)挖完成時(shí)，覆蓋層邊坡土體位移及最大剪切應(yīng)變均達(dá)到最大值，表明該區(qū)域土體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，因此深路塹開(kāi)挖施工時(shí)當(dāng)深覆蓋層土體開(kāi)挖完成后即需要對(duì)覆蓋層土體邊坡進(jìn)行防護(hù)與加固，以防止該區(qū)域邊坡產(chǎn)生滑坡。