淺析朔黃鐵路路堤高邊坡病害特征及防治技術(shù)

魏興國

朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司原平分公司 山西 原平 034100

1 研究背景

朔黃鐵路西起山西省神池縣神池南站，與神朔鐵路相連，東至河北省滄州市黃驊港口貨場，為一條雙線電氣化重載鐵路，全線長約598公里，是國家能源集團(tuán)一體化工程中的重要組成部分。2000年5月正式開通運營，2009年朔黃鐵路萬噸、兩萬噸擴能改造逐步完成，并于當(dāng)年首列萬噸列車正式開行，2014年9月30噸軸重2.5萬噸重的列車在朔黃鐵路開行?，F(xiàn)年運輸能力已達(dá)3.5億噸，遠(yuǎn)期4.5億噸，對保證華東、東南沿海地區(qū)能源供應(yīng)具有極其重要的戰(zhàn)略意義。

朔黃鐵路在取得如此成績的同時，大運量、大軸重、高密度的運輸模式，加上鐵路修筑時間長，且當(dāng)時修建技術(shù)較落后，導(dǎo)致了各種邊坡病害的快速發(fā)生、發(fā)展。特別是朔黃鐵路西段原平分公司管內(nèi)地處山區(qū)，高填深挖，近幾年路堤高邊坡病害頻發(fā)，嚴(yán)重影響了朔黃鐵路的安全運營。路堤高邊坡坡腳是應(yīng)力集中區(qū)，特別是在運營動荷載作用下對于受力敏感性較高，遇強降雨天氣當(dāng)雨水匯集于路堤坡腳時會顯著降低填土的物理力學(xué)參數(shù)從而造成坡體溜塌、坡腳支擋措施開裂甚至變形失效等病害，對線路的安全運營造成了嚴(yán)重影響。

本文通過調(diào)查朔黃鐵路K201+140～+200路堤高邊坡溜塌的成因及對其病害形成機理及影響因素的研究，有針對性地提出對于此類高邊坡溜塌病害治理的工程措施，對于沿線此類邊坡的加固防護(hù)有一定的借鑒意義。

2 工程概況

病害點為朔黃線K201+140～+200段路堤高邊坡，本區(qū)屬山前坡腳河谷地帶，地形起伏較大。

根據(jù)地質(zhì)資料揭示，地表上覆第四系全新統(tǒng)（Q4ml）人工填土，下伏基巖為太古界（Ar）混合巖。人工填土：棕黃色，厚度13～20m，層厚不均，主要以粉土為主含少量碎石，稍密，稍濕。太古界（Ar）混合巖：在本區(qū)廣泛出露，灰黃色，以石英，長石為主，變晶結(jié)構(gòu)，強風(fēng)化[1]。

工程位置屬Ⅰ級構(gòu)造單元為中朝準(zhǔn)地臺。工程影響范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)斷裂等地質(zhì)構(gòu)造。

該區(qū)域?qū)倥瘻貛О霛駶櫦撅L(fēng)大陸性氣候。四季分明，春暖夏熱秋爽冬寒。年平均氣溫12.7℃，極端最高氣溫41.8℃，極端最低氣溫-17.9℃；多年平均降水量609mm；多年平均蒸發(fā)量1815.4mm；最大季節(jié)性凍結(jié)深度90cm。

3 病害特征及形成機理

朔黃鐵路K201+140～+200段局部漿砌片石護(hù)坡已發(fā)生鼓脹開裂，勾縫脫落現(xiàn)象。2016年7月，經(jīng)連續(xù)強降雨后，該路堤高邊坡發(fā)生溜塌，急需對其進(jìn)行治理。

該溜塌病害主要有以下三種特征：①坡腳腳墻開裂、土體擠出、漿砌片石護(hù)坡鼓脹開裂，局部形成貫通裂縫；②護(hù)坡砂漿勾縫脫落，片石鼓脹外擠；③邊坡平臺上出現(xiàn)縱向裂縫，并伴有不均勻下沉。病害照片見圖1。

圖1 病害照片

對病害邊坡形成機理進(jìn)行分析可以得出，形成朔黃K201+140～+200段路堤邊坡溜塌病害的主要原因有以下幾個方面：

3.1 動荷載對高邊坡的影響

高陡邊坡對于振動效應(yīng)的敏感性較高，同時高陡邊坡會放大動荷載的影響，該段路堤邊坡平均高度14m，地層為人工填土。朔黃鐵路上常年重載、高頻運行列車對高陡路堤邊坡有一定的影響，根據(jù)文獻(xiàn)[2-3]等研究結(jié)果表明，在列車低頻振動荷載重復(fù)作用影響下，填方路基更容易產(chǎn)生病害。

3.2 施工質(zhì)量影響

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，既有護(hù)坡存在坡面漿砌片石厚度較薄、砂漿松散易滲水、平臺截水溝排水不暢等病害，這些施工質(zhì)量問題導(dǎo)致坡面及平臺積水難以及時排出，從而下滲于坡體內(nèi)，增強了坡體內(nèi)孔隙水壓力同時，坡腳腳墻不足以滿足在暴雨天氣下坡體穩(wěn)定性的要求，從而導(dǎo)致了本次病害的發(fā)生。

