頁巖風(fēng)化層深路塹邊坡坍滑病害整治研究

王博斐

(浩吉鐵路股份有限公司南部建設(shè)指揮部,江西新余 338000)

1 概述

邊坡作為路基重要部分,其穩(wěn)定性是鐵路路基設(shè)計、施工和運營養(yǎng)護中的重難點,施工工藝和雨水對邊坡穩(wěn)定性具有顯著影響[1]。已有許多學(xué)者開展相關(guān)研究,邵輝等從水文地質(zhì)和工程地質(zhì)角度分析黃土路塹邊坡坍塌的原因,并提出整治設(shè)計措施[2];宋章等對成渝鐵路沿線地質(zhì)災(zāi)害進行歸類整理,并分析其產(chǎn)生和發(fā)展的成因,同時優(yōu)化了工程防滑措施[3];張占榮提出一種非開挖支擋結(jié)構(gòu),可適用于高鐵邊坡變形病害整治[4];溫希華對高壓旋噴樁應(yīng)用于路基邊坡橫向變形病害整治進行可行性分析[5-6];胡厚田等對粵山區(qū)高速公路邊坡病害特征、類型和產(chǎn)生發(fā)展規(guī)律進行研究,并提出了工程地質(zhì)工作的加強措施[7];張斌等針對山區(qū)高速公路邊坡滑塌和崩塌的病害,提出綜合運用格構(gòu)錨桿、抗滑樁和抗滑擋土墻的思路[8-10];葉帥華等認為黃土-砂巖二元結(jié)構(gòu)路塹高邊坡的結(jié)構(gòu)特點、地層巖性決定了其失穩(wěn)變形機制[11];唐立明等分析垂直節(jié)理發(fā)育的紅層軟巖路基邊坡病害,給出施工方法與注意事項[12]。然而,針對頁巖風(fēng)化層深路塹邊坡穩(wěn)定性的研究還相對較少。

依托某重載鐵路建設(shè)與運營過程中頁巖風(fēng)化層深路塹邊坡病害整治工程,從設(shè)計角度出發(fā),采用現(xiàn)場調(diào)繪和現(xiàn)場監(jiān)測的技術(shù)手段,分析其病害的發(fā)展特征、成因機理[13-15],并通過現(xiàn)場監(jiān)測驗證加固效果。

2 工程設(shè)計

浩吉鐵路DK1737+275～DK1737+460里程范圍位于江西省宜豐縣,為剝蝕低丘地貌,地形起伏,山頭呈渾圓狀,相對高差為30～50m,自然坡度為15°～25°,地表植被茂盛,灌木叢生。線路中心挖高11～27m,右側(cè)邊坡高一般為10～30m,最高邊坡位于DK1737+370里程附近,高度約為38m,工點所在位置地形如圖1所示。

圖1 病害工點地形示意

組成坡體地層為二疊系茅口組頁巖,表層為全風(fēng)化,呈灰黃色,厚7～25m;下伏巖體為強-弱風(fēng)化,呈灰黃色、灰色,巖質(zhì)軟弱,巖體較破碎,遇水軟化特征顯著。巖層傾向與坡面傾向相反,無順層現(xiàn)象。該工點坡殘積土層及全風(fēng)化層經(jīng)取樣測試,無膨脹性。

2.1 原工程設(shè)計

DK1737+275～DK1737+460右側(cè)路塹邊坡最大高度約為38m,原設(shè)計采用“板墻+框架錨桿+漿砌片石植草窗+漿砌片石骨架樁”組合防護結(jié)構(gòu)。

(1)支擋及防護措施

DK1737+285～DK1737+397.5段右側(cè)坡腳設(shè)置樁板墻,樁中心間距5m,樁長為20m,截面尺寸2.5m×2.75m,樁頂以上一、二級邊坡坡率均為1∶1.5,采用框架錨桿內(nèi)M10漿砌片石植草窗防護,錨桿長度為10m。樁頂二級邊坡上方設(shè)置6m寬平臺(其余邊坡平臺寬度2m),三、四級邊坡坡率為1∶1.75,三級邊坡采用漿砌片石植草窗防護,四級邊坡采用漿砌片石骨架防護。

DK1737+275～DK1737+285、DK1737+397.5～DK1737+460段右側(cè)采用重力式擋墻收坡,墻頂一、二級邊坡坡率均為1∶1.5,一級邊坡采用漿砌片石植草窗防護,二級邊坡采用漿砌片石骨架防護,如圖2所示。

圖2 病害工點右側(cè)深路塹原設(shè)計橫斷面(單位:m)

