隴海鐵路路堤沉降變形與深部位移監(jiān)測及防治

范家瑋 張玉芳 李知軍 徐勇

1.中國鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；3.云南省建設(shè)投資控股集團有限公司，昆明 650000

黃土抗水性差，其大孔隙性和濕陷性對工程影響巨大。黃土路基極易在極端降雨條件下產(chǎn)生滑坡、路堤沉降等工程病害［1-3］。2021年7月，受鄭州特大暴雨影響，隴海鐵路上街—黑石關(guān)區(qū)段發(fā)生大量路基水害，嚴(yán)重威脅鐵路運營安全，亟待開展病害段變形監(jiān)測與綜合防治對策研究。

目前國內(nèi)外對黃土路基邊坡降雨水害的研究取得了一定成果。張雁等［4］采用室內(nèi)模型試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的手段，研究不同降雨強度對不同邊坡坡率黃土路基的沖刷規(guī)律。劉德仁等［5］開展壓實黃土浸水入滲室內(nèi)模型試驗，研究非飽和黃土浸水入滲過程中體積含水率與孔隙氣壓力變化規(guī)律。盛明強等［6］開展現(xiàn)場黃土浸水試驗，比較了黃土微型樁在天然工況與浸水飽和工況下的力學(xué)性能。Chang等［7］研究了極端降雨條件下黃土邊坡的水敏性與濕陷性，提出了黃土邊坡由坡腳至坡頂分階段失穩(wěn)的破壞模式。Wang等［8］為研究黃土滲透系數(shù)與基質(zhì)吸力的相關(guān)性，改進了基質(zhì)吸力監(jiān)測三軸儀，為分析黃土降雨入滲提供新手段。Pham等［9］為研究瞬態(tài)非飽和滲流條件下黃土邊坡的穩(wěn)定性，建立瞬態(tài)降雨入滲數(shù)學(xué)模型，為分析黃土降雨入滲提供理論基礎(chǔ)。

針對鐵路黃土路基受水軟化變形的現(xiàn)場研究仍然有待進一步深入。本文以隴海鐵路上街—黑石關(guān)區(qū)間路基水害為研究對象，采用現(xiàn)場調(diào)查、變形監(jiān)測、數(shù)值模擬的綜合手段研究分析黃土路堤邊坡穩(wěn)定性，并提出相應(yīng)的防治對策。

1 沿線地質(zhì)概況

1.1 地形地貌

隴海鐵路上街—黑石關(guān)區(qū)間位于洛陽盆地與黃河下游的華北平原南部過渡地段，黃河及其支流伊洛河南岸，整體地勢南高北低，最高點位于南部山區(qū)，最低點位于黃河河床。區(qū)內(nèi)隴海鐵路總體走向NE～SW，東段沿黃河南岸山區(qū)布設(shè)，中、西段位于伊洛河南岸緊鄰河流布設(shè)。根據(jù)區(qū)域地貌的成因類型與形態(tài)特點，可劃分為構(gòu)造剝蝕丘陵地貌和河流堆積平原地貌。

1.2 地層巖性

根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)勘察，沿線地層主要為坡面上覆人工填土與下伏黃土狀粉質(zhì)黏土。人工填土層厚2～4 m，呈黃褐色與灰黃色，土體近飽和，主要成分為黃土狀粉質(zhì)黏土，局部夾雜碎石、礫石。下伏黃土狀粉質(zhì)黏土呈褐黃色、淺黃色，土體近飽和，局部夾雜粉土。

1.3 氣象條件

隴海鐵路上街—黑石關(guān)區(qū)間屬大陸性暖溫帶半濕潤氣候，平均海拔110 m，年平均氣溫11℃，無霜期185 d左右，年降水量500～600 mm。2021年7月18—20日期間，鄭州地區(qū)最大降雨量達到438.7 mm，2 d內(nèi)降雨量與該地區(qū)年降雨量基本持平。7月18日—9月7日，該地區(qū)累計降雨量達到862.2 mm，超過歷史同期降雨量。

2 監(jiān)測原理與方案

依據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，隴海鐵路上街—黑石關(guān)區(qū)間路堤黃土受水軟化后呈軟塑狀，承載力降低，路堤產(chǎn)生較大沉降。此外，地表水集中下滲，邊坡內(nèi)軟弱巖土帶被軟化，引起路堤滑坡，危及列車運營安全。

2.1 監(jiān)測設(shè)備及系統(tǒng)工作原理

根據(jù)YS 5229—96《巖土工程監(jiān)測規(guī)范》與GB 50021—2001《巖土工程勘察規(guī)范》，針對路堤沉降與路堤邊坡滑坡病害，選用靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)與深部位移測斜技術(shù)進行監(jiān)測。采用靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)（圖1）監(jiān)測路堤沉降。靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)使用高性能壓力傳感器反映測點與基準(zhǔn)點間的壓差變化，最終獲取多個測點的垂直位移［10］。該系統(tǒng)由一系列沉降傳感器組成，傳感器之間用通液管和通氣管連接，通液管與儲液罐相連，通氣管亦與儲液罐連接構(gòu)成內(nèi)壓自平衡系統(tǒng)，以消除大氣壓力變化對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)根據(jù)連通器原理設(shè)計，將各測點與基準(zhǔn)點由通液管串聯(lián)，并在儲液罐內(nèi)存儲導(dǎo)壓液體，根據(jù)各測點與基準(zhǔn)點間的液體變化量，計算各測點沉降。

