寒區鐵路凍融作用下土質路塹邊坡的穩定性探討

樊耀武

(鐵道第三勘察設計院集團公司吉林分公司，吉林吉林 132001)

寒冷地區鐵路路塹邊坡的穩定性直接關系到鐵路運輸的安全。凍融作用產生的邊坡滑塌為寒冷地區常見的一種自然地質災害，可以產生大量的水土流失，破壞沿線景觀，直接或間接影響鐵路的運營安全與使用功能。所以，位于挖方段的鐵路路塹邊坡坡面的穩定性是鐵路工程建設需要考慮的重要內容之一。

1 路塹邊坡凍融滑塌的表現形式與原因分析

受凍融作用的影響，吉林省東部地區鐵路路塹邊坡在每年4～5月間產生大量的淺層滑塌，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失穩有關。主要表現滑塌土體堆積在坡面上或滑到坡腳，或坡面圬工防護出現隆起、破裂甚至滑塌。滑塌深度較淺，多為20 cm左右。

②中部滑塌式:這種滑塌位于邊坡的中部，具體的發生部位與地表水的滲入和層間水的富集部位有關，一般滑塌要延伸至坡腳附近。主要表現為滑塌破壞面積較大，坡面拱形骨架或砌石防護遭到嚴重破壞。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失穩有關，主要表現為滑塌范圍基本涵蓋整個路塹邊坡，寬度可達數十米，滑塌的深度一般較大，多數超過50 cm。

寒冷地區產生此類滑塌的主要原因是邊坡土層的凍脹與融解。在寒冷地區，春融期寒溫天氣持續時間長，如果農歷為閏三月或閏四月，則加大了寒溫天氣持續時間，氣溫回升較慢，晝夜溫差在0℃上下循環。

寒冷地區的凍融作用: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，重新產生凍脹。在反復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。邊坡表層土質在包氣帶水作用下，天然含水量增大使土質軟化，白天時，表層凍土融化，在重力作用下沿著其下形成的冰土滑面產生滑塌。

沿線遭凍融作用破壞的塹坡多數為陰坡，坡上積雪融化慢，凍融作用時間長，對邊坡的破壞比較明顯。對有拱形骨架護坡或砌石護坡防護坡面土層的凍融作用可導致圬工防護結構的隆起及破碎脫落，在坡面圬工附加荷載作用下極易產生淺層滑塌。

由于寒冷地區降雪量大，春季冰雪融水量大，持續時間長，融水滲入邊坡土體從裂隙發育處涌出。涌水多為點狀涌水，局部為線狀涌水，涌水處土體受滲流作用產生滲透變形，造成塹坡的淺層滑塌。

2 凍融作用下影響邊坡穩定性的主要因素

2.1 地質條件

由巖土體的工程地質性質所決定。土質邊坡的巖土體密度較低，孔隙較大，抗沖蝕能力低。在地質構造上容易造成表水滲入，產生流水侵蝕面和冰凍夾層面。

2.2 水文地質條件

邊坡的失穩往往與地下水的活動有密切關系，而層間水的富集程度又與氣候條件、土質條件相關。凍融作用造成水文地質條件發生改變，邊坡土體的力學性質受水的影響很大，增加了土質邊坡土體的下滑力，也降低了土體的抗剪強度。

2.3 氣候因素

氣溫的變化是侵蝕高含冰量凍土路塹邊坡土體結構和影響邊坡穩定性的主要因素。春融期的氣候特點就是白天融化，夜間凍脹，這種反復長時間的凍融作用對路塹邊坡造成強力破壞。所以，往往在春融期可見大量的邊坡滑塌現象。

3 土質邊坡凍融作用滑塌機理分析

土質邊坡凍融滑塌機理主要包括兩個方面，凍融循環作用下的重力侵蝕蠕動與凍結面下降形成滑床作用。

3.1 凍融循環作用下的重力侵蝕蠕動

重力侵蝕是沿坡向下運動的一系列現象，這種運動是一種固結或半固結物質的運動，可以快速運動，也可以緩慢不易察覺地移動或蠕動。土質路塹邊坡土體在凍融作用的反復作用下發生向下的蠕動，這種蠕動變形運動很緩慢，蠕動的土體在慢慢破壞土體的層間結構并積蓄重力，當重力達到或超過土體抗剪的臨界值就會沿滑動面產生大的滑塌(如圖1所示)。