(2)排水措施

塹頂設(shè)置天溝;各邊坡平臺設(shè)置截水溝;側(cè)溝平臺以上1.5m擋土板后設(shè)仰斜排水孔,長15m,仰角為5°,縱向間距為5m;路基面兩側(cè)通長設(shè)置寬0.6m,深0.8m鋼筋混凝土矩形側(cè)溝。

2.2 工程設(shè)計變更

按照原設(shè)計,該段路塹第四級邊坡M10漿砌片石拱形截水骨架于2017年6月初完成,第三級邊坡M10漿砌片石植草窗于2017年6月底完成,二級邊坡錨桿框架梁內(nèi)植草窗于2017年8月完成,一級邊坡錨桿框架梁于2017年10初完成;坡腳樁板墻(共計23根抗滑樁)于2018年1月完成。

邊坡開挖過程中,發(fā)現(xiàn)全、強風(fēng)化分界面較原設(shè)計發(fā)生較大變化,風(fēng)化界面平均提高約25m(即該段邊坡以強風(fēng)化頁巖為主)。造成誤判的主要原因是該地層巖體為極軟巖,呈薄層狀,巖體破碎,鉆探時巖芯呈粉末狀和碎塊狀,將強風(fēng)化層誤判為全風(fēng)化層。施工過程中,結(jié)合實際地質(zhì)情況開展土石比例變更調(diào)整,將強風(fēng)化地層線提高25m,邊坡防護及加固措施維持原設(shè)計。經(jīng)過設(shè)計變更后的邊坡現(xiàn)狀如圖3所示。

圖3 病害工點右側(cè)深路塹邊坡設(shè)計現(xiàn)狀

3 病害發(fā)育特征

3.1 邊坡變形及裂縫發(fā)育情況

2017年11月30日,雨后線路巡查過程中,發(fā)現(xiàn)DK1737+275～DK1737+397.5段路基樁頂以上二、三級邊坡漿砌片石植草窗出現(xiàn)輕微不規(guī)則裂紋,主要分布于邊坡平臺外緣,呈張拉裂縫,裂縫主要沿縱向(線路方向)發(fā)展,局部邊坡平臺可見橫向裂縫。隨時間推移,發(fā)現(xiàn)裂縫逐步發(fā)展,樁頂以上各級邊坡均出現(xiàn)開裂現(xiàn)象,部分錨桿框架梁、漿砌片石植草窗也產(chǎn)生開裂(如圖4所示);最大主裂縫位于樁頂二級邊坡上方寬平臺(平臺寬6.0m),裂縫寬4～6cm,錯臺3cm左右。

圖4 病害工點邊坡平臺外緣典型裂縫

樁頂一級邊坡下部及樁頂平臺呈現(xiàn)顯著的鼓脹、上拱特征,其他各級邊坡均表現(xiàn)為下沉、拉裂特征,從邊坡整體變形情況判斷,呈圈椅狀向線路方向滑移。

由于DK1737+397.5～DK1737+460段路基右側(cè)重力式擋墻施工尚未完成,該段邊坡亦產(chǎn)生較大規(guī)模的坍滑,如圖5所示。其上一級邊坡平臺及塹頂外側(cè)3m處可見明顯的貫通縱向裂縫,裂縫寬5～8cm。

圖5 DK1737+397.5～DK1737+460段邊坡坍滑

3.2 變形監(jiān)測分析

路塹邊坡變形發(fā)生后,開展了邊坡相關(guān)力學(xué)指標監(jiān)測工作,包括邊坡坡表位移、深部位移、樁板墻位移和樁背土壓力監(jiān)測。

(1) 邊坡坡表(含樁頂)位移情況

分別于DK1737+320、+330、+340、+350、+365、+370里程位置處設(shè)置6個坡表位移監(jiān)測剖面,各剖面分別于塹頂、各級邊坡平臺、樁板墻頂設(shè)置位移監(jiān)測樁,監(jiān)測期間,每天對位移變形進行持續(xù)監(jiān)測。由監(jiān)測結(jié)果可知,一級平臺累計水平位移11.4mm,累計最大沉降14.9mm;二級平臺累計水平位移11.5mm,累計最大沉降17.6mm;三級平臺累計水平位移46.7mm,累計最大沉降54.0mm;四級平臺累計水平位移23.9mm,累計最大沉降21.2mm;塹頂?shù)乇砝塾嬎轿灰?1.0mm,累計最大沉降9.5mm。后期監(jiān)測表明,位移和速度雖然有所減小,但各監(jiān)測點并無穩(wěn)定趨勢,位移監(jiān)測數(shù)據(jù)見表1。

