・１５６・ 路基工程 Ｓｕｂｇｒａｄｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ２０１６年第６期（总第１８９期） ＤＯＩ：１０．１３３７９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３－８８２５．２０１６．０６．３４ 路基边坡拱形骨架护坡设计计算探讨 温晓鹏 （铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津３００１４２） 摘要：拱形骨架护坡是广泛应用于铁路、公路工程边坡的一种防护措施。目前其骨架结构尺 寸设计基本采用经验类比法，缺乏理论依据。鉴于此，以某铁路工程为依托，在分析边坡破坏机理 的基础上，通过对临界冲刷高度、边坡表层溜塌土体的下滑力计算，提出了合理的骨架结构尺寸。 关键词：铁路路基；边坡防护；骨架护坡；临界冲刷高度；骨架结构尺寸 中图分类号：Ｕ４１７．１ ２ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００３—８８２５（２０１６）０６—０１５６—０３ ０ 引言 护肩，路堤边坡采用肋条骨架结合植草种紫穗槐进 行防护，肋条骨架每１５ ｍ设置一道，宽０．８ ｍ。肋 条骨架护坡正面、剖面，见图１、图２。 路基边坡是常见的路基病害易发部位，坡面防 护是路基边坡防护的重要组成部分，应予以重视。 为了保证路基边坡稳定，防止坡面滑塌和坡面冲蚀、 碎落，需要采取合理适宜的工程措施对坡体进行 防护。 浆砌片石（混凝土块）骨架植草防护是一种既能 稳定路基边坡，又具有绿化效果的工程防护，在铁 路、公路中得到广泛应用。其形式多样，主要有拱 形骨架、菱形（方格）骨架、人字形骨架、多边形混 凝土空心块等…。国内铁路边坡防护设计中，在不 同情况下，采用何种骨架尺寸，一般采用经验类比 法，无系统理论研究。 图１肋条骨架护坡正面 本文主要对拱形骨架护坡的尺寸、分界高度进 行分析，为同类设计工作提供参考。 １工程概况 某铁路为双线、国铁Ｉ级电气化铁路，设计时 速为１２０ ｋｍ，沿线地质条件复杂，地形起伏较大。 风沙地区，路堤边坡坡率设置原则为：路基高０～６ 图２肋条骨架护坡剖面 （２）路堤高度大于等于４．０ ｍ时，采用水泥砂 浆砌片石拱形骨架（带截水槽），骨架内植草并种紫 穗槐防护，坡脚设矩形基础。拱形骨架护坡正面、 Ｉｎ，１：１．７５；路基高ｉ＞６ ｍ，１：２．０，一坡到底。黄 土地区，边坡坡率设置原则为：路基高０～８ ＩＴＩ， １：１．５；路基高８～２０ ｍ，１：１．７５，并于８ ｍ处设置 剖面，见图３、图４。 平台；路基高＞１２０ ｍ，每１０ ｎａ设置一处平台，边坡 放缓一级。 路堤边坡防护主要采用以下两种： （１）路堤高度小于４．０ ｍ时，路肩设浆砌片石 收稿日期：２０１６—０７—２５ 作者简介：温晓鹏（１９８５一），男，山东招远人。工程师，硕士，主要 从事道路与铁道工程设计工作。Ｅ・ｍａｉｌ：ｗｅｎｘｐｌ２０＠ｑｑ．ｔｏｍ。 ＿－１Ｉ广 ］Ｅ 厂 卜＿一 疆 图３拱形骨架护坡正面 温晓鹏：路基边坡拱形骨架护坡设计计算探讨 ・１５７・ 基床 图４拱形骨架护坡剖面（单位：ｃｍ） ２边坡破坏分析 ２．１边坡破坏机理 路基边坡的破坏主要有两种类型： （１）由于边坡本身的稳定性不够，随着时间的 推移，边坡发生蠕变变形而最终失稳，形成整体或 局部剪切破坏； （２）边坡自身稳定性满足要求，但因常年暴露 于自然环境中，承受着各种自然条件的影响，使边 坡发生各种变形、病害甚至破坏 。 对于边坡自身破坏，设计中一般通过稳定性检 算采取放缓边坡坡率、填土加筋、分级设置平台等 措施来避免，而对风蚀、冲刷等产生的破坏，主要 是通过设置边坡防护（骨架护坡、植物防护＿４ 等）予 以解决。 ２．２边坡冲刷临界高度 边坡冲刷临界高度受诸多因素的影响，如降雨 强度、坡面人渗率、坡面粗糙率、土颗粒粒径、土 比重、边坡坡度等，同时土体又具有各向异性等特 点，所以这个临界高度应该是一个区间变化范围， 不能当作一个常数来研究。国内学者通过室内模拟 降雨和野外观测资料，利用水力学、泥沙运动力学 等理论计算分析，在实测、理论方面都取得了大量 研究成果。 