铁路土质边坡坡度的工程地质量化设计方法.doc

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1、铁路土质边坡坡度的工程地质量化设计方法?l2?水文地质工翟垫I995年第1钎铁路土质边玻坡度的工程地质量化设计方法i-(西南交通大学,成都610031)L/?/乡摘要本文从工程地质角度,提出了铁路土质边坡坡度的量化设计方法.诙方法既能定量,又简便快速,能够计中得到成功应用.关t词苎曼量圭咝-一,一一岔昭缈眨AbstractBasedontheviewpiontofengineeringgeologyevaluation?aquantitative,simpleandeasymethodforthedesignoftheangleofrailwaysoilslopes虹putforward?W/

2、lhtheconsiderationoftheeL#ctofgeologicalfactorsonslopeanglethedesignedanglebyth妇methodisnorereasonablethanthatbyempiricalmethod?Thismethodhasbeensuccessfullyusedtodeter-minetheslopeangleofredsoilslopesinNanKunrailway?Keywordsslopeangle,quantitativedcsign,soilslopel问题的提出边坡是工程地质学中较简单的问题,铁路边坡一一般性土质边坡(非

3、特殊土)又比岩石边坡较为简单.然而,铁路一般土质边坡坡度的量化设计问题,至今仍来很好地得到解决.从理论E詈,土质边坡坡度确定和稳定性分析的方法较多,丰要有:(1)工程地质类lt法工程地质学中的类比分边坡的工程地质条件与众多研究得比拟清楚和已被实践验证过的边坡的工程地质条件作比照,根据已有边坡的设计经验,来剀断新设计边坡的坡度.因此,它是一种定性的_要依靠经验的设计方法.(2)授限,r衡分析没这是土质稳定性分析中应用晟多的方法之一.笙一定假设条件下,通过试算,找出稳定系数=1或某一规定值(比方1.25)时对应某些假定和选择的参数与实际情况并不完全符合,但此方法可以实现定量设计,故广泛被应用于检验

4、大型重要边坡的稳定性.(3)工程可靠性分析法边坡工程可靠性分析参数的函数,而这些参数并不是一个定值,而是具有某种分布的随机变量.囚此,用统计方法处理参数,最终对边坡的稳定性徊可靠性采用概率表示,更为合理.然而,在铁路边坡没计的实践中,对一般土质边坡,长期以来主要采用工程地质类比法,参照工程地质手册)中的经验数据,或根据勘测设计人员已总结出勘测的任务和时问所限,不可能对每一边坡做大量的量测,试验和计算工作.仅凭经验确定坡度,难免出入较大,结果有的边坡过分偏于平安,不经济;有的边坡那么不稳定,威胁行车平安.显然,如何将工程地质类比法定量化,即研究一种既能定量,又简便快速的坡度确定方法,是铁路工程地

5、质勘测设计的迫切需要.2量化设计方法和实例工程地质量化设计,需做以下二项根底工作:(1)既有稳定边坡的调查与计算前面已提到,传统的工程地质类比法是基于大量实际经验的总结.对稳定边坡进行调查,可以获得稳定边坡设计的经验.调查的内容,主要为地表工程地质条件,包括剖面形态尺寸,土质特征,植被发育状况,汇水面积和排水条件以及防护措施等.同时,有条件时可采土样进行一些简易的试验.工程地质量化设计的关键是将工程地质的经验量化表达.由于地表工程地质条件中,许多为定性因素,故本文采用数量化理论I为量化方法,具体计算方法见参考文献m.以坡度为目标变量,假设干与坡度有关的工程地质因素为自变量,那么计算结果为反映坡

6、度与各种地质条件之间的定量关的评分表,参见表l.(2)既有破坏边坡的调查与计算仅对稳定边坡进行调查是不够的,对既有破坏边坡的调查可获得反面的教训.有了正反两方面的经验和教训,我的才可能设计出合理坡度.关于既有破坏边坡的统计方法1995年第1水文地质工与既有稳定边坡类同.计算结果在形式上类似表2.利用上述既有稳定边坡和破坏边坡的统计规律.(例如表1),就可以根据边坡地表工程地质条件,设计合理坡度,也就是说,不能仅按既有稳定边坡的统计结果(表1)来设计.否那么,设计结果往往是边坡馆缓而防护偏重.在保证平安的前提下,为了尽可能节省投资,加快施工进度,有必要适当提高坡率.合理坡度应介于稳定边坡与破坏边

7、坡两个坡度之间.图l合理坡度取值示意图数量化理论实质上是多元统计学的一个分支,按?13?该理论计算出的坡度,实质上是一种概率分布,只不过一般情况下我们只利用其均值,而不去利用它的分布特征.设稳定边坡坡度服从均值为-,标准差为的正态分布,记为(-),破坏边坡坡度那么为,(如取1),该风险概率所对应的坡度值假设大于稳定边坡的均值-,那么取为设计值,反之那么取-为设计值.国家八五重点工程南昆铁路南百段广泛分布着红土,为了定量确定南昆线红土边坡合理的坡度,我们调查了与之性质相近的广西境内南宁,柳州和桂林地区既有铁路,公路边坡93个,其中不稳定边坡34个.调查内容包括:剖面形态,尺寸,土体外观及裂隙特征

8、,植被发育状况,汇水面积,排水条件,防护工程以及病害历史等.同时采取扰动土样,做土工实验(如,眉-等)以及化学分析(如蒙脱石含量等),以确定土质的相对好坏.本文采用了数量化理论I,对调查资料进行了统裹lTableI基坡天沟玻损土有公单宽汇水(m)植被土质地区太高,过浅,夹防l0较较南柳桂<l0>20良差差好值土天沟石护路差?好宁州林2035l4ll2l20242一5200一l54813zl22048l2200一58计分析,结果见表1稳定边坡或失稳边坡坡度评分表.该表形象地表示了各种工程地质条件对坡度值的影响程度,稳定边坡或破坏边坡的坡度值就等于表1中各因素得分之和,每1分表示坡度1

