寒區(qū)鐵路凍融作用下土質(zhì)路塹邊坡的穩(wěn)定性探討

樊耀武

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)公司吉林分公司，吉林吉林 132001)

寒冷地區(qū)鐵路路塹邊坡的穩(wěn)定性直接關(guān)系到鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩?。凍融作用產(chǎn)生的邊坡滑塌為寒冷地區(qū)常見(jiàn)的一種自然地質(zhì)災(zāi)害，可以產(chǎn)生大量的水土流失，破壞沿線景觀，直接或間接影響鐵路的運(yùn)營(yíng)安全與使用功能。所以，位于挖方段的鐵路路塹邊坡坡面的穩(wěn)定性是鐵路工程建設(shè)需要考慮的重要內(nèi)容之一。

1 路塹邊坡凍融滑塌的表現(xiàn)形式與原因分析

受凍融作用的影響，吉林省東部地區(qū)鐵路路塹邊坡在每年4～5月間產(chǎn)生大量的淺層滑塌，滑塌的深度距坡面為20～100 cm，并且集中在20～70 cm之間。按滑塌的部位可以分為以下幾種。

①上部滑塌式:這種滑塌在坡面頂部或接近頂部產(chǎn)生，一般與邊坡頂部天溝失去作用或地表水的滲入或圬工防護(hù)失穩(wěn)有關(guān)。主要表現(xiàn)滑塌土體堆積在坡面上或滑到坡腳，或坡面圬工防護(hù)出現(xiàn)隆起、破裂甚至滑塌?；疃容^淺，多為20 cm左右。

②中部滑塌式:這種滑塌位于邊坡的中部，具體的發(fā)生部位與地表水的滲入和層間水的富集部位有關(guān)，一般滑塌要延伸至坡腳附近。主要表現(xiàn)為滑塌破壞面積較大，坡面拱形骨架或砌石防護(hù)遭到嚴(yán)重破壞。滑塌深度多在20～50 cm。

③整體滑塌式:這種滑塌多與層間水大面積富集或圬工防護(hù)失穩(wěn)有關(guān)，主要表現(xiàn)為滑塌范圍基本涵蓋整個(gè)路塹邊坡，寬度可達(dá)數(shù)十米，滑塌的深度一般較大，多數(shù)超過(guò)50 cm。

寒冷地區(qū)產(chǎn)生此類(lèi)滑塌的主要原因是邊坡土層的凍脹與融解。在寒冷地區(qū)，春融期寒溫天氣持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，如果農(nóng)歷為閏三月或閏四月，則加大了寒溫天氣持續(xù)時(shí)間，氣溫回升較慢，晝夜溫差在0℃上下循環(huán)。

寒冷地區(qū)的凍融作用:白天氣溫升至0℃以上，地表的積雪和表層的凍土逐漸融化，水分滲入下層，夜間氣溫降至0℃以下，重新產(chǎn)生凍脹。在反復(fù)的融解凍脹地凍融作用下，在表層土間形成冰土夾層，使冰雪融水難以下滲，形成包氣帶水。邊坡表層土質(zhì)在包氣帶水作用下，天然含水量增大使土質(zhì)軟化，白天時(shí)，表層凍土融化，在重力作用下沿著其下形成的冰土滑面產(chǎn)生滑塌。

沿線遭凍融作用破壞的塹坡多數(shù)為陰坡，坡上積雪融化慢，凍融作用時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)邊坡的破壞比較明顯。對(duì)有拱形骨架護(hù)坡或砌石護(hù)坡防護(hù)坡面土層的凍融作用可導(dǎo)致圬工防護(hù)結(jié)構(gòu)的隆起及破碎脫落，在坡面圬工附加荷載作用下極易產(chǎn)生淺層滑塌。

由于寒冷地區(qū)降雪量大，春季冰雪融水量大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，融水滲入邊坡土體從裂隙發(fā)育處涌出。涌水多為點(diǎn)狀涌水，局部為線狀涌水，涌水處土體受滲流作用產(chǎn)生滲透變形，造成塹坡的淺層滑塌。

