淺析重載鐵路高路塹地段邊坡破壞原因分析及防治措施

【摘要】本文以新建大準(zhǔn)至朔黃鐵路聯(lián)絡(luò)線為例，介紹了重載鐵路高路塹邊坡地段邊坡的防護(hù)形式和破壞原因，通過力學(xué)計(jì)算等方式進(jìn)行分析總結(jié)，提出重載鐵路高路塹邊坡的合理防護(hù)形式，為以后類似工程提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】重載鐵路；路塹；邊坡；破壞；防治措施

1.引言

在鐵路、公路建設(shè)發(fā)展中，隨著重載鐵路、高速公路的快速發(fā)展，路基邊坡的穩(wěn)定和防護(hù)措施成為專業(yè)的技術(shù)課題，工程技術(shù)人員和不少的專家就從有關(guān)的工程地質(zhì)學(xué)，巖土工程學(xué)等特別重要學(xué)科入手，從理論上研究路基邊坡的穩(wěn)定，從實(shí)踐上證實(shí)理論的正確性，理論和實(shí)踐做到了有機(jī)的統(tǒng)一，理論和實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合，為工程邊坡的研究提供理論的保障。

最近幾年，我國的重載鐵路和高速公路飛速的發(fā)展，通過山區(qū)的重載鐵路和高速公路不斷增多，而這些地區(qū)地形條件很復(fù)雜，環(huán)境艱苦，并且大部分是深路塹和高填方，路基的邊坡問題尤為突出，工程中不少路基邊坡經(jīng)常遇到破壞已成為常態(tài)，這就更加迫切的需要對路基邊坡穩(wěn)定的重視和必要的研究，本文通過力學(xué)計(jì)算等方式提出重載鐵路高路塹邊坡地段的防護(hù)形式，取得很好的效果。

2.工程概況

新建大準(zhǔn)至朔黃鐵路聯(lián)絡(luò)線工程ZCZQ-3標(biāo)段內(nèi)DK59+680～DK60+440，長760m。工點(diǎn)位于黃土塬緩坡地帶，地形較為平坦。地表多辟為林地，地面高程一般在1362～1390m之間。線路在此以挖方通過，中心最大挖深24.50m。

工點(diǎn)范圍內(nèi)地層為第四系上更新統(tǒng)洪風(fēng)積層（Q3pl+eol3）砂質(zhì)黃土，黏質(zhì)黃土：

砂質(zhì)黃土（Q3pl+eol3）：分布于表層，黃褐色，堅(jiān)硬-硬塑，土質(zhì)較均勻，見少許孔隙，局部偶見鐵錳質(zhì)結(jié)核，層厚1.0～12.1m，Ⅱ級(jí)普通土，σ。=150kPa。

黏質(zhì)黃土（Q3pl+eol3）：褐黃色，堅(jiān)硬-硬塑，土質(zhì)較均勻，含有少量鐵錳質(zhì)結(jié)核，層厚5.1～26.9m，Ⅱ級(jí)普通土，σ。=150kPa。

黏質(zhì)黃土（Q2pl+eol3）：棕紅色，硬塑，土質(zhì)均勻，局部含有少量鈣質(zhì)結(jié)核及鐵錳質(zhì)結(jié)核，切面光滑，Ⅲ級(jí)硬土，σ。=180kPa。

工點(diǎn)內(nèi)第四系上更新統(tǒng)砂質(zhì)黃土無濕陷性。

地震動(dòng)峰值加速度為0.10g，相當(dāng)于地震基本烈度Ⅶ度，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期分區(qū)為二區(qū)。

土壤最大凍結(jié)深度1.69m。本次勘測期間勘探深度范圍內(nèi)未見地下水。勘探孔取樣揭示黏質(zhì)黃土層天然含水量20.0%～26.7%。

ZCZQ-4標(biāo)段里程DK67+120～DK68+205，長1085m。工程位于黃土平緩地區(qū)，地勢稍有起伏。丘坡植被較茂密，以楊樹、灌木及農(nóng)作物為主，地面高程一般在1385～1410m之間。線路在此以挖方通過，中心最大挖深16.52m。

工點(diǎn)范圍內(nèi)地層為第四系上更新統(tǒng)洪風(fēng)積層（Q3pl+eol3）砂質(zhì)黃土，黏質(zhì)黃土；第四系中更新統(tǒng)洪風(fēng)積層（Q2pl+eol3）黏質(zhì)黃土。