假定坡面表土是一层一层地被水流剥蚀挟带输 送，则作用在表面土单位面积上的力有水流的推力 ｒ、重力Ｇ、下部土层的支撑力Ⅳ、摩擦力厂、土颗粒 间的黏聚力ｃ。将土颗粒看成球体，只考虑坡面上非 黏性土颗粒的运动，即黏聚力ｃ为零。则边坡临界 冲刷高度的计算式为＿３ ｄＦ ０．９ｓｉｎ 。＿ ．ｃｏｓ ＋０．３ｓｉｎ－￣． ・ｃ０ｓ１．９ ｄａ 订（７一 ）ｄ ６ｒ（ｎｌＨ） 式中：Ｆ为冲刷力； 为坡面与水平面的夹角； 为 土粒比重；ｄ为土体平均粒径；ｎ为坡面粗糙系数； ，为降雨强度 。当上式为零时，边坡的冲刷力最 小，此时所得的日即为临界冲刷高度。 如果考虑边坡冲刷力最小，则拱骨架竖向间距 宜采用临界冲刷高度。按上式计算不同地区、填料 的临界冲刷高度，见表１。 表１临界冲刷高度 ２．３骨架间距 拱骨架沿垂直坡面方向的最大间距宜取边坡的 临界冲刷高度。 根据相关研究资料，边坡表层的溜塌主要是 ０．５ ｉｎ范围，可将拱骨架视为拱形结构，将表层 ０．５ ｍ土体溜塌作为荷载施加在拱骨架上，土压力主 要是溜塌产生的下滑力和坡面摩擦力之差，土压力 分项系数取１．２，以此为依据计算拱骨架截面弯曲拉 应力是否满足要求，从而确定拱沿线路方向的间距 和拱截面尺寸 一 ］。拉应力计算式为 Ｍｖ （２） 』 由式（２）可以看出，Ｙ， 都是与拱骨架宽度的 一次线性比例，所以拉应力与拱骨架的宽度没有关 系，以拱宽度０．３ ｍ，厚度０．５ ＩＴＩ为例， 为横截面 的弯矩，由上述边坡表层０．５ ｍ土体溜塌产生的荷 载计算所得；Ｙ为计算点到中性轴的距离。惯性矩 ｌ、Ｌ３ ，２＝ ，其中，ｂ为宽度０．３ ｍ，ｈ为厚度０．５ ｍ。 １二 不同拱间距的内力计算结果，见表２。 表２不同拱间距的内力计算结果 拱横向拱纵向姑室拱宽度／ Ｍ／ ／弯曲拉力轴力／ 间距／ｎｌ间距／ｍ ｍ （ｋＮ・ｍ） ｍ４ ｏ＇／ｋＰａ ｋＮ ２ ２ Ｉ：１．０ ０．３ ２．２ ０．００３ １０５．６ ５４．６ ２ ３ １：１．０ ０．３ ２．８ ０．００３ １３４．４ ７３．９ ３ ３ １：１．５ ０．３ ２．４ ０．００３ １１５．２ ６１．２ ３ ４ １：１．５ ０．３ ３．４ ０．００３ １６３．２ ７９．２ ２．４骨架厚度 骨架护坡主要是为了防止坡面受雨水冲刷、水 土流失、表层掉块溜塌、坡面变形等病害，这就要 求骨架必须具有一定的厚度和强度，方能满足支撑 坡面溜塌和抵抗边坡变形的要求，故规范中要求骨 架厚度不小于０．４ ｍ。 根据表２计算的各种尺寸拱骨架的轴力，则要 求采用Ｍ７．５浆砌片石时，拱骨架最小截面积必须 满足表３要求。 ・１５８・ 路基工程 Ｓｕｂｇｒａｄｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ 表３拱骨架最小截面积 ２０１６年第６期（总第１８９期） （自然科学版），２００３，４（３）：４３—４５． Ｌｉ ＺＧ，Ｗａｎｇ ＣＨ．Ｅｒｏｓｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｈｉｇｈｗａｙ ｓｌｏｐｅ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ＰＬＡ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｎａｔｕｒｌ Ｓｃｉａｅｎｃｅ），２００３，４ （３）：４３—４５． ［２］张红杰．平原地区路基边坡冲刷坡度与防护临界高度确定［Ｊ］．山东交 通科技，２０１４（６）：８９—９１． Ｚｈａｎｇ ＨＪ．Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｌｏｐｅ ｏｆ ｓｕｂｇｒａｄｅ ｓｌｏｐｅ ｅｒｏｓｉｏｎ ａｎｄ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｈｅｉｇｈｔ ｏｆ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ｐｌａｉｎ ａｉ＇￣ａｓ【Ｊ］．Ｓｈａｎｄｏｎｇ ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ２０１４（６）：８９—９１ 由表３可见，为满足最小截面积要求，如果拱 （３］李亚兰，陈志新，张桥中，等．