黄土路堑边坡处理

府谷煤炭专用线黄土路堑边坡处理摘要对铁路黄土路堑边坡地质灾害进行了调查、研究和分析，结合府谷煤炭专用线工程的具体情况采用了合理的工程处理措施。关键词：府谷煤炭专用线黄土路堑边坡处理湿陷性黄土是一种特殊性质的黄色粉质土，含有各种化学物质如铝、铁物质和一些无定型的盐类等，一般具有肉眼可见的大孔隙，故又称“大孔土”。该种土含有的盐类多集聚在较大颗粒的接触点起胶结和半胶结作用，在天然状态下，往往具有较高的强度和较低的压缩性，但遇水浸湿后，由于水对各种胶结物的软化作用，土的抗剪强度显著降低，在自重压力或自重压力和附加压力的作用下，土的结构迅速破坏而发生显著的附加下沉。府谷煤业铁路专用线位于陕西省榆林市府谷县境内。专用线起于朔准线古城乡境内的油坊坪站，线路出站后沿皇甫川左岸经蔺家圪卜横跨皇甫川进入麻镇境内，经哈镇、赵五家湾乡进入庙沟门镇境内，终点站为银子湾装车站，正线全长42.02km，本施工段落为DK39+053～DK42+020，含银子湾环线段。通过区广泛分布有第四系上更新统风积黄土，坚硬，垂直节理发育，局部少量姜石，多具有不同的湿陷等级，湿陷性系数在δs＝0.018～0.920，在大气降水、地表水及地下水等因素作用下，容易引起黄土湿陷，导致水土流失、山坡变形、地面塌陷、边坡失稳、建筑物不均匀沉降等问题产生。1黄土地层岩性府谷煤业铁路专用线沿线经过地区属黄土高原地貌，地势为西北高、东西低，由黄甫川、清水河、孤山川、石马川四条大川和相应的五道梁峁组成地貌骨架。地貌大致分为三类：（1）黄土梁峁区：梁峁区岩性均为黄土和红色粘土，垂直节理发育，局部少量姜石，结构疏松，透水性差，水土流失严重，黄土厚度5～10m。（2）临谷丘陵区：分布于黄河、黄甫川、清水河和孤山川两岸，由Ⅱ级阶地后缘至Ⅳ级阶地后缘及近河黄土严重剥蚀地段组成。海拔高程一般830～950m。部分地段因黄土剥蚀殆尽而基岩祼露，形成短小的石质斜梁；部分地段则有厚度较薄，分布零星的黄土。该区沟谷极为发育，切深50～100m，沟坡30°～60°，陡者近乎直立。（3）河流阶地：为侵蚀堆积地形，主要分布于黄河的北段两岸、黄甫川、清水川及孤山川两岸。一般Ⅰ、Ⅱ级阶地保存完整，Ⅲ、Ⅳ级阶地仅局部地段有残留。第四系上更新统风积砂质黄土、粘质黄土以Ⅱ 级非自重湿陷性场地为主，部分属Ⅲ～Ⅳ级自重湿陷性黄土场地，湿陷土层厚度5～15m。1．1湿陷性黄土的特征湿陷性黄土与其它黄土同属于粘性土(粘质黄土)或粉土(砂质黄土)，具有以下特征：①土的颜色在干燥时呈淡黄色，稍湿时呈黄色，湿润时呈褐黄色，塑性较弱，液限一般23%～33%，塑限为15%～20%，塑性指数多为8～13。②在天然状态下，具有肉眼可见的大孔隙，孔隙比大于0.8～1.1，含水较少，天然含水率一般10%～25%，常处于半固态或硬塑状态，饱和度一般为30%～70%。③颗粒组成以粉土颗粒为主，含量常占60％以上，富含碳酸钙盐类，含量大于0．3％。④抗水性弱，土样浸入水中后很快崩解，同时有气泡产生，膨胀量较小，但失水收缩较明显，遇水失陷明显透水性强，透水性强，由于大孔和垂直节理发育，故透水性比一般粘性土要强得多且具有明显的各向异性。⑤土在干燥状态下强度较高，尽管空隙率高，压缩性仍然属于中等，抗剪强度较高，土质垂直方向分布的小管道几乎能保持竖直的边坡，但在遇水后，土的结构迅速破坏并发生显著的附加下沉(称为湿陷)，产生严重湿陷，故称为湿陷性黄土。1．