鐵路路堤穩定性影響因素分析

吳雪婷，徐光黎

（1.巖土鉆掘與防護教育部工程研究中心，武漢 430074；2.中國地質大學（武漢）工程學院，武漢 430074）

鐵路路堤穩定性影響因素分析

吳雪婷1，2，徐光黎1，2

（1.巖土鉆掘與防護教育部工程研究中心，武漢 430074；2.中國地質大學（武漢）工程學院，武漢 430074）

鐵路路堤穩定性分析是路堤設計、施工和運營階段的關鍵，其影響因素很復雜。以典型的雙線鐵路路堤模型為基礎，采用傳統的瑞典條分法對鐵路路堤施工期和運營期的穩定性分別進行了計算，對得到的穩定安全系數進行了系統分析，討論了路堤高度、地基土類型及固結程度、地基土抗剪強度參數等對鐵路路堤穩定性的影響。結果表明：隨著路堤的增高，穩定安全系數呈雙曲線的遞減趨勢；在施工期，考慮地基土固結時得出的穩定安全系數均大于不考慮固結時的結果，兩者之間具有良好的線性相關性。從安全角度考慮，建議鐵路路堤填筑完建期的穩定性分析采用快剪指標，對于軟弱地基，還應考慮地基土的固結強度增長；放置與鋪軌期和運營期的穩定性檢算宜采用固快指標。

鐵路路堤；穩定性；影響因素；固結

1 概 述

隨著我國鐵路建設事業的不斷發展，尤其是高速無碴鐵路的興建，鐵路所通過路段的各種地質情況越來越復雜，為了最大限度地減少災害的發生，以及滿足線路穩定性、平順性、經濟合理性的要求，無論是在其勘察、設計還是施工階段，鐵路路堤和地基的整體穩定性分析一直都是巖土工程領域關注的熱點問題之一。影響路堤穩定性的因素很多，很多學者在這方面進行了相關研究［1－4］，但針對鐵路路堤穩定性影響因素的系統分析并不多見。

本文選取典型的雙線鐵路路堤模型，采用傳統的瑞典條分法對鐵路路堤施工期和運營期的穩定性進行了計算，對得到的穩定安全系數進行了系統分析，討論了路堤高度、地基土類型及固結程度、地基土抗剪強度參數等對鐵路路堤穩定性的影響，并給出了不同階段路堤穩定性分析的參數取值建議。

2 路堤穩定性計算方法

路堤穩定性分析包括路堤堤身的穩定性、路堤和地基的整體穩定性、路堤沿斜坡地基或軟弱層帶滑動的穩定性等內容［5］。路堤的堤身穩定性、路堤和地基的整體穩定性一般采用圓弧滑動面計算，路堤沿斜坡地基或軟弱層帶滑動的穩定性一般采用非圓弧滑動面計算。目前，圓弧滑動破壞的穩定性計算方法較多，各規范采用的方法也不盡相同［5－10］，工程上實際采用的主要是瑞典條分法和簡化Bishop法。瑞典條分法是最簡單最古老的一種條分法，此法應用時間很長，積累了豐富的工程經驗，一般得到的安全系數偏低，即誤差偏于安全方面，故目前仍然是工程上常用的方法［11］。

路堤和地基的整體穩定性分析可以采用瑞典條分法［6］，計算圖示見圖1。

圖1 瑞典條分法計算示意圖［6］Fig.1 Calculation diagram of Felleniusmethod

當不考慮地基土的固結時，穩定安全系數Fs的計算公式為

式中：i，j為分土條編號，i表示土條底部的滑裂面在地基土層內，j表示土條底部的滑裂面在路堤填料內；PT為各土條在滑弧切線方向下滑力總和；Si為地基土內（AB?。┛辜袅Γㄒ妶D1）；Sj為路堤內（BC?。┛辜袅Γㄒ妶D1）；Pj為當第j土條的滑裂面處于路堤填料內時，若該土條滑裂面與設置的土工織物相交，則Pj為該層土工織物每延米寬（順路線方向）的設計拉力。

當考慮地基土的固結時，穩定安全系數Fs的計算公式為

式中ΔSi為由于固結而引起的地基強度增長，其他符號意義同公式（1）。

3 穩定性分析算例概況

3.1 計算模型

本文選取典型雙線鐵路路堤進行穩定性檢算。假設鐵路路堤頂面寬13.8 m，線間距5 m，路堤坡率1∶1.5。路堤填筑高度為H，分別取H＝3，5，8，15，20 m，H值涵蓋了低路堤、一般路堤和高路堤情況。根據相關規定［8］，軌道及列車荷載換算土柱為3.4 m×2.7 m（寬×高）。穩定性檢算斷面如圖2所示。分別選取淤泥、淤泥質黏土、黏土1、黏土2、粉質黏土和粉土共6種不同類型的地基土進行對比分析，地基土涵蓋了軟土、松軟土等不同的土質類型，土層厚度為10 m，其下部土層為持力層。地基處理方案為砂井排水固結法，砂井直徑7 cm，等邊三角形布置，間距1.4 m，加固深度10 m，鋪設2層土工布，抗拉強度為80 kN。