3.2 凍結面下降形成的滑床現象

圖1 凍融滑塌滑床

進入春融季節，路塹邊坡坡面上的積雪開始融化并向地表下滲入或沿坡面向下流淌沖刷坡面。邊坡的凍結土層也由表及里的逐漸融化。冰融化使凍結面以上形成飽和或高含水量的解凍土體，在凍結面以下是不易透水的凍結冰土層。隨著凍融作用的時間增長，凍結面的下降，在凍結面附近集聚的層間水逐步增加，在未融化的凍結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面以上的土體抗剪強度和摩擦力明顯下降而發生淺層滑塌，經現場調查，發生滑塌以后可以看到冰土滑床的存在。

一般來講，坡度越陡邊坡越容易失穩，而坡高越大也越容易失穩，放緩邊坡有利于邊坡穩定，所以鐵路路基設計規范明確規定均質黏性土邊坡坡率為1∶1～1∶1.5(TB10001—2005 8.2.2)。通過對哈大線、長圖線、和白線等鐵路，以及長吉線、吉圖線高速公路調查發現，路塹邊坡坡率在1∶1～1∶1.5時發生凍融滑塌比較多，在邊坡坡率達到1∶1.75時也有凍融滑塌，如果繼續放緩邊坡在經濟比較中又得不償失。放緩邊坡坡度對提高鐵路路塹邊坡的穩定性有一定的效果，但不能有效地防治凍融滑塌的發生，所以說邊坡凍融滑塌與邊坡坡率關系不大。防治凍融滑塌的措施應該從滑塌的原因、影響因素和滑塌機理上入手。

(1)排除層間水

層間水是引發凍融滑塌的主要，所以排除層間水是必要的防治措施之一，設置豎向與斜向淺層排水溝結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根據層間水的深度確定，一般不小于0.5 m，主溝槽間距根據層間水的水量可設為5～15 m，周圍可回填砂卵石土，基本能夠滿足邊坡層間水的排水要求。

(2)坡面植被防護

為增加邊坡坡面的抗剪強度與抑制凍脹作用，坡面應種植根系發達的植物護坡:草本植物以馬藺、無芒雀麥為主，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，根系發達，草根可深達1.0 m以上;無芒雀麥屬多年生牧草，根系發達，可防沙固土，對氣候條件適應性廣，特別適于寒冷干燥地區。紫穗槐是耐寒、耐旱、耐鹽堿、抗風沙的灌木植物，根部比較發達，根部長有根疣。以上是邊坡防護的良好植物。

(3)坡面圬工防護

因凍融作用坡面砌體圬工經常發生防護結構隆起或松散，導致坡面支撐失效而成為路塹邊坡坡面的附加荷載，對坡面的淺層穩定產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，例如骨架護坡、設置輕型預制空心混凝土塊或土工合成材料防護。

(4)坡腳支擋結構

在坡腳處設置矮擋土墻對土質邊坡穩定也有一定的作用，擋土墻高度以2.0～3.0 m為宜，墻體適當加厚可以防止滑塌體的推力。

以上工程措施應根據實際情況綜合運用，可以起到很好的防治效果。

4 結論

寒區鐵路路塹邊坡凍融滑塌是一種特殊的自然地質災害問題，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解決邊坡的穩定性問題。應盡量地排除淺層層間水，并種植根系發達的植物進行護坡。

坡面附加荷載對寒區鐵路路塹邊坡凍融滑塌有明顯的不利影響，所以寒區鐵路路塹邊坡不建議采用砌體圬工護坡，應采用輕質的防護結構如:骨架護坡、輕型預制空心混凝土塊或土工合成材料等。

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