砂質(zhì)黃土（Q3pl+eol3）：分布于表層，褐黃色，堅(jiān)硬-硬塑，土質(zhì)較均勻，見少許孔隙，局部含有鈣質(zhì)結(jié)核，層厚：1.9～10.0m，Ⅱ級(jí)普通土，σ。=150kPa。

黏質(zhì)黃土（Q3pl+eol3）：棕黃色，堅(jiān)硬，土質(zhì)較均勻，含有少量鐵錳質(zhì)結(jié)核，層厚：7.8m，Ⅱ級(jí)普通土，σ。=150kPa。

黏質(zhì)黃土（Q2pl+eol3）：棕紅色，堅(jiān)硬-硬塑，土質(zhì)均勻，局部含有少量鐵錳質(zhì)結(jié)核及黑色斑點(diǎn)，Ⅲ級(jí)硬土，σ。=180kPa

濕陷性砂質(zhì)黃土：根據(jù)試驗(yàn)資料，工點(diǎn)內(nèi)第四系上更新統(tǒng)砂質(zhì)黃土具濕陷性，濕陷系數(shù)0.025，濕陷層厚度3.0，本場地屬Ⅰ級(jí)（輕微）非自重濕陷性場地。

地震動(dòng)峰值加速度為0.10g，相當(dāng)于地震基本烈度Ⅶ度，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期分區(qū)為三區(qū)。

土壤最大凍結(jié)深度1.69m。本次勘測期間勘探深度范圍內(nèi)未見地下水，勘探孔取樣揭示黏質(zhì)黃土層天然含水量20%～25%。

3.原設(shè)計(jì)主要工程措施

原設(shè)計(jì)路基基床表層換填0.5mA組填料+0.1m中粗砂墊層，并于中粗砂中間鋪設(shè)一層兩布一膜復(fù)合土工膜（600g/m2）；路塹基床底層挖除換填0.5m厚改良土。

DK59+820～DK60+385左側(cè)、DK59+885～DK60+380右側(cè)設(shè)4.0～6.0m高的C25片石混凝土路塹擋土墻，擋墻基底換填0.3m厚碎石墊層。墻頂以上路塹邊坡坡率1：1.0，每10m一級(jí)，采用M7.5水泥砂漿砌片石護(hù)墻防護(hù)，護(hù)墻頂寬0.4m，胸坡1：1，背坡1：0.95；兩級(jí)間設(shè)置2.0m寬M7.5漿砌片石錯(cuò)臺(tái)，錯(cuò)臺(tái)上設(shè)截水溝，深0.4m，底寬0.4m。

擋墻及護(hù)墻每隔2～3m上下左右交錯(cuò)設(shè)置Φ100mm的泄水孔，泄水孔采用PVC管，PVC管進(jìn)水端采用透水土工布（400g/m2）包裹，，擋墻路肩以上部分墻背通長設(shè)置反濾層，護(hù)墻管后設(shè)置0.5×0.5m的砂礫石窩狀反濾層，厚0.3m。最下層泄水孔下設(shè)置夯填黏土防滲層。擋墻及護(hù)墻每隔10～20m設(shè)一道伸縮縫，縫內(nèi)填塞瀝青麻筋。

路塹基床兩側(cè)設(shè)M7.5漿砌片石矩形側(cè)溝，溝底寬0.6m、深0.8m、厚0.4m。側(cè)溝外設(shè)2.0m寬平臺(tái)，采用M7.5漿砌片石砌筑，厚0.4m。

路塹兩側(cè)側(cè)溝平臺(tái)上設(shè)置凈尺寸為0.35×0.3m（寬×高）的通信信號(hào)電纜槽。

4.勘察設(shè)計(jì)分析

本工點(diǎn)定測于2009年9月至10月完成，補(bǔ)充定測于2010年4月完成。主要采用鉆探、挖探結(jié)合原位測試及土工試驗(yàn)等綜合勘察方法。共完成鉆孔216.9m/7孔，挖探10m/2孔，布置勘探橫斷面2條，勘探工作滿足規(guī)范要求。

由勘探孔揭示及土工試驗(yàn)得出本段路基土層主要物理力學(xué)參數(shù)如下：

砂質(zhì)黃土⑤4：孔隙比e=0.851、重力密度γ=16.3kN/m3、內(nèi)摩擦角φ=24.4°、凝聚力C=17.9kPa、壓縮模量Es0.1～0.2=9.41MPa。

