摘要：重力式支挡结构的安全评估是既有铁路、公路安全评估的重要组成部分。文章阐述了重力式支挡结构安全评估体系的内容，分析了重力式支挡结构的安全影响因素，探讨了重力式支挡结构安全评估的主要方法，并就可靠度方法在重力式支挡结构安全评估中的应用进行了工程实例计算。 关键词：重力式支挡结构；评估体系；影响因素；评估技术；既有线路 文献标识码：A 中图分类号：U213 文章编号：1009-2374（2016）13-0047-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.13.022 1 概述 重力式支挡结构被广泛应用于铁路及公路支挡结构设计中。既有铁路运营过程中，在线路提速或轴重加大后，作用在路基面上的动应力将大幅增加。既有线路经过一定运营期后，重力式支挡结构工作环境也随之发生变化。既有重力式支挡结构如何保证运营的安全，是工程技术人员最为关心的问题。目前，我国在重力式支挡结构安全评估方面的研究较少，特别需要加强此领域的研究工作。重力式支挡结构安全评估是在一定的评估体系下，对其安全影响因素进行全面分析，确定评估单元，再应用各种安全评估方法对其安全状况进行评判，并据此提出维护和加强的措施。 2 重力式支挡结构安全评估体系 2.1 重力式支挡结构安全评估体系的目标 建立重力式支挡结构安全评估体系是重力式支挡结构安全评估时的理论依据。其目标是对铁路、公路等交通工程系统安全性、可靠性、可用性、可维护性的各种指标进行评估，以达到最低事故率、最少损失、最少维护率及最优投资效益。 2.2 重力式支挡结构安全评估体系的构成 重力式支挡结构安全评估体系主要由安全预评估、设计审核安全评估、施工安全评估、验收安全评估、安全现状定期安全评估（直至超出正常使用年限）五项内容构成。安全预评估主要在系统可行性研究时进行，可指导后续系统设计及施工。设计审核安全评估及施工安全评估是结构是否能够达到正常使用年限的关键。在设计时应综合考虑设计的经济性及合理性，在施工时应严格要求施工质量及施工安全。验收安全评估是通过试运行阶段分析结构使用时潜在的风险，并确定其危险程度及可能出现的后果，提出预防措施。安全现状定期安全评估，即采用各种安全评估技术相结合，综合评估重力式支挡结构的安全状况，是其生命周期内所有评估工作的重点。 2.3 重力式支挡结构安全评估单元 根据分析重力式支挡结构安全影响因素及其破坏时可能出现的症状，可从如下四方面着手确定其评估单元：（1）从受力角度，包括动应力的变化对稳定性的影响、不同计算方法对稳定性的影响、不同荷载方式对稳定性的影响；（2）从变形角度，包括墙身是否有裂缝、墙后土体是否开裂、墙后土体是否有不均匀下沉；（3）从墙型结构及材料角度，包括材料是否风化，砂浆、混凝土是否老化，墙型尺寸是否满足设计要求；（4）从水文地质角度，包括泄水孔是否堵塞、墙体地基是否发生变化。 2.4 重力式支挡结构安全评估步骤 重力式支挡结构进行安全评估时，可遵循如下七个步骤：准备工作、安全影响因素分析、确定评估单元、安全评估实施、安全对策制定、评估结论及建议、编写安全评估报告。 3 重力式支挡结构的安全影响因素 在设计计算过程中，特别是土压力的计算理论、计算参数的取值、材料、施工、动应力、地震力等方面，对重力式支挡结构安全性均有较大影响。同时既有支挡结构的安全性还受其工作环境变化的影响，如水文及工程地质条件的变化等，在进行安全评估时要进行全面 分析。 3.1 不同土压力计算理论的影响 目前设计中大多采用库伦公式计算土压力，有时也采用弹性理论。库伦理论及弹性理论的计算假设条件不同，计算所得墙后土压力大小、分布规律及作用点位置均有较大差别。由库伦理论计算所得的墙后土压力分布形式为一折线，而由弹性理论计算所得的墙后土压力分布形式为一凸曲线，中上部偏大，底部偏小。在评估时应对由于不同的计算方法对计算结果的影响进行分析。 3.2 提速或轴重增加引起动应力增大的影响 传统普通铁路路基设计均采用换算土柱法，将静荷载和动荷载一并简化为静荷载。但随着既有线提速或轴重增加后，列车动荷载作用明显加强，导致基床范围内重力式支挡结构土压力与传统库仑理论计算所得结果相比有明显差异，特别是当支挡结构较矮（2～4m）时。