滑坡及高邊坡區高速鐵路路基設計風險分析

姚裕春 魏永幸 李安洪

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

滑坡及高邊坡區高速鐵路路基設計風險分析

姚裕春 魏永幸 李安洪

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

我國西部艱險山區通常山高谷深并存在大量的地質災害，其中主要以滑坡及高邊坡失穩為主。滑坡及高邊坡失穩會給鐵路造成巨大的損失，但在西部山區要完全繞避滑坡及高邊坡是難以實現的，故開展滑坡及高邊坡區高速鐵路路基設計風險分析具有重要意義。西部復雜艱險山區是地質構造運動活躍的地區，山地環境系統的動態演變對滑坡及開挖高邊坡的穩定具有持續的不利影響；滑坡及開挖邊坡體在外界擾動和水入滲情況下會發生損傷演變，當其處于損傷后期階段時，需要提高安全儲備進行工程加固；滑坡及開挖高邊坡演化是一個動態過程且具有自組織特性，開挖高邊坡過程中應及時采取措施阻止坡體自組織過程的形成，路基工程應盡量避免通過處于非平衡非線性區的滑坡體。研究成果可應用于山區鐵路路基設計，特別是西部山區高速鐵路路基工程設計。

滑坡； 高邊坡； 路基工程； 風險分析

我國西部艱險山區通常山高谷深并存在大量的地質災害，其中主要以滑坡及高邊坡失穩為主。鑒于滑坡及高邊坡失穩會給鐵路造成極其巨大的損失，在滑坡及高邊坡區進行鐵路選線原則上應從源頭上繞避邊滑坡災害[1-2]，但在我國山區特別是西部山區要完全繞避滑坡及高邊坡是難以實現的。特別是西部山區的高速鐵路建設，需要選擇更高標準的線路平、縱斷面，一旦出現大的邊滑坡路基災害，線路難以修復搶通，局部改線困難或改線長度較大，為此付出的工程代價也將十分巨大。

目前山區高速鐵路相應的技術積累十分薄弱，很多具體的操作仍然基本停留在經驗的層面上，還缺乏科學的評價體系和方法，可見在現代設計方法及概念的框架下，開展滑坡及高邊坡區高速鐵路路基設計風險分析具有重要意義。論文分別分析了西部山區地球大環境及滑坡和開挖高邊坡小環境演變對鐵路路基存在的影響風險，從而提出鐵路路基設計建議。

1 山地環境系統對滑坡及開挖高邊坡影響分析

山地環境系統的演變及山地環境災害受地球內外動力耦合作用影響[3]，我國西部是地質構造運動活躍的地區，地球內外動力耦合作用對區域內的山地環境演變和山地環境災害作用明顯，同時西部艱險山區受地質構造影響，地質環境十分脆弱，邊滑坡工程受山地環境系統的影響較大。

1.1 地球內外動力對山地環境的作用

地球的動力系統一般分為內動力作用和外動力作用兩類，即地球動力系統由構造動力系統和地表外營力系統兩大部分組成，這是創造和改造地球表層特征的兩大動力系統[4]，根據文獻[4]可以得到主要影響我國西部地區的內外動力系統關系如圖1所示，這兩種內外動力作用也可稱為山地動力系統。在我國西部地區，無論是地質災害還是工程活動促發的山地災害，其過程均可能是地球內外動力耦合作用的產物。地球內動力作用的結果是使表層山體或松散覆蓋層發生變形，并在外動力作用下得到加強；外動力的作用是使山地夷平，使山地內能釋放。

圖1 地球動力系統關系圖

1.2 山地動力系統組成及相互關系

山地動力系統由山地風化營力系統、山地水文動力系統、山地重力動力系統、山地阻力系統和構造動力系統組成，其相互關系與影響如圖2所示。

山地風化營力系統主要由物理、化學和生物作用形成的各種營力組合，其包括溫差變化引起的膨脹力、水綜合作用產生的化學溶蝕力等；山地水文動力系統指液態水和固態水對山地坡體產生的各種力，液態水對坡體沖刷產生磨蝕力，水入滲到坡體內部，增加坡體容重，減小坡體抗剪強度，固態水形成冰川運動對山地坡體產生侵蝕、撞擊等；山地重力動力系統使坡體在潛在滑動面上的下滑力增大，在重力動力系統作用下使坡體發生變形和破壞；構造動力系統使山地隆升，加大地表物質的重力作用和水流的下切侵蝕與搬運作用[3]。