3.3 水的原因

水是導(dǎo)致此次病害發(fā)生的主要原因，2016年7月份在該區(qū)發(fā)生持續(xù)降雨天氣，由于雨水下滲造成了路堤填土局部達(dá)到濕潤～飽和，使得巖土體重度變大，邊坡巖土體在雨水浸泡和滲流作用下，發(fā)生軟化，巖土體物理力學(xué)性能變差，同時降雨改變了土的含水情況降低了土的基質(zhì)吸力[4-5]，從而降低土的抗剪強度，最終導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。

4 坡體穩(wěn)定性分析及加固方案設(shè)計

通過對朔黃線K201+140～+200段路堤邊坡溜塌病害的調(diào)查結(jié)果來看，目前病害主要為坡腳發(fā)生溜塌破壞，暫時不會導(dǎo)致大型災(zāi)害的發(fā)生。但是如果對坡腳溜塌區(qū)不能及時進(jìn)行治理，在雨水下滲，重載列車的動荷載的耦合影響下，極有可能造成整個路堤坡體的滑塌，危及列車行運，造成嚴(yán)重的后果。本文結(jié)合現(xiàn)場實際調(diào)查與數(shù)值模擬手段相結(jié)合對K201+140～+200段路堤邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了綜合分析。

4.1 坡體穩(wěn)定性分析

根據(jù)病害特征、形成機理及巖土力學(xué)參數(shù)，采用傳遞系數(shù)法對坡體在不同工況下的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析計算。參數(shù)及穩(wěn)定性計算結(jié)果如表1、2所示。

表1 坡體人工填土物理力學(xué)參數(shù)

表2 各工況穩(wěn)定系數(shù)計算表

根據(jù)上計算結(jié)果及滑坡穩(wěn)定性狀態(tài)劃分原則，認(rèn)為該段邊坡在天然狀況下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨狀況下處于不穩(wěn)定狀態(tài)，因此該段路堤邊坡需要加固整治，防治因邊坡體失穩(wěn)而造成生命和財產(chǎn)安全的損失。

4.2 邊坡數(shù)值模擬

本文采用ABAQUS有限元數(shù)值模擬軟件對該段路堤邊坡進(jìn)行了模擬分析，圖2為路堤邊坡在天然狀態(tài)的自重應(yīng)力分布，從圖中可以看出坡體在天然狀態(tài)下自重應(yīng)力按照地層深度呈線性分布，符合自重應(yīng)力一般分布規(guī)律。

圖2 坡體自重應(yīng)力分布云圖

圖3、圖4為通過強度折減法模擬邊坡在降雨受雨水下滲土體物理力學(xué)參數(shù)降低后邊坡在水平方向位移增量、坡體塑性區(qū)云圖，從圖3可以看出經(jīng)過雨水入滲后路堤邊坡在坡腳處產(chǎn)生明顯位移，坡體存在會從坡腳剪出從而導(dǎo)致整個路堤失穩(wěn)的危險。圖4的坡體塑性區(qū)云圖也表明該段路堤邊坡在坡腳處會發(fā)生破壞，這與現(xiàn)場調(diào)查情況基本吻合。

圖3 路堤邊坡X方向位移增量云圖

圖4 路堤邊坡塑性區(qū)云圖

通過對該段路堤邊坡的穩(wěn)定性分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實際調(diào)查，結(jié)合定性、定量分析手段綜合得出該段路堤邊坡發(fā)生的病害如果不能及時治理，任由其發(fā)展將有可能導(dǎo)致整個坡體失穩(wěn)，對朔黃鐵路線的運營造成嚴(yán)重的影響。

4.3 加固方案

根據(jù)對K201+140～+200段路堤邊坡病害的機理分析，該段路堤產(chǎn)生病害主要是由于雨水入滲導(dǎo)致巖土體物理力學(xué)參數(shù)降低，同時，坡腳腳墻支擋措施不足以維持整個坡體的穩(wěn)定性，因此對于該段路堤病害的治理主要從“治水、壓腳”這兩點出發(fā)。主要治理措施如下：

（1）截水措施

為防止地表匯水和雨水入滲坡體，將路堤及平臺上破損嚴(yán)重、排水不暢的截、排水溝拆除重建，對護(hù)墻中失效的泄水孔進(jìn)行重新施作，同時在坡體中下部增加一排深層排水孔排出坡體內(nèi)積水[6]。

（2）“壓腳措施”

本次主要病害為邊坡坡腳發(fā)生滑塌，原設(shè)計的腳墻支擋穩(wěn)定性不足，為防止路堤邊坡局部或整體失穩(wěn)，在坡腳處設(shè)置樁板墻支擋結(jié)構(gòu)，對坡體進(jìn)行加固。坡體加固方案設(shè)計代表性斷面如圖5所示。

圖5 加固方案代表性斷面

5 結(jié)束語

通過此次對該段路堤高邊坡的調(diào)查研究及綜合整治筆者有以下幾點體會：

（1）路堤高邊坡長期在列車運行的動荷載影響下，填土路基可能已經(jīng)發(fā)生緩慢的蠕變變形，加之強降雨天氣下，雨水下滲導(dǎo)致邊坡體的物理力學(xué)參數(shù)和基質(zhì)吸力變小，同時雨水入滲也會形成一定的靜水壓力，在這幾種力的相互耦合作用下極有可能造成邊坡失穩(wěn)，因此防排水對于路堤邊坡顯得尤為重要。

（2）路堤高邊坡在雨雪滲融、長期動荷載相互耦合作用下容易發(fā)生病害。因此路堤高邊坡支擋防護(hù)設(shè)計時，需要加強支擋結(jié)構(gòu)，達(dá)到一次設(shè)計整體穩(wěn)固的目標(biāo)。