黃延公路黃土路塹高邊坡結(jié)構(gòu)特征及其設(shè)計方法研究

焦 力,李坤陽

(陜西省高速公路建設(shè)集團公司,陜西 西安710086)

0 前 言

黃陵至延安高速公路是我省進入黃土山區(qū)里程最長、投資最多的工程建設(shè)項目,全長143.205 km。公路沿線位于陜北黃土高原南部,屬典型的黃土臺塬、黃土梁峁及溝壑區(qū),海拔在800 m～1 500 m之間。地勢北高南低,由西北向東南傾斜。黃陵至富縣一帶屬河谷臺塬相間的黃土殘塬～溝壑地貌,殘塬塬面開闊平坦,但塬邊支離破碎,沖溝深切,黃土懸崖陡立,溝壑縱橫。其中黃土臺塬由三層結(jié)構(gòu)組成,一些路塹高邊坡超過百米。多年來,公路、鐵路、水利電力等部門對高于30 m以下的中低邊坡都做過系統(tǒng)的研究,并成功的指導(dǎo)了工程設(shè)計、施工,而關(guān)于30 m以上的黃土高邊坡系統(tǒng)研究還較少[1～9]。本文以黃延公路沿線的黃土高邊坡為依據(jù),對黃土高邊坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)及優(yōu)化設(shè)計作以探討。

1 黃土高邊坡的地質(zhì)結(jié)構(gòu)

1.1 黃土中的節(jié)理和裂隙

黃延公路所在區(qū)域在構(gòu)造上總的形態(tài)為一大型向斜構(gòu)造,長軸走向近南北,兩翼不對稱,局部可視為向西緩傾的單斜構(gòu)造。褶皺、斷裂均不發(fā)育。因此,該區(qū)域主要發(fā)育原生節(jié)理,且大部分為垂直節(jié)理,局部地區(qū)發(fā)育斜節(jié)理。原生節(jié)理不切穿所在的黃土分層,只局限于其中。該區(qū)域大多數(shù)原生節(jié)理只局限于Q3馬蘭黃土中,而到Q2離石黃土中,原生節(jié)理密度變小。該區(qū)域內(nèi)節(jié)理主要有兩組:走向西北,產(chǎn)狀215°～230°∠70°～88°;走向近東西,產(chǎn)狀4°～10°∠76°～88°,它們構(gòu)成共軛剪節(jié)理,延伸較遠,可達數(shù)米至百余米,頻度為2～4條/m。密集處間距0.5～1.5 m。次要的有:走向北東東,產(chǎn)狀160°～190°∠62°～89°;走向北北東,產(chǎn)狀295°～330°∠70°～88°,二者仍為“X”狀共軛節(jié)理,其發(fā)育頻率高,規(guī)模小,一般間距0.2～0.5 m,但延伸短,僅數(shù)米至十余米。此外,還有一組走向近南北,向西傾斜的節(jié)理,產(chǎn)狀260°～266°∠80°～85°,屬張性節(jié)理,呈斷續(xù)延伸,規(guī)模小,間距一般0.2～0.5 m。黃延公路總體走向為南北向,和該區(qū)域的主要節(jié)理走向近乎正交或斜交,有利邊坡穩(wěn)定。

1.2 黃土邊坡的地質(zhì)結(jié)構(gòu)

1.2.1 黃土底部基巖風(fēng)化剝蝕面

黃延公路沿線黃土底部通常為基巖風(fēng)化面,為相對隔水層,若傾向坡外,邊坡很容易從基巖面產(chǎn)生滑動。

1.2.2 流水作用形成的層理

在黃延公路黃土坡體中,流水作用形成的層理實際上在黃土中較常見,但往往經(jīng)過后期的成壤作用已不明顯。層理是一種原生堆積的不連續(xù)面,也是土體內(nèi)物理力學(xué)性質(zhì)的弱面,邊坡的位移和滑動也易沿該面進行。

1.2.3 黃土中的層狀結(jié)構(gòu)

風(fēng)成作用形成的黃土典型結(jié)構(gòu)為繼承性堆積,即在古地形的基礎(chǔ)上形成幔覆結(jié)構(gòu)堆積層,堆積時繼承了塬邊的傾斜或梁狀地形,形成了傾斜層面和近水平面。黃土在后期的成壤、淋濾等地質(zhì)應(yīng)力作用下,形成了層狀的黃土、古土壤和鈣質(zhì)結(jié)核層相間分布。

黃土的鈣質(zhì)結(jié)核層是黃土特有的一種層狀物質(zhì),鈣質(zhì)結(jié)核層的成因在黃土研究中較多,普遍認為是在黃土成壤過程中CaCO3淋濾富集而成,但是對其工程意義,特別是對邊坡穩(wěn)定的影響研究較少,為了研究其特性對邊坡穩(wěn)定的影響,在黃延公路高邊坡選取典型地段取樣,分別在4個層位取樣進行物理力學(xué)性質(zhì)測試,其結(jié)果如表1。