圖1 靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)構(gòu)成

深部位移監(jiān)測是通過一定的手段和方法，掌握邊坡體內(nèi)部的相對位移變化情況，為分析和確定滑面深度以及采取合理的工程措施提供科學(xué)依據(jù)［11］。監(jiān)測采用活動式測斜儀，其原理是：在邊坡上預(yù)先鉆孔，孔底置于預(yù)測的最深滑動面以下，孔內(nèi)預(yù)埋特制的帶有十字刻槽的管件，測斜儀沿管中刻槽按固定間距從孔底至孔口測量，通過測量結(jié)果可計算出對應(yīng)不同深度兩點間的相對位移。將孔底作為參照點，當(dāng)測斜儀讀數(shù)顯示某深度側(cè)向位移相對孔底參照點的位移激增，則推測此處存在滑動面。

2.2 監(jiān)測點布設(shè)方案

隴海鐵路上街—黑石關(guān)區(qū)間全長近40 km，依據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，受暴雨影響，區(qū)內(nèi)多處路堤局部段落線路高程異常，部分段落邊坡存在失穩(wěn)風(fēng)險。選取6處路堤沉降最嚴(yán)重的工點進行監(jiān)測，路堤沉降監(jiān)測區(qū)間長120 m，沿線路方向在路肩上布設(shè)監(jiān)測點，每隔20 m設(shè)置1個監(jiān)測點，測點1—測點7；選取3處潛在路堤滑坡風(fēng)險的工點進行深部位移監(jiān)測，每處監(jiān)測點設(shè)置2個監(jiān)測斷面，每個監(jiān)測斷面布設(shè)3個深部位移監(jiān)測孔。

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.1 路堤沉降變形特征分析

監(jiān)測區(qū)間路堤累計沉降見圖2。可知，該監(jiān)測區(qū)間沉降變形嚴(yán)重，路堤整體呈下沉趨勢，自監(jiān)測設(shè)備安裝4個月以來，最大累計沉降達22.33 mm。

圖2 監(jiān)測區(qū)間路堤累計沉降

監(jiān)測區(qū)間2021年10月—2022年1月路堤差異沉降見圖3?？芍?021年10月路堤整體沉降大，各測點沉降均超過8 mm，最大沉降達22.33 mm；2021年11月—2022年1月路堤整體沉降趨于平穩(wěn)，各測點月沉降均小于3 mm，最大月沉降僅2.11 mm。該監(jiān)測區(qū)間兩端測點整體沉降較小，10月沉降均小于10 mm；測點2—測點6整體沉降較大，10月沉降均大于15 mm；監(jiān)測區(qū)間各測點間存在不均勻沉降現(xiàn)象，各測點不均勻沉降在空間上呈現(xiàn)兩端小、中間大的分布特征。

圖3 監(jiān)測區(qū)間路堤差異沉降

結(jié)合現(xiàn)場施工進度與監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知，2021年10月路堤整體沉降大是源于路堤加固仍處于施工階段，路堤尚未達到穩(wěn)定狀態(tài)。在施作支擋加固措施后，2021年11月—2022年1月各測點沉降趨于平穩(wěn)，特別是測點2，雖于10月產(chǎn)生最大沉降，但加固后在11月上拱2.76 mm，部分抵消路堤下沉引發(fā)的高程異常。因此判斷加固后路堤處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2 路堤邊坡深部位移分析

考慮到監(jiān)測區(qū)間路堤邊坡監(jiān)測孔位較多，且各監(jiān)測孔監(jiān)測數(shù)據(jù)特征一致，選取其中某測孔進行監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，研究路堤邊坡側(cè)向變形的時空演化規(guī)律，見圖4。規(guī)定測孔A軸方向為隴海鐵路線路方向，正方向由小里程指向大里程；測孔B軸方向為垂直線路方向，正方向由線路中心線指向路堤邊坡。

圖4 路堤邊坡監(jiān)測點不同深度累計側(cè)向位移

由圖4可知：2021年11月—2022年1月路堤邊坡整體側(cè)向位移較小，35 m深度范圍內(nèi)側(cè)向位移均小于1 mm，最大側(cè)向位移僅0.88 mm。因此判斷加固后路堤邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。路堤邊坡側(cè)向位移呈現(xiàn)近地表位移大、遠(yuǎn)地表位移小的倒三角形。

