孝柳鐵路K32+000～K32+150段路基病害成因分析

張 懷 建

(1.太原理工大學(xué)，山西 太原　030024；　2.山西省勘察設(shè)計研究院，山西 太原　030013)

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孝柳鐵路K32+000～K32+150段路基病害成因分析

張 懷 建1,2

(1.太原理工大學(xué)，山西 太原030024；2.山西省勘察設(shè)計研究院，山西 太原030013)

介紹了孝柳鐵路K32+000～K32+150段的自然地理條件及地質(zhì)環(huán)境條件，根據(jù)該鐵路段路基滑坡的特征，分析了路基滑坡的巖土物理力學(xué)指標與成因機制，最后提出了路基滑坡的防治措施。

鐵路，路基，滑坡，地質(zhì)條件，穩(wěn)定性

孝柳鐵路K32+000～K32+150段位于孝義市杜村鄉(xiāng)石匣社村西約1.0 km，距孝義市區(qū)約25 km。該段鐵路為填方路基，建在古滑坡的后緣，自建成以來多次發(fā)生過沉降及水平蠕變，在2004年曾對鐵路路床做過注漿處理，2011年夏季降雨較多，于2011年10月中旬鐵路路基發(fā)生滑移，并出現(xiàn)縱向裂縫，11月上旬變形加快，至12月4日路基累計沉降量達到13.1 cm，累計位移量達到11.4 cm，威脅到孝柳鐵路的正常運營。

1　自然地理條件

1.1地形地貌

孝柳鐵路K32+000～K32+150段路基區(qū)域地處屬呂梁山脈西麓褶皺山地，地貌屬于構(gòu)造侵蝕剝蝕黃土堆積低山丘陵區(qū)，區(qū)內(nèi)地形較陡峭，溝谷發(fā)育，小型溝谷多呈“V”形狀，大型溝谷多呈“U”形狀，切割深度達10 m～80 m，微地貌單元有分水嶺、黃土梁、陡崖、黃土沖溝、基巖沖溝等。區(qū)內(nèi)地勢西高東低，地面標高介于1 150 m～1 230 m之間。

1.2氣象與水文

1)氣象。本區(qū)屬暖溫帶大陸性半干旱、半濕潤氣候，一年四季分明，春季風(fēng)大雨少，夏季炎熱多雨，秋季溫暖濕潤，冬季寒冷少雪。年平均氣溫10.6 ℃，極端最高氣溫39.5 ℃(1974年6月16日)，極端最低氣溫-22.9 ℃(1970年1月5日)。多年(1956年—2010年)平均降水量484.0 mm，最大年降水量747.8 mm(1964年)，最小年降水量248.0 mm(1985年)，降水年內(nèi)分配不均，降水多集中在7月份～9月份，約占全年降水量的60%～80%,多年平均蒸發(fā)量為1 957.84 mm。全年主導(dǎo)風(fēng)向為偏西風(fēng)，年平均風(fēng)速3.6 m/s，其中4月份最大，平均風(fēng)速為4.1 m/s，8月份最小，平均風(fēng)速為2.0 m/s。全年平均無霜期190 d。

2)水文。孝義市的河谷水系比較發(fā)達，但多為季節(jié)性河流，均屬黃河流域汾河水系，勘察區(qū)屬于孝河流域，孝河流域主要有下堡河、兌鎮(zhèn)河、柱樸河、東許河、虢義河5條支流，勘察區(qū)地表水主要分布在滑坡南側(cè)邊界的沖溝里，地表水主要由地下水滲出補給，流量約0.5 L/s 。

2　地質(zhì)環(huán)境條件

2.1地層巖性

勘察區(qū)地表出露及鉆孔揭露的地層有：古生界奧陶系、石炭系、新生界第三系、第四系，現(xiàn)將地層按時代由老到新分述如下。

2.1.1奧陶系(O)