1.3 山地動力系統對滑坡工程的影響

艱險山區特別是西部山區地球內動力作用持續且明顯，內動力作用驅動地殼運動，并導致地球表層山體或松散覆蓋層的變形，在其影響下外動力作用往往得到增強。山地動力系統對滑坡體的影響可表現為[5]：(1)滑坡體變得更加松馳，使風化營力系統作用更加強烈；(2)減小了山地阻力系統作用；(3)松馳滑體裂隙更加發育，水的入滲更加容易，增加了滑坡體的山地重力動力系統作用。故山地動力系統的持續作用對滑坡體的長期穩定性具有不利影響。

1.4 邊坡開挖對山地動力系統的影響

據統計，世界上邊坡(滑坡)災害的75%以上與人類工程活動有關，其中由邊坡開挖引起的環境災害占據大部分，有的邊坡環境災害是在邊坡開挖過程中或開挖后不久就發生，很快形成“工程—災害—工程”災害鏈；另外的環境災害是在邊坡開挖一定時間后才發生，這時邊坡開挖對環境造成的是中長期影響，形成“工程—環境惡化—災害—工程”災害鏈。

山地環境演化影響了山地邊坡環境的演化進程或引發山地邊坡環境地質災害，邊坡開挖對山地動力系統或動力系統作用環境的影響主要表現在以下幾個方面：(1)開挖坡體受擾動影響，坡體特別是淺層坡體結構疏松，使風化營力作用更加強烈；(2)影響山地水文動力系統，開挖坡體失去表層硬殼、植被，結構變差，增加了水的沖刷、侵蝕作用，擾動區為水的入滲提供了良好通道，水入滲可產生靜水壓力或動水壓力，冬季冰凍更增加了坡體結構的破壞；(3)影響山地重力動力系統，邊坡開挖增加坡體的重力勢能，如果水入滲，則增加了坡體容重，增大了坡體在潛在滑動面的下滑力；(4)影響山地阻力系統，坡體松弛，抗剪強度降低，水入滲強度參數進一步下降，抗破壞阻力繼續減小，開挖坡體坡面抗沖刷作用降低。邊坡開挖對山地邊坡環境影響如圖3所示[5]，其造成結果是使山地邊坡環境向不穩定演化加劇，使坡體環境對外力作用影響更加敏感。

圖3 邊坡開挖對山地動力系統的影響

從上述山地動力系統對滑坡及開挖邊坡的影響分析表明：復雜艱險山區特別是我國西部山區是地質構造運動活躍的地區，山地環境演變及山地環境災害表現明顯，地球內外動力耦合作用是主要因素，其對滑坡及開挖邊坡的穩定具有明顯且持續的不利影響。

2 滑坡及邊坡體演變損傷分析

2.1 擾動對滑坡及邊坡體損傷分析

對于開挖的高邊坡由于開挖應力松馳，會形成一個強擾動區。滑坡體或開挖坡體在應力松弛影響下，坡體單元的孔隙和微裂縫會擴展或演變，當應力松弛到一定程度，宏觀裂紋形成或邊坡土體結構發生明顯損傷，則可用損傷力學有關理論分析應力松弛對邊坡單元的損傷影響。

變形模量是邊坡巖土體受卸荷影響產生變形或發生破壞程度大小的一個重要參數，同時又能綜合反映邊坡土體的各種參數，因此可以采用邊坡巖土體的變形模量來進行邊坡巖土體的損傷演變分析[5]，即

D=1-E′/E

(1)