2 凍融作用下影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素

2.1 地質(zhì)條件

由巖土體的工程地質(zhì)性質(zhì)所決定。土質(zhì)邊坡的巖土體密度較低，孔隙較大，抗沖蝕能力低。在地質(zhì)構(gòu)造上容易造成表水滲入，產(chǎn)生流水侵蝕面和冰凍夾層面。

2.2 水文地質(zhì)條件

邊坡的失穩(wěn)往往與地下水的活動(dòng)有密切關(guān)系，而層間水的富集程度又與氣候條件、土質(zhì)條件相關(guān)。凍融作用造成水文地質(zhì)條件發(fā)生改變，邊坡土體的力學(xué)性質(zhì)受水的影響很大，增加了土質(zhì)邊坡土體的下滑力，也降低了土體的抗剪強(qiáng)度。

2.3 氣候因素

氣溫的變化是侵蝕高含冰量?jī)鐾谅穳q邊坡土體結(jié)構(gòu)和影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素。春融期的氣候特點(diǎn)就是白天融化，夜間凍脹，這種反復(fù)長(zhǎng)時(shí)間的凍融作用對(duì)路塹邊坡造成強(qiáng)力破壞。所以，往往在春融期可見(jiàn)大量的邊坡滑塌現(xiàn)象。

3 土質(zhì)邊坡凍融作用滑塌機(jī)理分析

土質(zhì)邊坡凍融滑塌機(jī)理主要包括兩個(gè)方面，凍融循環(huán)作用下的重力侵蝕蠕動(dòng)與凍結(jié)面下降形成滑床作用。

3.1 凍融循環(huán)作用下的重力侵蝕蠕動(dòng)

重力侵蝕是沿坡向下運(yùn)動(dòng)的一系列現(xiàn)象，這種運(yùn)動(dòng)是一種固結(jié)或半固結(jié)物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，可以快速運(yùn)動(dòng)，也可以緩慢不易察覺(jué)地移動(dòng)或蠕動(dòng)。土質(zhì)路塹邊坡土體在凍融作用的反復(fù)作用下發(fā)生向下的蠕動(dòng)，這種蠕動(dòng)變形運(yùn)動(dòng)很緩慢，蠕動(dòng)的土體在慢慢破壞土體的層間結(jié)構(gòu)并積蓄重力，當(dāng)重力達(dá)到或超過(guò)土體抗剪的臨界值就會(huì)沿滑動(dòng)面產(chǎn)生大的滑塌(如圖1所示)。

3.2 凍結(jié)面下降形成的滑床現(xiàn)象

圖1 凍融滑塌滑床

進(jìn)入春融季節(jié)，路塹邊坡坡面上的積雪開(kāi)始融化并向地表下滲入或沿坡面向下流淌沖刷坡面。邊坡的凍結(jié)土層也由表及里的逐漸融化。冰融化使凍結(jié)面以上形成飽和或高含水量的解凍土體，在凍結(jié)面以下是不易透水的凍結(jié)冰土層。隨著凍融作用的時(shí)間增長(zhǎng)，凍結(jié)面的下降，在凍結(jié)面附近集聚的層間水逐步增加，在未融化的凍結(jié)土層表面形成單一坡度的冰土平面滑床。由于層間水的富集致使邊坡表層凍結(jié)面以上的土體抗剪強(qiáng)度和摩擦力明顯下降而發(fā)生淺層滑塌，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，發(fā)生滑塌以后可以看到冰土滑床的存在。

