鐵路橋梁橋址邊坡穩(wěn)定性分析與防護

劉蘭英

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043)

1 概況

某新建鐵路大橋位于山坡中下部，沿坡而行，為10-32 m簡支梁橋，橋址中心里程DK63+670.45，橋全長336.5 m。其中0～5號墩均依山勢而設，施工便道和平臺的修建改變了原來穩(wěn)定的山坡，使邊坡破碎的巖體裸露，在自然營力和人工活動的影響下，局部坍滑或崩塌落石在所難免，從而對橋梁安全造成一定的威脅。根據物質組成，分析邊坡穩(wěn)定程度和破壞類型，繼而提出防護措施。

2 橋址邊坡的地層結構

總的來講，橋址邊坡地層組成較簡單。施工前，原始山坡局部表層分布1～5 m厚的新黃土和5～10 m厚的松散碎石土，施工后均被剝離。目前邊坡主要分布太古界(Ar)淺粒巖，灰白色、淺灰色，變晶結構，塊狀構造，巖質堅硬，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，上部風化嚴重，全風化-強風化，風化帶厚度變化很大，一般為15～25 m，下部為弱風化。全風化淺粒巖，灰白色，可見深灰色條帶，分布不均勻，風化巖塊大小不一，以角礫和砂礫狀為主，常見塊狀和土狀物夾含其中。風化裂隙十分發(fā)育，面多粗糙，多充填砂狀和泥狀物。強風化淺粒巖，灰白色夾深灰色，分布不均勻，以塊狀夾角礫砂狀為主，偶見含土，風化裂隙發(fā)育，張開但多不充填，裂隙面粗糙。弱風化淺粒巖，灰白色，巖質堅硬，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較完整。邊坡巖體中未見地下水。

圖1為1～5號墩邊坡橫斷面地質圖，可見淺粒巖風化帶厚度墩與墩之間變化較大，且風化帶的組成也不盡相同。其中2號和3號墩斷面，風化帶基本都是全風化巖體，其他墩斷面全風化帶較薄，主要為強風化層。圖中地表上面的虛線為原來地面線，各墩刷方量不盡相同，3～5號墩斷面刷方量較大，1和2號墩斷面刷方量較小，說明了前者對原始邊坡破壞不大，而后者對邊坡穩(wěn)定影響較大。分別討論各墩附近邊坡穩(wěn)定性及對墩的影響程度。

圖1 1～5號墩地質橫斷面

3 邊坡穩(wěn)定分析

3.1 物理力學參數的確定

巖體物理力學參數的準確與否直接決定了邊坡穩(wěn)定性分析結果的可信程度，這些參數主要為巖體的容重(γ)和抗剪強度(黏聚力C和內摩擦角φ)。巖體的抗剪強度受控于巖性、膠結或結晶情況和巖體結構?？辜魪姸然旧蠟閹r石的固有特性，主要與巖石的物質組成(基質或礦物成分、膠結物、顆粒大小等)有關，如何合理取值一直是工程界的難題。常用的取值方法有3類[1]:(1)根據試驗，如三軸、中剪和大型現場剪切試驗;(2)按規(guī)范或估算法選取，規(guī)范如國標、鐵路和水力規(guī)范等;(3)根據坡體極限平衡狀態(tài)反演或反算而得。巖體抗剪強度主要考慮兩方面的因素，一是巖體的風化狀態(tài)，對于弱風化巖體應考慮巖體結構的修正，對風化巖體則應同時考慮風化巖體的折減和巖體結構的修正;二是巖體的結構類型[2]。因此以《工程巖體分級標準》(GB50328—94)附錄C提供的物理力學參數值為依據，結合巖體的風化破碎程度和現場實際情況而定。

由圖1，最有可能失穩(wěn)或滑動的巖體應該是地層上部的風化帶，即全風化帶和強風化帶。上已描述，全風化帶巖體是以角礫狀巖塊夾砂礫組成，巖體十分破碎，巖體基本質量級別應是Ⅴ級，可按Ⅴ級取物理力學指標，因其中夾雜有砂礫，所以還應考慮砂礫土的影響，適當降低取值;同樣，強風化帶以碎石土夾角礫砂狀為主，巖體破碎，巖體基本質量級別為Ⅳ級，可按Ⅳ級取物理力學指標，因其中雜夾角礫砂礫等，所以還應考慮角礫砂礫的影響，適當降低取值。此外，自然界的巖體并不是嚴格意義上的各向同性和均值介質，受很多不確定因素影響，物理力學指標不可能是一個或幾個固定值，應是在一定范圍內，為表示這種變化，常采取標準差或最大最小值表示，同時也為了分析破壞概率用。綜合以上因素，最終得到表1各巖體重力密度、內摩擦角和黏聚力的平均值(μ)、標準方差(σ)、最小值(min)和最大值(max)。