因此需要对由于动应力发生变化对支挡结构稳定性的影响进行评估。 3.3 使用环境变化的影响 重力式支挡结构经历一定的运营期后，排水设施失效或者排水不利时，可能引起土体重度明显增加，黏聚力c、内摩擦角φ、墙背摩擦角δ均不同程度减小。雨水的入渗还可能发生基底软化现象，导致基底承载能力急剧下降。在经历一定时间的运营期后，墙体材料耐久性也会发生明显变化，特别是墙背。这些因素对重力式支挡结构的安全影响至关重要，需特别加以重视。 3.4 不同墙型的影响 重力式支挡结构传统使用墙型一般为墙胸墙背坡度相同。但现在使用较多的改进后墙型是将上墙背坡度放陡，增设倾斜基底。使用传统墙型的重力式支挡结构随着既有线提速，可能造成路基受力不均。不同墙型的计算截面面积也有所不同。同时，改进后的墙型由于增设倾斜基底，故抗滑能力有较大提高。但是采用增强措施的墙型虽然安全系数得以提高，其安全可靠度不一定相应提高。 4 重力式支挡结构安全评估方法 重力式支挡结构安全评估方法有很多种，包括非确定性分析方法、定性分析方法、定量分析方法、模型试验分析方法、现场检测分析方法。各种分析方法特点及使用范围不尽相同。 4.1 非确定性分析方法 4.1.1 可靠度分析方法。可靠度分析方法通过考虑重力式支挡结构设计中随机变量（重度γ、综合内摩擦角φ0、墙背摩擦角δ、基底承载力σ）的变异性，计算结构功能函数的不同功能函数值，进而确定结构的失效概率及可靠指标，给出相应安全评估结论。 根据最终R值的大小，参考相应的换算标准，即可得出重力式支挡结构的安全评估等级。 4.1.3 专家评估方法。专家评估方法采用匿名函询的方式，通过一系列简明的调查征询表邀请专家对待评估结构进行打分，并通过有控制的反馈，取得尽可能一致的意见，对结构现状做出相应评估，对未来做出相应的预测。 4.2 定性分析方法 工程类比方法是定性分析技术的典型应用。尽量找一与待评估的重力式支挡结构使用环境类似，并已安全使用超过其使用年限的同类型重力式支挡结构。再分析两者可能的破坏机制的相似性及差异性，并结合两者的安全等级，综合确定其安全状态。 4.3 定量分析方法 定量分析方法主要包括极限平衡法及有限元法。广泛应用于岩土工程界的GEO-SLOPE（边坡稳定分析软件）便是基于极限平衡原理，将重力式支挡结构及后方岩（土）体均视为刚体，不考虑本身的应力应变关系，将结构后方潜在滑动面内的岩（土）体划分为多个小块体，通过各块体的平衡条件建立整个体系的平衡方程，导出重力式支挡结构的安全系数。 有限元法先将重力式支挡结构用有限个容易分析的单元代替，单元之间通过有限个节点相互连接，然后根据变形协调来综合求解其位移、应力、应变、内力等，综合分析其所处安全状态。有限元法可以用来求解弹性、弹塑性、粘弹塑性、粘塑性等问题，常用的计算分析软件有ANSYS、FLAC、ABAQUS、SAP等。 4.4 模型试验方法 由于重力式支挡结构尺寸较大，故实尺模型试验既耗时又不经济，一般对其进行离心模型试验。把按1/n比例缩放后的模型放在以ng离心加速度运转的离心机中进行试验，模拟现场实际受力，通过测试其应力及变形破坏情况，对其做出安全评估结论。 4.5 现场试验方法 现场试验方法主要包括裂缝观测、排水设施检查、荷载试验、位移时间曲线监测、地基土软化情况检测等，其中现场裂缝观测、排水设施检查比较直观，容易实现，且效果比较精准。在雨季时对重力式支挡结构做位移时间监测试验，可以有效减少突然破坏情况的 发生。 5 可靠度分析方法在重力式支挡结构安全评估中的应用 利用可靠度分析方法，结合蒙特卡洛原理对某单线Ⅰ级铁路既有重力式支挡结构进行安全评估。 5.1 计算条件 以单线Ⅰ级次重型铁路为例。支挡结构型式取重力式路肩墙，墙胸墙背均取1∶0.25的仰斜。列车荷载分布宽度：l0=3.5m；换算土柱高度：h0=3.2m。换算土柱距路基边缘距离：k0=1.95m。填土按砂性土考虑，取内摩擦角φ=35°，基底摩擦系数f=0.3；土体重度γ=19kN/m3；土与墙背的摩擦角δ=φ/2，即17.5°；基底容许承载力取σ=300kPa。 