0 引言

　　我国西北地区干旱少雨，分布有大面积的沙漠土地。在沙漠地区修筑公路、铁路时，风积沙是最主要的路堤填筑材料，但由于其具有颗粒细小且均匀、结构松散、无黏性、天然含水率小、保水性差等特殊的工程特性，建成后重荷载作用下风积沙路堤的边坡稳定性问题仍需进一步研究。

　　目前，针对风积沙路基的研究主要集中在填料的工程特性、施工工艺、压实方法、改良风积沙等方面^[1,2,3,4,5]。也有学者针对其他填料的路堤边坡稳定性问题进行了研究:杨有海等^[6]采用数值模拟方法，研究了戈壁地区高速铁路路堤边坡在受填料性质、降雨及有无防护、加筋加固等因素影响下的稳定性问题;季大雪等^[7]研究了土工格栅加筋对高边坡稳定性的影响，并认为在边坡工程中，铺设多层强度适中的土工格栅比少量高强度土工格栅的加筋效果好;尹紫红等^[8]对非饱和路堑边坡在不同降雨强度下瞬态渗流场与应力场流固耦合进行分析，研究了降雨强度对路堑边坡安全系数的影响;郭志柳等^[9]研究了路堤填料的弹性模量、泊松比、黏聚力、内摩擦角等不同的填料参数对边坡稳定性的影响;杨庆等^[10]研究了土工格栅加筋作用及其参数对路堤边坡稳定性的影响，结果表明土工格栅加筋能显著提高路堤边坡的整体稳定性和承载力。

　　浩吉铁路(原蒙华铁路)为重载铁路，起点200多km穿越毛乌素沙地，该段线路两侧缺乏优质的路基工程填料，因此采用风积沙及改良风积沙填筑路基基床底层及以下部位。由于沙漠地区气候干燥，降水稀少，日照强烈，温差变化剧烈，风沙频率高且风力强大，自然环境恶劣。对于长期经过外部环境作用下的风积沙路堤边坡而言，边坡浅层土体易发生风蚀、溜坍、滑移等路基病害，因此，必须采取合理的防护措施，确保风积沙路基边坡的稳定性。

　　本文依托浩吉重载铁路风积沙路基工程实例，选取具有代表性的试验段风积沙路堤作为研究对象，采用有限元分析法，研究列车及轨道荷载作用下，风积沙路堤边坡在填料改良、降雨、加筋及边坡防护、坡率等因素影响下的稳定性问题，以期为全标段路基设计施工提供指导，并为类似工程的建设提供参考。

　　1 有限元模型

　　1.1 几何模型

　　本文以浩吉铁路风积沙路基为研究对象，为简化计算，取对称路堤的一半进行模拟计算，并假定路基本体的全部填料均为匀质、各向同性、连续接触的弹塑性材料，研究各因素影响下的边坡稳定性。根据现场情况，选取里程DK182+900.00的横断面进行模拟分析，有限元模型宽60m、高30m，其中，边坡高10m，坡顶宽6.05m，坡度为1∶2，地基土厚度为20m。其几何计算模型如图1所示。

　　

　　图1 几何计算模型(单位:m)  

　　 

　　1.2 材料参数

　　浩吉铁路风积沙路基基床表层采用细圆砾土(A组填料)填筑;基床底层为水泥改良风积沙或物理改良(细圆砾土掺风积沙)混合填料(B组填料)填筑;基床以下部分均采用风积沙填筑;路堤边坡采用土工格栅加筋，加筋长度3.0m，间距0.6m;地基部分为饱和粉细砂，地基表层换填0.5m厚细圆砾土。依据地质勘察报告和室内土工试验结果，同时参考文献[1]及相关研究成果^[11,12,13]，有限元模型计算时所采用的材料参数取值如表1,2所示。

　　1.3 有限元本构模型

　　在有限元模拟计算中，路基本体的填筑材料和地基土均采用莫尔-库仑本构模型;由于土工格栅的应力与应变在线弹性范围内，因此，取为弹性模型。对路堤边坡的拱形骨架护坡防护进行简化分析，即采用大小为5k N/m²且垂直作用于边坡表面的均布荷载进行模拟。

　　1.4 荷载及边界条件

　　计算过程中，对路基上部的轨道及列车荷载采用换算土柱法进行简化计算。由于浩吉铁路设计轴重为30t，依据TB 10625—2017《重载铁路设计规范》^[14]规定，设计活载为列车竖向ZH标准静活载，重载等级系数Z取1.3，竖向荷载按规范取值。

　　边界条件的确定:取路基边坡外侧部分不受任何约束，即坡面为自由边界;模型顶面为自由边界;模型底部采用固定约束。

　　界面特性:为了简化计算，土工格栅与路基填料之间的接触面采用ABAQUS软件中的嵌入功能实现，即认为筋土之间存在理想的变形协调关系。

　　2 风积沙路堤边坡稳定性模拟结果分析

　　2.1 填料对边坡稳定性的影响

　　当试验段内所选断面的路基基床底层采用2种不同填料(即水泥掺量为6%和掺细圆粒土的改良风积沙)进行填筑时，此时路基边坡为素土边坡，其在最优含水率状态下的侧向位移数值模拟计算结果如表3所示。

