羅 曦 蔣 鑫 張 免 付用國(guó) 邱延峻

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院 成都 610031； 2.西南交通大學(xué)道路工程四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 610031；3.西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 610031)

“斜坡軟土”作為一類地域性極強(qiáng)的特殊土，廣泛分布我國(guó)西南山區(qū)，已在渝懷鐵路、內(nèi)昆鐵路、粵贛高速公路等諸多國(guó)家重點(diǎn)交通基礎(chǔ)建設(shè)工程中頻遇。與東南沿海地區(qū)軟土相比，二者在形成原因、分布形態(tài)，以及組成成分等方面差異較大。盡管斜坡軟土的壓縮性、抗剪強(qiáng)度等物理力學(xué)特性與軟土類似，但其天然含水率一般小于軟土，極易被誤判或輕視。

目前斜坡軟土地基路基研究主要集中于填方工程。TB 10106-2010，J 1078-2010《鐵路工程地基處理技術(shù)規(guī)程》[1]就斜坡軟弱地基路堤的穩(wěn)定性提出了相關(guān)要求；尤昌龍等[2]、魏永幸等[3]、蔣鑫等[4]先后開(kāi)展了一定的理論探討。然而針對(duì)斜坡軟土地基路塹的討論尚涉及較少，但其分布仍常見(jiàn)，且易造成巨額工程處治費(fèi)用，以貴州六盤(pán)水鐵路樞紐工程和內(nèi)昆線老鍋廠-李子溝段為例，斜坡軟土地基上開(kāi)挖路塹、處治路塹滑坡產(chǎn)生的工程費(fèi)用分別高達(dá)2 000多萬(wàn)元和8 000多萬(wàn)元。

針對(duì)斜坡軟土地基路塹深層次理論研究相當(dāng)匱乏的現(xiàn)狀，本文擬開(kāi)展斜坡軟土地基路塹邊坡穩(wěn)定性的數(shù)值模擬分析，從而為路塹設(shè)計(jì)中邊坡坡率的確定和后續(xù)加固整治措施的制定提供建議。

1 斜坡軟土地基路塹設(shè)計(jì)與邊坡穩(wěn)定性分析面臨的挑戰(zhàn)

1.1 現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范對(duì)斜坡軟土地基路塹設(shè)計(jì)考慮不足

我國(guó)鐵路行業(yè)現(xiàn)行路基設(shè)計(jì)規(guī)范主要考慮路塹的邊坡穩(wěn)定性與排水兩方面，通過(guò)邊坡坡率設(shè)計(jì)以滿足穩(wěn)定性要求。TB 10001-2016，J 447-2016《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]分別按土的類別(土質(zhì)路塹)、巖石類別和風(fēng)化程度(巖質(zhì)路塹)設(shè)計(jì)邊坡坡率；TB 10035-2018，J 158-2018《鐵路特殊路基設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]規(guī)定了“軟土”“膨脹土”等特殊土地基的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，但未將“斜坡軟土”作為特殊土納入；TB 10106-2010，J 1078-2010《鐵路工程地基處理規(guī)程》雖率先提及斜坡軟弱地基，但僅對(duì)路堤穩(wěn)定性提出了相關(guān)要求，未涉及路塹設(shè)計(jì)。

針對(duì)斜坡軟土地基路塹，除考慮“斜坡軟土”的物理力學(xué)特性外，或還需考慮斜坡軟土層的幾何參數(shù)，如厚度、橫向坡率等對(duì)路塹邊坡坡率設(shè)計(jì)的影響。

1.2 斜坡軟土地基路塹施工過(guò)程復(fù)雜

因斜坡軟土地基路塹涉及不良工程地質(zhì)條件，須遵守“分級(jí)開(kāi)挖、分級(jí)支擋、分級(jí)防護(hù)、坡腳預(yù)加固”的施工要求[7]，造成施工過(guò)程復(fù)雜化。開(kāi)挖行為本屬卸荷作用，深受地基初始應(yīng)力場(chǎng)影響，傳統(tǒng)的剛體極限平衡法雖原理簡(jiǎn)單、應(yīng)用方便，但無(wú)法客觀描述路塹開(kāi)挖、支護(hù)的施工過(guò)程，以及土與結(jié)構(gòu)的相互作用和邊坡自然發(fā)生的滑動(dòng)破壞等，故有必要引入剪切強(qiáng)度折減法。目前已開(kāi)發(fā)有Phase2、PLAXIS等多款可直接進(jìn)行剪切強(qiáng)度折減法分析的有限元程序以供使用[8-9]。

