赣韶铁路软质岩路堑边坡稳定性工程地质研究和防治

赣韶铁路软质岩路堑边坡稳定性工程地质研究和防治　　摘要：软质岩路堑边坡工程是赣韶铁路勘察设计的重点和难点，本文分析了影响岩石边坡稳定性的主要因素和岩石边坡应力状态特征，结合赣韶铁路软质岩特征及软质岩路堑边坡变形特点，并在介绍边坡稳定分析的定性及定量评价方法的基础上，总结了软质岩路堑边坡以“适当放缓坡率、宽平台、加固坡脚、适当的坡面加固防护、加强排水相结合”的防治原则，并提出信息化施工、补充勘察、动态设计的原则，对赣韶铁路软质岩路堑边坡提出了有效的动态综合防治措施。关键词：软质岩边坡稳定工程地质分析防治中图分类号：U213.1+3文献标识码：A1引言赣韶铁路位于赣南和粤北两地区，地形、地貌和地质条件十分复杂。受地形、地质条件的限制和线路技术标准的控制，路基工程占线路长度为71%，路堑挖方约占路基工程的1/2，其中高度超过10m的软质岩路堑约占路堑挖方的70%，可见软质岩路堑边坡工程占全线的比重高，是本线勘察设计的重点和难点。15 本文将结合岩体边坡的工程地质特征和赣韶铁路软质岩的特征及路堑边坡变形破坏特点，进行边坡稳定性工程地质分析，总结软质岩路堑边坡的防治原则，为类似工程的勘察设计及有效治理软质岩边坡坍滑和失稳积累经验，供技术人员探讨。2影响岩体边坡稳定性的主要因素影响岩石边坡稳定性的因素主要有内在因素和外部因素两方面。内在因素主要包括地质条件、水文条件和地貌特征，外在因素主要包括新构造运动、气候因素、风化作用和人类的工程活动[1]。影响岩石边坡稳定性的因素往往不会单独起作用，而是相互结合共同作用。3边坡岩体应力分布特征3.1边坡岩体中应力状态的一般特征图1、图2是用有限元法解出的边坡岩体主应力（重力场条件）及最大剪应力与主应力迹线图[2]。图1主应力迹线图图2最大剪应力与主应力迹线图15 由图看出：岩石边坡开挖后，坡体内一定范围内各点发生应力重分布，愈靠近边坡临空面，最大主应力愈平行于临空面，而最小主应力则愈垂直于临空面；在坡脚处，最大主应力显著提高，而最小主应力显著降低；因而形成一剪应力增高带，故易产生剪切破坏；最大剪应力迹线为凹向坡面的弧线。因此，坡脚应设置提高抗剪强度为主的工程措施较为合理。3.2坡率、坡高及坡底宽度对边坡应力分布的影响3.2.1不同设计坡率下应力的变化特征设边坡高度H=10m，设计坡率分别为1：2.0,1：1.5,1：1.0,1：0.75。计算结果显示：a)1:2.0坡率b)1:1.5坡率c)1:1.0坡率d)1:0.75坡率图3不同开挖坡率最大剪应力(×10KN)等值线变化上图显示，随着坡度的增加，坡脚处及坡面附近一定深度内的剪应力呈逐渐变大的趋势，尤其是坡脚处的应力变化较快。因此适当的放缓坡率有利于边坡的稳定。3.2.2不同设计高度下应力的变化特征设边坡开挖坡率为1:1.0，设计高度分别为6m,10m,15m，20m。计算结果显示：a)6m高边坡b)10m高边坡c)15m高边坡d)20m高边坡图4不同设计高度最大剪应力(×5KN)等值线变化上图显示，随着边坡高度的增加，等值线的形状基本不变，但剪应力量值加大。因此降低边坡高度有利于边坡的稳定。