9、.结合南昆线DKS0地段的地形及地质条件,按承担1的风险概率考虑,提出了如下坡度设计参考值(见表2).需要说明的是,表2中试验工程的类型是事先拟定的,在各段坡度设计时,未能考虑各种试验工程的差异,均按有防护考虑.如果根据以往经验来确定DKS0地段的边坡坡的设计值根本上被采用,除土钉试验段因坡脚长期侵水失稳外,其余试验边坡均是稳定的.实践初步证明,按照这种工程地质量化设计方法来设计边坡是经济的,同时也是平安的.3讨论与分析表2南昆线红土边坡坡度设计值Table2ThedesignedvaluesofslopeangleofredsollslopesInNan-Kuntlne.里程DK250+21

10、5305305400400500500580580630左试验工程坡面种簟坡面种簟雨1l1喷锚支护土钉支挡雨1l1堑设计坡度1:l综合3l.ll1.25早1l0.右试验工程坡面种簟暴霞边坡框架护坡支挡坡面种簟注:雨,早分别为雨季或旱季施工?l4?水文地质工程地1995年第1由于铁路工程本身的重要性,既有铁路边坡设计过于保守,文中实例较充分地证明了这一点.(1)从表1可知,在稳定边坡中,公路边坡(植被一般较差)比铁路堑坡(大多植被较好)平均要陡5.,这与野外调查中的感性认识是一致的.(2)从表1可知,稳定边坡与破坏边坡之坡度值差距较大.不失一般性,设南宁地区土坡有浆砌天沟,植被中等,不夹石,土质

11、较差,无支护,那么稳定坡度与破坏明既有边坡设计僖缓.表3稳定边坡与破坏边坡坡度比拟Table3Theeomparlsolbetweenshttlblizingslopeangleandun=tatibliizlngslopeangle坡商(m)369l2_稳定坡度()47434O37破坏坡度()59555047(3)防护工程镝平安.从既有边坡的统计分析,有防护的边坡只比未防护边坡陡2.,实际上未到达可以到达的坡度.现场修筑防护工程的一般作法是:边坡坍塌或变形后,先削坡减缓一个等级,然后支护.因此,实际上防护后的边坡可以到达的坡度值应为相应地质条件下破坏边坡之坡度减缓别下一级坡度后再加上2.不失

12、一般性,设南宁地区土坡有浆砌天沟,植被中等,不夹石,土质较差,那么防护后边坡可以到达的坡度值见表4.显然,现有支护工程尚未充分发挥应有作用.表l防护后的坡度值TableTheslopeangleofreinforcedslopes坡膏(m)69L现有坡度()4542可以到达的坡度()5546(1)便于掌握边坡坡度的变化规律以往边坡设计,一般不可能考虑到各种工程地质条件的变化及其对坡度的影响.因此,一方面,为了平安起见,边坡设计得1l鼻缓而防护镥重,增加了工程量和工程造价,影响了施工进度.另一方面,由于在设计时一般未考虑各种条件(如植被,汇水条件,气候等)的可能变化,因而也未能保证所有边坡真正平

13、安.根据量化表格(如表1),那么可以清楚地看到各种工程地质条件的变化对坡度的影响程度,从而可帮助我们合理地确定坡度.红土边坡坡度变化规律如下:堑坡本身的各因素中,坡高是最重要的因素,坡高从汇水条件对堑坡稳定性的影响,影响范围为8.再次是坡面植被好坏,土中是否夹石,天沟是否起作用等.土质方面,从野外特征,土工试验,化学分析综合考虑,性质相对较差的堑坡要缓2.区域地质,气候条件使各地区堑坡坡率产生差异,特别是在破坏边坡中更明显,因地区差异引起的坡度变化幅度为8.南宁,柳州,桂林地区4月9月总降雨量和lO月3月总蒸发量分别是1O02mm和273mm,981ram和569mm,总蒸发量之乘积来表示干湿

14、效应,那么从表1可看出,干湿效应越明显的地区,坡度越缓.(2)既能定量,又简便,易于推广坡度与各种因素之同的关系表格确定之后,就可方便地对同类边坡进行坡度设计.例如,某新线红土边坡,坡高1Om,土质较差,不夹石,开挖后坡面不防护,但修筑浆砌天沟,试设计其合理坡度.由表1可知,稳定边坡坡度值为35.5.,破坏边坡担1的风险概率考虑,破坏边坡的坡度减去3倍标准差(32.5=7.5.)后为44.5.,即1l1,该值仍大于稳定坡度值35.5.,故取1?1为设计坡度.显然,这种方法,不需做大量的试验和计算,仅根场勘测设计人员容易掌握.初步结论坡率是我t1追求的.合理坡度.八五和.九五期间,是我国铁路大开展时期,大量的新线要上,如果我们在保证平安的前提下,尽量使边坡形式简单,坡度较陡和防护堑型化,可望获得巨大的经济效益和工程速度.本文提出的坡度设计方法,以总结稳定边坡和破坏边坡正反两方面的经验教训为根底,考虑了各种因素的变化对坡度的影响,因而能够按一定的要求(风险概率的大pb)求出合理坡度.同时,只需根据边坡的地表工程地质条件就可确定坡度,因而具体操作起来非常简便,可望在实践中得到推广.参考文慧1董文泉等.敷量化理论及其应用.长存:吉林人民出版社边坡坡度的风险设计,工程地质传统与未来.成都:成都科技大学出版社,1993越(1OO4年5月收稿)