　　由表3可知，当路基基床底层采用2种不同的填料进行填筑时，路堤边坡的水平位移值相差不大，采用强度折减法对路基边坡进行稳定性分析，其安全系数在非饱和状态下均满足《重载铁路设计规范》要求。和基床底层采用物理改良风积沙填料的措施相比，采用水泥改良风积沙填筑时的边坡最大水平位移较小，这是由于水泥具有胶结作用，使松散的风积沙颗粒间的黏聚力提高，边坡稳定性更好。但综合经济因素考虑，建议选取物理改良风积沙作为路基基床底层填料。

　　  

　　表1 地基土及路基填料的物理力学参数 

　　 

　　 

　　

　　表1 地基土及路基填料的物理力学参数

　　  

　　表2 土工格栅参数 

　　 

　　 

　　

　　表2 土工格栅参数

　　  

　　表3 不同填料对路基边坡侧向位移的影响 

　　 

　　 

　　

　　表3 不同填料对路基边坡侧向位移的影响

　　2.2 降雨对边坡稳定性的影响

　　为了进一步分析降雨入渗对风积沙路基边坡稳定性的影响，依据浩吉铁路风积沙路基试验段设计方案(基床表层为细圆砾土填筑，基床底层为细圆砾土掺风积沙，基床以下部位为风积沙填筑，地基部分为饱和粉细砂)，采用数值模拟方法，建立素土边坡有限元模型，即没有加筋及边坡防护作用。降雨类型采用连续降雨模式，即风积沙路堤边坡浅层土体在连续降雨1h后达到饱和状态，渗透厚度为1.0m。风积沙路堤边坡浅层土体在不同含水率状态下的边坡稳定性计算结果如表4所示。

　　  

　　表4 降雨模式下边坡稳定性计算结果 

　　 

　　 

　　

　　表4 降雨模式下边坡稳定性计算结果

　　由表4分析可知，当风积沙路堤边坡填土处于最优含水率状态时，其边坡最大水平位移为10.3mm，安全系数为1.59，大于规范规定的1.25，因此满足规范要求;而当路堤边坡在连续降雨入渗饱和厚度为1m时，其最大水平位移增大到18.6mm，安全系数<1，边坡发生破坏。这是因为当风积沙路堤边坡浅层土体处于饱和状态时，其力学性能变得较差，而导致边坡失稳。因此，为防止重载铁路风积沙路堤边坡在降雨条件下，边坡浅层土体发生失稳破坏，必须采取加筋加固措施，以确保路堤结构的整体稳定性。

　　2.3 加筋对边坡稳定性的影响

　　土工格栅材料具有性质均匀稳定、抗拉强度高、韧性好、与土颗粒间的摩擦系数高等特点，对路堤边坡的竖向及水平位移有较强的约束作用，尤其对边坡浅层土体位移的约束效果更显著，加筋后提高了路基本体的整体稳定性，在路基工程中具有广泛应用。

　　选取试验段内典型路基断面，对雨水入渗饱和(饱和厚度为1m)状态下有无加筋时路堤边坡的稳定性进行对比分析。土工格栅加筋分别采用以下几种工况:(1)采用加筋间距0.6m，加筋长度分别为3,4,5,6m;(2)采用3m的加筋长度，加筋间距分别为0.3,0.6,0.9,1.2m，研究土工格栅加筋作用对风积沙路堤边坡稳定性的影响。有无加筋时的边坡稳定性分析计算结果如表5,6所示。

　　  

　　表5 不同加筋长度(加筋间距为0.6m) 

　　 

　　 

　　

　　表5 不同加筋长度(加筋间距为0.6m)

　　  

　　表6 不同加筋间距(加筋长度为3m) 

　　 

　　 

　　

　　表6 不同加筋间距(加筋长度为3m)

　　分析表5,6可知，当风积沙路基边坡雨水入渗饱和(饱和厚度为1m)时，土工格栅加筋可有效提高其稳定性，加筋后，边坡稳定安全系数显著提高，均大于规范规定的1.15 (除加筋长度3m，间距1.2m时不满足)。根据规范中对土工格栅铺设长度及间距的要求，并综合考虑施工工艺及经济因素，建议该标段土工格栅铺设时采用加筋长度为3m、加筋间距为0.6m的工艺参数，以保证风积沙路堤边坡的稳定性。

　　2.4 边坡加筋及防护对边坡稳定性的影响

　　风积沙填料具有颗粒细小且均匀、黏聚力小、整体性差等特殊的工程特性，其路基边坡长时间暴露在大风环境下，易出现风蚀而导致边坡发生破坏，为了降低风积沙路堤边坡在风蚀和降雨等作用下对边坡稳定性的影响，在填筑完成后应及时进行边坡防护。