峰峰組(O2f)。以灰色、灰黃色石灰?guī)r、豹皮狀灰?guī)r為主，強～中等風(fēng)化，鉆孔最大揭露厚度為23.80 m。

2.1.2石炭系(C)

本溪組(C2b)。巖性主要為灰白色、灰黃鋁土頁巖，底部有不連續(xù)的山西式鐵礦，鉆孔揭露厚度為7.8 m～12.6 m。

2.1.3新生界上第三系(N)

2.1.4新生界第四系(Q)

1)中更新統(tǒng)(Q2)。巖性以紅色粉質(zhì)粘土為主，含鈣質(zhì)結(jié)核，垂直節(jié)理發(fā)育，鉆孔揭露厚度為6.8 m～8.4 m。

2)上更新統(tǒng)(Q3)。由風(fēng)積物組成，主要分布于黃土梁頂部，巖性為粉土，具大孔結(jié)構(gòu)，垂直節(jié)理發(fā)育，鉆孔揭露厚度為1.0 m～1.6 m。

3)全新統(tǒng)(Q4)。

2.2地質(zhì)構(gòu)造

勘察區(qū)構(gòu)造特征表現(xiàn)為一個小型向斜，向斜軸向大致呈250°，向斜軸部位于2—2′剖面附近。地面可見向斜北翼，出露巖性主要為鋁土頁巖，巖層傾向介于155°～160°之間，傾角介于15°～18°之間，向斜南翼在地表沒有出露，這種構(gòu)造特征有利于地下水的匯集。

2.3水文地質(zhì)條件

勘察區(qū)范圍內(nèi)地下水包括上層滯水和孔隙潛水。上層滯水含水層主要為第①1層含碎石灰土、第①2層碎石填土，以第①3層素填土及第④層鋁土頁巖作為相對隔水層，接受大氣降水入滲補給；孔隙潛水在勘察區(qū)廣泛分布，含水層主要為上第三系上新統(tǒng)粉質(zhì)粘土(N2)及滑坡堆積層(第②層粉土、第③層粉質(zhì)粘土)，以第④層鋁土頁巖作為相對隔水層，接受大氣降水入滲補給及地下水側(cè)向徑流補給，潛水由西向東徑流，在滑坡體上低洼位置、滑坡前緣及右側(cè)沖溝出露地表。

3　路基滑坡基本特征

3.1路基滑坡地形地貌

滑坡在空間上形成圈椅狀地形，滑坡后壁頂高程介于1 213 m～1 222 m之間，后緣高程介于1 187 m～1 193 m之間，前緣高程介于1 165 m～1 168 m之間。滑坡平面形態(tài)呈舌狀，滑坡周界明顯，右側(cè)邊界為一小型沖溝，左側(cè)邊界為穩(wěn)定基巖，主滑方向約80°，滑坡軸線與鐵路路基基本垂直，滑坡前緣以鄉(xiāng)村小路為界，滑坡后緣以鐵路路基左側(cè)排水溝為界，滑坡軸線長近140 m，滑體寬度介于50 m～85 m之間，滑坡后緣陡壁地形坡度介于37°～42°之間，滑體坡度在10°左右，滑體上發(fā)育有2個小型滑坡鼓丘和2個積水洼地。鐵路路基位于滑坡后緣，地表高程介于1 191 m～1 194 m之間，路基坡度約為25°。滑坡地形地貌特征見圖1。

圖1　滑坡地形地貌

3.2路基滑坡要素特征

古滑坡體勘探厚度為1.0 m～9.1 m，前部和后部薄，中部厚，新滑坡體勘探厚度為7.6 m～19.6 m。古滑坡體上水草豐富，反映了滑坡體地下水量豐富，古滑坡體中部生長有幼小“馬刀樹”，路基右側(cè)邊坡出現(xiàn)鼓脹現(xiàn)象。

