石太客運專線某橋基高邊坡穩定分析及防護加固設計

黃 健 冷景巖

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司, 天津 300251)

1 工程概況

石太客運專線跨314省道2號特大橋，位于山西省陽曲縣范莊村東南,該橋某墩左側邊坡陡峻,最大邊坡高度達80余m。由于坡腳水溝長期沖刷切蝕,造成溝底巖石淘空,上部的土層和巖體沿高陡邊坡向下錯落坍塌,對施工安全及行車運營安全產生隱患。為了確保橋基工程安全,消除安全隱患,需對該邊坡進行防護加固處理。

2 工程地質條件

2.1 地形地貌

橋址區地處低中山,大橋斜跨古河谷,兩岸溝壁陡立,上部覆蓋黃土層。314省道順溝而行,線路斜跨314省道,坡高80余m。地形起伏不平,多為灌木植被覆蓋。

2.2 地層巖性

(1)第四系上更新統坡洪積層

新黃土：堅硬—硬塑,具大孔隙及直立性,垂直節理發育,表層具濕陷性。

(2)上第三系上新統保德組

粉質黏土：硬塑—堅硬,土質較均勻,土質結構緊密,含鐵錳氧化及白色鈣質斑塊。

粗圓礫土：稍密—中密,稍濕—飽和,圓礫主要成分為灰巖,呈透鏡體狀分布。

(3)奧陶系中統上馬家溝二段

本工程施工對象為大型水壩，具體內容涵蓋壩頂溢流表孔的打造、發電引水系統的建設及供水管道的鋪設等。其中，大壩采用的是雙曲拱壩結構，施工工藝選用的是碾壓混凝土方式，運用C20碾壓混凝土實現大壩主體的施工，以混凝土加水時開始計算，周期應滿90d，見圖1。

石灰巖：中厚層狀構造,隱晶質結構,節理裂隙發育,弱風化—微風化,呈塊狀、大塊狀,局部有輕微溶蝕現象。

2.3 橋址區地質構造分析

橋址區正好位于奧陶系與上第三系分界處,構造運動強烈。

2.4 不良地質

(1)錯落和坍塌

橋址區溝口、邊坡坡腳普遍存在錯落坍塌體,并且邊坡表面分布大小不一的塊石。

(2)軟弱結構面

邊坡灰巖巖層間存在泥化夾層,泥化夾層厚度不等,長大貫通節理也多被泥質充填,均對邊坡穩定產生一定影響。

3 邊坡穩定性分析

314省道2號特大橋地處低中山,橋址表層覆蓋第四系坡洪積層，下伏奧陶系中統上馬家溝組石灰巖,橋址巖層傾向坡外,區域地質構造形跡錯綜復雜。巖體結構破碎,節理密集,泥化夾層和節理充填物發育。現場實測、室內巖土樣抗剪強度試驗表明，泥化夾層及節理充填物具有中等膨脹性,且強度較低,在地震、飽水狀態下邊坡易失穩。

3.1 計算軟件及采用方法

本次計算采用Geo-slope邊坡穩定性分析軟件,計算方法采用該軟件提供的Janbu法,Janbu法能滿足全部力矩和力的平衡條件,破壞模式可以是任意形狀；巖土體均采用常用的Mohl-coulomb模型。

3.2 破壞位置及破壞模式

3.3 參數選擇

邊坡穩定性分析中計算參數一般有室內試驗法、現場試驗法、經驗參數法和反算指標法。室內試驗獲得的物理力學參數見表1。

其他參數：黃土、粉質黏土容重取19 kN/m3,灰巖容重取26 kN/m3,本地區為0.2g地震區。

4 穩定性計算

4.1 破壞位置及模式

通過分析,該邊坡潛在破壞面有土層內圓弧破壞、土巖分界面和沿泥化夾層,根據3個潛在破壞位置，選擇3個代表性斷面進行穩定性計算。土層內破壞選擇8-8斷面、土巖分界面破壞選擇5-5斷面,將土巖分界面作為潛在滑動面。泥化夾層破壞選擇6-6斷面進行穩定性計算,將最底層泥化夾層作為潛在滑動面。邊坡巖體受長大貫通節理切割,黃土中垂直節理發育,后緣按自然坡度35°左右控制(如圖1、圖2、圖3所示)。