式中：E′——受損狀態的變形模量；E——基準損傷狀態的變形模量。

不同的圍壓大小可以反應邊坡巖土體的不同擾動影響程度，因此可以分析不同圍壓條件下巖土體變形模量的變化情況，計算出巖土體的損傷變量D[5]。結果表明：邊滑坡體在擾動初期(卸荷程度較低)的損傷較快發展，擾動中期(卸荷程度較大)的損傷緩慢發展，擾動后期(卸荷程度很大，以至完成卸荷)的損傷迅速發展，如圖4所示，并通過離心模型試驗得到了驗證。

圖4 損傷變化趨勢

2.2 水入滲對滑坡及邊坡體損傷分析

水的入滲也是影響滑坡及邊坡體穩定和變形的重要原因。水的入滲既增加了邊滑坡體的重量，又降低了邊滑坡體的強度參數，從而不利于邊滑坡體的穩定，這種影響可以從土體微觀單元的粘塑性模型及損傷力學的角度進行分析。

(1)水入滲邊坡土體微觀單元的粘塑性模型

邊坡巖土體一般均為天然沉積，都有一定的結構性和結構強度。膠結強度是形成邊坡巖土體特別是土質邊坡結構強度的主要原因之一。對于土質邊坡，土顆粒表面帶有一層結合水膜，顆粒之間通過結合水膜聯結，這是土質(特別是粘土)邊坡內聚力和流變的根源。隨著水的入滲和地下水的作用，由于水中的離子交換，引起土顆粒雙電層結合水膜的變化，而結合水膜的厚薄關系到土顆粒之間的接觸膠結強度，從而影響土體的強度參數。

土顆粒在結合水的作用下具有粘滯性和塑性變形特征，采用Bingham粘塑性模型，按Drucker-Pranger屈服準則，由下式計算屈服函數[6]。

(2)

其中J2=[(σ1-σ2)2+(σ2-σ3)2+(σ3-σ1)2]/6

σm=(σ1+σ2)/2。

對于每個單元逐一判斷F是否小于0，若F<0，則該單元處于粘彈性階段，否則為粘塑性階段。

當該單元進入粘塑性階段，采用相關聯的流動法則，粘塑性應變率為：

(3)

式中：F0——使系數無量綱化，對屈服函數F取用的任意參考值，可取1；

η——粘滯系數；

[P]、[Q]——系數矩陣，對于平面應變問題有

(4)

由式(2)和不同含水量對土體的強度參數c、φ的影響[7]可以看出，隨含水量的增大(水入滲增加)，土體強度參數特別是粘聚力c降低幅度較大，土體單元屈服函數F將迅速大于0，進入粘塑性階段。

由式(3)可以看出，隨含水量的增大，土體強度參數(特別是粘聚力c)降低，粘塑性應變率增大，當含水量增大到一定程度后，由于c、φ降低幅度減小，土體單元的粘塑性應變率變化趨于緩慢增長。

(2)水入滲土邊坡破壞損傷分析

圖5 土體含水量與損傷變量

地表水(降雨)入滲使邊坡土體含水量增加，土體中孔隙水應力增大，土體強度降低，土顆粒間結構會發生變化(受損)，損傷力學有關理論的引入，可以研究結構性土體受損后的力學行為。通過對試驗邊坡采用土體變形模量，利用式(4)進行土體強度損傷演變分析[5]。分析結果表明：初始階段隨著含水量的增加，土體損傷積累很快(土體中膠結物質破壞，土結構發生變形)，然后緩慢的增長，當達到一定程度后損傷變量發生突變(這時土體結構性完全喪失)，隨含水量繼續增大，損傷不再發展，達到損傷極值(土體粘聚力c很低)，如圖5所示。隨含水量的不同，邊坡存在材料破壞(拉裂縫破壞)和幾何破壞(滑塌破壞)兩種破壞形式。說明邊滑坡體在水入滲較小的情況下，其變形主要以形成拉裂變形為主，水入滲到一定程度后，邊滑坡體就可能發生突然滑塌破壞。

