山區(qū)鐵路路塹邊坡滑塌整治技術(shù)研究

董艷輝

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 北京 102600)

1 引言

隨著鐵路網(wǎng)的建設(shè)，鐵路已逐步延伸入山區(qū)，山區(qū)鐵路的建設(shè)為人們出行和經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了重要的交通工具。在山區(qū)鐵路工程中多以路塹形式通過，路塹邊坡的穩(wěn)定是路基設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，但是受地質(zhì)條件、水的下滲、凍融作用、人為影響等，施工期間和鐵路運(yùn)營期間路塹邊坡常出現(xiàn)滑塌現(xiàn)象[1－3]。對(duì)于滑塌的路塹邊坡一般采用削坡減載、加固、引排水等措施進(jìn)行治理[4－6]，以達(dá)到穩(wěn)定路塹邊坡的效果，整治方案應(yīng)根據(jù)工程情況具體分析。本文以某鐵路路塹邊坡滑塌治理工程為例，探究邊坡滑塌原因，并制定相應(yīng)的整治方案[7－9]。

2 工程背景

2.1 工程與水文地質(zhì)條件

項(xiàng)目所在區(qū)域地層巖性主要為第四系上更新統(tǒng)坡、洪積層粉質(zhì)黏土、碎石土，下伏太古界贊皇群石家欄組黑云斜長片麻巖。粉質(zhì)黏土厚度為1～2 m，成分為砂巖和片麻巖等；碎石土厚度為5～20 m，顆粒成分以石英、黑云斜長片麻巖為主；黑云斜長片麻巖全風(fēng)化層厚度約19 m，強(qiáng)風(fēng)化層厚度約1～3 m，弱風(fēng)化層節(jié)理裂隙較發(fā)育。

工程區(qū)域地下水類型主要為第四系孔隙潛水、基巖裂隙水。第四系孔隙潛水主要分布于碎石土土層中，隨季節(jié)性變化，主要接受大氣降水及地表水補(bǔ)給，沿坡面向低洼處排泄，形成地表徑流，局部滲入到土體內(nèi)部。基巖裂隙水主要以風(fēng)化裂隙水為主，多賦存于黑云斜長片麻巖等風(fēng)化裂隙中，水量較小。

2.2 項(xiàng)目概況

發(fā)生滑塌段原設(shè)計(jì)鐵路路塹左側(cè)邊坡高為32 m，邊坡最下部采用Ⅰ、Ⅱ型兩種樁板墻加固，Ⅰ型樁樁長25～26 m，懸臂端長11～12 m；Ⅱ型樁樁長20～22 m，懸臂端長8～10 m。樁板墻前后邊坡較矮段設(shè)重力式路塹擋土墻，墻高3.0～8.0 m。邊坡較高段一、二級(jí)邊坡采用框架錨桿，其余邊坡采用骨架護(hù)坡。

2017年10月，樁板墻、擋墻頂上部的邊坡滑塌，設(shè)計(jì)單位對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)充勘探揭示中部粉質(zhì)黏土層處于飽水狀態(tài)。經(jīng)分析，路塹開挖后，2017年9月至10月邢臺(tái)地區(qū)連續(xù)降雨，持續(xù)降雨最長達(dá)一周之多，致使上部松散土層受連續(xù)降雨影響處于飽水狀態(tài)，開挖邊坡后土體中地下水不斷沿碎石土與粉質(zhì)黏土交界面排出，土體軟化，強(qiáng)度急劇降低，路塹邊坡開挖后破壞了山體原有的力學(xué)平衡狀態(tài)，在卸荷和地下水作用的影響下，形成沿碎石土與粉質(zhì)黏土交界的軟弱滑動(dòng)面(軟弱面傾向線路側(cè))，導(dǎo)致路塹邊坡發(fā)生滑移。

設(shè)計(jì)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工程進(jìn)行加固，于路塹邊坡中后緣(框架錨桿上方)增設(shè)一排37根共3種樁型埋入式抗滑樁，樁長9～28 m，并在原樁板墻、擋墻頂及碎石土與粉質(zhì)黏土分界面分別設(shè)置一排仰斜式排水孔。

