斜坡膨脹土路塹病害形成原因及整治案例分析

王開云

(中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

膨脹土在我國分布廣泛，其遇水膨脹、失水收縮、開裂的特征，給鐵路、公路、市政、房建等工程經(jīng)常造成病害，造成嚴重的經(jīng)濟損失。本文以洛陽至湛江鐵路D3K55+985～D3K56+155段右側(cè)膨脹土路塹邊坡病害整治為例，對滑坡病害形成原因進行分析，通過穩(wěn)定分析計算，采取設(shè)置抗滑樁、膨脹土擋墻、截水溝、放緩邊坡、邊坡設(shè)置截水骨架、支撐滲溝等措施進行綜合整治加固，歷經(jīng)多次強降雨考驗，至今未出現(xiàn)異常，可為類似鐵路邊坡病害整治提供借鑒[1-2]。

1 工程概況

1.1 地形概況

本段位于雙牌縣龍泊中學(xué)的西南邊附近，屬低山、丘陵和河流高階地地貌，地形左低右高，相對高差達100 m，自然橫坡一般15°～40°。線路左側(cè)公路下～線路右側(cè)約160 m為高階地，地形起伏不大，為緩坡地帶，線路右側(cè)160 m外山坡坡度較陡。坡面雜草、樹木叢生，植被發(fā)育。該山體小里程端和大里程端各有一條小型沖溝，平時無水，雨季才有水。

1.2 施工圖情況

1.2.1 地質(zhì)情況

2)灰?guī)r夾泥質(zhì)灰?guī)r(D2q)：深灰、灰色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀，致密堅硬，性脆，弱風(fēng)化(W2)。

段內(nèi)地下水為第四系土層中的土壤孔隙潛水，含量甚微。基巖中的基巖裂隙水埋藏較深，未見地下水露頭。

1.2.2 設(shè)計情況

D3K55+985～D3K56+155段為典型的土層路塹邊坡。右側(cè)邊坡為緩單面坡地形，右高左低，土層厚度達20 m，開挖邊坡高度約14 m，土層山坡高達35 m。施工圖坡腳設(shè)膨脹土路塹擋土墻，墻高均為3 m，墻頂平臺寬2 m；邊坡分級開挖，第一級墻頂邊坡按1∶1.5刷坡，第二級邊坡按1∶1.75刷坡，中間分級平臺寬2 m；邊坡坡面采用人字形截水骨架內(nèi)灌草護坡防護，主骨架凈距6 m，人字型骨架凈距5 m。施工圖設(shè)計代表性斷面如圖1所示。

2 工程病害發(fā)生原因、特征

2.1 施工開挖過程及變形情況

路塹開挖至路肩下側(cè)溝底標高、擋墻及邊坡防護工程均已完成，當年7月15日～20日，雙牌縣連降暴雨，21日雨后發(fā)現(xiàn)擋墻移位變形，沿沉降縫推移產(chǎn)生錯臺，墻頂線最大向外推移10 cm，并有5處裂縫。在擋墻中部，距線路100 m外的山坡上發(fā)現(xiàn)了15 cm～20 cm寬的裂縫，擋墻兩端的山坡上有5 cm左右寬的裂縫，往下延伸至一級護坡平臺上，為一條圈椅狀的裂縫，長約為270 m，寬為5 cm～30 cm，深度0.3 m～2 m。

2.2 路塹邊坡開裂變形原因分析

該開裂變形體分布于D3K55+980～D3K56+130段路基右側(cè)開挖邊坡處，開裂變形體周界地貌形態(tài)呈圈椅狀，開裂變形體前緣邊界為路基右側(cè)側(cè)溝，前緣出現(xiàn)許多微裂縫，后緣及兩邊邊界為開裂變形后形成的一條圈椅狀的裂縫，寬0.05 m～0.3 m，深0.3 m～2.0 m。軸向長約110 m。寬100 m～150 m、厚度為6 m～18 m。物質(zhì)成分為弱膨脹上，硬塑狀，局部為軟塑狀，土質(zhì)不均，含10%～40%的灰?guī)r、砂巖質(zhì)碎石、角礫，粒徑為2 mm～200 mm，局部含有漂石，φ=200 mm～300 mm。其底部主要為薄層軟塑狀的弱膨脹土。變形體下部縱坡前緣坡度有反翹，中部平均坡度為3°～9°，后部～后壁坡度為30°～50°。

開裂變形的成因分析：

1)路基施工開挖后，線路右側(cè)山體形成臨空面，邊坡土體易失穩(wěn)。

2)地表土為弱膨脹土，具有遇水膨脹，失水收縮、開裂的特征。失水時收縮、開裂，破壞土體結(jié)構(gòu)，增加土體空隙，利于水的下滲；遇水時膨脹、軟化，降低土體力學(xué)強度，有利于開裂變形體的形成[3]。