黏質(zhì)黃土⑤5：孔隙比e=0.735、重力密度γ=19.4kN/m3、內(nèi)摩擦角φ=22.3°、凝聚力C=36.7kPa、壓縮模量Es0.1～0.2=10.72MPa。

黏質(zhì)黃土⑦5：孔隙比e=0.731、重力密度γ=19.8kN/m3、內(nèi)摩擦角φ=20.9°、凝聚力C=33.7kPa、壓縮模量Es0.1～0.2=12.7MPa。

原設(shè)計(jì)路塹邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為K=1.32>1.25，滿足規(guī)范要求。

5.重載鐵路高路塹邊坡破壞機(jī)理與穩(wěn)定性分析計(jì)算

5.1變形破壞機(jī)制（失穩(wěn)類型）

主要從以下方面分析：力學(xué)基礎(chǔ)，園弧或似園弧破壞，平面型破壞，折線型破壞，復(fù)合型破壞，其它形式破壞。

5.1.1力學(xué)基礎(chǔ)

主要有：巖土性質(zhì)-重度、摩擦角、粘聚力，極限坡高和極限坡角，不連續(xù)面，有效應(yīng)力定律，非飽和土力學(xué)理論。

5.1.2園弧或似園弧破壞

主要有：均質(zhì)土坡，坡殘積土坡，砂土狀強(qiáng)風(fēng)化，碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化（碎裂），不良地質(zhì)堆積體。對于類土質(zhì)路塹邊坡，我們經(jīng)常發(fā)現(xiàn)，如不考慮地質(zhì)不連續(xù)面的存在和影響，其坡體變形破裂面一般呈園弧或似園弧的形狀。邊坡呈園弧或似園弧破壞一般發(fā)生在均質(zhì)土坡、坡殘積土坡、砂土狀強(qiáng)風(fēng)化層、碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化層（碎裂結(jié)構(gòu)）、以及不良堆積體內(nèi)部的變形和破壞。

5.1.3平面型破壞

有兩種情況：地質(zhì)不連續(xù)面平行坡面，傾向臨空；兩個(gè)或兩個(gè)以上不連續(xù)面組合，交線傾向臨空（楔體破壞）。由于地質(zhì)不連續(xù)面走向大體平行于坡面走向并傾向線路，其傾角小于邊坡坡率，且大于其巖土抗剪強(qiáng)度所能維持的穩(wěn)定坡度，這種情況一般發(fā)生平面型破壞。對于具有兩個(gè)或兩個(gè)以上的地質(zhì)不連續(xù)面組合的情況，一般是以一組不連續(xù)面為主控滑移面，其余為空間控制面，這種情況也可歸納為平面型破壞（在巖質(zhì)邊坡中，常稱之為楔體破壞）。

5.1.4折線型破壞

一般指不利結(jié)構(gòu)面的組合和崩滑流堆積等不良地質(zhì)介面。在類土質(zhì)路塹邊坡坡體結(jié)構(gòu)中，存在兩個(gè)或兩個(gè)以上的地質(zhì)不連續(xù)面，其走向大體平行于坡面且傾向線路，由多個(gè)地質(zhì)不連續(xù)面組成折線型破裂面，其上巖土以此為依附面產(chǎn)生滑移變形和破壞，這種情況下的邊坡破壞為折線型破壞。

5.1.5其它形式破壞

主要表現(xiàn)為風(fēng)化剝落，流石、流泥和崩塌落石。

5.2穩(wěn)定性分析計(jì)算

從以下幾個(gè)方面來分析：計(jì)算模式，計(jì)算指標(biāo)，計(jì)算方法和其它問題。

5.2.1計(jì)算模式

計(jì)算模式主要有：均勻?qū)訝钚?，基底控制型，結(jié)構(gòu)面組合型和固定滑面型。

均勻?qū)訝钚彤?dāng)坡體組成地質(zhì)不連續(xù)面相對平緩成層，層內(nèi)巖土性質(zhì)比較簡單或均勻，這種情況可以抽象為均勻?qū)訝钚陀?jì)算模式。其相應(yīng)邊坡變形破壞機(jī)理類型為園弧或似園弧破壞，這樣即可通過搜索最危險(xiǎn)園弧滑裂面計(jì)算其邊坡穩(wěn)定系數(shù)。