3)滑坡周界。滑坡右側(cè)邊界為一條沖溝，左側(cè)邊界為穩(wěn)定基巖，后緣與滑坡后壁界線明顯，前緣剪出口裸露。

4)滑坡鼓丘與積水洼地。滑坡體上發(fā)育有2個小型滑坡鼓丘和2個積水洼地，1號滑坡鼓丘位于滑坡中部，鼓丘頂部高出周圍約0.3 m，呈橢圓形；2號滑坡鼓丘位于滑坡前部，鼓丘頂部高出周圍約0.4 m，呈橢圓形。1號積水洼地分布于兩個鼓丘之間，平面形態(tài)基本呈圓形，直徑約2.0 m，水深0.2 m左右；2號積水洼地位于滑坡前緣右側(cè)，為滑坡右側(cè)邊界沖溝的溝尾，平面形態(tài)基本呈圓形，直徑約3.0 m，水深0.1 m左右。

5)滑坡裂縫。從調(diào)查情況來看，地表發(fā)現(xiàn)的滑坡裂縫主要集中在滑坡后緣的鐵路路基上。鐵路路基上發(fā)育有3條裂縫，每條裂縫的特征如下：L1裂縫，位于路基右側(cè)，裂縫寬2 cm～13 cm，裂縫走向350°左右，延伸長度約60 m，無明顯錯落；L2裂縫，位于路基右側(cè)，裂縫寬0.5 cm～25 cm，裂縫走向350°左右，延伸長度約120 m，無明顯錯落；L3裂縫，位于路基左側(cè)，裂縫寬1 cm～17 cm，裂縫總體走向350°左右，延伸長度約130 m，錯落高度介于15 cm～45 cm之間，裂縫已貫通到路基底部，路基底部的排水涵洞已被拉斷，涵洞排出渾水。各裂縫間距介于1 m～15 m之間，呈現(xiàn)出中間裂縫和錯落大，兩端裂縫和錯落逐漸變小以至尖滅的特征。調(diào)查發(fā)現(xiàn)的滑坡裂縫從力學(xué)性質(zhì)上分析均為張拉裂縫，3條裂縫向滑坡北側(cè)延伸的部分為路基變形牽引裂縫，裂縫的發(fā)育程度直接反映了滑坡的穩(wěn)定狀態(tài)。

6)滑動面(帶)。古滑坡滑動面主要位于第②層粉質(zhì)粘土與下覆石炭系本溪組鋁土頁巖接觸面，新滑坡滑動面后緣位于路基填土內(nèi)部，中前部與古滑動面重合，滑帶土均已經(jīng)飽和，滑帶土具有明顯的擠壓或揉皺層理，基巖表面可見輕微擦痕，滑帶土厚度達到0.5 m～1.5 m。滑動面傾向東，滑面坡度介于5°～65°之間。

7)滑床。滑坡滑床為第④層石炭系中統(tǒng)本溪組(C2b)鋁土頁巖，灰白色、灰黃色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，強風(fēng)化，巖芯呈破碎狀，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ級，RQD在20～30之間，屬于極軟巖，表層飽水軟化后具有良好的隔水能力。第④層鋁土頁巖以下分別為第⑤層強風(fēng)化石灰?guī)r和第⑥層中風(fēng)化石灰?guī)r。

8)滑舌。滑坡前緣滑舌部位向鄉(xiāng)村小路凸出，剪出口裸露，并有地下水滲出。

4　路基滑坡巖土物理力學(xué)指標

本工程在滑體土中取樣進行了直接快剪試驗，在滑帶土中取樣進行了反復(fù)直剪試驗，根據(jù)試驗結(jié)果、反算結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗給出各土層的滑坡計算參數(shù)值見表1。

表1　滑坡土各土層主要設(shè)計計算參數(shù)