2021年7月抗滑樁樁體、擋墻、骨架和框架梁陸續(xù)完成施工，10月發(fā)現(xiàn)左側(cè)邊坡局部發(fā)生開裂變形，主要位于邊坡中上部埋入式抗滑樁與最下部樁板墻間(見圖1)，邊坡最下部擋墻墻頂向外推移(見圖2)。邊坡中上部埋入式抗滑樁以上邊坡未發(fā)現(xiàn)變形和開裂的現(xiàn)象。

3 原因分析

路塹邊坡發(fā)生滑塌后，當(dāng)?shù)卮迕袢栽趬q頂耕種，進(jìn)行生產(chǎn)灌溉且2021年7月至9月降雨較往年頻繁，而后續(xù)增設(shè)的邊坡及加固措施施工不及時(shí)；通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，已實(shí)施完成的邊坡仰斜式排水孔少見或未見施工，碎石土層的含水量變大且長期處于飽水狀態(tài)，巖土體松軟，(雨)水下滲無法快速引排出，土層被多次擾動(dòng)，造成滑面下移；框架梁等的施工也增加了變形土體的重量。

綜上所述，滑面下移、飽水層加厚造成土體容重加大，且有邊坡防護(hù)荷載等因素影響，對(duì)邊坡最下部的樁板墻與擋土墻的剪力增大，造成邊坡及擋墻變形。

4 穩(wěn)定性分析及加固整治

4.1 邊坡穩(wěn)定性分析

路塹滑移變形曾發(fā)生多次牽引式滑動(dòng)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，主要存在兩個(gè)滑動(dòng)面:滑面①位于埋入式抗滑樁至擋墻或樁板墻頂?shù)倪吰缕履_處；滑面②位于埋入式抗滑樁前至擋墻頂以下1～2 m處(見圖3)。

圖3 滑面①、滑面②示意

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)路塹邊坡鼓脹滑移、擋墻出現(xiàn)外傾開裂變形特征及其所發(fā)生階段與發(fā)展趨勢(shì)，并結(jié)合滑動(dòng)體的巖土體性質(zhì)、滑動(dòng)面位置與形態(tài)等，通過反算法、工程經(jīng)驗(yàn)類比法確定滑動(dòng)面合適的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)C、Ф。

滑面①:因中上部埋入式抗滑樁至擋墻或樁板墻頂以上邊坡出現(xiàn)鼓脹、開裂、滑移，表明已發(fā)生邊坡變形失穩(wěn)，故設(shè)定滑面①的安全系數(shù)k1＝0.95，滑面黏聚力c＝5 kPa，γ＝19 kN/m3，通過反算法得出滑面①內(nèi)摩擦角φ＝14.84°。

滑面②:因擋墻出現(xiàn)外傾、局部出現(xiàn)裂縫，表明擋墻尚處于極限平穩(wěn)狀態(tài)，故設(shè)定滑面②安全系數(shù)k2＝1.0，滑面黏聚力c＝5 kPa，γ＝19 kN/m3，通過反算法得出滑面②內(nèi)摩擦角φ＝16.13°。

從滑面①、②的反算結(jié)果可知，滑動(dòng)面的強(qiáng)度指標(biāo)滑面①較滑面②稍低，以滑面①的強(qiáng)度指標(biāo)為主并結(jié)合類似工程經(jīng)驗(yàn)綜合考慮，本工點(diǎn)取值c＝5 kPa、φ＝15°。

對(duì)抗滑樁前邊坡采用減載處理，考慮雨水繼續(xù)下滲，滑動(dòng)面可能存在向下發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)滑面③及滑面④在最不利情況下進(jìn)行穩(wěn)定性分析，見圖4。