表1 黃延高速公路K105+750～980剖面鈣質(zhì)結(jié)核層(板)綜合實驗成果

從表1中可以看出,其鈣板中CaCO3的百分含量已接近泥灰?guī)r的CaCO3含量,其單軸極限抗壓強度、抗剪強度類似于巖石,其抗壓強度和內(nèi)聚力最大分別為68.1 MPa和7.6 MPa,按巖石強度分類標準,已屬硬質(zhì)巖石。當然,強度與CaCO3含量有密切關(guān)系,從表1中的數(shù)據(jù)還可看出,抗壓強度和內(nèi)聚力都隨著CaCO3百分含量的增高而增強,內(nèi)摩擦角變化不大。由于鈣質(zhì)結(jié)核層在Q2黃土中存在,且層數(shù)較多,當然一些沒有形成鈣板層,但其中的碳酸鈣成分和鈣核也已膠結(jié)成連續(xù)層,其存在無疑有利于邊坡穩(wěn)定,因此,在計算評價中將充分考慮其作用。

1.2.4 其它不連續(xù)結(jié)構(gòu)面

在調(diào)查中,發(fā)現(xiàn)邊坡中還存在一些其它不連續(xù)結(jié)構(gòu)面,如沖溝經(jīng)后期充填形成的不規(guī)則面,坡體滑動后的老滑面也是極不穩(wěn)定的弱面。

2 高邊坡優(yōu)化設(shè)計

2.1 黃土高邊坡設(shè)計依據(jù)

黃土高邊坡設(shè)計是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程,需要考慮眾多因素。具體來說,其設(shè)計依據(jù)包括如下方面:

(1)工程建設(shè)對邊坡穩(wěn)定性的要求是設(shè)計的安全標準,其安全系數(shù)應(yīng)有一定的儲備,即穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)大于1.25。

(2)在邊坡設(shè)計中應(yīng)充分考慮其工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件,包括地層成因時代、地層巖性、地層結(jié)構(gòu)、土的物理力學(xué)指標和水文地質(zhì)條件等,所有這些條件是優(yōu)化設(shè)計的地質(zhì)依據(jù)。

(3)氣象水文條件是設(shè)計的外因條件,主要為降雨量和凍融深度及地表水的沖刷等。

(4)根據(jù)調(diào)查和前人的研究成果是設(shè)計的主要參考依據(jù),所有成功經(jīng)驗對于設(shè)計均提供了有益借鑒。

(5)計算、模擬是優(yōu)化設(shè)計的理論依據(jù),其結(jié)果可以和地質(zhì)比擬法相互驗證,二者密切配合,才能得出可靠的結(jié)果。

2.2 黃土高邊坡的坡高、坡比和坡型的設(shè)計

坡高、坡比和坡型是設(shè)計中的重要問題,在特定條件下,坡高、坡型和坡比三者之間,有一個統(tǒng)一的辯證的關(guān)系。一般情況下,坡高越高,將坡比放大,既可保證安全。但是坡比越大,開挖的工程量就會加大,投資也會增加,同時坡比加大還受場地條件等限制,原斜坡的地形和棄土堆放條件等限制,因此,在保證安全可靠的前提下,對于三者進行最優(yōu)化的組合,是黃土高邊坡設(shè)計的指導(dǎo)思想。

根據(jù)野外調(diào)查,室內(nèi)模擬實驗,進行穩(wěn)定性及可靠性分析計算,可以得出如下優(yōu)化設(shè)計方案:30 m～40 m的黃土高邊坡,其單坡坡比設(shè)計為1∶0.5,中間留2～3級平臺,臺寬3 m～5 m,總坡比1∶0.75～1∶1即可保持穩(wěn)定。40 m～50 m高邊坡,考慮坡體長期暴露地表及其它外營力作用,因此40 m～50 m邊坡可設(shè)計為總坡比1∶1,4級坡形,單級坡高10 m～12 m,坡比1∶0.5,平臺1、3級平臺寬5 m,2級平臺寬8 m～10 m。50 m～60 m邊坡,其較合理的邊坡應(yīng)設(shè)計成5級坡形,單坡比1∶0.5,坡高10 m～15 m,1、2、4、5級平臺寬5m～8m,中間3級平臺設(shè)置成12 m,以消除應(yīng)力向下傳遞,總坡比1∶1.0～1∶1.1。60 m以上邊坡,總坡比應(yīng)為1∶1.15～1∶1.25,單坡坡比1∶0.5～1∶0.75,單坡坡高10 m～15 m,平臺寬8 m以上。