圖1 土層內破壞模式(單位：m)

圖2 土巖分界面破壞模式(單位：m)

圖3 沿泥化夾層破壞模式(單位：m)

經計算分析,在選用相同的巖土體物理力學參數下,沿石灰巖泥化夾層發生折線型破壞穩定系數最低,故本次選擇沿泥化夾層破壞位置進行分析計算,然后對各斷面進行計算,確定各斷面穩定系數。

4.2 各種工況條件下穩定性計算

(1)考慮地震力作用

考慮地震力作用，各剖面順層滑動穩定性系數如表2、表3所示。

表2 含水量20％各剖面順層滑動穩定性系數

表3 飽和狀態(含水量27％)各剖面順層滑動穩定性系數

(2)不考慮地震力作用

不考慮地震力作用，各剖面順層滑動穩定性系數如表4、表5所示。

表4 含水量20％各剖面順層滑動穩定性系數

表5 飽和狀態(含水量27％)各剖面順層滑動穩定性系數

本次綜合考慮了室內試驗獲得的參數和經驗參數,并最終以反算指標確定計算參數。由于該邊坡已經開挖暴露很久,且經過了一個雨季,目前沒有發現變形跡象。根據相關工程經驗,可以假定這種狀態下邊坡穩定系數為1.10,結合工程地質勘察報告，穩定性評價報告確定泥化夾層的c值,反求φ值,經過6-6斷面多次試算，確定滑面力學參數r=25,c=25,φ=17。

5 防護加固設計

綜合考慮本地區工程地質條件、水文地質條件和氣候條件及巖層產狀和軟弱結構面位置及分布情況,對該坡體選用泥化夾層20％含水量和飽和狀態時兩種峰值強度平均值參數,采用GEO-SLOPE軟件和理正軟件進行加固穩定性分析,考慮地震作用時,穩定安全系數不小于1.15,計算結果每延米需要900 kN錨固力。不考慮地震作用,穩定安全系數不小于1.25；計算結果每延米需要600 kN錨固力。計算斷面如圖4所示。

圖4 7號、8號墩左側邊坡斷面(單位：m)

承臺外留36 m平臺,對坍塌體進行全部清除,分級刷坡,級高8 m；下部灰巖坡率1∶0.75,中上部灰巖坡率1∶1.0,每級留有2 m平臺；坡體上部新黃土和粉質黏土坡率1∶1.25,巖土分界面留4 m寬平臺。利用表1參數,采用GEO-SLOPE軟件和理正軟件對刷方后邊坡進行穩定性計算,計算結果見表2至表5。

當坡體含水量較高時,巖體結構面間充填物抗剪強度大大降低,坡體處于欠穩定狀態,需要對邊坡進行加固防護處理。對不穩定部位采用預應力錨固工程進行加固；為防止地表水滲入坡體邊坡,全部坡面采用漿砌片石護墻或護坡防護,塹坡頂部及邊坡每級平臺設截水溝。

6 結論

本工點為順層高邊坡,邊坡高陡，巖體節理發育，且節理充填泥化夾層,導致邊坡穩定性較差。通過工程地質分析,結合計算確定了該邊坡穩定性控制因素為層間泥化夾層。利用室內試驗和指標反算確定了巖土體及泥化夾層結構面的物理力學參數,然后采用

GEO-SLOPE軟件和理正軟件對飽水和常態下，在有無地震作用下進行穩定性分析和加固設計計算,進而確定了技術可行、經濟合理的設計方案。

該邊坡已于2008年末施工完畢,目前狀態良好,未發現有坡體變形痕跡,驗證了防護加固措施的可靠性。

[1]TB10025—2006,鐵路路基支擋結構設計規范[S]

[2]TB10001—2005,鐵路路基設計規范[S]

[3]GB50330—2002,建筑邊坡工程技術規范[S]

[4]TB10012—2001,鐵路工程地質勘察規范[S]

[5]GB50011—2001,建筑抗震設計規范[S]