淺析朔黃鐵路路堤高邊坡病害特征及防治技術(shù)

魏興國

朔黃鐵路發(fā)展有限責任公司原平分公司 山西 原平 034100

1 研究背景

朔黃鐵路西起山西省神池縣神池南站，與神朔鐵路相連，東至河北省滄州市黃驊港口貨場，為一條雙線電氣化重載鐵路，全線長約598公里，是國家能源集團一體化工程中的重要組成部分。2000年5月正式開通運營，2009年朔黃鐵路萬噸、兩萬噸擴能改造逐步完成，并于當年首列萬噸列車正式開行，2014年9月30噸軸重2.5萬噸重的列車在朔黃鐵路開行。現(xiàn)年運輸能力已達3.5億噸，遠期4.5億噸，對保證華東、東南沿海地區(qū)能源供應具有極其重要的戰(zhàn)略意義。

朔黃鐵路在取得如此成績的同時，大運量、大軸重、高密度的運輸模式，加上鐵路修筑時間長，且當時修建技術(shù)較落后，導致了各種邊坡病害的快速發(fā)生、發(fā)展。特別是朔黃鐵路西段原平分公司管內(nèi)地處山區(qū)，高填深挖，近幾年路堤高邊坡病害頻發(fā)，嚴重影響了朔黃鐵路的安全運營。路堤高邊坡坡腳是應力集中區(qū)，特別是在運營動荷載作用下對于受力敏感性較高，遇強降雨天氣當雨水匯集于路堤坡腳時會顯著降低填土的物理力學參數(shù)從而造成坡體溜塌、坡腳支擋措施開裂甚至變形失效等病害，對線路的安全運營造成了嚴重影響。

本文通過調(diào)查朔黃鐵路K201+140～+200路堤高邊坡溜塌的成因及對其病害形成機理及影響因素的研究，有針對性地提出對于此類高邊坡溜塌病害治理的工程措施，對于沿線此類邊坡的加固防護有一定的借鑒意義。

2 工程概況

病害點為朔黃線K201+140～+200段路堤高邊坡，本區(qū)屬山前坡腳河谷地帶，地形起伏較大。

根據(jù)地質(zhì)資料揭示，地表上覆第四系全新統(tǒng)（Q4ml）人工填土，下伏基巖為太古界（Ar）混合巖。人工填土：棕黃色，厚度13～20m，層厚不均，主要以粉土為主含少量碎石，稍密，稍濕。太古界（Ar）混合巖：在本區(qū)廣泛出露，灰黃色，以石英，長石為主，變晶結(jié)構(gòu)，強風化[1]。

工程位置屬Ⅰ級構(gòu)造單元為中朝準地臺。工程影響范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)斷裂等地質(zhì)構(gòu)造。

該區(qū)域?qū)倥瘻貛О霛駶櫦撅L大陸性氣候。四季分明，春暖夏熱秋爽冬寒。年平均氣溫12.7℃，極端最高氣溫41.8℃，極端最低氣溫-17.9℃；多年平均降水量609mm；多年平均蒸發(fā)量1815.4mm；最大季節(jié)性凍結(jié)深度90cm。

3 病害特征及形成機理

朔黃鐵路K201+140～+200段局部漿砌片石護坡已發(fā)生鼓脹開裂，勾縫脫落現(xiàn)象。2016年7月，經(jīng)連續(xù)強降雨后，該路堤高邊坡發(fā)生溜塌，急需對其進行治理。

該溜塌病害主要有以下三種特征：①坡腳腳墻開裂、土體擠出、漿砌片石護坡鼓脹開裂，局部形成貫通裂縫；②護坡砂漿勾縫脫落，片石鼓脹外擠；③邊坡平臺上出現(xiàn)縱向裂縫，并伴有不均勻下沉。病害照片見圖1。

圖1 病害照片

對病害邊坡形成機理進行分析可以得出，形成朔黃K201+140～+200段路堤邊坡溜塌病害的主要原因有以下幾個方面：

3.1 動荷載對高邊坡的影響

高陡邊坡對于振動效應的敏感性較高，同時高陡邊坡會放大動荷載的影響，該段路堤邊坡平均高度14m，地層為人工填土。朔黃鐵路上常年重載、高頻運行列車對高陡路堤邊坡有一定的影響，根據(jù)文獻[2-3]等研究結(jié)果表明，在列車低頻振動荷載重復作用影響下，填方路基更容易產(chǎn)生病害。

3.2 施工質(zhì)量影響

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，既有護坡存在坡面漿砌片石厚度較薄、砂漿松散易滲水、平臺截水溝排水不暢等病害，這些施工質(zhì)量問題導致坡面及平臺積水難以及時排出，從而下滲于坡體內(nèi)，增強了坡體內(nèi)孔隙水壓力同時，坡腳腳墻不足以滿足在暴雨天氣下坡體穩(wěn)定性的要求，從而導致了本次病害的發(fā)生。