3)擋墻施工完成后，個別泄水孔排水不暢，導(dǎo)致地下水浸泡土體。形成了軟塑土，大大降低了土體力學(xué)強度；同時路塹右側(cè)側(cè)溝在施工過程中嚴重積水，導(dǎo)致地表水下滲，浸泡擋墻基礎(chǔ)，降低擋墻基底承載力，從而有利于土體向臨空面剪出而造成山體開裂變形。

4)由于連下大暴雨，大量降水補給土體內(nèi)地下水，不僅增加土體重量，降低其抗剪強度，其水壓力也促使土體產(chǎn)生滑動。

2.3 山體整體性評價及危害

在線路中心～右側(cè)110 m范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)有裂縫，線路左側(cè)及右側(cè)110 m以外未見裂縫及地表其他變形跡象。鉆探揭示在基巖面表層分布有0 m～3 m受水浸泡成軟塑狀的土層。滑動面尚未形成，但開裂、變形仍在進行中，其范圍和深度有進一步擴大的可能[4-5]。

由于測段上層為弱膨脹土，膨脹土具有遇水膨脹，失水收縮、開裂的特征。如遇更大的暴雨，下部土體結(jié)構(gòu)會受到更嚴重破壞，土體力學(xué)強度降低更大，大量降水更容易補給土體內(nèi)地下水，更加增大土體重量，加之線路中心附近已形成了臨空面，右側(cè)土體可能沿更深的基巖面上的軟塑土層向路基開挖面剪出，從而形成更深層的滑坡[6]。

3 地質(zhì)補勘情況

3.1 工程地質(zhì)情況

②灰?guī)r夾泥質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r(D2q)：灰色、深灰色、灰白色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中～厚層狀，鈣質(zhì)膠結(jié)，含少量方解石脈，節(jié)理、裂隙較發(fā)育，節(jié)理面見鐵銹色，溶蝕較嚴重，強風(fēng)化帶(W3)厚0 m～4 m，鉆出巖心呈碎塊狀，屬Ⅳ級軟石；弱風(fēng)化(W2)鉆出巖心呈柱狀，少量碎塊狀，節(jié)長0.05 m～0.40 m，屬Ⅴ級次堅石。

3.2 水文地質(zhì)情況

段內(nèi)地表水主要為瀟水河水、溝水及坡面徑流。瀟水河常年有水，流量較大，受季節(jié)影響較大，由大氣降水補給。區(qū)內(nèi)大氣降雨豐富，植被發(fā)育，降雨時常形成地表片流。

地下水主要為第四系土層孔隙潛水及基巖裂隙水、巖溶水。由于土層中含較多的碎石、角礫，以及局部土層為漂石土、碎石土，因此土層中儲存有豐富的孔隙潛水。下伏基巖為灰?guī)r夾泥質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r，巖溶中等發(fā)育，巖溶水較豐富，但其分布具不均一性。地下水主要受大氣降雨及地表水補給，受季節(jié)影響較大。

4 病害整治措施

4.1 路塹滑坡穩(wěn)定性分析及推力計算

1)滑帶土力學(xué)指標參數(shù)。

根據(jù)滑坡處于蠕動變形拉裂階段，本次對D2K56+060斷面的滑面按臨界穩(wěn)定狀態(tài)(K=0.98)進行反算，取土層容重γ=20 kN/m3，反算結(jié)果為c=7 kPa，φ=11.82°。

2)滑坡推力計算。

滑坡穩(wěn)定性計算以極限平衡法為主，滑坡推力計算按傳遞系數(shù)法考慮，推力計算安全系數(shù)K=1.25。滑坡推力計算中，采用滑面指標臨界穩(wěn)定狀態(tài)(K=0.98)反算值，D2K56+060斷面滑坡推力計算結(jié)果為431 kN/m。

4.2 工程(整治)措施

路塹邊坡病害代表性橫斷面示意圖見圖2，路塹邊坡病害平面設(shè)計示意圖見圖3。

1)D3K55+989.38～D3K56+121.38段右側(cè)長132.00 m，距線路中心13.75 m或13.50 m的墻頂路塹邊坡半坡處設(shè)置抗滑樁，共23根，樁間距6 m，樁截面1.75 m×2.5 m～1.75 m×2.75 m，樁長20 m～26 m，樁身采用C30混凝土灌注。鎖口及護壁采用C20混凝土灌注。