基底控制型當(dāng)坡體內(nèi)部存在某種控制性不連續(xù)面時(shí)，這個(gè)不連續(xù)面可以是基巖頂面、不同成因或不同時(shí)期堆積界面、差異風(fēng)化界面、地層層面、斷層節(jié)理面、以及軟弱破碎帶控制界面，由于這種控制性地質(zhì)不連續(xù)面的存在，在坡體穩(wěn)定性分析計(jì)算中起決定性或控制性作用，這類邊坡可以歸納為基底控制型計(jì)算模式。其相應(yīng)邊坡變形破壞機(jī)理類型主要體現(xiàn)為平面型破壞，或者平面型與園弧型的復(fù)合破壞形式。在具體分析計(jì)算過程中，是以基底控制界面為剪出依附面，結(jié)合園弧搜索，搜尋最危險(xiǎn)滑裂面，從而計(jì)算確定邊坡穩(wěn)定系數(shù)。

結(jié)構(gòu)面組合型當(dāng)坡體內(nèi)部存在兩組或兩組以上傾向線路的不利結(jié)構(gòu)面時(shí)，其坡體的變形和破壞往往受其結(jié)構(gòu)面組合形態(tài)與規(guī)律控制，常見有陡傾結(jié)構(gòu)面與緩傾結(jié)構(gòu)面的組合，這類邊坡即歸納為結(jié)構(gòu)面組合型計(jì)算模式。其相應(yīng)邊坡變形破壞機(jī)理類型主要體現(xiàn)為折線型破壞或折線型與園弧型的復(fù)合破壞，據(jù)此搜索優(yōu)勢滑裂面，計(jì)算確定坡體穩(wěn)定系數(shù)。

5.2.2計(jì)算指標(biāo)

主要有以下計(jì)算指標(biāo)：室內(nèi)試驗(yàn)指標(biāo)，現(xiàn)場試驗(yàn)指標(biāo)，相關(guān)經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)和反算指標(biāo)。

室內(nèi)試驗(yàn)指標(biāo)室內(nèi)試驗(yàn)是結(jié)合邊坡工程地質(zhì)勘查，利用工程地質(zhì)勘探孔取得原狀樣或擾動(dòng)樣，通過室內(nèi)試驗(yàn)的方法，獲取邊坡巖土基本物理力學(xué)指標(biāo)，求得巖土抗剪強(qiáng)度參數(shù)值。

現(xiàn)場試驗(yàn)指標(biāo)現(xiàn)場試驗(yàn)是在邊坡工程現(xiàn)場進(jìn)行現(xiàn)場大型剪切試驗(yàn)，或者，給合工程地質(zhì)勘探鉆孔進(jìn)行孔內(nèi)現(xiàn)場剪切試驗(yàn)，對于軟弱地層亦可采用十字板剪切試驗(yàn)，以及其它結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度現(xiàn)場試驗(yàn)方法等，從而求得邊坡巖土現(xiàn)場試驗(yàn)指標(biāo)。

相關(guān)經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)在巖土工程勘查設(shè)計(jì)工作實(shí)踐中，經(jīng)驗(yàn)知識(shí)是不可或缺的重要內(nèi)容之一，對于巖土強(qiáng)度指標(biāo)，可以也應(yīng)該通過工程地質(zhì)類比的方法，利用既有工程中類似巖土的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)和指標(biāo)數(shù)值，類比確定當(dāng)前面臨巖土工程強(qiáng)度指標(biāo)。

反算指標(biāo)指標(biāo)反算是根據(jù)給定邊坡工程變形性狀，判斷邊坡穩(wěn)定程度或穩(wěn)定系數(shù)，采用數(shù)值反分析方法，經(jīng)過反算確定邊坡巖土主要強(qiáng)度指標(biāo)。在類土質(zhì)路塹邊坡工程中，極限坡高與極限坡率狀態(tài)反分析更為實(shí)用和可靠。

5.2.3計(jì)算方法

主要有極限平衡法（推力傳遞法、摩根斯吞-普賴斯方法），圖解法和工程地質(zhì)比擬法。用摩根斯吞-普賴斯方法來進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析和邊坡加固工程檢算。

5.2.4其它問題

主要是指孔隙水壓力，邊坡滲流場和結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度問題。

5.3坡形坡率設(shè)計(jì)原則和防護(hù)加固工程對策

5.3.1坡形坡率設(shè)計(jì)原則

坡形：臺(tái)階式邊坡，臺(tái)階高度8～12m，完整巖體及頂級(jí)緩坡可設(shè)至15m左右。對于高邊坡，常在坡體中部設(shè)置寬平臺(tái)4～6m。