表1 各巖體物理力學指標

3.2 邊坡破壞形式

基于上述邊坡巖體類型和現有地貌特點，邊坡有可能發(fā)生滑坡、落石、水石流等不良地質現象。其中水石流主要發(fā)生于全風化這種表層巖體很破碎且已松動的地層中，也即2號墩和3號墩邊坡附近，但由于當地位于干旱地區(qū)，降雨量小，發(fā)生強降雨頻率很小，且該邊坡是單面坡，沒有大的匯水面積，雨天以片流為主，不具備形成大規(guī)模的水石流的外部條件。此外，水石流多沿坡面形成和流動，在坡度變緩處，其動能迅速降小，沖擊力不足以影響到橋墩的安全，所以本文對水石流不再進行專門的定量分析，但水石流在流動工程中，不排除個別巖塊發(fā)生滾落跳躍的可能，這種現象一并放在下邊的落石一節(jié)進行分析。

除水石流外，該橋址邊坡最可能發(fā)生的破壞形式應是滑坡和落石。滑坡發(fā)生的最大可能是在全風化和強風化巖體中。因全風化帶和強風化帶，巖體破碎，巖體呈碎塊狀和砂礫狀，風化結構面眾多，無規(guī)律，沒有主導的結構面，所以可以將其假設為各向同性體，因而其滑動面可以認為是圓弧，可以按條分法進行分析。落石主要發(fā)生于坡面，受自然營力作用，坡面上松動巖塊受重力影響順坡面滾落或跳躍沖向橋墩。其破壞的結果取決于滾落巖塊的質量、體積和速度。鑒于該邊坡巖體的特殊性，以下主要對邊坡滑坡和落石進行評價分析。

3.2.1 滑坡

滑坡是自然界常見的一種地質現象，它的產生與地形地貌、地層巖性及其物理力學性質密切相關，也即必須具有必要的內在條件，在一定的外部因素誘導下發(fā)生滑動。滑坡的分析方法眾多，最常用有bishop、janbu法，本文采用bishop條分法，假設滑面為圓弧，按式(1)分別對5個墩橫斷面進行滑坡的穩(wěn)定性檢算，計算結果列于表2。

式中F——安全系數;

li——分塊滑面長度，li≈bi/cosαi;

bi——巖土條分塊寬度;

αi——為分塊滑面相對于水平面的夾角;

ci——滑體分塊滑動面上的黏聚力;

φi——滑面巖土的內摩擦角;

n——分塊數;

表2 各斷面邊坡穩(wěn)定性計算結果

表2顯示，2號墩安全系數最小，而且它的破壞概率也只有35.8%，相對比較低;5號墩安全系數最大。如果設安全系數小于1.5或1.2為最不利情況，則只有2號墩和3號墩附近斷面符合條件，也即只有全風化巖體邊坡才最有可能發(fā)生滑動，但也僅有局部滑動。圖2顯示了2號墩和3號墩邊坡最有可能發(fā)生滑動情況(圖中陰影部分為可能滑體)，如2號墩斷面，可能發(fā)生滑動的只是坡度變陡處的表層滑動，而非全部全風化層，滑體體積有限，對橋墩有一定的沖擊。3號橋墩斷面可能發(fā)生的位置也是在邊坡比較陡的地方?？梢娫摌蜃钣锌赡馨l(fā)生滑坡的邊坡應是由全風化巖體組成的邊坡。其他斷面發(fā)生滑動的可能性極小，也即強風化巖體既不可能發(fā)生局部滑動，更不可能發(fā)生整體滑動，對滑坡來講是相對穩(wěn)定邊坡。

圖2 2號墩(上)和3號墩(下)橫斷面可能滑面

實際上，上述計算結果是畢肖普條分法的計算結果，如果按janbu法計算，其安全系數均比表2結果要小，其中2號墩邊坡安全系數小于1。由此可見，不論是何種計算方法，都不是絕對的合理，因此取安全系數為1.2或1.5作為最不利的情況有助于避免由于計算方法的差異造成的最不利情況?？傊?，根據bishop和janbu法計算結果綜合分析，2號墩和3號墩邊坡，也即全風化巖質邊坡是最有可能發(fā)生局部滑塌的。而其他由強風化組成的巖質邊坡發(fā)生滑塌的可能性極小，即使局部滑坡可能性也不大。