圖4 加固整治方案的滑面③、④檢算斷面

原設(shè)計(jì)擋墻墻背庫倫主動(dòng)土壓力Ea＝171 kN，水平分力Ex＝170 kN，豎向分力Ey＝18 kN。采用Janbu、Morgenstern-Price兩種計(jì)算方法，計(jì)算塌滑體減載后最不利情況下沿滑面③、滑面④的路塹邊坡整體穩(wěn)定性:

滑面③:經(jīng)計(jì)算剩余下滑力F2＝275 kN，大于前述計(jì)算的擋墻背庫侖土壓力Ea＝171 kN及其水平分力Ex＝170 kN，故擋墻背土壓力以滑面③的剩余下滑力控制。

滑面④:若不考慮抗滑樁的抗滑作用，路塹邊坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)K＝1.70>1.25(見圖5)，剩余下滑力F3＝31.48 kN，小于前述計(jì)算的擋墻背庫侖土壓力Ea＝171 kN及其水平分力Ex＝170 kN；若考慮抗滑樁的抗滑作用，則K＝2.49，遠(yuǎn)小于1.25(見圖6)，剩余下滑力F3＝0 kN。

圖5 滑面④未設(shè)置抗滑樁時(shí)整體穩(wěn)定性

圖6 滑面④設(shè)置抗滑樁后整體穩(wěn)定性

計(jì)算可知，路塹邊坡塌滑體減載后沿滑面④在最不利情況下整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，沿滑面①最不利情況下主要控制路塹邊坡整體與擋墻的穩(wěn)定性。

4.2 擋墻穩(wěn)定性分析

在墻背剩余下滑力F1＝275 kN的情況下，驗(yàn)算原設(shè)計(jì)擋墻的抗滑動(dòng)、抗傾覆能力(見圖7)。

圖7 加固前擋墻受力分析

(1)抗滑穩(wěn)定性計(jì)算

擋墻抗滑動(dòng)安全系數(shù):

經(jīng)驗(yàn)算:滑移力T＝207.96 kN，抗滑力R＝120.77 kN，Kc＝0.58<1.30，故擋墻的抗滑穩(wěn)定性不滿足要求。

(2)抗傾覆穩(wěn)定性計(jì)算

擋墻抗傾覆安全系數(shù):

經(jīng)驗(yàn)算:擋墻的傾覆力矩M0＝731.58 kN·m，抗傾覆力矩My＝767.41 kN·m，則K′0＝1.05 遠(yuǎn)小于 1.6，故擋墻抗傾覆穩(wěn)定性不滿足要求。

因此，受滑面③最不利情況下原設(shè)計(jì)擋墻自身難以抵抗其下滑力，邊坡穩(wěn)定性及擋墻穩(wěn)定性嚴(yán)重不足。為保證路基工程的長期穩(wěn)定與運(yùn)營安全，故尚須采取綜合補(bǔ)強(qiáng)加固整治措施。

4.3 擋墻補(bǔ)強(qiáng)加固計(jì)算

鑒于原設(shè)計(jì)邊坡穩(wěn)定性及擋墻在滑面③最不利情況下的穩(wěn)定性存在不足，需對(duì)擋墻進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。由于錨桿工程具有易施工、造價(jià)低、工作面小的特征，被廣泛應(yīng)用于鐵路[10]、公路[11－12]等工程中擋墻的加固，因此本工程擬增設(shè)錨桿提供抗力，來補(bǔ)充擋墻的欠穩(wěn)定力，與擋墻共同作用抵抗剩余下滑力，滿足規(guī)范要求的擋墻抗滑、抗傾覆穩(wěn)定的最小安全系數(shù)Kc不小于1.3、K0不小于1.6。

(1)抗滑穩(wěn)定性計(jì)算

為滿足擋墻抗滑動(dòng)安全系數(shù)K′c≥1.3，計(jì)算補(bǔ)強(qiáng)錨桿加固提供的總抗力N(見圖8)。

圖8 加固后擋墻受力分析

得:N≥105 kN。

(2)抗傾覆穩(wěn)定性計(jì)算

為滿足加固后擋墻的抗傾覆安全系數(shù)K0≥1.6，假定補(bǔ)強(qiáng)錨桿加固需提供的總抗傾覆力矩為M1，則錨桿對(duì)擋墻加固后抗傾覆安全系數(shù)，經(jīng)計(jì)算得出需錨桿提供的抗傾覆力矩M1≥401 kN·m。