2气象沿线地处中温带半干旱大陆性季风气候，冷暖干温四季分明；冬夏长；春秋短；雨热同期；日照时间长；太阳辐射强；年差与日差气温变化较大；降水年际变化大；自然灾害是旱、涝、霜、雹。年平均气温9.1℃；最热的7月，月平均气温23.9℃；最冷的1月，月平均气温零下8.4℃；气温年较差32.3℃。全年县太阳辐射总量为144.94千卡/平方厘米；可供作物利用的光能约占总辐射量的一半。全县多年平均日照为2894.9h；日照率65％；农业活动主要季节的4至10月每月日照数都在230小时以上。初霜为10月5日；终霜为4月27日；无霜期177d。年平均降水量453.5mm；降水主要集中在7至9月，占年降水量的67％。按照对铁路工程影响气候分区为寒冷地区，最大冻土深度1.5m。1．3黄土的结构性结构性土需要具有一定的结构强度，它是土保持原始基本单元结构形式不被破坏的能力(即结构可稳性)，由土的原始结构强度和土粒间胶结固化联结强度组成。黄土在沉积过程中形成了大孔隙骨架结构，颗粒间接触点处经过长期的物理及化学作用而逐渐形成了胶结结构 。由土颗粒和集合体团粒组成的骨架和骨架间较多的孔隙构成原状黄土的特殊显微结构，使原状黄土一般都具有结构性和结构强度，即具有较高的抗压和抗剪能力。一旦胶结固化联结被破坏，如浸水、扰动等，就会发生承载力降低、湿陷和强度弱化等现象。结构性黄土不同于超压密土，它易受应力状态和浸水的影响，随着围压增大超过某一限度后结构性将被破坏，随着含水率增大，水膜增厚，胶结物溶解，结构性逐渐减弱，强度也随之降低。2工程建设诱发和加剧由黄土湿陷引发地质灾害的可能性如前所述，府谷煤炭铁路专用线铁路通过区广泛分布有第四系上更新统风积砂质黄土、粘质黄土，多具有不同的湿陷等级。本段线路从现状来看，地质灾害并不明显，但铁路建设时，大规模开挖必然破坏原有的地形地貌，形成人工开挖边坡，由于黄土的湿陷性，可能导致边坡剥落、小型溜坍等地质灾害发生。湿陷性黄土一般厚5～15m，部分厚度大于15m，普遍具有湿陷性(包括自重和非自重湿陷性)，湿陷等级一般为I～Ⅲ级，湿陷土层厚度3～10m。从现状来看，地表仅有少量小型陷穴、塌陷坑、落水洞等分布，边坡剥落、小型溜坍等地质灾害比较明显。工程建设实施过程中，将改变地表水的径流条件，在排水不畅的情况下，地表水汇聚下渗或沿黄土裂隙渗透，引发黄土湿陷，导致山坡变形、地面塌陷、边坡失稳、建筑物不均匀沉降等，危及施工及运营安全。2．1人类活动的影响人类的工程活动，必然引起周围地质环境条件的改变，不合理的工程活动，势必会对地质环境条件产生一定的破坏，将诱发和加剧地质灾害发生的可能性，这点已经越来越引起人们的关注。本段线路多处于黄土梁峁区，山高坡陡，沟谷曲折，地形较为复杂，人类活动对地质环境的影响主要表现为以下两个方面：①斜坡开荒随着人口数量的不断增长，现有生活空间和耕地面积已不能满足人类生产和生活的需要，人类开始向周围环境拓展生存空间。在开荒和建设过程中，滥樵、滥薪、随意削坡和弃土，造成了地表植被日趋减少，使斜坡结构发生变化，加速了水土流失，为地质灾害的诱发和加剧提供了条件。②工程建设沿线公路、新建铁路、新建公路、工业厂房、民用建筑物的修建，场地扩建等行为，已经导致或将改变原有的地质环境，有诱发和加剧地质灾害发生的可能性。2．2分析黄土路堑的地质灾害 (1)黄土冲沟及陷穴黄土边坡之所以常在雨季中产生病害，一方面是黄土对水特别敏感，土体的含水量稍增大，其抗剪强度就随之降低；另一方面是由于黄土的湿陷特性，碳酸盐胶结体遇水易溶蚀，黄土的结构遭到破坏，在自重或附加应力作用下下沉。