北屯至富蘊(yùn)至準(zhǔn)東鐵路路堤高邊坡的加固設(shè)計(jì)研究

梁東海

(新疆鐵道勘察設(shè)計(jì)院，烏魯木齊 830011)

北屯至富蘊(yùn)至準(zhǔn)東鐵路位于北疆地區(qū)，沿途經(jīng)過北屯市、富蘊(yùn)縣及吉木薩爾縣，其中富蘊(yùn)縣及吉木薩爾縣境內(nèi)的線路走行于剝蝕平原區(qū)和剝蝕丘陵區(qū)。夏季炎熱，極端最高氣溫40.1～41.5℃;冬季寒冷，極端低氣溫－40.6～－37.0℃，最大積雪厚度88 cm，最大季節(jié)凍土深度207 cm。線路所經(jīng)地區(qū)大部分為天然草場(chǎng)，地層主要為粉土、粉質(zhì)黏土及含粉黏粒較多的砂類土。路堤若采用卵礫石土填筑，則運(yùn)距較遠(yuǎn)、工程造價(jià)較高，因此利用鐵路就近的粉土或粉質(zhì)黏土作為填料可降低工程造價(jià)。但由于該地區(qū)春融期晝夜溫差及季節(jié)溫差較大，路堤邊坡處于凍融循環(huán)狀態(tài)，易發(fā)生穩(wěn)定性破壞，因此須對(duì)邊坡采取加固措施。

1 路堤邊坡破壞形式

冬季，路堤邊坡表層部分凍結(jié)膨脹，發(fā)生變形;初春時(shí)該部分逐漸融化;初春時(shí)白天氣溫升高，凍結(jié)土層部分融化，夜晚氣溫降至零度以下，融化的土體又重新凍結(jié)。這樣每年凍融循環(huán)、初春時(shí)晝夜凍融交替，路堤邊坡內(nèi)部易形成最不利滑動(dòng)面，邊坡的破壞形式主要表現(xiàn)為土體沿最不利滑動(dòng)面下滑，從而引起邊坡的穩(wěn)定性破壞。

2 路堤坡面破壞的影響因素及機(jī)理分析

2.1 影響因素

非凍土地區(qū)路堤邊坡的穩(wěn)定性主要受填土容重、黏聚力、內(nèi)摩擦角、邊坡高度等因素的影響，而凍土地區(qū)路堤邊坡穩(wěn)定性除受以上因素影響外，還以環(huán)境溫度作為主要影響因素［1］。

不同路堤填料土的容重、黏聚力、內(nèi)摩擦角有很大差異，故填料性質(zhì)對(duì)路堤邊坡穩(wěn)定起著重要作用，春融期黏性土填料的邊坡穩(wěn)定性小于砂類土及礫石類土填料的邊坡穩(wěn)定性;路堤邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)隨著坡度的增加而降低，且降低的速率隨著坡度的增加而變緩［1］。

2.2 機(jī)理分析

冬季時(shí)，路堤處于凍結(jié)狀態(tài)，填土中的未凍水沿著溫度降低的方向遷移，在溫度高的土體范圍內(nèi)，因?yàn)槲磧鏊繙p少而破壞了該土體范圍內(nèi)冰水之間的熱力平衡，導(dǎo)致了未凍水向冰方向的水分遷移［2］，使未凍土的含水量低于初始含水量，而凍土的含水量高于初始含水量。這說明土體中的水分正在重新分布，水分從未凍土中向凍土中遷移，從而在路堤內(nèi)形成熱平衡狀態(tài)。此時(shí)，路堤凍結(jié)部分的土體體積增大，其凍脹系數(shù)隨著粉黏粒含量的增加而增大。

春季來臨，路堤坡面積雪融化，路堤土也將發(fā)生從外部向內(nèi)部的融化，路堤內(nèi)凍土的熱平衡狀態(tài)將發(fā)生變化，導(dǎo)致路堤坡面表層的土體處于飽和狀態(tài)。溶解的水被凍結(jié)土層阻擋，這樣在融化土體與凍結(jié)土體間形成滯水潤滑界面［3］。此時(shí)融化部分的土體的容重、黏聚力及內(nèi)摩擦角遇夏季時(shí)發(fā)生很大變化:土體含水量增大，黏聚力及內(nèi)摩擦角均減小，抗剪強(qiáng)度降低［4］，易產(chǎn)生沿著與凍結(jié)土體間的滯水潤滑界面的滑動(dòng)。

3 設(shè)計(jì)加固措施

鑒于季節(jié)性凍土區(qū)春融期高路堤坡面破壞的特點(diǎn)，可采用降低邊坡坡率的方法增加邊坡穩(wěn)定性，但此舉會(huì)增加土石方及工程占地，不利于當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的保護(hù)。而土工格柵具有很高的抗拉強(qiáng)度及很低的屈服伸長率，且具有較好的耐酸堿、耐腐蝕、抗老化、抗低溫等性能，能滿足不同結(jié)構(gòu)、不同部位的使用要求［5］。用于加固路堤邊坡時(shí)，不易發(fā)生網(wǎng)眼破壞和變形，通過網(wǎng)眼與土體之間的嵌鎖、咬合作用及網(wǎng)面的摩阻力對(duì)土體產(chǎn)生的拉力，限制了土體在壓實(shí)過程中的側(cè)向滑移，大大增強(qiáng)土體的自立穩(wěn)定，而且土工格柵使土體的內(nèi)部不能形成貫通的剪切滑動(dòng)面，從而增強(qiáng)了土體的抗剪切能力［6］。