3.2.3坡底宽度对坡脚岩体应力分布的影响15 研究表明，当坡底宽度小于0.6倍坡高时，坡脚处最大剪应力随坡底宽度减小而急剧增高；当坡底宽度大于0.8倍坡高时，则最大剪应力保持常值[2]。上述分析是建立在介质为连续、均质、各向同性的假设的基础上的，当岩体中明显存在岩性不均或具有明显不利结构面时，其应力分布会有所差异，甚至有较大变化。4边坡开挖的影响范围[3]设边坡未开挖前，内部存在应力场σij,开挖作用将使开挖影响区范围内的原始应力场发生调整达到新的平衡。图5中AB线上某一点C的应力将等于原始应力，该点以后即CB射线上各点的应力都是不受开挖影响的原始应力。不同水平线上的C点的连接线OCD就是开挖影响与未影响岩体的分界线，它与坡面围成的区域就是开挖影响范围。在开挖影响范围内坡体应力发生了很大变化，同时各点也发生相应的位移，越靠近坡面的点，其位移越大。一般水平方向的位移对分析坡体稳定性很重要,图6中水平线AB上各点的水平位移U从A点开始向坡体内逐渐减小，在A＇点时已很小，以后基本不变化，因此A＇点是坡体开挖在AB方向上造成影响的分界点，得出I15 A＇C＇E＇G＇为坡体内开挖影响与不影响范围的分界线。图6中A＇点的位移几乎为零，如果A〃点的位移达到使质点间发生松弛的效果，则A〃点就是AB水平线上的松弛点，得出I＇A〃C〃E〃G〃为坡体内松弛与不松弛范围的分界线，坡体开挖后将沿此分界线发生滑移破坏。图5开挖坡体应力变化图6坡体开挖后位移与应力曲线为了减少开挖松弛区，必须选用合理的坡高、坡率，同时采取合理的施工方法。5赣韶铁路软质岩特征及软质岩路堑边坡变形破坏特点5.1软质岩特征赣韶铁路沿线分布的软质岩主要有：泥盆系中、上统（D2、D3）泥灰岩、泥砾岩、泥岩；石炭系下统（C1）泥灰岩、泥质砂岩、泥岩；白垩系上统（K2）泥砾岩、泥质砂岩、泥岩；下第三系（E）泥砾岩、泥质粉砂岩、泥岩等。赣韶线软质岩边坡主要由第四系松散层、破碎岩体和软弱岩体组成，其特征主要为：岩石强度低，承载力低；岩体胶结性能差，节理、裂隙发育，孔隙率大，结构破碎松散；岩体亲水性强，浸水后很易崩解、泥化；开挖暴露后易风化，受施工的扰动作用显著，施工过程中易产生变形破坏。另外，软质岩常含易膨胀粘土矿物，使其岩体具有遇水膨胀、失水开裂的特性，膨胀性软岩在本线未涉及。5.2软质岩边坡变形破坏特点软质岩的工程地质性质决定了它在路堑边坡工程中的变形破坏特征，赣韶铁路软质岩边坡失稳以圆弧滑动、折线滑动及顺层平面滑动最为常见。15 5.2.1圆弧滑动软质岩由于具有易风化的特征，一般具有较厚的全～强风化层及岩体破碎松散的特征，从而形成岩体内部较为均质的土质边坡或类土质边坡，其坡体变形破裂面一般呈圆弧或似圆弧的形状。圆弧滑动一般具有边坡上部开裂和下部鼓胀的变形形态、变形随时间逐渐发展增强的特性[4]。边坡变形与降雨关系密切，以牵引破坏为主。开挖初期的变形不明显，在未及时采取防护与加固措施的条件下，随时间的推移会先产生沿开挖面的小型坍塌，后逐渐牵引向上扩展，发育成多级开裂、坍塌，甚至引发中、大型滑坡。5.2.2折线滑动当坡体内部存在两组或两组以上倾向线路的不利结构面时，其坡体的变形和破坏往往受其结构面组合形态与规律控制，形成陡倾结构面与缓倾结构面组合而成的折线滑面；又如岩层间有软弱夹层，或相对松散的坡体位于倾斜相对较硬岩层面上，滑动面形状受到夹层或硬层影响而呈现非圆弧形状。