2)D3K55+985～D3K56+155段右側(cè)長170 m，設(shè)置膨脹土路塹擋土墻，高度均為3.0 m。擋土墻墻身采用C15片石混凝土澆筑。墻身沿線路方向每隔5 m～15 m設(shè)置一道伸縮縫，縫寬0.02 m～0.03 m，縫內(nèi)沿頂、內(nèi)、外三邊填塞瀝青木板，其深度不小于0.2 m，墻背設(shè)0.50 m厚砂夾卵石反濾層。墻頂背部夯填黏土，厚0.5 m、高0.5 m。反濾層底部夯填黏土，厚0.5 m、高0.3 m。擋土墻每隔2 m～3 m上下左右交錯設(shè)置泄水孔，并呈梅花形布置，泄水孔采用寬0.1 m，高0.15 m的矩形孔，確保泄水孔水流暢通。

3)D3K55+980～D3K56+155段右側(cè)長175 m，放緩路塹邊坡坡率，邊坡分級開挖，各級邊坡均按 1∶2 刷坡，墻頂平臺及中間分級平臺均按2.0 m設(shè)置；邊坡坡面采用人字形截水骨架內(nèi)灌草護坡防護，主骨架凈距6 m，人字型骨架凈距5 m。

4)D3K55+986.6～D3K55+145段右側(cè)長158.4 m，右側(cè)擋墻頂上路塹邊坡設(shè)支撐滲溝，支撐滲溝設(shè)在人字型截水骨架主骨架位置，每隔一道主骨架設(shè)一道支撐滲溝，總共13道。支撐滲溝的平面軸線方向與線路垂直，其軸線為人字型截水骨架內(nèi)灌草護坡主骨架軸線位置。

5)D3K55+980～D3K56+155段右側(cè)長175 m，右側(cè)路塹邊坡一級平臺(墻頂平臺)上設(shè)半坡平臺截水溝， D3K55+986～D3K56+149段右側(cè)長163 m，右側(cè)路塹邊坡二級平臺上設(shè)半坡平臺截水溝，將水引入天溝或側(cè)溝中排出。加強塹頂外天溝的疏通，各項排水措施注意高程的順接，確保排水順暢[7]。

4.3 施工順序

1)本段路基工程施工前，需將路塹邊坡及自然山體邊坡的諸多裂縫，采用黏土人工夯填密實，避免地表水流下滲。

2)先施工天溝，作好地表排水。

3)先施作路塹邊坡半坡處抗滑樁(分兩次施作、間樁施工)，待樁身混凝土達到設(shè)計強度的85%，且檢測合格后，拆除已變形的路塹擋土墻，并及時立模澆筑擋土墻。

4)隔樁開挖樁井，設(shè)置鎖口，在土層及風(fēng)化破碎巖層中及時設(shè)置護壁，并一次性連續(xù)灌注抗滑樁，注意井下排水通風(fēng)，確保人身及財產(chǎn)安全[8-9]。

5)抗滑樁施工完畢均需進行成樁質(zhì)量檢測。

5 工程整治效果

采用上述工程措施解決了該段路塹邊坡穩(wěn)定問題。鐵路開通運營至今，歷經(jīng)多次強降雨，該段路塹邊坡均未出現(xiàn)異常，加固效果良好，如圖4所示。

6 工程體會及建議

1)勘察資料的正確性、準確性是路基設(shè)計的關(guān)鍵，尤其是地質(zhì)基礎(chǔ)資料，建議加強地質(zhì)鉆探、試驗及調(diào)繪工作，加強路基現(xiàn)場調(diào)查工作。

2)具膨脹性的土層，雖然達不到弱膨脹土對應(yīng)的技術(shù)指標、尤其具斜坡的地形，在施工開挖過程中，出現(xiàn)病害的概率較高，建議工程措施適當加強。

3)弱膨脹土，尤其是深厚(或具斜坡的地形)弱膨脹土路塹坡腳，應(yīng)設(shè)置預(yù)加固樁間擋土墻或樁板墻、邊坡坡率宜放緩、分級設(shè)置邊坡平臺、設(shè)置錨桿框架梁等措施。

4)合理地選擇施工季節(jié)對邊坡的穩(wěn)定也很重要，膨脹土邊坡施工須在旱季進行，禁止在雨季施工。

5)膨脹土地段邊坡設(shè)計應(yīng)有完善的排水系統(tǒng)，防止表水下滲，浸泡軟化土體。宜采用塹頂外環(huán)形截水溝，邊坡支撐滲溝、平臺截水溝，墻背加厚反濾層等措施，并注意與路基側(cè)溝、排水管、涵洞等的相互銜接，形成有效暢通的排水系統(tǒng)。