表1 邊坡表面(含樁頂)位移監(jiān)測 mm

(2)深部橫向位移情況

地層深部橫向位移監(jiān)測共設(shè)置2個測點(如圖6所示),分別位于DK1737+350右側(cè)三級平臺(1001號孔)深度為8m;位于DK1737+350右側(cè)一級平臺(1002號孔),深度為20.5m。監(jiān)測發(fā)現(xiàn),1001號孔變形最大處在8.0m,而1002號孔變形最大處在20.0m左右。

圖6 深部測斜孔位布設(shè)

編號為1001號和1002號的2個深部測斜孔的橫向水平位移曲線如圖7所示。

圖7 病害工點邊坡橫向水平位移曲線

(3) 樁背土壓力變化

樁背土壓力監(jiān)測設(shè)置2個測點,分別位于DK1737+350右側(cè)14號抗滑樁和DK1737+380左側(cè)31號抗滑樁,監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖8。監(jiān)測結(jié)果表明,14號抗滑樁樁背土壓力最大為8.09kPa,最小為4.41kPa;31號抗滑樁樁背土壓力最大為15.56kPa,最小為13.98kPa。可見抗滑樁樁背土壓力無突變或異常變大現(xiàn)象,可以推測抗滑樁未產(chǎn)生異常變形。

圖8 抗滑樁樁背土壓力監(jiān)測曲線

現(xiàn)場實測樁頂位移情況見圖9。

由圖9可知,不同測點的抗滑樁樁頂?shù)臋M向水平位移均未發(fā)生明顯變化,僅呈輕微波動狀態(tài),推測為測量誤差。

圖9 抗滑樁樁頂橫向水平位移曲線

3.3 邊坡滑移特點分析

綜合現(xiàn)場勘察及位移、壓力監(jiān)測結(jié)果,DK1737+275～+460段右側(cè)深路塹邊坡已產(chǎn)生明顯的滑移變形破壞,滑體前沿位于樁板墻頂平臺,后緣位于塹頂以外1～7.0m;推測為牽引式滑動,前一級滑體后緣在中部寬大平臺處,產(chǎn)生的位移量明顯大于后一級牽引滑體,滑體最大厚度約7.5m。推測滑面如圖10所示。

圖10 推測滑動面示意

4 病害成因和整治

4.1 病害成因分析

基于上述分析,可推斷造成此次病害的原因主要涵蓋以下3類,分別為地層巖性、風(fēng)化層界面誤差、施工偏差和排水不利。

(1)組成本段深路塹邊坡的地層為頁巖,褐灰色,巖質(zhì)軟弱,易風(fēng)化,風(fēng)化后巖體破碎,多呈松散狀;巖體遇水后極易軟化、抗剪強度急劇降低而失穩(wěn)。從DK1737+275～+300段坡腳出露的頁巖為全-強風(fēng)化(如圖11所示),受構(gòu)造影響顯著,小型褶曲發(fā)育,節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體破碎呈片狀,層間可見明顯云母光澤,層面間光滑易滑動,其物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

圖11 頁巖風(fēng)化后照片

表2 風(fēng)化頁巖基本物理力學(xué)參數(shù)

(2)原勘察設(shè)計判定該工點地層為全風(fēng)化頁巖,實際邊坡開挖過程中發(fā)現(xiàn)該邊坡地層主要為強風(fēng)化頁巖,所以更改了設(shè)計方案。然而,開挖斷面具有局部性,無法推測邊坡內(nèi)部地層巖性,該更改減弱了邊坡防護強度,造成病害產(chǎn)生。

(3)實際施工的平臺寬度和開挖坡面與原設(shè)計存在較大差異,主要表現(xiàn)為:①樁頂以上二級邊坡未滿足設(shè)計坡率;②邊坡平臺寬度不符合設(shè)計要求(一級邊坡平臺寬度局部不足1m;二級邊坡平臺寬度為8m,均與設(shè)計不符);③DK1737+397.5～+460段右側(cè)重力式擋墻開挖后未及時澆筑,造成本段路塹邊坡下部產(chǎn)生坍滑破壞。

(4)邊坡截排水系統(tǒng)實施不到位、不完善。病害發(fā)生后現(xiàn)場核查發(fā)現(xiàn),平臺截水溝、天溝均未施作;邊坡已施工的骨架護坡、植草窗護坡孔窗呈凹狀(低于護坡表面),表水易下滲至路塹邊坡內(nèi);本段路塹高邊坡的排水系統(tǒng)未完善,在經(jīng)歷多次強降雨后,邊坡變形明顯惡化。