剪切強(qiáng)度折減法是指外荷載保持不變，土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)c、φ值成比例地減小，至邊坡達(dá)到極限狀態(tài)，此時(shí)抗剪強(qiáng)度參數(shù)c、φ值與達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)的抗剪強(qiáng)度參數(shù)cr、φr值之比為臨界強(qiáng)度折減系數(shù)SRFCritical，即穩(wěn)定安全系數(shù)Fs，如式(1)所示。

(1)

1.3 斜坡軟土抗剪強(qiáng)度參數(shù)變異性突出

整理內(nèi)昆線、六盤(pán)水鐵路樞紐工程、黔桂線、渝懷線共4條鐵路若干工點(diǎn)的斜坡軟土抗剪強(qiáng)度參數(shù)c、φ值的離散情況見(jiàn)圖1。

圖1 斜坡軟土抗剪強(qiáng)度參數(shù)c、φ值離散情況

由圖1可見(jiàn)，斜坡軟土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的變異性相當(dāng)突出，黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ波動(dòng)范圍分別為4.5～28 kPa、3°～19°。因穩(wěn)定安全系數(shù)深受斜坡軟土抗剪強(qiáng)度參數(shù)影響，故如僅依據(jù)定值開(kāi)展剪切強(qiáng)度折減法計(jì)算分析，結(jié)果自然缺乏一定準(zhǔn)確性。

而若直接采用剪切強(qiáng)度折減法開(kāi)展考慮斜坡軟土抗剪強(qiáng)度參數(shù)變異性的路塹邊坡穩(wěn)定性的概率分析，頗費(fèi)機(jī)時(shí)的剪切強(qiáng)度折減法將因樣本數(shù)量的劇增而變得難以運(yùn)用，故需探求更為有效的解決手段。

加拿大Rocscience Inc.開(kāi)發(fā)的有限元軟件Phase2則創(chuàng)新性地將剪切強(qiáng)度折減法與兩點(diǎn)估計(jì)法[10]結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了少樣本、高精度的穩(wěn)定性概率分析。該程序內(nèi)嵌兩點(diǎn)估計(jì)法，即輸入變量位于給定均值的1個(gè)正負(fù)標(biāo)準(zhǔn)差內(nèi)變動(dòng)。如考慮斜坡軟土抗剪強(qiáng)度參數(shù)c、φ值為輸入變量，當(dāng)滿足正態(tài)分布時(shí)，輸出變量臨界強(qiáng)度折減系數(shù)SRFCritical(即穩(wěn)定安全系數(shù))的均值和標(biāo)準(zhǔn)差可分別由式(2)、式(3)得到。具體原理見(jiàn)圖2。

圖2 基于斜坡軟土抗剪強(qiáng)度參數(shù)變異的兩點(diǎn)估計(jì)法

(2)

(3)

式中：權(quán)重w為1/22，fi為兩點(diǎn)估計(jì)法中22個(gè)輸入變量組合中的隨機(jī)值。

2 斜坡軟土層幾何參數(shù)對(duì)路塹邊坡穩(wěn)定性影響的確定性分析

2.1 有限元模型的建立

運(yùn)用Phase2建立有限元模型，探討斜坡軟土層厚度H和橫向坡率1∶n對(duì)斜坡軟土地基路塹邊坡穩(wěn)定性的確定性影響。據(jù)TB 10001-2016，J 447-2016《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)土質(zhì)路塹邊坡坡率的建議，建立75組工況的數(shù)值模型，各工況核心幾何參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 工況核心幾何參數(shù)

假定擬開(kāi)挖的路塹形式為全路塹，以路塹中心線為基準(zhǔn)，開(kāi)挖深度為5 m，即均未開(kāi)挖至下臥剛硬層內(nèi)；塹底寬度為12 m。各土層材料遵循Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則，參考文獻(xiàn)[2]取材料參數(shù)見(jiàn)表2，默認(rèn)土體抗拉強(qiáng)度均為0。

表2 土層材料參數(shù)

采用高精度6節(jié)點(diǎn)三角形單元，以均布分網(wǎng)方式離散模型，約劃分3 000個(gè)單元。模型底部為固定約束邊界，左右兩側(cè)為水平向位移約束、豎直向自由。針對(duì)施工過(guò)程模擬，先生成斜坡軟土層和下臥剛硬層的初始自重應(yīng)力，然后假定采用全斷面橫挖法分層、分步開(kāi)挖路塹，每層開(kāi)挖深度控制在2 m。

當(dāng)斜坡軟土層厚度H=8 m，路塹邊坡坡率為1∶1.5時(shí)，有限元模型見(jiàn)圖3。

圖3 斜坡軟土地基路塹開(kāi)挖示意(尺寸單位：m)