5.2 可靠指标计算结果分析 由重力式支挡结构可靠度指标计算结果（表1）分析可得： 第一，在该计算条件下，该结构抗滑可靠指标在2.26～2.86之间变化，其相应失效概率为9.1‰～2.5‰。该结构抗倾覆可靠指标在2.85～3.29之间变化，其相应失效概率为2.5‰～2.0‰。各项指标均符合相关要求，故可将该结构安全状况评估为良好。 第二，在传统的安全系数法计算过程中，尽管重力式支挡结构的墙高在4～10m之间变化时，其抗滑稳定系数均在1.30～1.35之间变化，其抗倾覆稳定系数均在1.66～1.80之间变化。但其抗滑动和抗倾覆可靠指标均随着墙高的增加而变大，其基底承载力可靠指标则随着墙高的增加而减小。 第三，通过引进可靠度原理对重力式支挡结构进行设计及安全评估，相比传统的安全系数法，能更直观并准确地反映结构的安全储备情况。 6 结语 本文初步建立了重力式支挡结构安全评估的体系，对影响重力式支挡结构安全的主要影响因素进行了详细分析，研究探讨了多种重力式支挡结构安全评估方法。重点介绍了由多安全影响因素控制的可靠度分析方法及模糊综合评估方法在重力式支挡结构安全评估中的应用，其避免了由单个控制因素而得结论的片面性及误 差性。 参考文献 [1] 李海光.新型支挡结构设计与工程实例[M].北京： 人民交通出版社，2004. [2] 韩自立，张千里.既有线提速路基动应力分析[J].中 国铁道科学，2005，（9）. [3] 张曙光.高速铁路系统生命周期内安全评估体系的研 究[J].铁道学报，2007，（4）. [4] 罗一农，刘会娟，苏谦.动应力对支挡结构安全性影 响的分析[A].铁路客运专线建设技术交流会论文集 [C].2005. [5] 郝瀛.铁道工程[M].北京：中国铁道出版社，2005. [6] 李昌铸.特尔斐专家评估法在公路桥梁评价中的应用 [J].公路学报，1992，（2）. [7] 黄昌乾，丁恩保.边坡工程常用稳定性分析方法[J]. 水电站设计，1999，（3）. （责任编辑：蒋建华）
摘要：重力式支挡结构的安全评估是既有铁路、公路安全评估的重要组成部分。文章阐述了重力式支挡结构安全评估体系的内容，分析了重力式支挡结构的安全影响因素，探讨了重力式支挡结构安全评估的主要方法，并就可靠度方法在重力式支挡结构安全评估中的应用进行了工程实例计算。 关键词：重力式支挡结构；评估体系；影响因素；评估技术；既有线路 文献标识码：A 中图分类号：U213 文章编号：1009-2374（2016）13-0047-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.13.022 1 概述 重力式支挡结构被广泛应用于铁路及公路支挡结构设计中。既有铁路运营过程中，在线路提速或轴重加大后，作用在路基面上的动应力将大幅增加。既有线路经过一定运营期后，重力式支挡结构工作环境也随之发生变化。既有重力式支挡结构如何保证运营的安全，是工程技术人员最为关心的问题。目前，我国在重力式支挡结构安全评估方面的研究较少，特别需要加强此领域的研究工作。重力式支挡结构安全评估是在一定的评估体系下，对其安全影响因素进行全面分析，确定评估单元，再应用各种安全评估方法对其安全状况进行评判，并据此提出维护和加强的措施。 2 重力式支挡结构安全评估体系 2.1 重力式支挡结构安全评估体系的目标 建立重力式支挡结构安全评估体系是重力式支挡结构安全评估时的理论依据。其目标是对铁路、公路等交通工程系统安全性、可靠性、可用性、可维护性的各种指标进行评估，以达到最低事故率、最少损失、最少维护率及最优投资效益。 2.2 重力式支挡结构安全评估体系的构成 重力式支挡结构安全评估体系主要由安全预评估、设计审核安全评估、施工安全评估、验收安全评估、安全现状定期安全评估（直至超出正常使用年限）五项内容构成。安全预评估主要在系统可行性研究时进行，可指导后续系统设计及施工。设计审核安全评估及施工安全评估是结构是否能够达到正常使用年限的关键。在设计时应综合考虑设计的经济性及合理性，在施工时应严格要求施工质量及施工安全。