黃土路塹高邊坡橫斷面形式研究

張天賜

摘 要：由于黃土的特殊性，結合20 m以上高路塹邊坡斷面形式的系統研究較少，設計方案缺乏理論性指導。結合實際工程，采用數值分析軟件，建立不同工況模型，對比分析綜合邊坡坡率、開挖斷面面積與安全系數之間的關系，結合潛在破裂面遷移規律闡釋結構形式安全系數變化機理，為類似工程提供參考。

關鍵詞：黃土地區;路塹高邊坡;橫斷面形式;綜合邊坡坡率;安全系數

中圖分類號：U416 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）23-0120-03

Abstract： Due to the particularity of loess， there are few systematic studies on the section form of high cut slope above 20 m， and the design scheme lacks theoretical guidance. Combined with the actual project， numerical analysis software was used to establish models under different working conditions， and the relationship between comprehensive slope ratio， excavation section area and safety factor was compared and analyzed. Based on the migration law of potential fracture surface， the variation mechanism of safety factor of structural form was explained， which can provide reference for the construction of similar projects.

Keywords： loess region;cutting high slope;cross section form;comprehensive slope ratio;safety factor

在黃土地區修建鐵路時，不可避免地會遇到很多路塹邊坡[1-2]。黃土具有特殊的裂隙性、水敏性等，開挖后既有的應力平衡狀態遭到破壞，呈現應力重分布現象，容易造成坡頂開裂、土體內部節理張裂或應力集中現象，影響邊坡的穩定性。國內外學者對之開展了較多的研究，積累了工程設計和施工經驗，形成了相關規范，但主要局限于邊坡高度小于20 m的工況，對于20 m以上的高邊坡的設計標準多為推薦標準。有關黃土路塹高邊坡斷面形式的系統研究較少，設計方案缺乏理論性指導[3-5]。綜合分析，黃土地區高路塹邊坡斷面形式設計需要確定坡高、邊坡坡比、臺階寬度及工程措施之間的合理匹配，保證開挖完成后的高邊坡穩定性及受力合理性[6-9]。

結合黃土路塹高邊坡實際工程，基于物理力學參數，采用數值分析軟件，建立不同工況模型，對比分析綜合邊坡坡率、開挖斷面面積與安全系數之間的關系，結合潛在破裂面遷移規律闡釋結構形式安全系數變化機理，為類似工程提供參考。

1 工程概況

該黃土路塹邊坡屬于蘭州至張掖三四線鐵路，邊坡上層巖性為第四系上更新統風積砂質黃土，具有嚴重的濕陷性，下層為第三系上新統泥巖。其中：砂質黃土為灰黃色，粉粒，中密，稍濕，Ⅱ級普通土，分布于梁峁地表，厚度大于60 m;泥巖為棕紅色，泥質膠結，中厚層狀構造，巖體較完整，巖質較軟，Ⅳ級軟石。

2 有限元模型的建立

采用GeoStudio有限元軟件中的SLOPE/W模塊，結合《鐵路特殊路基設計規范》（TB 10035—2018）[10]和圖1，基于該區域降雨量為300～500 mm的情況，邊坡每級設置為10 m，邊坡高度取42 m，坡頂距離左側邊界25 m，坡底距離邊坡右側邊界25 m，總厚度62 m，模型中黃土為均質材料。本構模型采用摩爾-庫倫模型，其中土體容重為16.0 kN/m3，內摩擦角為21.0 °，粘聚力為35.0 kPa。本次模型分析共采用9組工況，具體參數見表1。

3 結果分析

3.1 各工況條件下計算結果研究

各工況條件下綜合邊坡坡率、安全系數和開挖斷面面積值見表2。分析可知：綜合工況1～工況7，隨著平臺寬度的增加或邊坡坡率變緩，邊坡整體穩定性逐漸增加，與工況1相比，工況2、工況3、工況4、工況5邊坡的安全系數分別增加了7.98%、16.12%、-2.06%、-11.84%，開挖斷面面積分別增加了15.05%、30.10%、-9.35%、-33.74%;當設置寬平臺、邊坡中部設置大平臺時，工況6和工況7與工況1相比，安全系數分別增加了10.89%和10.29%，開挖斷面面積分別增加了19.92%和17.70%;當邊坡中部大平臺上部設置陡邊坡時，工況7和工況8與工況1相比，安全系數分別增加了1.03%和6.60%，開挖斷面面積分別增加了6.53%和13.72%。

結合綜合邊坡坡率、開挖斷面面積隨安全系數的變化規律（見圖2）可知：隨著安全系數的增加，綜合邊坡坡率呈降低趨勢，開挖斷面面積呈上升趨勢;綜合邊坡坡率變化率隨安全系數的增加先增加后減小，開挖斷面面積變化率也隨安全系數的增加先增加后減小;工況9與工況2相比，設置了寬大平臺，同時平臺上部設置了陡邊坡，開挖斷面面積降低了1.15%，但安全系數下降了1.27%，不滿足設計規范要求。

3.2 邊坡破壞形式研究

圖3為工況3和工況5下邊坡安全系數分布云圖。對于工況3，最小安全系數為1.354。對于工況5，最小安全系數為1.028。兩種工況下，潛在破裂面出口均通過坡腳。工況3潛在破裂面曲線半徑大于工況5，且由于單級邊坡坡度變緩，工況3單級邊坡位置安全系數明顯高于工況5。

在實際工程中發現，當按照規范要求設置寬大平臺時，坡面生長植物會阻礙雨水下流，同時冬季容易積雪造成入滲，導致平臺后緣土體懸空前緣沖毀。寬大平臺處是邊坡的薄弱面，因此階梯型邊坡應盡量設置小平臺邊坡。分析結果顯示，設置小平臺邊坡會使安全系數降低，因此可在保證安全系數的前提下，設置小平臺緩邊坡的邊坡結構形式。

4 結語

基于黃土的特殊性，針對實際高路塹邊坡工程，采用GeoStudio有限元軟件中的SLOPE/W模塊建立9組工況模型，對比分析綜合邊坡坡率、開挖斷面面積與安全系數之間的關系，闡釋結構形式安全系數變化機理，結合實際工況，提出設置小平臺緩邊坡的邊坡結構型式，從而為類似工程提供參考。

參考文獻：

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