2.2 主要結(jié)果分析與討論

Phase2通過(guò)最大剪切應(yīng)變的云圖表征最危險(xiǎn)滑動(dòng)面形態(tài)。以圖3工況為例(見(jiàn)圖4)，路塹開(kāi)挖完成后的滑動(dòng)面形態(tài)呈分布于上邊坡的圓弧狀，且未切入下臥剛硬層內(nèi)。對(duì)所有工況綜合分析發(fā)現(xiàn)，滑動(dòng)面形態(tài)均與圖4類似，且滑動(dòng)面始終位于斜坡軟土層內(nèi)，從路塹上邊坡的坡頂滑動(dòng)至坡腳處。

圖4 斜坡軟土地基路塹的邊坡滑動(dòng)面形態(tài)(尺寸單位：m)

圖5為斜坡軟土層橫向坡率1∶n=1∶10時(shí)，路塹邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)隨路塹邊坡坡率、斜坡軟土層厚度的變化。

圖5 穩(wěn)定安全系數(shù)隨路塹邊坡坡率、斜坡軟土層厚度的變化

由圖5可見(jiàn)，斜坡軟土層厚度增大并未改變穩(wěn)定安全系數(shù)隨著路塹邊坡坡率放緩而提高的宏觀規(guī)律。不妨約定穩(wěn)定安全系數(shù)臨界值為1.0，則不同斜坡軟土層厚度所對(duì)應(yīng)的邊坡坡率不同；隨著斜坡軟土層厚度的增加，邊坡坡率需進(jìn)行修正方可達(dá)到臨界值1.0，且邊坡坡率的修正量隨著斜坡軟土層厚度的增大呈非線性減少。

圖6為斜坡軟土層厚度H=8 m時(shí)，路塹邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)隨路塹邊坡坡率、斜坡軟土層橫向坡率1∶n的變化。

圖6 穩(wěn)定安全系數(shù)隨路塹邊坡坡率、斜坡軟土層橫向坡率的變化

由圖6可見(jiàn)，斜坡軟土層橫向坡率變陡時(shí)，穩(wěn)定安全系數(shù)隨路塹邊坡坡率放緩而提高的宏觀規(guī)律未改變；但與斜坡軟土層厚度增大時(shí)相反，欲使穩(wěn)定安全系數(shù)達(dá)到臨界值1.0，邊坡坡率的修正量隨著斜坡軟土層橫向坡率的變陡而增加。

實(shí)際工程中，斜坡軟土層的厚度H和橫向坡率1∶n通過(guò)地質(zhì)勘察即可知曉，圖5、圖6表明斜坡軟土地基路塹的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)同時(shí)受斜坡軟土層厚度、橫向坡率的影響，且受斜坡軟土層橫向坡率的影響更大?；诒纠?，當(dāng)斜坡軟土層橫向坡率緩于1∶20時(shí)，斜坡軟土地基路塹已具有充分的安全儲(chǔ)備，故以斜坡軟土層橫向坡率1∶n=1∶20為界：斜坡軟土層坡率緩于1∶20時(shí)，路塹可按一般地基設(shè)計(jì)；陡于1∶20時(shí)，則應(yīng)根據(jù)穩(wěn)定性分析結(jié)合工程地質(zhì)類比法，并適當(dāng)依據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂?、水文地質(zhì)條件和施工方式綜合確定邊坡坡率。

3 斜坡軟土抗剪強(qiáng)度參數(shù)變異性對(duì)路塹邊坡穩(wěn)定性影響的概率分析

3.1 有限元模型的建立

前文開(kāi)展了斜坡軟土層的幾何參數(shù)，即厚度H和橫向坡率1∶n對(duì)路塹邊坡穩(wěn)定性影響的確定性分析，尚未考慮斜坡軟土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的變異性。繼續(xù)以圖3工況為研究對(duì)象，考慮斜坡軟土抗剪強(qiáng)度參數(shù)c、φ值的變異性，結(jié)合前述兩點(diǎn)估計(jì)法，開(kāi)展斜坡軟土抗剪強(qiáng)度參數(shù)變異性對(duì)路塹邊坡穩(wěn)定性影響的概率分析。有限元建模基本維持不變，僅當(dāng)輸入土層材料參數(shù)時(shí)，根據(jù)圖1額外設(shè)定斜坡軟土層黏聚力、內(nèi)摩擦角的標(biāo)準(zhǔn)差分別為5 kPa、7°。