(3)補(bǔ)強(qiáng)錨桿設(shè)計(jì)與計(jì)算

假定擋墻上增設(shè)二排錨桿，上排錨桿距墻頂1.5 m，下排錨桿距墻頂5.0 m，每排縱向間距為2 m，錨桿傾角β＝20°，錨桿與滑動(dòng)面相交處的滑動(dòng)面傾角α＝5°，滑面內(nèi)摩擦角φ＝15°。

①滿足擋墻抗滑動(dòng)穩(wěn)定性要求時(shí)，按補(bǔ)強(qiáng)錨桿加固需提供總抗力N≥105 kN，則需每孔錨桿加固提供抗力Nt1＝N×2/2＝105 kN。

②滿足擋墻的抗傾覆穩(wěn)定性要求時(shí)，按錨桿加固需提供的總抗傾覆力矩M1≥401 kN·m以及錨桿布置形式，則需每孔錨桿加固提供抗力的水平分力Nt2＝2M1/[cosβ×(Z1x＋Z2x)＋sinβ×(Z1y＋Z2y)]＝80 kN。

③補(bǔ)強(qiáng)錨桿計(jì)算

綜上分析，比較Nt1、Nt2大小，取兩者最大值即Nt＝105 kN。

錨孔孔徑D＝130 mm，錨桿直徑d＝28 mm，則每錨孔內(nèi)錨桿的設(shè)置根數(shù)n＝2。

錨固長度計(jì)算:通過對(duì)比錨孔壁與錨固體間抗剪強(qiáng)度、錨桿鋼筋與錨固體間粘結(jié)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果，錨桿錨固段長度采用8 m。

根據(jù)以上分析結(jié)果，對(duì)既有擋墻墻面增設(shè)框架梁錨桿加固，同時(shí)增設(shè)排水孔，并于邊坡平臺(tái)設(shè)置支撐滲溝以促進(jìn)排水。目前加固工程已完成施工，邊坡鼓脹及擋墻開裂處未發(fā)生新的變形。

5 結(jié)束語

水是影響路基邊坡穩(wěn)定的重要因素之一，尤其挖方較大的深路塹，而山區(qū)鐵路受地形地貌控制，深挖方邊坡較多，稍有不慎，極易造成邊坡溜塌或工程滑坡。本文結(jié)合工程實(shí)例，通過理論計(jì)算、數(shù)值模擬對(duì)因土方開挖改變?cè)叵滤暗乇硭膹搅鞣绞胶笫Х€(wěn)邊坡進(jìn)行了深入的研究，得到以下結(jié)論:

(1)邊坡開挖前，應(yīng)采取臨時(shí)截排水措施且邊坡開挖后防護(hù)應(yīng)及時(shí)跟進(jìn)，務(wù)必做到邊開挖邊防護(hù)，避免開挖坡面長時(shí)間裸露，減少地表水下滲。

(2)路塹邊坡存在飽水層或局部有地下水外滲時(shí)，施工方應(yīng)高度重視，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)施工，支撐滲溝、仰斜排水孔等引排水設(shè)施應(yīng)及時(shí)施作。

(3)邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算過程中，應(yīng)采用多種方法進(jìn)行核驗(yàn)，并對(duì)驗(yàn)算結(jié)果進(jìn)行逐層分析，為工程設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的計(jì)算依據(jù)。

(4)對(duì)已實(shí)施的處于欠穩(wěn)固狀態(tài)的擋墻，在墻面增設(shè)框架梁錨桿進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固，可以提高其抗傾覆、抗滑移能力，阻止墻身變形開裂，加固方式簡(jiǎn)便、有效，可極大減少對(duì)既有邊坡工程的再次擾動(dòng)破壞。