5　路基病害成因機制分析

5.1路基滑坡對路堤穩(wěn)定性的影響

孝柳鐵路K32+000～K32+150段路基位于原古滑坡的后緣，增加了滑坡的下滑力，引起古滑坡蠕動變形，據(jù)了解，原古滑坡后緣有泉水出露，泉水流量不小于2 L/s。修建鐵路時，僅考慮了地表水排水而忽略了地下水的排水問題，導(dǎo)致地下水水位雍高，軟化土體，動水壓力增加，在多雨時期，地下水對滑坡穩(wěn)定性的影響表現(xiàn)的更為明顯。

5.2路堤填土自身對路堤穩(wěn)定性的影響

根據(jù)本次勘察結(jié)果，路基第①3層素填土含水量較大，接近飽和狀態(tài)，抗剪強度標準值為c=12.0，φ=10.0°，該層填土的強度較低，基本承載力值僅為80 kPa，屬于路基的軟弱下臥層，對路基的穩(wěn)定性有很大影響。

6　路基滑坡穩(wěn)定性分析評價

該段路基滑坡為中型人工填土—古滑坡堆積體滑坡，滑動面主要沿基巖面展布，剖面上呈折線型。對該滑坡采用傳遞系數(shù)法(折線型滑動面)進行整體穩(wěn)定性評價。滑體中存在地下水，現(xiàn)狀滑坡已經(jīng)達到飽和狀態(tài)，進行滑坡穩(wěn)定性和推力計算時均考慮了地下水滲透壓力(Pw)的影響。滑坡區(qū)地震基本烈度為7度，考慮地震力的作用。

折線型滑動面滑坡穩(wěn)定性系數(shù)計算公式(傳遞系數(shù)法)：

其中,WQi為第i土條的重力與外加豎向荷載之和；ci，φi分別為第i土條底的粘聚力，kPa和內(nèi)摩擦角，(°)；li為第i土條底滑面的長度，m；Ei-1為第i-1土條傳遞給第 i土條的下滑力；Fs為穩(wěn)定安全系數(shù)。

滑坡穩(wěn)定性計算結(jié)果見表2。

表2　滑坡穩(wěn)定性計算結(jié)果表

7　路基病害防治工程措施建議

孝柳鐵路K32+000～K32+150段路基病害的主要原因包括路基滑坡因素以及路堤填土(第①3層素填土)強度不足因素，同時這兩方面因素都是由地下水排水不暢引起的，所以排出地下水是本工程治理的核心問題。路基病害防治工程措施建議如下：1)在現(xiàn)有路堤左側(cè)排水溝地段，布置截水盲溝截住上游地下水；修復(fù)排水涵洞，以利于排出雨水。2)采用樁板墻結(jié)合錨索對路基滑坡進行支擋，采用粘土或灰土填塞路堤上的裂縫，在樁板墻上設(shè)置仰斜排水孔排出路堤積水。3)對路堤第①3層素填土采取注漿加固措施，以提高路堤邊坡自身的穩(wěn)定性。4)可考慮以橋梁的形式代替本段路基。

8　結(jié)語

孝柳鐵路K32+000～K32+150段路基建在古滑坡體的后緣，且為填方路基，增加了滑坡的推力，導(dǎo)致古滑坡復(fù)活。針對線路工程，應(yīng)加強工程地質(zhì)選線工作，避讓災(zāi)害地質(zhì)體或進行妥善治理后，方可進行工程建設(shè)。

Analysis on sub-grade disease causes of K32+000～K32+150 section of Xiaoliu railway

Zhang Huaijian1,2

(1.TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China;2.ShanxiSurveyDesignInstitute,Taiyuan030013,China)

This paper introduced the natural geographical and geological environment conditions of K32+000～K32+150 section of Xiaoliu railway, according to the characteristics of railway section sub-grade landslide, analyzed the rock soil physical mechanics index and formation mechanism of sub-grade landslide, and finally put forward some measures for the prevention and treatment of sub-grade landslide.

railway, sub-grade, landslide, geological condition, stability

1009-6825(2016)21-0141-03

2016-05-13

張懷建(1982- )，男，在讀工程碩士，工程師

U213.1

A