3.3 水的原因

水是導致此次病害發(fā)生的主要原因，2016年7月份在該區(qū)發(fā)生持續(xù)降雨天氣，由于雨水下滲造成了路堤填土局部達到濕潤～飽和，使得巖土體重度變大，邊坡巖土體在雨水浸泡和滲流作用下，發(fā)生軟化，巖土體物理力學性能變差，同時降雨改變了土的含水情況降低了土的基質(zhì)吸力[4-5]，從而降低土的抗剪強度，最終導致邊坡失穩(wěn)。

4 坡體穩(wěn)定性分析及加固方案設計

通過對朔黃線K201+140～+200段路堤邊坡溜塌病害的調(diào)查結(jié)果來看，目前病害主要為坡腳發(fā)生溜塌破壞，暫時不會導致大型災害的發(fā)生。但是如果對坡腳溜塌區(qū)不能及時進行治理，在雨水下滲，重載列車的動荷載的耦合影響下，極有可能造成整個路堤坡體的滑塌，危及列車行運，造成嚴重的后果。本文結(jié)合現(xiàn)場實際調(diào)查與數(shù)值模擬手段相結(jié)合對K201+140～+200段路堤邊坡穩(wěn)定性進行了綜合分析。

4.1 坡體穩(wěn)定性分析

根據(jù)病害特征、形成機理及巖土力學參數(shù)，采用傳遞系數(shù)法對坡體在不同工況下的穩(wěn)定性進行了分析計算。參數(shù)及穩(wěn)定性計算結(jié)果如表1、2所示。

表1 坡體人工填土物理力學參數(shù)

表2 各工況穩(wěn)定系數(shù)計算表

根據(jù)上計算結(jié)果及滑坡穩(wěn)定性狀態(tài)劃分原則，認為該段邊坡在天然狀況下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨狀況下處于不穩(wěn)定狀態(tài)，因此該段路堤邊坡需要加固整治，防治因邊坡體失穩(wěn)而造成生命和財產(chǎn)安全的損失。

4.2 邊坡數(shù)值模擬

本文采用ABAQUS有限元數(shù)值模擬軟件對該段路堤邊坡進行了模擬分析，圖2為路堤邊坡在天然狀態(tài)的自重應力分布，從圖中可以看出坡體在天然狀態(tài)下自重應力按照地層深度呈線性分布，符合自重應力一般分布規(guī)律。

圖2 坡體自重應力分布云圖

圖3、圖4為通過強度折減法模擬邊坡在降雨受雨水下滲土體物理力學參數(shù)降低后邊坡在水平方向位移增量、坡體塑性區(qū)云圖，從圖3可以看出經(jīng)過雨水入滲后路堤邊坡在坡腳處產(chǎn)生明顯位移，坡體存在會從坡腳剪出從而導致整個路堤失穩(wěn)的危險。圖4的坡體塑性區(qū)云圖也表明該段路堤邊坡在坡腳處會發(fā)生破壞，這與現(xiàn)場調(diào)查情況基本吻合。

圖3 路堤邊坡X方向位移增量云圖

圖4 路堤邊坡塑性區(qū)云圖

通過對該段路堤邊坡的穩(wěn)定性分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實際調(diào)查，結(jié)合定性、定量分析手段綜合得出該段路堤邊坡發(fā)生的病害如果不能及時治理，任由其發(fā)展將有可能導致整個坡體失穩(wěn)，對朔黃鐵路線的運營造成嚴重的影響。

4.3 加固方案

根據(jù)對K201+140～+200段路堤邊坡病害的機理分析，該段路堤產(chǎn)生病害主要是由于雨水入滲導致巖土體物理力學參數(shù)降低，同時，坡腳腳墻支擋措施不足以維持整個坡體的穩(wěn)定性，因此對于該段路堤病害的治理主要從“治水、壓腳”這兩點出發(fā)。主要治理措施如下：

（1）截水措施

為防止地表匯水和雨水入滲坡體，將路堤及平臺上破損嚴重、排水不暢的截、排水溝拆除重建，對護墻中失效的泄水孔進行重新施作，同時在坡體中下部增加一排深層排水孔排出坡體內(nèi)積水[6]。

（2）“壓腳措施”

本次主要病害為邊坡坡腳發(fā)生滑塌，原設計的腳墻支擋穩(wěn)定性不足，為防止路堤邊坡局部或整體失穩(wěn)，在坡腳處設置樁板墻支擋結(jié)構(gòu)，對坡體進行加固。坡體加固方案設計代表性斷面如圖5所示。

圖5 加固方案代表性斷面

5 結(jié)束語

通過此次對該段路堤高邊坡的調(diào)查研究及綜合整治筆者有以下幾點體會：

（1）路堤高邊坡長期在列車運行的動荷載影響下，填土路基可能已經(jīng)發(fā)生緩慢的蠕變變形，加之強降雨天氣下，雨水下滲導致邊坡體的物理力學參數(shù)和基質(zhì)吸力變小，同時雨水入滲也會形成一定的靜水壓力，在這幾種力的相互耦合作用下極有可能造成邊坡失穩(wěn)，因此防排水對于路堤邊坡顯得尤為重要。

（2）路堤高邊坡在雨雪滲融、長期動荷載相互耦合作用下容易發(fā)生病害。因此路堤高邊坡支擋防護設計時，需要加強支擋結(jié)構(gòu)，達到一次設計整體穩(wěn)固的目標。