一般來(lái)講，坡度越陡邊坡越容易失穩(wěn)，而坡高越大也越容易失穩(wěn)，放緩邊坡有利于邊坡穩(wěn)定，所以鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范明確規(guī)定均質(zhì)黏性土邊坡坡率為1∶1～1∶1.5(TB10001—2005 8.2.2)。通過(guò)對(duì)哈大線、長(zhǎng)圖線、和白線等鐵路，以及長(zhǎng)吉線、吉圖線高速公路調(diào)查發(fā)現(xiàn)，路塹邊坡坡率在1∶1～1∶1.5時(shí)發(fā)生凍融滑塌比較多，在邊坡坡率達(dá)到1∶1.75時(shí)也有凍融滑塌，如果繼續(xù)放緩邊坡在經(jīng)濟(jì)比較中又得不償失。放緩邊坡坡度對(duì)提高鐵路路塹邊坡的穩(wěn)定性有一定的效果，但不能有效地防治凍融滑塌的發(fā)生，所以說(shuō)邊坡凍融滑塌與邊坡坡率關(guān)系不大。防治凍融滑塌的措施應(yīng)該從滑塌的原因、影響因素和滑塌機(jī)理上入手。

(1)排除層間水

層間水是引發(fā)凍融滑塌的主要，所以排除層間水是必要的防治措施之一，設(shè)置豎向與斜向淺層排水溝結(jié)合土工濾排水材料是很好的選擇。土工濾排水材料的埋置深度應(yīng)根據(jù)層間水的深度確定，一般不小于0.5 m，主溝槽間距根據(jù)層間水的水量可設(shè)為5～15 m，周?chē)苫靥钌奥咽?，基本能夠滿(mǎn)足邊坡層間水的排水要求。

(2)坡面植被防護(hù)

為增加邊坡坡面的抗剪強(qiáng)度與抑制凍脹作用，坡面應(yīng)種植根系發(fā)達(dá)的植物護(hù)坡:草本植物以馬藺、無(wú)芒雀麥為主，灌木植物以紫穗槐為主。馬藺為多年生草本宿根植物，耐鹽堿、耐踐踏，根系發(fā)達(dá)，草根可深達(dá)1.0 m以上;無(wú)芒雀麥屬多年生牧草，根系發(fā)達(dá)，可防沙固土，對(duì)氣候條件適應(yīng)性廣，特別適于寒冷干燥地區(qū)。紫穗槐是耐寒、耐旱、耐鹽堿、抗風(fēng)沙的灌木植物，根部比較發(fā)達(dá)，根部長(zhǎng)有根疣。以上是邊坡防護(hù)的良好植物。

(3)坡面圬工防護(hù)

因凍融作用坡面砌體圬工經(jīng)常發(fā)生防護(hù)結(jié)構(gòu)隆起或松散，導(dǎo)致坡面支撐失效而成為路塹邊坡坡面的附加荷載，對(duì)坡面的淺層穩(wěn)定產(chǎn)生不同程度的不利影響。為了減輕坡面的附加荷載，建議采用輕型圬工坡面防護(hù)，例如骨架護(hù)坡、設(shè)置輕型預(yù)制空心混凝土塊或土工合成材料防護(hù)。

(4)坡腳支擋結(jié)構(gòu)

在坡腳處設(shè)置矮擋土墻對(duì)土質(zhì)邊坡穩(wěn)定也有一定的作用，擋土墻高度以2.0～3.0 m為宜，墻體適當(dāng)加厚可以防止滑塌體的推力。

以上工程措施應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況綜合運(yùn)用，可以起到很好的防治效果。

4 結(jié)論

寒區(qū)鐵路路塹邊坡凍融滑塌是一種特殊的自然地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題，邊坡坡度不是決定的因素，主要因素是層間水的富集，所以不易采用大面積降低坡度來(lái)解決邊坡的穩(wěn)定性問(wèn)題。應(yīng)盡量地排除淺層層間水，并種植根系發(fā)達(dá)的植物進(jìn)行護(hù)坡。

坡面附加荷載對(duì)寒區(qū)鐵路路塹邊坡凍融滑塌有明顯的不利影響，所以寒區(qū)鐵路路塹邊坡不建議采用砌體圬工護(hù)坡，應(yīng)采用輕質(zhì)的防護(hù)結(jié)構(gòu)如:骨架護(hù)坡、輕型預(yù)制空心混凝土塊或土工合成材料等。

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