折线滑动的规模、滑动方向受制于不利结构面的组合形态、空间位置及其物理力学特征等因素。5.2.3顺层平面滑动15 顺层平面滑动是一部分岩体在重力作用下沿着某一软弱面的滑动。当岩层存在倾向路基一侧的不利结构面时，路基开挖产生的切层临空面，即为顺层路堑边坡。顺层平面滑动的规模、滑动方向受制于岩层产状和堑坡切层高度等因素，一般规模较大，突发性强，破坏速率快[4]。坡脚切层形成的临空面未能及时加固是造成边坡坍塌的重要原因，而表水入渗软化岩层或层间软弱夹层，对顺层边坡的稳定性也有很大影响。　　因边坡物质组成和坡体结构的特殊性和复杂性，有些边坡破坏的方式是上述几种常见破坏类型的组合，也有其他破坏方式，如楔形滑动、倾倒滑动、台阶错落滑动等[5]。6边坡稳定分析6.1定性分析方法[6]6.1.1地质分析法(历史成因分析法)根据边坡的地形地貌、地质条件和边坡变形破坏的基本规律，追溯边坡演变的全过程，预测边坡稳定性发展的总趋势及其破坏方式，从而对边坡的稳定性做出评价，对已发生过滑坡的边坡，则判断其能否复活或转化。6.1.2工程地质类比法15 其实质是把已有的自然边坡或人工边坡的设计研究经验应用到条件相似的工程中。这种方法需要对已有边坡进行详细的调查研究，全面分析工程地质因素的相似性和差异性，还应考虑工程的类别、等级及其对边坡的特定要求等。它虽然是一种经验方法，但在边坡设计中，特别是在中小型工程的设计中是很通用的方法。6.2定量评价方法6.2.1计算方法边坡稳定的计算方法较多，大致可分为以摩尔-库仑抗剪强度理论为基础划分土条受力分析的极限平衡法和以弹塑性理论为基础的数值计算法。极限平衡法通过安全系数定量评价边坡的稳定性，被工程界广泛应用。目前国内外常用的极限平衡法主要有瑞典条分法、Bishop法、Janbu法、Morgenstern-Price法，Spencer法、Sarma法和不平衡推力法等[7]。6.2.2几何边界条件分析[2]几何边界条件是指构成可能滑动岩土体的各种边界面及其组合关系，包括滑动面、切割面和临空面。几何边界条件分析的内容是查清岩土体中的各类结构面及其组合关系，确定出可能的滑移面、切割面；目的是确定边坡中可能滑动岩土体的位置、规模及形态，判断边坡岩体的破坏类型及主滑方向。6.2.3特殊荷载的考虑作用于路堑边坡岩土体的特殊荷载主要有孔隙水压力、附加荷载（坡顶建筑物、坡顶材料堆放及道路等）、地震作用、爆破作用、筋带力（锚杆、锚索）等。如有上述荷载作用，边坡稳定计算时应予以考虑。15 6.2.4计算指标选取主要有以下计算指标：室内试验指标，现场试验指标，相关经验指标和反算指标。选择与确定力学性质指标的一般原则为：以反算指标为主，考虑室内试验指标一般偏低，而现场试验指标一般偏高的特点，反算指标介于室内试验指标和现场试验指标之间较为可靠；经验指标一般可以对计算指标进行分析与判断，特别是，当发现反算指标与相关试验指标相冲突时，作为辅助手段，综合分析和判断确定计算指标。7综合整治措施7.1整治原则针对赣韶铁路软质岩的工程特性，统筹考虑路堑边坡的处理措施，总体遵循“适当放缓坡率、宽平台、加固坡脚、适当的坡面加固防护、加强排水相结合”的原则，详见图7。