滑坡及邊坡體的演變損傷分析表明：滑坡及邊坡體在受到擾動或雨水入滲影響的情況下，其坡體會發生損傷演變，且其損傷演變一般可分為3個階段，分別是初期的快速損傷、中期的損傷緩慢發展及后期的快速損傷或突變。對于滑坡體而言，應判斷出其所處的環境狀態及當前所處的損傷狀態，滑坡治理才更加具有針對性。當滑坡體處于中期損傷末段或后期損傷階段，例如滑體松散且含水量較大甚至飽和，其極可能發生損傷突變形成滑坡災害。鐵路選線時，應以繞避為主，滑坡加固治理須充分考慮損傷突變的影響，即應提高設計安全儲備，而不能以當前極限狀態的滑坡參數進行加固治理設計。對于汶川地震后西部山區形成的大量松散、飽水滑坡體加固時應予以高度重視。對于開挖高邊坡而言，應采取及時開挖及時支護的理念，避免開挖邊坡體處于損傷演變平衡區的后階段，從而不利于邊坡的穩定。

3 滑坡及邊坡體演化的自組織特性分析

3.1 滑坡及邊坡體演化的自組織特性

黃潤秋等人研究表明，滑坡及邊坡體的演化具有自組織特性[8-9]，當滑坡及邊坡體的不利下滑力逐漸增大時，滑坡及邊坡體的變形與下滑力逐漸呈非線性關系，滑坡及邊坡體的自組織過程也逐漸形成，從而造成滑坡及邊坡體的失穩，形成滑坡及邊坡環境災害。滑坡及邊坡體在外界擾動或開挖過程中介質力學特性的非線性，必然導致其變形破壞過程也呈現出非線性，滑坡及邊坡體會形成累進性破壞，變形也從等速的線性變為加速的非線性，即滑坡及邊坡體演化具有自組織特性。

滑坡體或天然邊坡，在擾動或雨水入滲的影響下，巖土體本身具有的平衡結構會受到嚴重干擾。當外界影響強度較小時，邊坡巖土體可以通過自身自動地調整應力和變形，以達到平衡；當外界的擾動過大時，巖土體的自身調節能力受到限制，巖土體就會逐漸由穩定狀態向失穩狀態發展，這種演化一般要經過3個階段：平衡態→近平衡態→遠離平衡態。

3.2 滑坡及邊坡體演化的自組織特性定量描述

滑坡及邊坡具有的這種非線性特性和自組織特性可以采用耗散結構理論進行描述[8-9]：

σ=∑Jk×Xk≥0

(5)

式中：σ——局域熵；Jk——第k種變形；Xk——第k種不利下滑力。

系統總的熵為：

P=∫vσdv

(6)

式中：v——滑坡及邊坡的總體積。

當滑坡及邊坡系統處于平衡區時

σ=0Jk=0Xk=0

(7)

即平衡區的變形和不利下滑力均為零，但當系統離開平衡區時，變形就會發生。

由上述分析知，變形肯定是不利下滑力的某種函數，假定變形Jk是邊坡體系中不利下滑力({Xi} =X1，X2，X3…，Xn)的函數

Jk=Jk({Xi})

(8)

對式(8)作Taylor展開，有

(9)

如果系統偏離平衡區很小，不利下滑力{Xi}較小，在式(9)中的高階項可以忽略，式(9)可簡化為

(10)

其中：

(11)

此時變形與不利下滑力呈線性關系。

在邊坡演化的滑面形成過程中，邊坡開挖強度或擾動的加大，相當于不利下滑力增大。潛在滑面逐漸形成時，滑面抗阻力與滑體下滑力相比逐漸減小，當不利下滑力增大到某一閥值時，式(9)中的高階項就必須考慮，此時變形與不利下滑力呈非線性關系，系統逐漸遠離平衡區狀態。將滿足式(9)非線性關系的非平衡區稱為非平衡非線性區，只有在非平衡非線性區，滑坡及邊坡體的自組織特性才會出現。滑坡及邊坡體的變形與演化時間關系如圖6所示。