圖2 穩定性檢算斷面圖Fig.2 The cross section of stability analysis

3.2 計算參數

鐵路路堤填料及6種類型地基土層的物理力學參數如表1所示。

3.3 計算工況

鐵路路堤和地基的整體穩定性分析可分為路堤施工期和運營期2個階段，對于路堤施工期，又可以細分為填筑完建期和放置與鋪軌期2個亞階段。在穩定性檢算時，對于施工期的填筑完建期，路基的外荷載取填筑完建期的路堤高度，采用直剪快剪指標，

分別考慮地基土固結度U＝0%，40%，50%，60%，

70%這5種固結情況進行計算；對于施工期的放置與鋪軌期，路基的外荷載也取填筑完建期的路堤高度，但分別采用固結快剪指標和快剪指標并考慮U＝80%的固結度進行對比驗算；對于運營期，路基的外荷載除考慮路堤高度外，還要考慮軌道及列車荷載，采用固結快剪指標和快剪指標并考慮U＝95%的固結度進行對比驗算。上述9種穩定性計算工況及抗剪強度指標的選取如表2所示。

表1 路堤填料及地基土層的物理力學參數表Table 1 The parameters of fillings and foundation soils

表2 路堤穩定性計算工況及抗剪強度指標Table 2 Operating conditions of stability analysis and shear strength parameters

4 穩定性計算及影響因素分析

4.1 路堤高度對鐵路路堤穩定性的影響

本文采用瑞典條分法，針對穩定性計算的9種工況，分別對上述6種類型的地基土在5種路堤填筑高度情況下的穩定安全系數進行了計算，計算斷面共270個。各類地基土在不同計算工況、不同路堤高度下的最小安全系數變化曲線如圖3所示。

由圖3可知，對于6種類型的地基土而言，無論在何種工況條件下，隨著路堤的增高，其穩定安全系數減小。在路堤高度由3 m增加到20 m的過程中，穩定安全系數變化幅度逐漸減??；路堤高度由3 m增加到8 m時，穩定安全系數驟減；而由8 m增加到20 m時，穩定安全系數減小速率逐漸變緩，總體上呈現形如雙曲線的變化趨勢（如圖4所示，以（a）淤泥為例，其他地基土亦同），且當路堤增加到一定高度后，穩定安全系數趨于定值，不再受路堤高度的影響。

綜合各類地基土在各種工況下的計算結果，路堤高度從3 m增加到20 m時，對于（a）淤泥，穩定安全系數平均減小了62%；對于（b）淤泥質黏土，減小了66%；對于（c）黏土1，減小了66%；對于（d）黏土2，減小了72%；對于（e）粉質黏土，減小了64%；對于（f）粉土，減小了66%。由此可見，當穩定性分析方法相同時，地基土類型對穩定安全系數的變化趨勢影響不大。

4.2 施工期地基土固結度對鐵路路堤穩定性的影響

鐵路路堤施工期穩定性分析時，尤其對于軟土地基上修筑的路堤，由于固結而引起的地基土強度增長將在很大程度上影響路堤和地基的整體穩定性。據圖3，對于6種類型的地基土而言，無論在何種路堤高度下，對比工況1至工況6的穩定安全系數可知，當穩定性分析考慮了地基土的固結后，隨著固結度的增大（U＝0%→80%），路堤穩定安全系數也逐漸增大，且幾乎呈線性增加的趨勢。

將6種地基土、5種路堤高度下，考慮不同固結度時和不考慮固結時的計算結果進行綜合的統計回歸分析，回歸曲線及方程如圖5所示。

由圖5可知，當考慮地基土固結（Fst（U））時，得出的穩定安全系數均大于不考慮固結（Fs0）時的結果，且Fst（U）與Fs0兩者之間具有良好的線性相關性，相關系數R接近于1。根據施工期快剪指標不考慮固結時的計算結果，可按上述回歸公式計算得到考慮不同固結度下的路堤穩定安全系數。

4.3 強度指標對鐵路路堤穩定性的影響

對于施工期的放置與鋪軌期，將工況6（Fst（U＝80%））和工況7（Fsg）的結果進行對比，由圖3可知，對于淤泥質黏土、黏土2、粉質黏土和粉土，均有Fst（U＝80%）＞Fsg，即采用快剪指標并考慮地基土的固結時，其穩定安全系數大于采用固快指標的計算值；而對于淤泥和黏土1，當路堤高度較小時，Fst（U＝80%）＜Fsg，路堤高度較大時，才符合Fst（U＝80%）＞Fsg的規律性。這是因為，對于淤泥和黏土1，快剪指標較低，在低路堤時，地基固結引起的強度增長仍然小于固快指標的緣故。將6種地基土在工況6和工況7下的計算結果進行統計回歸分析，回歸曲線及方程如圖6所示。

圖3 各類地基土在不同工況下的穩定安全系數Fig.3 The safety factors in different operating conditions for different foundation soils