3.3.2 落石

1～5號墩邊坡上部均分布風化帶物質，巖體破碎，因人為刷坡，部分表層巖塊松動，長期裸露時，在自然營力和人為振動影響下，易發(fā)生坡面剝落，巖塊在重力作用下向下滾落，沖擊橋墩。但因各個斷面表層物質不盡相同，所以形成的落石規(guī)模、速度和滾動軌跡也各不相同。以下利用ROCFALL軟件分別對各個斷面落石進行分析。5個斷面表層主要有2種巖體，一是全風化巖層，分布于2、3號墩邊坡;二是強風化巖層，分布于其他邊坡。按ROCFALL軟件要求，首先要確定2種巖體的坡面法向恢復系數RN、切向恢復系數RT、坡面粗糙系數和坡面摩擦角均值及其標準差，具體見表3。因邊坡均為人工機械刷成，可以認為是比較平順的，所以坡面粗糙系均設為0。考慮到自然界沒有固定的法向和切向恢復系數、坡面摩擦角，計算時均給出了一定的標準差表示它們的波動范圍。

表3 巖體坡面參數值

表4是各個斷面滾落巖塊起始水平速度(VH)、垂直速度(VH)、巖塊質量(M)和起始轉動角速度(ω)的采用值，同樣是考慮了巖塊質量和角速度的不同變化。

根據表3和表4數值分別計算了1～5號墩邊坡崩落巖塊的滾動軌跡，結果表明不同斷面均有不同巖塊可能崩落至橋墩附近。但不同斷面崩落的規(guī)模、密度和動能都不盡相同。表5是各墩位前5 m朝坡下以遠距離內滾落巖塊所占的比例P、沿途彈起最高hmax、墩位前5 m范圍內巖塊的最大運動速度Vmax以及巖塊最大動能Emax。因2～4號墩邊坡落石軌跡不明顯，所以圖3只標出了1號墩和5號墩邊坡崩塌落石的運動軌跡圖。從軌跡模擬結果看，1號墩邊坡墩位上部有一人工開挖平臺，盡管上部落石滾落速度較大，反彈也很明顯，但絕大多數巖塊都停止于該平臺上，只有極少數巖塊滾出平臺沿下部邊坡向墩位沖去，但已都是強弩之末，對橋墩鮮有影響。2、3號墩邊坡較緩，巖塊多沿坡面滾動，但因是全風化巖塊，故巖塊體積普遍較小，滾動距離不長，只有部分巖塊滾落于墩位附近，反彈高度和能量都不大，對橋墩影響有限。4號墩大部分巖塊沖向橋墩，只是速度明顯減緩，反彈高度很低，對橋墩有一定影響。5號墩邊坡坡度較陡，墩位基本就在落石區(qū)，速度高，能量大，受影響最大。

表5 各斷面滾落巖塊結果

圖3 1號墩和5號墩落石軌跡

前面所述只是針對坡面松動造成的巖塊滾落。如果安全系數按1.2考慮，則2號和3號墩上部邊坡都有局部滑動的可能，尤其是2號墩邊坡。因其是高位滑動，滑落的巖塊密集，規(guī)模大，初始速度也較大，這時可以考慮從滑落處有高速運動的巖塊飛出，對橋墩的影響就大不一樣?；瑒雍?，設滑體滑出滑床時的水平速度VH=10 m/s;垂直速度VV=0 m/s;巖塊質量M=10 kg;轉動角速度ω=3 rad/s。圖4為2、3號墩局部滑坡后，其滑體巖塊滾落軌跡圖，顯然在相同條件下，3號墩受到的巖塊威脅要大于2號墩，巖塊的回彈高度也明顯大于2號墩，說明雖然2號墩邊坡局部滑動的可能性比3號墩邊坡要大，如果一旦滑動，3號墩受到的沖擊要比2號墩大得多。

圖4 2、3號墩局部滑動形成的落石軌跡

4 防護措施

由上所述，5個墩受影響的程度不盡相同，可分別采取不同的防護措施。1號墩可在C點處設一般擋石墻或防護網，高度不低于6 m。2～3號墩情況基本類似，如果對上邊的滑坡設置抗滑措施，則橋墩可設護墩以防其他落石襲擊，護墩高度不低于1 m，最好設成仿錘形，尖頭朝上部邊坡;否則需設重型護墩，主要防上部滑坡滑動造成的大量巖塊襲擊。4、5號墩設護墩即可，高度分別不低于1 m和3 m。防護的強度應考慮墩位附近巖塊最大速度和最大能量。

5 結論

通過以上論述，可以得出如下結論。

(1)2號墩邊坡發(fā)生局部滑塌的可能性最大，3號墩次之，對橋墩安全影響較大;其余邊坡可能性甚小，對橋墩安全影響較小。

(2)1、2號墩邊坡落石對橋影響最小;5號墩影響最大;3、4號墩影響居中。

(3)結合滑塌和落石，2、3號墩防護應最重;1號墩最輕;4、5號墩居中。

[1]向波，周立榮，馬建林.基于巖體結構面分級的抗剪強度確定法[J].巖石力學與工程學報，2008，27(S2):3547-3552.

[2]蔡耀軍，徐福興.大壩建基巖體抗剪強度取值[J].巖石力學與工程學報，2002，21(7):1040-1044.