4.2 整治方案與效果

基于上述分析,該深路塹坡腳樁板墻處于安全穩(wěn)定狀態(tài),樁頂以上邊坡出現(xiàn)整體滑移的特點,因此本滑移工點整治的總體思路為:①為確保線路架梁通道安全,于樁板墻頂部設(shè)置安全隔離網(wǎng),拓寬樁頂平臺至10m左右作為施工平臺;②對樁頂以上已產(chǎn)生滑移邊坡采取適當清方卸載,適當放緩邊坡坡率,對一、二級邊坡增設(shè)框架錨索加固;③加強邊坡防排水措施(增設(shè)排水斜孔、框架內(nèi)采用植草窗、完善平臺截水溝等);④加強變形監(jiān)測;⑤DK1737+275～+460段坡腳增設(shè)抗滑擋墻等綜合整治方案。

經(jīng)多方案綜合比選,最終整治方案為如下,加固示意見圖12。

圖12 邊坡整治設(shè)計示意

(1)維持DK1737+285～DK1737+397.5段右側(cè)樁板墻,加大樁頂平臺寬度至10m,對坍滑體進行清除;樁頂平臺上邊坡坡腳設(shè)置3m抗滑擋墻。

(2)樁頂一、二邊坡坡率較原設(shè)計放緩一級,按1∶1.75設(shè)計,采用錨索框架梁內(nèi)M10漿砌片石,植草窗內(nèi)客土噴播植草+栽種灌木;樁頂以上第三級邊坡坡率取1∶2,采用骨架護坡;邊坡平臺寬度取4～6m。

(3)樁頂平臺坡腳增設(shè)排水斜孔,孔深15.0m,縱向間距5.0m;各級邊坡平臺(含樁頂平臺)均設(shè)截水溝。

(4)DK1737+397.5～+460段右側(cè)坡腳增設(shè)重力式擋墻,墻高6.0m。

為了驗證加固效果,分別于DK1737+340和DK1737+380里程位置處設(shè)置坡表觀測樁、深部地層測斜孔、抗滑樁樁背土壓力盒和錨索應(yīng)力計,分別用于測試邊坡表面橫向水平位移、深部地層橫向水平位移、抗滑樁所受土壓力和錨索所受拉力。測試結(jié)果見圖13～圖16。

圖13 邊坡表面橫向水平位移時程曲線

圖16 錨索預(yù)應(yīng)力時程曲線

由圖13可知,兩測點位置處的邊坡橫向水平位移在監(jiān)測期間均呈收斂狀態(tài),其穩(wěn)定值分別為2.0mm和5.8mm,沒有隨時間逐漸增加的趨勢,說明邊坡橫向變形得到有效控制。

由圖14可知,對比2017年12月施工完成時測量值,DK1737+340里程位置處不同深度地層發(fā)生的橫向位移均近似為0,說明邊坡深部地層的橫向水平變形得到有效控制。

圖14 深部地層橫向水平位移曲線

由圖15可知,在施工結(jié)束后的監(jiān)測期內(nèi),兩測點位置處的抗滑樁樁背土壓力維持在相對恒定的狀態(tài),其中,DK1737+340測點的樁背壓力維持在10.0MPa左右,DK1737+380測點樁背壓力維持在4.9MPa左右。說明抗滑樁后地層處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。

圖15 抗滑樁樁背土壓力時程曲線

由圖16可知,在施工結(jié)束后的監(jiān)測期內(nèi),兩測點位置處的表預(yù)應(yīng)力錨索的預(yù)應(yīng)力也維持在相對恒定的狀態(tài),其中,DK1737+340測點的錨索預(yù)應(yīng)力維持在275kN,DK1737+380測點錨索預(yù)應(yīng)力為275kN。說明預(yù)應(yīng)力錨索所錨固地層處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié)論

(1)頁巖風(fēng)化層深路塹邊坡坍滑病害一般表現(xiàn)為:邊坡產(chǎn)生明顯的滑移變形破壞,滑體前沿位于樁板墻頂平臺,后緣位于塹頂以外,為牽引式滑動,前一級滑體后緣在中部平臺處,其位移明顯大于后一級牽引滑體,從而引發(fā)邊坡平臺外緣產(chǎn)生持續(xù)發(fā)展的縱向裂縫。

(2)以頁巖為主組成的深路塹邊坡,邊坡自身穩(wěn)定性極差,開挖后暴露時間過長或地表水入滲,極易誘發(fā)溜坍、坍滑等變形破壞病害。主要原因為頁巖巖質(zhì)軟弱,遇水后極易軟化,抗剪強度急劇降低而失穩(wěn)。

(3)從頁巖邊坡支護的設(shè)計角度,應(yīng)加強和重視對頁巖等極軟巖地質(zhì)鉆探巖芯的判識,且應(yīng)重點加強坡腳、緩邊坡、封閉或半封閉坡面防護和防排水等方面工程措施;從施工角度看,應(yīng)嚴格落實“分級開挖、分級防護”工序,以確保頁巖等極軟巖高邊坡長期穩(wěn)定。