　　浩吉铁路风积沙路基采取拱形骨架护坡与植物防护相结合的工程措施，本文按现场实际情况，研究风积沙路堤边坡在最优含水率及浅层土体饱和状态下，有无加筋及防护作用时的边坡稳定性。在计算过程中，对路堤边坡的拱形骨架护坡防护进行简化分析，即采用大小为5k N/m²且垂直作用于边坡表面的均布荷载;土工格栅采用加筋长度为3m、加筋间距为0.6m的工艺参数。风积沙路堤边坡在有无加筋及防护作用下稳定性分析计算结果如表7所示。

　　  

　　表7 有无加筋及防护作用下的边坡稳定性计算结果 

　　 

　　 

　　

　　表7 有无加筋及防护作用下的边坡稳定性计算结果

　　分析表7可知，风积沙路堤边坡在有边坡加筋及防护作用时，其最大水平位移显著减小。其中，最优含水率状态下，水平位移由10.3mm减小到5.7mm，减小幅度约50%，而安全系数由1.59增大到1.83，增大15%;浅层土体在饱和状态下，加筋后水平位移由18.6mm减小到14.0mm，而安全系数由0.87提高到1.37，使得边坡稳定性满足规范要求。因此，边坡加筋及防护作用有效限制了其侧向位移，对边坡的浅层变形有较好的控制作用;另外，边坡防护还可防止风积沙路堤边坡发生风蚀、溜坍等路基病害，增强了其整体稳定性。

　　2.5 边坡坡率对边坡稳定性的影响

　　路基边坡坡率是决定边坡径流的冲刷能力及影响边坡稳定性的重要因素之一。在一定的坡度范围内，随着坡率的增大，雨水径流对边坡的冲刷影响越严重，其稳定性越差。由于风积沙是一种级配不良、结构松散、压实度较差的路基填料，当采用风积沙填筑较高的路堤本体时，为了提高路堤边坡的稳定性，除采取边坡加筋及防护措施外，选择合理的边坡坡率也是一种较有效的措施。

　　结合工程实际，为了研究最不利工况下的边坡稳定性，采用数值模拟方法，模拟风积沙路堤边坡在有土工格栅加筋及防护作用，且边坡浅层土体(1m范围内)处于饱和状态时，不同边坡坡率(1∶2,1∶1.75,1∶1.5,1∶1.25,1∶1)工况下的边坡稳定性。其边坡最大水平位移及稳定安全系数如表8所示。

　　由表8可知，在路堤边坡浅层土体处于饱和状态时，随着边坡坡率的增大，风积沙路堤边坡最大水平位移增大，安全系数减小，边坡稳定性降低。在有加筋及防护作用，且浅层土体处于饱和状态下，当边坡坡率为1∶1.5及以上时，安全系数均>1.15，边坡稳定性满足规范要求;当边坡坡率为1∶1.25时，安全系数为1.01，不满足规范要求;当边坡坡率为1∶1时，安全系数<1，发生失稳破坏。因此，当采用风积沙作为路基填料时，为了提高路堤边坡的稳定性，建议边坡坡率取≤1∶1.5，并且采取边坡加筋及防护措施。

　　  

　　表8 不同边坡坡率下的边坡稳定性计算结果 

　　 

　　 

　　

　　表8 不同边坡坡率下的边坡稳定性计算结果

　　3 结语

　　1)浩吉重载铁路风积沙路基基床底层分别填筑水泥改良风积沙和物理改良风积沙时，路堤边坡的稳定性在非饱和状态下均满足规范要求。

　　2)降雨入渗对风积沙路堤边坡稳定性产生较大影响，当边坡浅层土体达到饱和状态且未采取加筋及防护措施时，其安全系数<1，发生失稳破坏，因此，必须采取加筋加固措施。

　　3)土工格栅加筋可有效提高风积沙路堤边坡稳定性，且安全系数随加筋长度的增加而增大、随加筋间距的增大而减小。在浩吉重载铁路MHTJ-2标段，建议采用土工格栅加筋长度为3m、加筋间距为0.6m的工艺参数，以保证风积沙路堤边坡的稳定性。

　　4)风积沙路堤边坡在有边坡加筋及防护作用时，其最大水平位移显著减小。最优含水率状态下，安全系数由1.59增大到1.83;饱和状态下，加筋后安全系数由0.87提高到1.37，使得边坡稳定性满足规范要求。因此，边坡加筋及防护既有效减小了边坡浅层土体的变形，还能预防风积沙路堤边坡发生风蚀、溜坍等路基病害，增强了其整体稳定性。

　　5)在边坡浅层土体处于饱和状态时，随着边坡坡率的增大，最大水平位移增大，安全系数减小，边坡稳定性降低。当边坡坡率>1∶1.5时，安全系数不能满足规范要求，建议风积沙路堤边坡的坡率取≤1∶1.5，并且采取边坡加筋及防护措施。