某山區高速鐵路橋基高陡邊坡穩定性分析及設計方案

摘要 以某山區高速鐵路橋基右側高陡邊坡工程為例，根據邊坡工程地質條件，通過現場調查和工程地質分析，確定邊坡破壞可能發生的位置以及形式，并選擇代表性斷面對幾種潛在破壞位置進行穩定性分析，選擇安全系數最小的破壞形式，對其進行加固設計后的穩定性分析，最終選定加固方案，以期為以后鐵路工程中處理類似問題提供一定的參考。

關鍵詞 高陡邊坡;穩定性分析;邊坡加固

中圖分類號 TU457 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）06-0138-03

引言

近年來，由于我國鐵路建設的蓬勃發展，很多鐵路項目在山區修建，而在山區鐵路建設中存在著大量高陡邊坡。高陡邊坡的穩定性分析是巖土工程中相關課題研究的主要方向，它覆蓋鐵路、水利水電、礦山、公路等眾多工程建設領域，如何對高陡邊坡的穩定性進行合理、正確的分析評價，進而采取合理的邊坡防護措施，直接影響工程建設推進和人民的生命財產安全[1-4]。

1 工程概述

該橋某墩右側邊坡陡峭，邊坡最大高差約112 m。橋墩右側山體表覆第四系殘積粉質黏土，坡體植被覆蓋茂密，坡面植被被砍伐后，第四系松散層裸露，雨水沖刷、施工開挖易引起第四系松散層溜塌，施工過程中存在安全隱患。為保證橋基工程的安全，消除施工及運營期間的安全隱患，需對該高陡邊坡采取防護加固措施。

2 工程地質條件

2.1 地形地貌

橋址區地處山丘陵夾丘間谷地，地勢呈西北高，東南低，坡長約150 m，橫向影響范圍約60 m，邊坡最大高差約112 m，坡度約40°，覆蓋茂密植被，坡面以竹子、松樹、雜草為主。

2.2 地形地貌

谷地表層為（Q4al+pl）細圓礫土，褐黃色，厚約0.0～

1.0 m，顆粒以板巖為主，圓棱狀;丘坡表層為（Q4el+dl）粉質黏土、細角礫土。粉質黏土，褐黃色，硬塑，厚約0.0～

1.0 m;細角礫土，灰褐色，稍密，顆粒以板巖為主，尖棱狀，厚約1.0～2.5 m。

下伏基巖為（Ptb）板巖，強～弱風化。強風化為灰褐色，節理裂隙發育，巖體破碎，呈塊狀，層厚約為3.0～

13.5 m;弱風化為青灰色，節理裂隙較發育，巖體較破碎。巖層產狀為：10°∠75°。

2.3 地質構造

該地區屬華南地震區中的銅陵-揚州地震帶，基本不存在孕震構造，地震活動不頻繁、也不強烈，處于低烈度區，有感地震大部分是受來自外圍地區中強地震的影響，區域穩定性較好，未見明顯地質構造痕跡。

3 邊坡穩定性分析

3.1 計算軟件及計算方法

計算軟件為Slide邊坡穩定性分析軟件，計算方法為Morgenstern-Price法和簡化Bishop法。簡化Bishop法進行穩定性分析時適用于破壞滑動面為圓弧形，且對于近似圓弧形的滑動面也可以進行穩定性分析，分析時假設條塊間作用力只有法向力沒有切向力，得到的安全系數比瑞典條分法略高。Morgenstern-Price法假設條塊間的作用力都為非零值。條塊間剪切力和法向力的合力作用角度對于各條塊是變化的。Morgenstern-Price法滿足了所有三個平衡方程——水平和豎直方向上的作用力平衡方程以及力矩平衡方程，適用于任意形狀滑動面。

3.2 破壞位置和形式

結合現場踏勘、地質勘察報告及穩定性評價報告進行研究，初步判定該處邊坡破壞可能發生的位置和形式有以下3種：

（1）粉質黏土內部發生圓弧形破壞。

（2）土石分界處發生折線形破壞。

（3）強～弱風化巖層分界處的折線形破壞。

3.3 參數選擇

穩定性計算參數的選取主要依據以下4個方面：相關經驗、參數反算、現場試驗和室內試驗，計算指標原則上應以現場試驗及室內試驗成果為準。

相關經驗是指采用工程類比法，借鑒已實施工程中類似的相關指標數值、經驗數據，類比選取當前工程的計算參數;參數反算是結合當前邊坡的變形狀態，推測邊坡的穩定狀態或安全系數，通過數值反分析得到邊坡穩定性計算參數;現場試驗是指通過現場大型剪切試驗，或者利用地質勘探孔實施孔內現場剪切試驗等方法，得到邊坡穩定性計算參數;室內試驗是指通過地質勘探孔獲取原狀樣或擾動樣，并對其進行室內試驗，得到邊坡穩定性計算參數。

選定巖土體邊坡穩定性計算參數的主要原則是：綜合考慮經驗和反算指標、室內試驗，有條件時采用現場試驗指標。一般情況下，室內試驗獲得的計算參數較小，而現場試驗獲得的計算參數較大;反算指標位于現場試驗和室內試驗獲得計算參數之間，比較可靠;當試驗指標與反算指標矛盾時，可將經驗參數作為參考，通過分析得到計算參數。