4 數(shù)值模擬分析及綜合防治對策

4.1 模型建立

選取路堤滑坡工點條件最不利斷面進行邊坡的穩(wěn)定性分析，根據(jù)現(xiàn)場測量情況建立有限元模型，分析斷面及網(wǎng)格劃分見圖5。

圖5 分析斷面及網(wǎng)格劃分

4.2 參數(shù)選取

數(shù)值計算參數(shù)由現(xiàn)場鉆探取注漿前后原狀土樣開展物理力學(xué)試驗確定，計算所用的邊坡巖土層計算參數(shù)見表1。

表1 邊坡巖土層計算參數(shù)

4.3 計算結(jié)果

選用摩爾庫倫準(zhǔn)則進行強度計算，邊坡穩(wěn)定性采用極限平衡法進行分析，計算暴雨后路堤邊坡的穩(wěn)定性，暴雨后邊坡應(yīng)變增量云圖見圖6?？芍哼吰缕茐哪Ｊ綖閳A弧形滑動，暴雨后路堤邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為0.98，在暴雨狀態(tài)下路基邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，易發(fā)生坡面溜塌、淺層滑坡破壞。

圖6 暴雨后邊坡增量位移云圖

4.4 防治對策

通過分析隴海鐵路黃土路堤滑坡病害成因機制可知，黃土滲水后抗剪強度驟降，滑坡抗滑力被削弱，同時土體含水率增大導(dǎo)致土體自重增大，加劇滑坡下滑力。因此，需要從提升坡體黃土抗剪強度與施作支擋結(jié)構(gòu)抵抗滑坡下滑力兩方面考慮防治方案。綜上，提出豎向鋼花管+斜向鋼錨管分段控制注漿的防治對策，實現(xiàn)黃土注漿加固與鋼花管支擋的共同作用機制。

4.5 防治效果

加固后邊坡應(yīng)變增量云圖見圖7。經(jīng)計算，加固后邊坡的穩(wěn)定系數(shù)從0.98提升到1.26。由此可見，豎向鋼花管與斜向鋼錨管分段控制劈裂注漿作用顯著，通過劈裂注漿對巖土體進行擠密，提升注漿體與巖土體的黏結(jié)強度。

圖7 加固后邊坡增量位移云圖

為驗證鋼花管分段控制劈裂注漿效果與數(shù)值計算穩(wěn)定性的可靠性，開挖鋼花管周土體，觀察劈裂注漿所形成的漿脈分布，如圖8所示，鋼花管分段控制劈裂注漿效果良好，劈裂注漿的擴散半徑大于50 cm，漿體可有效黏結(jié)鋼花管周的巖土體，在不同深度處形成樹根狀漿脈，在路堤邊坡中起到骨架作用，提升路堤整體穩(wěn)定性。

圖8 鋼花管分段控制劈裂注漿漿脈分布

4.6 數(shù)值模型理論驗證

采用Bishop法對所模擬路堤邊坡的穩(wěn)定性進行理論計算，將路堤邊坡滑動面以上土體分為若干個垂直土條。

針對每個土條列出靜力平衡與力矩平衡方程，即

式中：T i為第i個土條滑動面處抗剪力；c i為第i個土條滑動面處黏聚力；l i為第i個土條滑動面滑弧長度；Fs為穩(wěn)定系數(shù)；N i為第i個土條滑動面處法向反力；φi為第i個土條滑動面處內(nèi)摩擦角；W i為第i個土條重量；P i、P i+1為土條兩側(cè)的法向力；αi為第i個土條滑動面滑弧中點法線與豎直線夾角；R為滑弧半徑。

依據(jù)作用力在水平與豎直方向上的合力為0，并綜合式（1）—式（3）得出F s的迭代計算公式，即

依據(jù)式（4）并代入表1的巖土層計算參數(shù)與相應(yīng)幾何尺寸，計算暴雨后加固前后路堤邊坡的穩(wěn)定系數(shù)，得出暴雨后未加固工況邊坡穩(wěn)定系數(shù)為0.99，加固后路堤邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.27。所得結(jié)果與有限元模擬結(jié)果一致。

5 結(jié)論

1）在隴海鐵路監(jiān)測區(qū)間內(nèi)，路堤沉降在2021年10月施工期間達最大值22.33 mm，11月起沉降趨于平穩(wěn)，月沉降均小于3 mm。路堤邊坡側(cè)向變形11月起處于穩(wěn)定狀態(tài)，側(cè)向位移均小于1 mm。

2）路堤沉降各測點間存在不均勻沉降現(xiàn)象，其分布特征在空間上呈現(xiàn)兩端小、中間大的分布。

3）路堤邊坡側(cè)向位移呈現(xiàn)近地表位移大、遠(yuǎn)地表位移小的倒三角形分布。

4）暴雨后路堤邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，易發(fā)生坡面溜塌、淺層滑坡破壞。在施作加固措施后，鋼花管注漿形成樹根狀漿脈，提高了巖土體抗變形能力，路基穩(wěn)定性增強。