在水量大的情况下，水起滤蚀作用，带走土粒，成为陷穴，其隐蔽性强，无方向性，难以发现和根治。黄土路堑地段各种类型的排水沟槽，是截水、汇水场所，必须铺砌，如不铺砌，一旦排水不畅，就会加剧下渗，造成急剧冲刷，形成黄土陷穴和冲沟，危害铁路安全。(2)黄土路堑溜坍、坍塌黄土路堑溜坍、坍塌是黄土路堑边坡的常见病害。主要是由于黄土地层中经常夹有粉细沙透镜体或黄土覆盖层较薄所致，勘测阶段难以发现。边坡开挖暴露后，极易受雨水浸润冲蚀，形成沟槽和边坡底部淘蚀成空洞，随着时间的推移扩大成为大病害。宝天段的地层，上部多覆盖有10～30m厚的黄土层，地下水虽不发育，但年降雨量大；进入雨季后，如遇连续降雨的恶劣气候，容易造成边坡表层土质饱和软化，引发边坡溜坍。此外，春融季节亦是溜坍的多发期。(3)黄土崩塌性滑坡黄土崩塌性滑坡的危害最大。在自然营力和长期雨水浸润的作用下，边坡变陡和边坡底部形成空洞，遇到不良气候，容易引发突发性滑坡；人工边坡过高、过陡，破坏了原有的山体平衡，未做好必要的防护，或是黄土地层下有不良的地质构造和岩层倾向，受外界条件的影响容易产生滑坡。3府谷煤炭专用线黄土路堑边坡处理在对我局施工的既有铁路及相关建筑黄土路堑边坡地质灾害调查、研究、分析的基础上，充分认识到黄土地质灾害的重要性，结合线路方案的选择，尽量绕避和减少高填深挖地段，对必须通过的地段要充分论证和作好加固防护措施。3．1完善排水系统由于工程的修建，势必截断或改变自然条件下形成的汇水、排水通道，如不疏通，会留下工程隐患。设计时结合具体的工程情况，黄土路堑全部设置侧沟，边坡底部设置2．0m宽的侧沟平台；边坡高度大于10m时分级，并于分级处设置3．0m宽的边坡平台，平台上设置截水沟；结合现场地形情况于边坡顶部设置天沟拦截地表水。各类水沟 采用挤浆法分层分段进行砌筑施工，砌缝应饱满，完全充满砂浆，不能有空洞存在，严格按规范及设计要求进行沉降缝及伸缩缝施工，勾缝要求采用平缝压槽工艺。水沟铺砌后将水引排入桥涵等过水设备。3．2黄土陷穴处理在黄土路堑边坡工程范围向左右侧50m(或50m以外但其方向朝向铁路)以内的黄土陷穴均进行处理。处理方法根据陷穴埋藏深浅及大小分别采用原土回填夯实(明陷穴)、明挖原土回填夯实(暗穴但埋藏浅)、支撑回填夯实(暗穴但埋藏深)、灌黄土泥浆(暗穴大而深、底部相贯通)等措施，地面以下一定范围采用灰土封闭。3．3黄土路堑坡面防护由于黄土长期处于干旱少雨的自然环境中，土体对水的作用十分敏感，黄土路堑坡面发生的病害，是由于黄土的特性及受气候影响促使其发展。黄土的坡面变形主要表现为边坡剥落、边坡冲刷、边坡坍塌等3种类型。(1)边坡剥落鱼鳞状边坡剥落主要发生在易溶盐含量较多的第四系风积的黄土地层中，本段路基施工段DK39+435.5～DK39+620即属于该种类型，是由于盐分随着水分的蒸发在坡面集中而引起松胀，分布较零乱。层状剥落主要发生在洪积、冲积的黄土互层中，此类黄土多为粘质黄土、砂质黄土、砂等互层构成，因其含水量不同，风化程度快慢、强弱作用也不同，粘粒含量较高者剥落较快、较严重，粉、砂粒含量较高者剥落轻微，形成层状或带状剥落。片状剥落主要发生在老黄土和近代坡积的均质黄土中，在较陡边坡表面，常形成一层厚约2～3em的硬壳，随着暴露时间的增长，常呈大块片状剥落，这种剥落从坡脚开始，逐渐向上发展，其原因可能是坡脚土中的水分增减、干湿循环作用和冻融影响所致。