验收安全评估是通过试运行阶段分析结构使用时潜在的风险，并确定其危险程度及可能出现的后果，提出预防措施。安全现状定期安全评估，即采用各种安全评估技术相结合，综合评估重力式支挡结构的安全状况，是其生命周期内所有评估工作的重点。 2.3 重力式支挡结构安全评估单元 根据分析重力式支挡结构安全影响因素及其破坏时可能出现的症状，可从如下四方面着手确定其评估单元：（1）从受力角度，包括动应力的变化对稳定性的影响、不同计算方法对稳定性的影响、不同荷载方式对稳定性的影响；（2）从变形角度，包括墙身是否有裂缝、墙后土体是否开裂、墙后土体是否有不均匀下沉；（3）从墙型结构及材料角度，包括材料是否风化，砂浆、混凝土是否老化，墙型尺寸是否满足设计要求；（4）从水文地质角度，包括泄水孔是否堵塞、墙体地基是否发生变化。 2.4 重力式支挡结构安全评估步骤 重力式支挡结构进行安全评估时，可遵循如下七个步骤：准备工作、安全影响因素分析、确定评估单元、安全评估实施、安全对策制定、评估结论及建议、编写安全评估报告。 3 重力式支挡结构的安全影响因素 在设计计算过程中，特别是土压力的计算理论、计算参数的取值、材料、施工、动应力、地震力等方面，对重力式支挡结构安全性均有较大影响。同时既有支挡结构的安全性还受其工作环境变化的影响，如水文及工程地质条件的变化等，在进行安全评估时要进行全面 分析。 3.1 不同土压力计算理论的影响 目前设计中大多采用库伦公式计算土压力，有时也采用弹性理论。库伦理论及弹性理论的计算假设条件不同，计算所得墙后土压力大小、分布规律及作用点位置均有较大差别。由库伦理论计算所得的墙后土压力分布形式为一折线，而由弹性理论计算所得的墙后土压力分布形式为一凸曲线，中上部偏大，底部偏小。在评估时应对由于不同的计算方法对计算结果的影响进行分析。 3.2 提速或轴重增加引起动应力增大的影响 传统普通铁路路基设计均采用换算土柱法，将静荷载和动荷载一并简化为静荷载。但随着既有线提速或轴重增加后，列车动荷载作用明显加强，导致基床范围内重力式支挡结构土压力与传统库仑理论计算所得结果相比有明显差异，特别是当支挡结构较矮（2～4m）时。因此需要对由于动应力发生变化对支挡结构稳定性的影响进行评估。 3.3 使用环境变化的影响 重力式支挡结构经历一定的运营期后，排水设施失效或者排水不利时，可能引起土体重度明显增加，黏聚力c、内摩擦角φ、墙背摩擦角δ均不同程度减小。雨水的入渗还可能发生基底软化现象，导致基底承载能力急剧下降。在经历一定时间的运营期后，墙体材料耐久性也会发生明显变化，特别是墙背。这些因素对重力式支挡结构的安全影响至关重要，需特别加以重视。 3.4 不同墙型的影响 重力式支挡结构传统使用墙型一般为墙胸墙背坡度相同。但现在使用较多的改进后墙型是将上墙背坡度放陡，增设倾斜基底。使用传统墙型的重力式支挡结构随着既有线提速，可能造成路基受力不均。不同墙型的计算截面面积也有所不同。同时，改进后的墙型由于增设倾斜基底，故抗滑能力有较大提高。但是采用增强措施的墙型虽然安全系数得以提高，其安全可靠度不一定相应提高。 4 重力式支挡结构安全评估方法 重力式支挡结构安全评估方法有很多种，包括非确定性分析方法、定性分析方法、定量分析方法、模型试验分析方法、现场检测分析方法。各种分析方法特点及使用范围不尽相同。 4.1 非确定性分析方法 4.1.1 可靠度分析方法。可靠度分析方法通过考虑重力式支挡结构设计中随机变量（重度γ、综合内摩擦角φ0、墙背摩擦角δ、基底承载力σ）的变异性，计算结构功能函数的不同功能函数值，进而确定结构的失效概率及可靠指标，给出相应安全评估结论。 根据最终R值的大小，参考相应的换算标准，即可得出重力式支挡结构的安全评估等级。 4.1.3 专家评估方法。专家评估方法采用匿名函询的方式，通过一系列简明的调查征询表邀请专家对待评估结构进行打分，并通过有控制的反馈，取得尽可能一致的意见，对结构现状做出相应评估，对未来做出相应的预测。 4.2 定性分析方法 工程类比方法是定性分析技术的典型应用。尽量找一与待评估的重力式支挡结构使用环境类似，并已安全使用超过其使用年限的同类型重力式支挡结构。