图7软质岩路堑边坡加固防护典型设计断面7.1.1适当放缓坡率、宽平台路堑边坡坡形一般设置为台阶式，每级边坡高度宜为6～8m；路堑边坡坡率根据岩土的性质、边坡高度、施工方法等条件，并结合自然稳定山坡和边坡防护措施综合确定；边坡平台宽一般2～3m，对于高边坡，常在坡体中部设置4～615 m宽的中间平台，使上下级边坡某种程度上分离。由岩石边坡应力状态分析来看，路堑边坡适当放缓坡率，分级设置宽平台，可减少边坡自重，减小坡脚应力和下滑力，优化坡体受力状态，预防边坡坍滑。7.1.2加固坡脚由岩石边坡应力状态分析来看，边坡开挖后，在路堑坡脚处为剪应力增高带，易产生剪切破坏，为弥补岩体强度的不足，可在坡脚设置支挡工程。坡脚支挡工程以锚固桩、重力式挡墙等结构为主，支挡工程的高度不宜过大，并且基础需适当加深，理应超过或至少应达到气候剧烈影响层的深度。7.1.3适当的坡面加固防护坡面加固防护工程应针对边坡不同的变形破坏形式或因素而采取不同类型的措施。主要有：坡面变形类，浅表层变形类，块体变形类，深部变形类。坡面变形类以植草灌护坡、空心砖客土植草、植草窗护坡、骨架护坡、坡面喷混植生等防护措施较为常用；浅表层变形类及块体变形类以锚杆框架的加固防护措施为主；深部变形类以预应力锚索框架的加固防护措施为主。7.1.4加强排水合理的地表和地下排水系统对软质岩边坡的稳定起着至关重要的作用。对地表水引排，一般采用侧沟、天沟、堑坡平台截水沟等组成综合地表排水系统截排地表水。对于坡体地下水引排，常用边坡支撑渗沟、仰斜排水孔、坡脚设置盲沟等措施并结合结构物的泄水孔处理。15 几个路堑边坡加固防护及整治工程见表1。表1几个路堑边坡加固防护及整治工程地质概述照片变形破坏特点及原因分析加固防护及整治措施横断面图式DK7+005～+138左侧，最大边坡高35m。板岩：全风化层厚12～25m，强风化层厚8～20m。地下水主要为基岩裂隙水，水量较小。边坡开挖及加固防护过程中未出现变形破坏，加固防护效果良好。坡脚设置桩板墙，桩顶部位设置预应力锚索，二、三级边坡框架锚杆护坡，四级边坡骨架护坡。DK11+540～+950右侧，最大边坡高30m。砾岩：强风化～弱风化，泥质胶结，成岩作用差，节理发育。地下水主要为基岩裂隙水，水量较小。二级边坡开挖后局部滑塌，岩层节理发育，部分节理面贯通，形成倾向路基一侧的不利结构面，产生平面滑动。坡脚设置挡墙，墙顶平台加宽至8m，墙顶以上边坡放缓，坡面采取孔窗护坡防护。DK135+310～+365左侧，最大边坡高15m。砾岩：全风化层厚10～15m，呈碎块状；以下强风化层，岩体呈块状和碎块状。地下水主要为第四系孔隙潜水，水量较小。相对松散的全风化层，位于倾斜相对较硬强风化岩层面上，产生滑动，滑面形状受到硬层影响而呈现似折线状。15 坡脚增设矮挡墙，清除滑塌体，边坡放缓，坡面采取骨架护坡防护。DK155+180～+440左侧，最大边坡高30m。砾岩：全风化，岩体风化呈土夹碎块状。地下水主要为第四系孔隙潜水，水量较小。边坡开挖及加固防护过程中未出现变形破坏，加固防护效果良好。坡脚设置矮挡墙，二级边坡框架锚杆护坡，三级边坡骨架护坡。DK178+030～+195左侧，最大边坡高32m。砂岩：棕红色，全～强风化。地下水主要为基岩裂隙水，水量较小。墙趾位置探坑揭示基底局部被水浸泡。墙顶倾斜，二级边坡局部裂缝。降雨冲刷未施工墙顶裸露岩土，并沿墙后下渗，墙趾被水浸泡，局部软化，导致挡墙局部变形。挡墙高度降低至6m，墙趾注浆加固，墙身设置两排预应力锚索，墙顶以上边坡放缓，采取骨架护坡，骨架节点设锚杆。DK178+195～+245左侧，最大边坡高16m。砂岩：棕红色，全风化。地下水主要为基岩裂隙水，水量较小。在拆除原设计变形挡墙后，二级边坡坡面发现滑塌裂缝，裂缝长约50m，宽5～20cm。已施工完坡脚挡墙产生滑移破坏，墙后土体拉裂，雨水下灌，由于孔隙水压力等作用，裂缝向深处发展，形成未贯通的似圆弧滑面。裂缝注浆充填，坡脚设桩板墙，桩顶较原挡墙高出2m，桩后回填土反压，二级边坡框架锚杆护坡，三级边坡骨架护坡。15 7.2动态设计思路由于岩土介质的各向异性，特别是岩体具有规则或不规则的节理、裂隙、层理、结构面等，使得路堑边坡的破坏模式复杂多变，常常不能简单地套用经典模式。此外，路堑边坡工程地质勘察工作在有限的时间内通过有限的工作量，很难作到非常详实、可靠和全面，使得设计工作也很难保证与现场情况完全符合，处理力度可能过重，也可能不足。工程建设过程中，可进行动态设计与信息化施工[7]，通过详细记录施工中的所揭露的地层情况、变形破坏痕迹等信息及时地调整或修改设计。对于重要的高边坡工点，施工完成后也应该进行变形监测，并且作出长期稳定性评价。7.3施工中的注意事项在路堑边坡工程施工中，应注意做好以下方面：在边坡开挖前应做好场地截排水施工；边坡应自上而下分级开挖，严禁掏底开挖，岩质边坡开挖严禁采用大爆破施工；边坡防护应遵循随边坡开挖逐级支护、及时支护的原则；挡墙施工应做到跳槽施工、及时浇筑的原则；锚固桩遵从坡脚预加固的原则,即先加固后开挖；锚孔钻进时应采用干钻；坡开挖过程中应对边坡变形情况进行有效监测；当地形、地质情况与设计有出入时应及时与设计方联系。8结语15 工程实践表明，针对本线软质岩路堑边坡的工程地质特征及变形破坏特点，而采取的综合整治处理措施效果良好。另外，在建设阶段要遵循信息化施工、补充勘察、动态设计的原则，进行边坡的动态综合治理，对重点边坡进行长期监测，以确保边坡长期稳定安全。参考文献：[1]杨伟等.某高速公路软质岩高边坡稳定性及防治措施分析[J].公路交通技术，2011(1).[2]刘佑荣，唐辉明.岩体力学[M].北京：化学工业出版社，2008.[3]李海光等.新型支挡结构设计与工程实例[M].北京：人民交通出版社，2011.[4]詹学启.武广高速铁路路堑边坡变形破坏特点与处治措施[J].路基工程，2011(3).[5]张倬元等.工程地质分析原理.北京：地质出版社，1994.[6]李刚等.路堑高边坡稳定性分析方法和工程实践[J].岩土工程技术，2005(6).[7]王肇慧等.边坡稳定性计算方法的对比分析[J].重庆交通学院学报，2005(12).[8]中华人民共和国建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB50330-2002建筑边坡工程技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.15 作者简介冷长明(1981、8-)男，工程师，长安大学，专业：岩土工程，学位：学士，主要工作及研究方向：铁路路基勘察设计15