鉴于以上剥落现象造成的病害，设计一般采用设侧沟、侧沟平台、边坡平台和平台截水沟并予以加固铺砌，严重时在边坡坡脚增设1．5rn高的浆砌片石护脚加固防护，且加大路堑开挖的坡度为1：2.0，大于一般路基的路堑坡度1：1.50。(2)边坡冲刷边坡冲刷是受降水的影响，由于雨水降落到边坡坡面，水顺坡面向下流动，愈向下流量增加，流速加大，将边坡坡面土颗粒冲移，形成冲沟并使坡脚冲沟加大，以致掏空底部，造成整个边坡坍塌。针对以上病害的产生，设计一般采用较陡(1：0．75或1：1) 的边坡，以减少汇水面积，在边坡较高时采用台阶型边坡，并做好堑顶的排水和平台排水沟、侧沟的加固，坡面防护一般采用浆砌片石窗孔式护墙、路堑骨架护坡并且栽植耐旱的植物等措施。(3)边坡坍塌边坡坍塌产生的原因主要是黄土中有松散的夹层、黄土边坡坡脚被水浸湿、黄土边坡开挖暴露后出现垂直节理、黄土边坡较高较陡及因冻融而引起表层溜滑等。分析以上坡面坍塌形成的原因，对松散夹层一般采用浆砌片石护墙进行防护，并在松散夹层底部留出适当宽度的边坡平台；当边坡较高时，为减少土石方的开挖，在边坡底部增设重力式挡土墙或其它形式的挡土墙；为提高黄土地基承载力，增加挡土墙高度，减少基础被水浸湿，在挡土墙基础底部（埋在路肩以下部分）应该不小于该地区的最大冻土深度。4工程处理实例4．1银子湾车站黄土高边坡处理工程设计里程为DK40+800～DK41+060段，全长260m，位于银子湾车站站场范围内，线路左右侧为自然山坡，高度大于40m。本段自然山坡地形比较完整，目前无不良地质现象，自然山坡较稳定。但由于该段砂质黄土结构疏松，垂直节理发育，高陡边坡在降水、列车震动等影响下易产生溜坍或错落现象。工程所及地层主要为第四系上更新统风积砂质黄土，下伏基岩砂岩夹泥岩，砂质黄土覆盖于基岩之上，厚度大于14m，棕黄色，土质较均匀，具垂直节理及大孔隙特征，以半干硬为主，具自重湿陷性。本段地层具有典型的黄土特征和黄土地貌。经过分析认为，自然边坡经过长期自然营力的作用，且边坡高达40m，但自然山坡地形比较完整，目前无不良地质现象，自然山坡较稳定，黄土之下可利用的岩层易风化，为不利地层。处理措施：边坡底部设置片石混凝土重力式路堑挡土墙进行支挡加固，最大墙高6m，其上边坡坡度为l：l，共2级，高度大于25m，坡面采用混凝土锚杆框架梁加固防护，框架梁内测满铺浆砌片石；以减少坡面冲刷及基岩风化。为增加黄土边坡的稳定性，挡土墙顶以上边坡设计为台阶型，每10m为一级设边坡平台及平台截水沟，平台宽度一般为3.0m，其中挡土墙顶平台宽4.03m，其上二级平台宽3．0m，三级平台宽度6.0m，三级平台以上黄土边坡坡度为1：1.50，坡面防护采用浆砌骨架护坡，护坡内满铺C25混凝土预制空心块，再在空心块内种植沙棘进行防护，以增加黄土边坡稳定性。平台、平台截水沟、护脚均采用浆砌片石加固防护；路堑顶部设置天沟拦截、引排地表水。4．2黄土路堑植物防护技术 路基坡面植被不仅有绿化美化坡面的作用，而且坡面植被的茎杆枝叶具有覆盖地表、承接雨水、防止雨水直接溅击地表土壤和减缓分散地表径流的作用；坡面植被的根系还具有穿插、缠绕、网络、固结土壤和改良土壤的作用。因此，对黄土路基边坡植物防护技术的试验研究，将对铁路绿色通道建设、生态环境建设、保障交通运输安全运行具有重要的现实意义。黄土路堑边坡植物防护技术试验研究，主要是结合我局以前在黄土地段的工程建设开展的经验。