3.2 主要結(jié)果分析與討論

斜坡軟土地基路塹采用剪切強(qiáng)度折減法與兩點(diǎn)估計(jì)法進(jìn)行穩(wěn)定性概率分析的結(jié)果包括穩(wěn)定安全系數(shù)的均值Mean Critical SRF、標(biāo)準(zhǔn)差Std.Dev.Critical SRF和破壞概率PF，數(shù)值分別為1.01、0.06和43.38%。

穩(wěn)定安全系數(shù)的均值Mean Critical SRF=1.01，與圖3工況的穩(wěn)定安全系數(shù)SRFCritical=0.98不同。前者是通過(guò)點(diǎn)估計(jì)法將斜坡軟土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的均值加減1倍標(biāo)準(zhǔn)差，排列抽樣得到計(jì)算樣本后，利用剪切強(qiáng)度折減法計(jì)算各樣本的SRFCritical，再依式(2)得到；而后者則為未經(jīng)過(guò)兩點(diǎn)估計(jì)法計(jì)算，直接采用斜坡軟土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的均值經(jīng)剪切強(qiáng)度折減法得到。

穩(wěn)定安全系數(shù)的均值Mean Critical SRF大于1.0說(shuō)明斜坡軟土地基路塹暫處穩(wěn)定狀態(tài)，但破壞概率仍高達(dá)43.38%，即發(fā)生失穩(wěn)破壞的可能性較大。因均值基本在穩(wěn)定安全系數(shù)臨界值1.0左右浮動(dòng)，雖然本工況的標(biāo)準(zhǔn)差Std.Dev.Critical SRF數(shù)值不大，但穩(wěn)定安全系數(shù)輕微變化均會(huì)導(dǎo)致破壞概率PF產(chǎn)生明顯波動(dòng)。故斜坡軟土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的變異性導(dǎo)致斜坡軟土地基路塹并未處于絕對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，須采取相應(yīng)的加固措施確保后續(xù)的安全施工與運(yùn)營(yíng)。

圖7為斜坡軟土地基路塹屈服區(qū)域和破壞模式的分布，顏色的深淺程度表示該區(qū)域屈服的樣本數(shù)目多少，顏色越深即屈服的樣本數(shù)目越多。

圖7 屈服區(qū)域與破壞模式分布圖(尺寸單位：m)

由圖7可見(jiàn)，斜坡坡面、塹底和右側(cè)上邊坡的坡腳、坡體處的斜坡軟土應(yīng)給予高度重視，但各自破壞模式不同，其中張拉破壞發(fā)生在斜坡表面，而剪切破壞則分布于塹底、上邊坡的坡腳和坡體處。斜坡表面發(fā)生較多張拉破壞與建模過(guò)程中假定土體材料的抗拉強(qiáng)度為0有關(guān)。

實(shí)際工程中可采用水泥攪拌樁結(jié)合重力式擋土墻加固斜坡軟土地基路塹，即先用水泥攪拌樁對(duì)路塹開(kāi)挖范圍及上邊坡周圍內(nèi)的斜坡軟土進(jìn)行預(yù)加固，待水泥攪拌樁強(qiáng)度達(dá)到75%以上再對(duì)路塹實(shí)行分層、分步開(kāi)挖[11]，以減少施工過(guò)程中的擾動(dòng)，并結(jié)合路塹上邊坡處設(shè)置重力式擋土墻進(jìn)行支護(hù)加固。

4 結(jié)論

1)斜坡軟土地基路塹設(shè)計(jì)與邊坡穩(wěn)定性分析面臨挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范對(duì)斜坡軟土地基路塹設(shè)計(jì)的考慮不足、斜坡軟土地基路塹施工過(guò)程的復(fù)雜性和斜坡軟土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的變異性等問(wèn)題，需引起高度重視。

2)斜坡軟土地基路塹邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)受斜坡軟土層厚度H、橫向坡率1∶n影響，且斜坡軟土層橫向坡率對(duì)路塹邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)影響大于厚度；欲達(dá)到臨界值1.0，路塹邊坡坡率的放緩幅度隨斜坡軟土層厚度的增加而減少，但隨斜坡軟土層橫向坡率的變陡而增加，邊坡坡率設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮橫向坡率因素。

3)穩(wěn)定度安全系數(shù)均值大于1.0時(shí)，斜坡軟土抗剪強(qiáng)度參數(shù)變異性使斜坡軟土地基路塹并不處于絕對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，即存在較大概率發(fā)生失穩(wěn)破壞，宜采用水泥土攪拌樁結(jié)合重力式擋土墻聯(lián)合加固維持后續(xù)的安全施工與運(yùn)營(yíng)。斜坡坡面易發(fā)生張拉破壞，而塹底和上邊坡的坡腳、坡體處易發(fā)生剪切破壞。