綜合上述分析，由于該邊坡破壞后果嚴重，故選取保守的計算參數，采用室內試驗指標，經地質鉆探和室內試驗測得的計算參數見表1。

4 穩定性計算

《鐵路路基設計規范》[5]規定：一般工況下，永久邊坡的最小穩定安全系數應為1.15～1.25，該邊坡工程破壞后可能造成的后果很嚴重，故最小穩定安全系數取1.25。

4.1 粉質黏土內部圓弧形破壞

該處右側邊坡巖層上覆較厚的粉質黏土，較為松散，坡面植被破壞后，易發生近似于圓弧形滑動破壞，對邊坡上部松散粉質黏土層進行穩定分析，結果如圖1所示。自動搜索圓弧形滑面，采用Morgenstern-Price法得到坡體最不利安全系數為1.187，采用簡化Bishop法得到坡體最不利安全系數為1.194，均小于規定值1.25。

4.2 土石分界處折線形破壞

選擇6處土石界面作為潛在滑面進行穩定分析，結果如圖2所示。采用Morgenstern-Price法得到坡體最不利安全系數為0.939，采用簡化Bishop法得到坡體最不利安全系數為0.934，均小于規定值1.25。

4.3 強～弱風化巖層分界處折線形破壞

選擇強風化板巖與弱風化板巖的巖層風化界面作為潛在滑面進行穩定分析，結果如圖3所示。采用Morgenstern-Price法得到坡體最不利安全系數為1.482，采用簡化Bishop法得到坡體最不利安全系數為1.481，均大于規定值1.25。

通過對邊坡可能出現的三種破壞位置以及模式進行穩定性分析可知，粉質黏土層內以及土巖分界面處坡體最不利安全系數均小于規定值1.25，強～弱風化巖層分界面處安全系數大于規定值1.25;綜合判定：邊坡處于不穩定狀態，邊坡在粉質黏土層及土石分界面處易發生滑動破壞，且土石分界處發生折線形破壞的概率最大，須對邊坡進行防護加固處理。

5 防護加固設計

提高路塹邊坡穩定性的措施一般有：加大邊坡平臺寬度，放緩邊坡的坡率，降低邊坡高度，加強坡面護砌、

邊坡錨固、增加坡腳錨固樁等加強邊坡防護措施等。但一般情況下，施工簡單、效果好、投資增加較少的措施是前3項，但會增加邊坡高度、土石方開挖數量及用地。若地形陡峭、邊坡順層、地下水發育、工程地質條件復雜，需要結合后幾項措施提高邊坡穩定性，降低施工和運營中的風險，保證運輸安全。

若對該項目邊坡采用刷坡方案，則邊坡總高度、土石方開挖數量以及用地均較大，對山體植被破壞嚴重，增加施工和運營中的風險，并且征用大量土地作為工程建設使用難度較大。為盡量減少征地和破壞山體植被，該次設計方案在原坡面進行防護加固，具體措施為：在橋基右側設置錨固樁，錨固樁背后空懸部分設置50 cm厚現澆鋼筋混凝土攔石墻;樁后橫向距離30 m范圍內，一級邊坡坡率不陡于1∶1.25，邊坡高度8 m，采用錨索格梁護坡防護;一級邊坡以上坡面，原地面施做錨桿+十字梁（砍樹）。同時在樁后30 m位置坡面上設置被動柔性防護網。防護加固設計典型橫斷面見圖4。

對防護加固設計方案進行穩定分析，結果如圖5所示。得到坡體最不利安全系數為1.278，大于1.25的規范要求值，滿足要求。

通過對邊坡進行防護加固，增加了邊坡的整體和局部穩定性;對坡面施工錨索格梁和錨桿+十字梁防護，使淺層邊坡的局部穩定性大幅提高，并且對坡腳采用錨固樁加固，穩固邊坡坡腳，大大提高了邊坡的穩定性，工程效果良好。

6 結論

該文的研究得出以下結論：

（1）結合工程地質條件及穩定性分析，該邊坡表覆第四系殘積粉質黏土，邊坡在粉質黏土層及土石分界處易發生滑動破壞，且土巖分界面處發生折線形破壞的概率最大。

（2）采用Morgenstern-Price法和簡化Bishop法對采取防護加固措施后的邊坡進行穩定性分析，得到最不利安全系數大于1.25，滿足邊坡穩定性要求，證明防護加固方案技術可行。

參考文獻

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[3]孫宏偉. 鐵路路塹高邊坡穩定性分析和設計方案優化[J]. 鐵道標準設計， 2012（1）： 26-29.

[4]孟慶文， 冷伍明， 肖武權. 山區高速鐵路高陡邊坡穩定性及變形分析[J]. 鐵道科學與工程學報， 2012（6）： 54-59.

[5]鐵路路基設計規范： TB 10001—2016[S]. 北京：中國鐵道出版社， 2017.

收稿日期：2022-02-18

作者簡介：王濤（1991—），男，碩士，工程師，從事巖土工程勘察及路基工程設計工作。