圖4 Fs（Fs′）-H關系曲線（（a）淤泥）Fig.4 Relation curve of Fs（Fs′）-H（（a）represents silt）

圖5 Fst（U）-Fs0回歸曲線Fig.5 Regression curve of Fst（U）-Fs0

圖6 Fst（U＝80%）-Fsg回歸曲線Fig.6 Regression curve of Fst（U＝80%）-Fsg

由圖6可知，當采用快剪指標并考慮80%的固結度時，路堤穩定安全系數的計算值一般大于采用固結快剪指標時的值，且兩者之間具有很好的線性相關性，Fst（U＝80%）平均較Fsg增大24%左右。

對于運營期，將工況8（Fst′（U＝95%））和工況9（Fsg′）的結果進行對比，由圖3可知，對于淤泥質黏土、黏土1、黏土2、粉質黏土和粉土，均有Fst′（U＝95%）＞Fsg′，即采用快剪指標并考慮地基土的固結時，其穩定安全系數大于采用固快指標的計算值；而對于淤泥，當路堤高度較小時，Fst′（U＝95%）＜Fsg′，路堤高度較大時，才滿足Fst′（U＝95%）＞Fsg′的規律性。同理，對于淤泥，快剪指標較低，在低路堤時，地基固結引起的強度增長小于固快指標。將6種地基土在工況8和工況9下的結果進行統計回歸分析，回歸曲線及方程如圖7所示。

由圖7可知，采用快剪指標并考慮95%的固結度時，路堤穩定安全系數的計算值一般大于采用固結快剪指標的計算結果，且兩者之間基本呈線性關系，Fst′（U＝95%）平均較Fsg′增大33%左右。

圖7 Fst′（U＝95%）-Fsg′回歸曲線Fig.7 Regression curve of Fst′（U＝95%）-Fsg′

5 結 論

通過上述分析，可以得出以下結論：

（1）對于各類地基土層，無論在何種工況條件下，隨著路堤的增高，其穩定安全系數減小。路堤高度由3 m增加到20 m的過程中，穩定安全系數變化幅度逐漸減小，總體上呈現雙曲線的遞減變化趨勢，且當路堤增加到一定高度以后，其穩定性將與路堤高度無關。

（2）在鐵路路堤施工期穩定性分析時，考慮地基土固結時得出的穩定安全系數均大于不考慮固結時的結果，且兩者之間具有良好的線性相關性。要提高路堤穩定安全系數可采用延長填土間隙期，使地基固結程度加大的方法。施工期的填筑完建期穩定性分析，建議采用快剪指標，對于軟弱地基，應考慮地基土的固結強度增長。

（3）對于施工期的放置與鋪軌期，采用快剪指標并考慮80%的固結度時，路堤穩定安全系數的計算值一般大于采用固快指標時的值，即采用固快指標時，結果偏于安全。因此，對于實際工程設計，推薦施工期的放置與鋪軌期的穩定性檢算采用固快指標。

（4）對于運營期，采用快剪指標并考慮95%的固結度時，路堤穩定安全系數的計算值一般大于采用固快指標的計算結果，即采用固快指標計算鐵路路堤運營期的穩定系數具有一定的安全儲備，也符合土力學理論。

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［6］ JTJ 017－96，公路軟土地基路堤設計與施工技術規范［S］.（JTJ 017－96，Technical specifications for design and construction of highway embankment on soft ground［S］.（in Chinese））

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［9］ 道路土工－軟弱地盤對策工指針［S］.昭和61年11月.（in Japanese）

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［11］陳仲頤，周景星，王洪瑾.土力學［M］.北京：清華大學出版社，1994.（CHEN Zhong-yi，ZHOU Jin-xing，WANG Hong-jin.SoilMechanics［M］.Beijing：Tsinghua University Press，1994.（in Chinese））

（編輯：曾小漢）

Influence Factor Analysis of Stability for Railway Embankment

WU Xue-ting1，2，XU Guang-li1，2
（1.Engineering Research Center of Rock-Soil Drilling＆Excvation and Protection，Ministry of Education，Wuhan 430074，China；2.Faculty of Engineering，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China）

The stability analysis of railway embankment is the key problem in design，construction and operation stage.The influence factors are very complicated.On the basis of the typical double line railway embankmentmodel and by using traditional Felleniusmethod，the stability of construction and operation period is calculated.The parameters，such as embankment height，foundation soil type，consolidation and shear strength，which have influence on the safety factor，have been studied systematically.The results of analysis show that：with the increase of embankment height，the safety factor is decreased in a hyperbola form；in the construction period，the safety factor considering consolidation is larger than the one without considering consolidation.From the view of engineering safety，it is suggested that the stability analysis of railway embankment in filling completion period should adopt the quick direct shear parameters and consider the consolidation for the soft foundation，and in track-laid or operation period should use the consolidated quick direct shear parameters.

railway embankment；stability；influence factor；consolidation

U213.11

A

1001－5485（2010）06－0049－05

2009-11-02；

2010-03-20

吳雪婷（1981-），女，湖北武漢人，博士研究生，主要從事地基處理方向的研究，（電話）15327308331（電子信箱）wuxueting121＠sina.com。