再分析两者可能的破坏机制的相似性及差异性，并结合两者的安全等级，综合确定其安全状态。 4.3 定量分析方法 定量分析方法主要包括极限平衡法及有限元法。广泛应用于岩土工程界的GEO-SLOPE（边坡稳定分析软件）便是基于极限平衡原理，将重力式支挡结构及后方岩（土）体均视为刚体，不考虑本身的应力应变关系，将结构后方潜在滑动面内的岩（土）体划分为多个小块体，通过各块体的平衡条件建立整个体系的平衡方程，导出重力式支挡结构的安全系数。 有限元法先将重力式支挡结构用有限个容易分析的单元代替，单元之间通过有限个节点相互连接，然后根据变形协调来综合求解其位移、应力、应变、内力等，综合分析其所处安全状态。有限元法可以用来求解弹性、弹塑性、粘弹塑性、粘塑性等问题，常用的计算分析软件有ANSYS、FLAC、ABAQUS、SAP等。 4.4 模型试验方法 由于重力式支挡结构尺寸较大，故实尺模型试验既耗时又不经济，一般对其进行离心模型试验。把按1/n比例缩放后的模型放在以ng离心加速度运转的离心机中进行试验，模拟现场实际受力，通过测试其应力及变形破坏情况，对其做出安全评估结论。 4.5 现场试验方法 现场试验方法主要包括裂缝观测、排水设施检查、荷载试验、位移时间曲线监测、地基土软化情况检测等，其中现场裂缝观测、排水设施检查比较直观，容易实现，且效果比较精准。在雨季时对重力式支挡结构做位移时间监测试验，可以有效减少突然破坏情况的 发生。 5 可靠度分析方法在重力式支挡结构安全评估中的应用 利用可靠度分析方法，结合蒙特卡洛原理对某单线Ⅰ级铁路既有重力式支挡结构进行安全评估。 5.1 计算条件 以单线Ⅰ级次重型铁路为例。支挡结构型式取重力式路肩墙，墙胸墙背均取1∶0.25的仰斜。列车荷载分布宽度：l0=3.5m；换算土柱高度：h0=3.2m。换算土柱距路基边缘距离：k0=1.95m。填土按砂性土考虑，取内摩擦角φ=35°，基底摩擦系数f=0.3；土体重度γ=19kN/m3；土与墙背的摩擦角δ=φ/2，即17.5°；基底容许承载力取σ=300kPa。 5.2 可靠指标计算结果分析 由重力式支挡结构可靠度指标计算结果（表1）分析可得： 第一，在该计算条件下，该结构抗滑可靠指标在2.26～2.86之间变化，其相应失效概率为9.1‰～2.5‰。该结构抗倾覆可靠指标在2.85～3.29之间变化，其相应失效概率为2.5‰～2.0‰。各项指标均符合相关要求，故可将该结构安全状况评估为良好。 第二，在传统的安全系数法计算过程中，尽管重力式支挡结构的墙高在4～10m之间变化时，其抗滑稳定系数均在1.30～1.35之间变化，其抗倾覆稳定系数均在1.66～1.80之间变化。但其抗滑动和抗倾覆可靠指标均随着墙高的增加而变大，其基底承载力可靠指标则随着墙高的增加而减小。 第三，通过引进可靠度原理对重力式支挡结构进行设计及安全评估，相比传统的安全系数法，能更直观并准确地反映结构的安全储备情况。 6 结语 本文初步建立了重力式支挡结构安全评估的体系，对影响重力式支挡结构安全的主要影响因素进行了详细分析，研究探讨了多种重力式支挡结构安全评估方法。重点介绍了由多安全影响因素控制的可靠度分析方法及模糊综合评估方法在重力式支挡结构安全评估中的应用，其避免了由单个控制因素而得结论的片面性及误 差性。 参考文献 [1] 李海光.新型支挡结构设计与工程实例[M].北京： 人民交通出版社，2004. [2] 韩自立，张千里.既有线提速路基动应力分析[J].中 国铁道科学，2005，（9）. [3] 张曙光.高速铁路系统生命周期内安全评估体系的研 究[J].铁道学报，2007，（4）. [4] 罗一农，刘会娟，苏谦.动应力对支挡结构安全性影 响的分析[A].铁路客运专线建设技术交流会论文集 [C].2005. [5] 郝瀛.铁道工程[M].北京：中国铁道出版社，2005. [6] 李昌铸.特尔斐专家评估法在公路桥梁评价中的应用 [J].公路学报，1992，（2）. [7] 黄昌乾，丁恩保.边坡工程常用稳定性分析方法[J]. 水电站设计，1999，（3）. （责任编辑：蒋建华）