2.3 黃土高邊坡最佳坡型的選擇

根據(jù)野外調(diào)查發(fā)現(xiàn),黃土區(qū)塬、梁及沖溝兩側(cè)的邊坡大多數(shù)為2～3級的不規(guī)則形狀,一般情況下是下部為穩(wěn)定基座,形成天然平臺,而在半山腰有一風(fēng)化剝蝕或崩塌形成的小平臺,其位置一般為Q3黃土底部或某一鈣質(zhì)結(jié)核層。長期以來,經(jīng)過大量的工程實踐,交通、水利工程中常見的邊坡坡型有:直線型邊坡、滑動型邊坡、自然斜坡型邊坡、平臺型邊坡和混合型邊坡等五大類,對比各自的適應(yīng)條件和優(yōu)缺點可知,平臺型坡是黃土高邊坡最適宜的坡型。

當坡比接近0.51時,按下式可求得臺階式各單級坡的最大高度為[9]:

式中:c為Hi邊坡范圍內(nèi)土的平均內(nèi)聚力(kPa);K為邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)(1.15～1.25);γ為Hi邊坡范圍內(nèi)土的平均天然重度(kN/m3)。

在坡型確定中,平臺的寬窄對坡體穩(wěn)定有較大影響,為討論這一問題,本次研究以黃延公路黃土高邊坡實際情況為依據(jù),采用二維有限元對不同坡高和不同寬度的平臺進行了模擬,模擬結(jié)果說明,大平臺坡型對黃土高邊坡的設(shè)計和施工是較為理想的,這種坡型施工方便,而且對于排水、生物防護是有利的。

劉祖典教授[9]根據(jù)40m坡高驗算出不同坡型組合下的安全系數(shù)也說明大臺階坡型其安全性較高(表2)。且在開挖中工程量也較合理。

表2 40 m高度不同坡型組合情況下的安全系數(shù)[9]

3 黃土高邊坡優(yōu)化設(shè)計建議方案

根據(jù)以上調(diào)研、計算和模擬分析結(jié)果,結(jié)合鐵路、公路和水利系統(tǒng)的經(jīng)驗,綜合總結(jié)黃延高速公路黃土高邊坡設(shè)計建議(表3)。

表3 黃延高速公路黃土高邊坡設(shè)計建議

4 結(jié) 語

(1)黃土中節(jié)理、裂隙、構(gòu)造節(jié)理及卸荷裂隙的存在對高邊坡的穩(wěn)定具有控制意義。

(2)黃土高邊坡的滑動易受底部基巖風(fēng)化剝蝕面、流水作用形成的層理控制。

(3)黃土典型結(jié)構(gòu)為繼承性堆積,在后期的成壤、淋濾等地質(zhì)應(yīng)力作用下,形成了層狀的黃土、古土壤和鈣質(zhì)結(jié)核層相間分布。其鈣板中CaCO3的百分含量已接近泥灰?guī)r的CaCO3含量,其單軸極限抗壓強度、抗剪強度也接近硬質(zhì)巖石指標。由于鈣質(zhì)結(jié)核層在Q2黃土中存在,且層數(shù)較多,其存在對邊坡穩(wěn)定起到積極意義,在計算評價中將充分考慮其作用。

(4)坡高、坡比和坡型是設(shè)計中的重要問題,在保證安全可靠的前提下,對于三者進行最優(yōu)化的組合,是黃土高邊坡設(shè)計的指導(dǎo)思想。

(5)黃土高邊坡的坡型宜采用平臺型(階梯型),單級坡比采用1∶0.4～1∶0.6較合適,當坡高大于40 m時,在邊坡中部設(shè)大平臺較理想。

[1]倪萬魁.黃土高邊坡可靠性分析及優(yōu)化設(shè)計[D].西安:西安工程學(xué)院,1999.

[2]李 萍.黃土邊坡可靠性研究[D].西安:長安大學(xué),2006.

[3]葉萬軍.黃土路塹高邊坡優(yōu)化設(shè)計理論和方法研究[D].西安:長安大學(xué),2006.

[4]王念秦.黃土滑坡發(fā)育規(guī)律及其防治措施研究[D].成都:成都理工大學(xué),2004.

[5]劉 悅,黃強兵.黃土路塹邊坡開挖變形機理的離心模型試驗研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2007,34(3):59-62.

[6]李萍,王秉綱,李同錄.自然類比法在黃土路塹邊坡設(shè)計中的應(yīng)用研究[J].公路交通科技,2009,36(2):1-5.

[7]許 領(lǐng),戴福初,鄺國麟,等.黃土滑坡典型工程地質(zhì)問題分析[J].巖土工程學(xué)報,2009,31(2):288-292.

[8]張少宏.黃土邊坡穩(wěn)定計算中參數(shù)的敏感性分析[J].水利與建筑工程學(xué)報,2003,1(3):40-42.

[9]劉祖典.黃土力學(xué)與工程[M].西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社,1997.