选取具有代表性的DK39+435.5～+620段黄土路堑边坡的绿色防护进行技术研究，计划时间从2013年4月开始到2013年10月结束，主要是准备从植物的移栽及穴植容器种植着手，分两个方案进行试验研究，以备后面的大规模施工。该地区属中温带半干旱大陆性季风气候，冷暖干温四季分明；冬夏长；春秋短；雨热同期；日照时间长；太阳辐射强；年差与日差气温变化较大；降水年际变化大。年平均气温9.1℃；最热的7月，月平均气温23.9℃；最冷的1月，月平均气温零下8.4℃；气温年较差32.3℃。全年县太阳辐射总量为144.94千卡/平方厘米；可供作物利用的光能约占总辐射量的一半。府谷县多年平均日照为2894.9h；日照率65％；农业活动主要季节的4至10月每月日照数都在230小时以上。初霜为10月5日；终霜为4月27日；无霜期177d。年平均降水量453.5mm；降水主要集中在7至9月，占年降水量的67％；自然灾害是旱、涝、霜、雹较频繁。本段选用的灌木树种为沙棘、紫穗槐等，适应在干旱少雨的地区生长。本试验段计划共栽植苗木58487(株)，本项目所取得的试验研究成果将在黄土路堑边坡植物防护工程中进行广泛的推广和应用。4．3锚杆框架梁的设计应用府谷煤炭铁路专用线DK40+800～DK41+060段，线路以深路堑形式通过，挖方边坡最大高度大于40m，线路左右侧均为自然山坡，并且本段工程为集中挖方段落。本段工程所及地层主要为第四系上更新统风积砂质黄土及砂岩夹泥岩(1)粘质黄土淡黄色、灰黄色，厚度大于14.0m，土质均匀，具大孔隙。(2)砂岩夹泥岩灰白色，紫红色，强风化、细粒结构、泥质胶结、中厚层结构，分布于黄土之下，厚度大于25m，成分以长石、石英、Ⅳ级次坚石为主，基本承载力为400KPa。 勘察深度内未见地下水。由于本段线路通过区段地震基本烈度小于Ⅵ度，路堑边坡设计要考虑路堑边坡的稳定性、耐久性和路堑断面的经济性，兼顾施工和养护的方便。一方面，由于黄土的抗剪强度较低，抗拉强度极小，但土体具有一定的结构整体性，当开挖边坡时，在某一临界高度以前，能使边坡保持直立，当超过这一高度时，或地面有较大超载及环境因素改变时，将引发土体失稳，产生土体的整体破坏；而且，由于黄土具有特殊的垂直节理和倾斜节理，塌方具有突发性，事前难以预料。另外由于黄土下伏基岩为强风化；设计方予以了重视。本段地层上部为湿陷性黄土，下部强风化砂岩夹泥岩，边坡总高度大于40m，按照设计规范，路堑边坡坡率为l：1．0～1：1．5，卵石土与黄土分界处和边坡高度大于10m时应分级留平台。按照此原则设计，施工比较困难，土石方工程量大、占地较多、拆迁量大、工期长，并且需进行边坡防护。鉴于以上工程地质条件和实际困难，经过认真的分析研究，在本段工程设计中积极推广应用混凝土锚杆框架梁墙。锚杆框架梁设计分2级，每级高度为10m，框架梁总高度为20m。为了验证锚杆的性能和设计的合理性，在本段工程选取典型地层做拉拔试验。锚杆置于砂岩夹泥岩中，锚杆的整根长度8.86m，锚固长度8.5m，符合设计要求，达到了预期的目的。5结束语府谷煤炭铁路专用线在对本单位铁路及相关建筑施工的黄土路堑边坡地质灾害调查、研究、分析的基础上，充分认识到黄土地质灾害的重要性，结合工程的具体情况采用了合理的工程措施。推出了技术可行、措施合理、工程可靠，具有借鉴价值。参考技术标准1《铁路路基工程施工质量验收标准》；2陈跃庆．地基与基础工程施工技术．北京：机械1二业出版社，2003