深厚覆蓋層鐵路路塹邊坡開挖穩(wěn)定性分析

唐小軍

（云南省鐵路集團有限公司，云南 昆明 650118）

1 引言

在鐵路建設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)定性對于鐵路路基施工及今后鐵路運營安全有重要影響，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。目前國內(nèi)學者和專家對于路塹邊坡進行了大量研究：伏坤等針對傳統(tǒng)邊坡穩(wěn)定性評價法具有較大的主觀因素，提出采用基于主成分分析法對鐵路高陡路塹邊坡進行分析，分析結(jié)果與傳統(tǒng)分析法吻合。江濤針對鐵路路塹邊坡設計，對容許應力法與極限狀態(tài)法進行了比較，驗證了極限狀態(tài)法理論正確性以及分項系數(shù)取值的合理性。李新繼等研究了在既有鐵路附近進行鐵路路塹邊坡開挖施工過程中采用爆破方法對既有鐵路運營影響及其減少影響的措施。高芳芳等研究了勘察設計階段對順層路塹邊坡穩(wěn)定性的判斷，研究認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)生的機理，并對該類條件下邊坡穩(wěn)定進行驗算。代云山分析了鈣質(zhì)頁巖條件下鐵路路段順層滑坡，通過對該類滑坡從構(gòu)造、巖性以及水文特征等方面綜合研究，得出滑坡產(chǎn)生原因并針對性采取防治措施。董捷等針對鐵路巖質(zhì)路塹邊坡，提出一種利用模糊數(shù)學原理的路塹邊坡危險型評價模型，提高了巖質(zhì)路塹邊坡穩(wěn)定性分析的效率。

通過以上論述，就目前來說對于鐵路路塹邊坡研究范圍較廣，研究也較為深入，但對于深厚覆蓋層條件下的路塹邊坡研究相對較少。因此本文主要基于對深厚覆蓋層條件下鐵路路塹邊坡開挖對該類型邊坡的位移、剪切應變及邊坡穩(wěn)定性進行分析研究。

2 工程概況與模型建立

研究工點為云南某在建鐵路項目，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225 米，最大挖方邊坡高度為38.6 米。根據(jù)地勘報告，覆蓋層主要為粘土、碎石土，下伏巖層主要為泥巖，泥巖成風化、中風化狀態(tài)。本次建模采用geo-studio 軟件中SIGMA/W模塊進行二維有限元建模分析，依據(jù)設計提供的斷面設計圖、提供的地層勘查設計報告及地質(zhì)鉆孔斷面圖，利用CAD 軟件導入到geo-studio 軟件中進行模型構(gòu)建。建立好的模型如圖1所示，在模型中紫色區(qū)域為巖土層，藍色區(qū)域為覆蓋土層。灰色區(qū)域為開挖區(qū)域。模型總共由7149個節(jié)點，7007個單元構(gòu)成，網(wǎng)格均為四邊形網(wǎng)格，尺寸較為均勻，有利于分析計算，保證計算精度的同時，不容易報錯。為更好地分析邊坡土體變形及應變情況，在路塹左側(cè)邊坡各級邊坡的坡腳處設置6 個監(jiān)測點。

圖1 路塹開挖模型

3 路塹開挖模擬

巖土變形等工程問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－庫侖模型（Mohr- Coulomb Model），材料類型為采用總應力參數(shù)進行賦值。除模擬采用的土體本構(gòu)模型對模擬結(jié)果影響較大外，模擬采用的邊界約束條件對分析結(jié)果影響同樣十分重要，為盡量再現(xiàn)路塹邊坡開挖的自然狀況，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)造應力，只對邊坡原位土體在自重作用下的位移及應力進行考慮。

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

表1 各巖土層力學參數(shù)參考值

4 位移與剪應變增量分析

4.1 土體位移分析

當路塹邊坡從第一次開挖到邊坡開挖深度達到設計標高時，路塹邊坡土體中各坡腳監(jiān)測點的位移變化情況如圖2所示，通過對比分析可以發(fā)現(xiàn)：當完成第一階段土體開挖時，各監(jiān)測點位移基本沒有增長，表明上部覆蓋層土體的穩(wěn)定性良好；當?shù)诙A段土體開挖結(jié)束后，監(jiān)測點1、監(jiān)測點2 及監(jiān)測點3 土體的位移開始增加，表明上部覆蓋層土體邊坡穩(wěn)定性開始降低；在第三階段、第四階段土體開挖完成時，監(jiān)測點1、監(jiān)測點2 及監(jiān)測點3 土體的位移量增長速度最快，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?shù)谖咫A段土體開挖完成時，監(jiān)測點1、監(jiān)測點2 及監(jiān)測點3 土體位移量增長明顯變緩，表明上部覆蓋層土體邊坡開始趨于穩(wěn)定。

圖2 各監(jiān)測點總位移量變化圖

由圖3分析可以直觀發(fā)現(xiàn)，當路塹邊坡開挖完成時，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)域為左側(cè)第三級邊坡坡頂區(qū)域土體；其次在左側(cè)第一級邊坡頂部也出現(xiàn)一定位移增大區(qū)域；綜合分析來看，深厚覆蓋層路塹邊坡土體在開挖過程及開挖完成后，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，因此需要重點加強該區(qū)域土體的防護與加固，來保證整個路塹邊坡的穩(wěn)定。

圖3 第五次開挖完成后總位移云圖

4.2 邊坡土體剪應變量分析

由圖4分析可以發(fā)現(xiàn)，五次開挖過程中監(jiān)測點4 在所有監(jiān)測點中最大剪切應變峰值最大，其次為監(jiān)測點3峰值最大剪切應變峰值量較大，最大剪切應變峰值最小的為監(jiān)測點2；其中監(jiān)測點4 在第三次開挖完成后，增速最大，在第四次開挖完成時，達到最大剪切增量峰最大值，因此分析可以得出，當覆蓋層開挖完成時，由于覆蓋層土體相互約束被開挖破壞，因此覆蓋層邊坡土體剪切應變量迅速增加，當?shù)谒拇伍_挖完成時，由于覆蓋層與下伏巖層交界處土體下部約束土體進一步被挖除，因此交界處土體的剪切應變繼續(xù)增加，達到峰值，而第五次開挖完成時，由于土體應力重分布，交界面土體開始趨于穩(wěn)定，因此剪切應變量開始逐步減小。

圖4 各監(jiān)測點最大剪切應變變化圖

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

圖5 第五次開挖完成后最大剪切應變云圖

5 總結(jié)

通過對深覆蓋層路塹邊坡開挖的模擬分析，可以認為：在路塹邊坡開挖過程中邊坡土體滑動威脅最大的區(qū)域為覆蓋層與下伏巖層交界區(qū)域的覆蓋層邊坡土體；且該區(qū)域邊坡土體滑動風險最大的時間點為交界區(qū)域土體下部下伏巖層開挖完成時。本文從土體位移及土體剪切應變量兩方面進行分析，論證了在深覆蓋層地質(zhì)條件下鐵路路塹邊坡開挖時，當覆蓋層土體的下層下伏巖層開挖完成時，覆蓋層邊坡土體位移及最大剪切應變均達到最大值，表明該區(qū)域土體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，因此深路塹開挖施工時當深覆蓋層土體開挖完成后即需要對覆蓋層土體邊坡進行防護與加固，以防止該區(qū)域邊坡產(chǎn)生滑坡。