公路黄土边坡坡丽冲刷破坏的临界坡度 研究［Ｊ］．公路交通科技．２００５，２２（９）：４５—４７． “ＹＬ，Ｃｈｅｎ ＺＸ，Ｚｈａｎｇ ＱＺ，ｅｔ ａ１．Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｇｒａｄｉｅｎｔ ｆｏｒ ｅｒｏｓｉｏｎ 骨架采用０．５ ｍ厚，其宽度不得小于０．２ Ｉｎ０ ３结语 ０ｆｔｈｅ ｈｉｇｈｗａｙ ｓｌｏｐｅ ｉｎ ｌｏｅｓｓ ａｒｅａ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｉｇｈｗａｙ ｎｄ ａＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，２００５，２２（９）：４５－４７． 本文以某铁路为例，对拱形骨架边坡防护设计 进行了简要介绍。 （１）通过边坡冲刷临界高度可以确定骨架防护 的竖向高度。 ［４］李万鹏，孙玉海，付仁华．骨架植物防护在路基边坡中的应用研究 ［Ｊ］．路基工程，２００６（５）：１１９—１２２． Ｌｉ ＷＰ，Ｓｕｎ ＹＨ，Ｆｕ ＲＨ．Ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｆｒａｍｅｗｏｒｋ－ ｐｌａｎｔ－ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｆｏｒ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｕｂｇｒａｄｅ ｓｌｏｐｅ［Ｊ］．Ｓｕｂｇｒａｄｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， ２００６（５）：１１９—１２２． （２）根据边坡表层溜塌土体产生的下滑力和坡 面摩擦力，可以确定骨架的横向宽度。 （３）骨架的截面积可通过计算下滑土体产生的 轴力来确定。 （４）由于坡面冲刷机理的复杂性，理论计算都 是基于一种理想状态、假设的前提下，尚无成熟的 ［５］郭梅，姜仁安．坡面冲刷的临界坡度的计算分析［Ｊ］ 吉林建筑工程学 院学报．２００８，２５（１）：６０—６２． Ｇｕｏ Ｍ，Ｊｉａｎｇ Ｒ Ａ．Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｓｌｏｐｅ Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ ａｎｄ Ａｎ￣ｙｓｉｓ ｏｆ Ｓｌｏｐｅ Ｆａｃｅ Ｗａｓｈｏｕｔ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｊｉｌｉｎ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ ａｎｄ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ， ２００８，２５（１）：６０—６２． ［６］白东辉．采用拱型骨架整治路堤边坡溜塌技术［Ｊ］．铁道建筑．２ＯＯ９ （８）：１０６—１０８． Ｂａｌ ＤＨ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ａｒｃｈｅｄ ｓｋｅｌｅｔｏｎ ｔｏ ｐｒｅｖｅｎｔｉｎｇ ｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ’Ｓ ｓｉｄｅｓｌｏｐｅ 计算方法，本文的边坡临界冲刷高度、骨架结构设 计只是一个分析，还需实际工程的检验。 参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）： ［１］李志刚，王春辉．公路边坡冲刷机理初探［Ｊ］．理工大学学报 ｆｒｏｍ ｓｌｉｄｅ［Ｊ］．Ｒａｉｌｗａｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００９（８）：１０６—１０８． ［７］匡星，王连俊，白明洲．路堤边坡土体水土流失计算方法探讨［Ｊ］．土 木工程学报．２００９，４２（４）：１２８—１３２． Ｋｕａｎｇ Ｘ。Ｗａｎｇ ＬＪ，Ｂａｔ ＭＺ．Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｓｏｉｌ ｅｒｏｓｉｏｎ ｏｆ ｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ ｓｌｏｐｅｓ［Ｊ］．Ｃｈｉｎａ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｔｏｕｒｎａｌ，２００９，４２（４）： １２８—１３２． Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ ｏｎ Ｄｅｓｉｇｎ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｕｂｇｒａｄｅ Ｓｌｏｐｅ Ａｒｃｈ Ｓｋｅｌｅｔｏｎ Ｓｌｏｐｅ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ＷＥＮ Ｘｉａｏｐｅｎｇ （Ｔｈｅ Ｔｈｉｒｄ Ｒａｉｌｗａｙ Ｓｕｒｖｅｙ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３００１４２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ａｒｃｈ ｓｋｅｌｅｔｏｎ ｓｌｏｐｅ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｉｓ ａ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅ ｗｉｄｅｌｙ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｒａｉｌｗａｙ ａｎｄ ｈｉｇｈｗａｙ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｓｌｏｐｅ．Ａｔ ｐｒｅｓｅｎｔ，ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｅｎｔｉａｌ ａｎａｌｏｇｉｓｍ ｉｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｆｏｒ ｓｋｅｌｅｔｏｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｓｉｚｅ ｄｅｓｉｇｎ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｌａｃｋ ｏｆ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃ ｂａｓｉｓ．Ｗｈｅｒｅａｓ，ｒｅｌｙｉｎｇ ｏｎ ｒａｉｌｗａｙ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｄａｍａｇｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｓｌｏｐｅ，ｔｈｅ ｃｌｉｎｉｃａｌ ｓｃｏｕｒ ａｌｔｉｔｕｄｅ ａｎｄ ｓｌｉｄｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｏｆ ｓｌｏｐｅ ＳＯｌ＇ｆａｃｅ ｃｏｌｌａｐｓｅ ｓｏｉｌ ｗｅｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｓｋｅｌｅｔｏｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｓｉｚｅ ｗａｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｒａｉｌｗａｙ ｓｕｂｇｒａｄｅ；ｓｌｏｐｅ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ；ｓｋｅｌｅｔｏｎ ｓｌｏｐｅ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ；ｃｌｉｎｉｃａｌ ｓｃｏｕｒ ａｌｔｉｔｕｄｅ；ｓｋｅｌｅｔｏｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｓｉｚｅ
