张集铁路西土城车站路堑边坡变形原因分析

张集铁路西土城车站路堑边坡变形原因分析　　(呼和浩特铁路局张集铁路建设指挥部，内蒙古呼和浩特010050) 　　摘要：文章叙述了边坡的地形特点、岩体的地层组成和水文地质条件；分析了边坡变形形态和特征；提出了造成该处边坡变形的原因，即：岩体结构、边坡高陡、卸荷回弹、岩体内结构面的存在、水的作用和岩土的膨胀性。 　　关键词：路堑边坡；变形；玄武岩岩体；张集铁路 　　中图分类号：U213.1＋8(226)文献标识码：A文章编号：1007—6921(XX)11—0124—02 　　张集铁路为新建铁路，途径XX山间盆地、中低山区、内蒙古高原。本文要讨论的变形边坡位于内蒙古高原之低中山区一缓坡上，西土城车站的西端，分布里程DK123+830~DK124+400，设计为一深挖路堑，最大挖深32m。 　　工点处I线路堑于XX年7月开始施工，施工过程中线路DK123+890~DK123+950左侧和DK124+190~DK124+300右侧堑坡出现了大面积坍塌，其中DK124+190~DK124+300段的坍塌物几乎掩盖了整个堑底，随后在其堑顶及其后缘山坡出现了大小不同的三道裂缝，其中堑顶附近有两条大的弧状裂缝，最大错距达3m；后缘山坡裂缝到线路最大距离接近100m；DK124+104~DK124+170右侧也出现了羽状排列的弧状开裂，两者呈相向延伸之势。为防止边坡变形加剧，施工单位对DK124+185~DK124+310右侧堑坡按1∶1重新进行了刷坡，刷掉了靠近堑顶两条大的裂缝，同时进行监测。XX年初，发现堑顶裂缝宽度有明显加大之势，最宽达10cm；同时山梁上又出现了约25m长的裂缝，裂缝最宽达8cm；而且重新刷方后DK124+285~+325段又出现了新的坍塌。线路的左侧堑顶断续出现了规模不等的开裂，其中DK123+890~DK123+950左侧坍塌处堑顶出现三条裂缝，裂缝最宽为5cm。当时小里程端已基本上开挖到路肩设计高程，从DK124+000附近至大里程距离设计标高还有约2m。 1自然背景条件 1.1地形地貌 　　该段路堑所处地貌属内蒙古高原中的低中山区，自然坡度较缓。DK124+190处为山梁，地势最高，由此向东西两侧山坡逐渐变缓，地表多基岩裸露。工点就位于山坡的中下部。 1.2地层分布 　　本段岩性主要为第三系中新统玄武岩、黏土、泥岩夹砂岩，它们相互夹杂包含，分布十分凌乱，泥岩夹砂岩顶面变化很大，呈波状起伏。各地层及岩性特征分述如下： 　　1.2.1玄武岩：主要分布于地层的上部，多出露于地表，覆盖于第三系中新统砂岩、泥岩和黏土的上部。柱状节理发育，节理面上常见附着白色泥状物。全风化－强风化，岩体呈土状、砂状和碎块状。风化裂隙十分发育，裂隙中往往充填白色粉沫和泥状物，部分地段夹泥岩、黏土层。DK123+890~DK124+114和DK124+180~DK124+325段包含大量棕红色第三系黏土。 　　1.2.2黏土：主要分布于DK123+890~DK124+114和DK124+180~DK124+325段的玄武岩中，多以充填形式分布，土质不均匀，其中含大量的小砾石，湿时黏手，干时坚硬多小裂纹，可见摩檫面，面上常见摩檫痕迹，呈深灰色短条状。具强膨胀性。 　　1.2.3砂岩：多呈条带或透镜体分布于泥岩中，成岩作用差，矿物成份以石英、长石为主，其产状为走向290~315°，倾向西南方向，倾角15~35°。 　　1.2.4泥岩：成岩作用较差，矿物成份以黏土矿物为主，具强膨胀性。产状为走向290~315°，倾向西南方向，倾角15~35°。常见玄武岩夹杂其中。 1.3水文地质特征 　　施工开挖过程中，揭露了玄武岩下部的砂岩含水层，致使地下水溢出。钻孔揭示地下水主要赋存于上第三系中新统砂岩、泥岩、玄武岩裂隙中，大气降水的入渗为其主要补给方式，水量及水位随季节变[CM(22]化较大。开挖后路堑底部地下水稳定水位埋深[CM)]1.0m。地下水类型为基岩裂隙水，水位季节变幅1～3m。砂岩渗透系数：K＝2.5m/d。 2边坡开裂变形特征 2.1开裂变形形态及规模 　　根据XX年11月份和XX年3、4月份现场调查，后缘裂缝距离线路中心线最大距离约100m，裂缝宽度最大由3cm变为10cm，延伸长度变化不大，大约100m，垂直位移不太明显，但靠近边坡坡顶的地裂缝最大垂直位移0.50m；裂缝羽状排列，平面上呈弧状，有相向连接之势。DK124+080~DK124+290段的堑顶裂缝已经断续延伸到山梁上，最宽达8cm。堑底已经鼓起。 　　根据现场调查、路堑断面及勘探资料，边坡开裂变形主要发生于上部的风化玄武岩中，而玄武岩的分布沿纵断面方向变化很大，可以看出，底部的砂岩和泥岩均位于路堑的底部，其顶面起伏较大，但在坡脚和堑底微倾向坡外。开裂多沿玄武岩中的柱状节理、风化裂隙和黏土、泥岩和砂岩面进行，地下水位线也与砂岩和泥岩面一致。 3开裂变形原因分析 3.1边坡岩体结构 　　该边坡岩体多由强风化的玄武岩组成，风化裂隙、原生节理和结构面十分发育，由于长期风化的结果，节理裂隙间多充填泥质物质和白色粉状物质，厚度从几毫米到二十厘米不等，节理裂隙纵横交错，延伸较长、规模较大的多高角度分布，按孙广忠教授［1］对结构面分级，改岩体中的结构面属III-IV级，岩体结构为II级，因该玄武岩岩体为上第三系时期喷发的，当时地表已沉积了较厚的上第三系的黏土，所以岩体中就裹杂了许多黏土，大里程方向边坡基本是玄武岩与黏土混杂，玄武岩块呈块状，其余被节理裂隙切割成块状。所以岩体结构细分为块状碎裂结构。该类型岩体因已经破碎，且中间存在软弱裂隙和黏土，所以边坡在较陡的情况下就容易失稳。 3.2边坡高陡 　　原设计边坡坡率为1∶0.75，还没有挖到设计标高时，包含黏土较多的段落就开始坍塌，说明在此设计坡率下即使边坡不高也不能保证自身的稳定。后调整坡率至1∶1，但后缘又出现了弧状开裂，说明在此坡率下，仍不能保证边坡岩体的整体稳定性。 3.3边坡岩体的卸荷回弹 　　该处原山坡坡度舒缓，没有发生过滑动、坍塌等不良地质现象，说明原山坡应该是处于稳定状态。铁路的施工开槽破挖，破坏了原有的应力平衡，为达到新的应力平衡，边坡应力必然要作应力调整，在新的应力调整过程中，会产生拉应力区，从而出现开裂。同时由于边坡开挖，坡面约束已经消失，初始应力得到释放，这时产生卸荷回弹，与原应力条件相比，结构条件发生了较大的变化，岩体的变形量也较高。张永兴等［2］认为，岩体边坡开挖卸荷工程中，由于侧应力的释放，其变形具有动态变形的特征。他们通过试验研究后认为边坡开挖的实质使边坡岩体质量指标的不断减小、岩体变形模量的降低、岩体强度的丧失等，其显现的形式是边坡周边产生拉裂缝、周边位移的不断加大、边坡失稳等。 3.4岩体内结构面的存在 　　可以看出，岩体内不仅存在充填白色粉末物的结构面，还存在次生的小结构面，它们相互切割把玄武岩岩体切割成碎块状。这些结构面和裂隙的存在一是为大气降水的下渗提供了较好的通道，二是成了岩体变形的薄弱环节，很容易形成贯通的滑面。根据边坡岩体的组成，它的破坏机制应是滑移-拉裂-剪断模式，即前缘下部沿泥岩、砂岩层理面滑移；上部后缘沿固有的结构面和裂隙拉裂；中部沿结构面和裂隙或黏土剪断，显然目前滑移已经形成，拉裂也已经出现，一旦中部锁固段被剪断，大的滑动就不可避免。因锁固段为既有的结构面和裂隙及黏土，它的抗剪强度并不高，所以不及时采取措施，就会形成整体滑移，破坏工程安全。 3.5水的作用 　　该处地下水主要为第三系地层中的裂隙水，含水较为丰富，水位正位于其与玄武岩接触面上，而且水位高于设计路肩高程。水的存在不仅使接触面抗剪强度降低，而且也软化了其它结构面的强度，使边坡更容易失稳。此外，大气降水的入渗不但增加了岩体本身的容重，还使中间锁固段的结构面润滑和黏土软化，加速边坡的失稳。 3.6膨胀岩土的存在 　　据试验结果，第三系的泥岩、砂岩和黏土均具有强膨胀性，其中的泥岩砂岩位于坡底，且位于水位以下，开挖后使其一侧失去约束，受膨胀力的作用，泥岩和砂岩就会向坡面方向运移，必然带动上部岩体也向坡面运移，造成上部岩体坍塌。黏土受下渗雨水作用下，也发生膨胀，产生膨胀力，使抗滑力减小，下滑力增大，边坡失稳的概率大大加大。 　　根据以上分析，选取DK124+275断面进行检算，岩层倾角取20°，滑动面为玄武岩与泥岩的分界处，后缘为距离中心线约36m的裂缝位置，不考虑水的浮力及压力，取安全系数K为0.98，通过反算滑动的综合C＝13kPa，φ＝16.2°。 4结论 　　通过以上分析，该处边坡岩体变形的主要原因有：①组成边坡的玄武岩体不仅破碎，还含有大量的黏土，它们是边坡岩体变形的基本条件。②边坡高陡为岩体应力调整提供了条件。③边坡开挖使初始应力发生变化，产生卸荷回弹，出现拉应力区。④岩体中各种各样的结构面、裂隙和黏土为滑动面的形成提供了有利的通道。⑤地下水和雨水的作用加速了边坡的变形和破坏。因此有必要采取抗滑措施防止边坡继续变形。 ［参考文献］ 　　［1］孙广忠.岩体结构力学［M］.XX：科学出版社,1988. 　　［2］张永兴，哈秋舲.三峡工程永久船闸高边坡岩石力学特性研究［J］.XX建筑大学学报,1996,18：64～70.