圖6 滑坡及邊坡演化曲線圖

姚裕春等人[5,10]進行了外界擾動及開挖對邊坡不可逆力的力學影響分析，分析了開挖深度變化、開挖坡度變化、擾動及降雨等對邊坡不可逆力的力學影響，認為開挖深度越大、開挖坡度越陡、擾動及降雨的作用，邊坡不利下滑力均會迅速的變大，且影響逐漸向非線性發展，故會導致邊坡體變形迅速增大，會加速邊坡體自組織過程的形成。此外，還通過信息熵的原理，把外界擾動對邊坡自組織過程影響進行了定量計算，提出了滑坡及邊坡工程災害的防治對策。

陳國慶等人[11]研究了基于動態和整體強度折減法的邊坡穩定性分析，結果表明邊坡及滑坡的破壞是一個動態漸進失穩的過程，其穩定性系數存在急劇變化的過程。這與邊坡巖土體損傷規律及邊滑坡演化自組織性特性具有相同的屬性。

滑坡及邊坡自組織特性分析表明：滑坡及邊坡體演化具有自組織特性，演化后期邊滑坡的受力與變形將出現非線性關系。鐵路選線應避免通過處于非平衡非線性區的滑坡體，開挖高邊坡應及時采取有效措施控制邊坡體不利下滑力的增大，即阻止邊坡體自組織過程的形成，從而避免邊坡體的失穩破壞。

4 結論

滑坡及開挖高邊坡區路基設計風險分析結果表明：

(1)復雜艱險山區特別是我國西部山區是地質構造運動活躍的地區，山地環境演變及山地環境災害表現明顯，地球內外動力耦合作用是主要因素，其對滑坡及邊坡體的穩定具有明顯且持續的不利影響。

(2)滑坡及邊坡體在受到擾動或雨水入滲影響的情況下，其坡體會發生損傷演變。對于滑坡體處于中期損傷末段或后期損傷階段，鐵路選線應以繞避為主，滑坡治理應提高設計安全儲備；對于開挖高邊坡，應貫徹及時開挖、及時加固防護的理念，避免開挖邊坡體演化到損傷平衡區的末期。

(3)滑坡及邊坡體演化具有自組織特性，鐵路選線應避免通過處于非平衡非線性區的滑坡體；開挖高邊坡應及時采取有效措施控制邊坡體不利下滑力的增大，阻止邊坡體自組織過程的形成，從而避免邊坡體的失穩破壞。

(4)西部山區邊滑坡演化及失穩是一個動態漸進的過程，工程勘察須根據其所處的不同演化階段，提出合理的地勘建議參數，工程設計也應根據不同演化階段采用不同的安全儲備。

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(編輯：劉會娟 劉彥琳)

Risk Analysis for High Speed Railway’s Subgrade Design in Landslide and High Slope Areas

YAO Yuchun WEI Yongxing LI Anhong

(China Railway Eryuan Engineering Group Co., Ltd., Chengdu 610031, China)

Due to deep valleys and steep mountains of west China, massive geological disaster is distributed in the complex dangerous mountain areas, mainly of which exist as landslide and stable high slope. The disaster of landslide or high slope can cause a very large loss to railway. Yet it is impossible to completely avoid the landslide and high slope for railway’s construction in west China. So it is very significant to carry out risk analysis for high speed railway’s subgrade designing in landslide and high slope areas. The complex dangerous mountain areas of west China is in the most tectonically active regions. Evolution and disaster of mountain environment obviously and continuously affected by the dynamic systems of the earth, thus it has adverse impact to landslide and high slope. The landslide and high slope will occur damage evolution when disturbed by out force and affected by surface water infiltrating. When the landslide and high slope in the later stage of damage evolution, a more safe provision of landslide and high slope should be adopted.Evolution of landslide and high slope behaves as self-organization characteristics with dynamic process, for which measures should be taken timely. The subgrade shall not be built though the landslide in non-equilibrium and nonlinear region. The research results can be applied in the railway's subgrade design in mountainous areas, especially for high speed railway of mountainous areas.

landslide; high slope; subgrade engineering; risk analysis

2016-06-27

姚裕春(1974-)，男，教授級高級工程師。

中國鐵路總公司科研資助(2014G004)

1674—8247(2016)06—0001—06

U213.1+3

A