坡率：微風(fēng)化巖0.25～0.50，中風(fēng)化巖0.50～0.75，強(qiáng)風(fēng)化巖0.75～1.00，坡殘積層1.00～1.25，松散軟弱土層1.25～1.50。

5.3.2防護(hù)加固工程對策

主要采取以下對策：坡面變形防護(hù)，淺表層變形防護(hù)，塊體變形防護(hù)，深部變形防護(hù)，坡腳應(yīng)力集中防護(hù)和地表、地下水引排處理。

根據(jù)工程實(shí)際情況，如果地下水較多，地表也有水，排水需要上下結(jié)合的方式進(jìn)行排除，即路塹地段路基邊需要做盲溝，邊坡需要做支撐滲溝，并且在施工過程中需要對開挖的溝槽進(jìn)行必要的加固防護(hù)，確保路基的穩(wěn)定，保證行車和施工過程中人員的安全。盲溝施工完畢，需要在盲溝的上面施工排水邊溝，保證地表和地下水的暢通排除。

6.本工程高路塹邊坡的處理方案

在以上段落，路塹開挖后，揭示地層與原設(shè)計(jì)基本一致。其中黏質(zhì)黃土現(xiàn)場實(shí)測天然含水量20%～25%，塑性指數(shù)12～16。根據(jù)以上的計(jì)算和分析，為保證本工程邊坡永久的穩(wěn)定，本工程中采取如下的工程處理方案。

ZCZQ-3標(biāo)段的DK57+310～DK57+980段左側(cè)、DK57+310～DK57+950段右側(cè)邊坡坡率放緩至1：1.5，邊坡每8m一級(jí)；為便于施工，設(shè)置4m寬邊坡平臺(tái)及側(cè)溝平臺(tái)；邊坡采用M7.5漿砌片石拱型骨架護(hù)坡內(nèi)撒草籽種植灌木防護(hù)；視邊坡土層性質(zhì)及含水量情況，合理布設(shè)邊坡支撐滲溝，滲溝寬1.5m，深2m，滲溝內(nèi)碼砌片石。

DK57+310～DK57+980段左側(cè)、DK57+310～DK57+950段右側(cè)采用路堤式路塹，路肩外側(cè)設(shè)底寬0.4m，深0.6m的梯形側(cè)溝，側(cè)溝下設(shè)縱向排水盲溝，盲溝每隔30m設(shè)置一座檢查井；盲溝需采取保溫措施，出口段根據(jù)需要適當(dāng)延長。

因DK58+000處設(shè)有上跨立交橋，DK57+980～DK58+020段左側(cè)路塹側(cè)溝維持原設(shè)計(jì)，側(cè)溝外設(shè)2m寬平臺(tái)；邊坡坡率適當(dāng)放緩。

DK58+020處左側(cè)及DK57+950處右側(cè)邊坡放緩段與未放緩段應(yīng)在放緩段落以外20m內(nèi)平順銜接。

ZCZQ-4標(biāo)段內(nèi)的DK67+450～DK68+100段兩側(cè)側(cè)邊坡坡率放緩至1：1.5；為便于施工，設(shè)置3～4m寬邊坡平臺(tái)及側(cè)溝平臺(tái)；邊坡采用M7.5漿砌片石拱型骨架護(hù)坡內(nèi)撒草籽種植灌木防護(hù)；視邊坡土層性質(zhì)及含水量情況，合理布設(shè)邊坡支撐滲溝，滲溝內(nèi)碼砌片石。

DK67+450～DK68+100段兩側(cè)路肩外側(cè)設(shè)梯形側(cè)溝，側(cè)溝下設(shè)縱向排水盲溝，并合理設(shè)置檢查井；盲溝出口段根據(jù)需要適當(dāng)延長，并采取保溫措施。

左側(cè)盲溝于DK67+458處過軌引至右側(cè)，并引入右側(cè)低洼沖溝內(nèi)。

DK67+450處兩側(cè)側(cè)邊坡放緩段與未放緩段應(yīng)在放緩段落以外20m內(nèi)平順銜接。

7.結(jié)束語

本文通過新建大準(zhǔn)至朔黃鐵路聯(lián)絡(luò)線的實(shí)際情況，介紹了重載鐵路高路塹邊坡地段邊坡的防護(hù)形式和破壞原因，通過力學(xué)計(jì)算等方式進(jìn)行分析總結(jié)，提出重載鐵路高路塹邊坡的合理防護(hù)形式，并且取得了良好的效果，保證的路塹邊坡永久的穩(wěn)定，為以后類似工程提供借鑒。