3.1 穩(wěn)定性分析

采用圓弧滑動(dòng)法(Bishop法)［7］對(duì)路堤高度為12 m、坡率為1∶1.5、填料為粉土的路堤邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，路堤填料未凍結(jié)時(shí) c=15 kPa，φ=21°，γ=19 kN/m3，含水量w=10%，經(jīng)計(jì)算最小安全系數(shù)為1.18，且最不利滑動(dòng)面不在凍結(jié)影響厚度范圍內(nèi)，滿足相關(guān)規(guī)范要求，見圖1。

圖1 穩(wěn)定性檢算結(jié)果(Ks=1.18)(單位:m)

春融時(shí)，由于積雪及邊坡表層土體的融化，路堤邊坡含水量增大接近飽和，黏聚力及內(nèi)摩擦角均減小，根據(jù)文獻(xiàn)［4］的研究，黏聚力降至約c=6 kPa，內(nèi)摩擦角降至約φ=16°，最不利滑動(dòng)面存在于融化土體與凍結(jié)土體間的滯水潤滑界面。采用圓弧滑動(dòng)法對(duì)凍結(jié)影響范圍內(nèi)的土體進(jìn)行穩(wěn)定性檢算，得出最小安全系數(shù)為0.90，最不利滑動(dòng)面接近氣候影響層線，見圖2。因此必須對(duì)凍結(jié)影響范圍內(nèi)的土體進(jìn)行加固。

圖2 穩(wěn)定性檢算結(jié)果(Ks=0.90)(單位:m)

3.2 確定土工格柵的鋪設(shè)層數(shù)

所需土工格柵總拉力TS(單寬)按式(1)［8］計(jì)算

式中 TS——所需土工格柵總拉力，kN/m;

Ksr——加筋土路堤邊坡最小安全系數(shù)，取1.3;

Ks——未加筋路堤邊坡最小安全系數(shù);

M0——未加筋路堤邊坡滑面對(duì)應(yīng)的滑動(dòng)力矩，kN·m;

D——對(duì)應(yīng)于每一滑面的TS相對(duì)于滑動(dòng)圓心的力臂，m，TS的作用點(diǎn)可設(shè)定在坡高的1/3處。

由上述穩(wěn)定性檢算可知 M0=272×34.4=9 357 kN·m，其中272 kN為下滑力。故

所需土工格柵的層數(shù)

式中 Ta——土工格柵每延米的抗拉強(qiáng)度，取 Ta=35 kN。

3.3 確定土工格柵的寬度

可根據(jù)式(3)［9］確定土工格柵的錨固長度

式中 Le——土工格柵的錨固長度，m;

Fs——抗拔穩(wěn)定安全系數(shù)，取2.0;

σ0——作用在某層土工格柵上的土壓力，按自重應(yīng)力計(jì)算，kN;

fGs——土工格柵與填土的摩擦系數(shù)，取 fGs=0.8fs=0.8tanφ。

則土工格柵的寬度L=La+Le，見圖3，La為非錨固區(qū)土工格柵的長度。

圖3 土工格柵寬度示意

由于最危險(xiǎn)滑動(dòng)面接近氣候影響層線，亦可根據(jù)《鐵路路基土工合成材料應(yīng)用設(shè)計(jì)規(guī)范》按式(4)［10］確定土工格柵的寬度

式中 L1——?dú)夂蛴绊憣雍穸龋琺;

L2——土工格柵的錨固長度，一般取 0.5～1.0 m。

根據(jù)前述最大季節(jié)凍土深度，氣候影響層厚度約為3.5 m，土工格柵的錨固長度取0.5 m，土工格柵的鋪設(shè)寬度L=3.5+0.5=4.0 m。

3.4 邊坡加固措施

(1)路堤基床填筑非凍脹性的A或B組填料。

(2)路堤邊坡采用直線形，邊坡坡率采用1∶1.5。

(3)路堤兩側(cè)邊坡平鋪土工格柵，從地面0.3 m起每填筑高0.8 m路堤兩側(cè)邊坡鋪設(shè)一層4.0 m寬的土工格柵，直至基床表層下。格柵每幅縱向搭接寬度不小于0.3 m。為防止土工格柵外露而加速老化，格柵邊緣距邊坡坡面的距離保持0.1 m，見圖4。

圖4 土工格柵加固路堤邊坡示意(單位:m)

4 結(jié)語

在北疆季節(jié)性凍土地區(qū)采用土工格柵加固路堤高邊坡，具有施工方便快捷，操作簡(jiǎn)單，節(jié)約用地，工程造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，但邊坡坡率、坡高、填土性質(zhì)、土工格柵的技術(shù)參數(shù)及布設(shè)形式等諸多因素都影響著路堤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮各個(gè)因素，經(jīng)反復(fù)計(jì)算和比較，充分發(fā)揮土工格柵的工程特性，達(dá)到既保證路堤邊坡穩(wěn)定又降低工程造價(jià)的目的。

［1］徐學(xué)燕，馬元順，李治國.季節(jié)性凍土地區(qū)路堤邊坡穩(wěn)定性影響因素研究［J］.低溫建筑技術(shù)，2010(1):86-87.

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［4］邊加敏，王保田.含水量對(duì)非飽和土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響研究［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2011，7(1):17-21，43.

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［9］中華人民共和國交通部.JTJ/T109—98 公路土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，1999.

［10］中華人民共和國鐵道部.TB10118—2006 J532—2006 鐵路路基土工合成材料應(yīng)用設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2006.