斜坡膨胀土路堑病害形成原因及整治案例分析
时间：2023-04-21 16:40:04 来源：千叶帆 本文已影响人
王开云
(中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031)
膨胀土在我国分布广泛，其遇水膨胀、失水收缩、开裂的特征，给铁路、公路、市政、房建等工程经常造成病害，造成严重的经济损失。本文以洛阳至湛江铁路D3K55+985～D3K56+155段右侧膨胀土路堑边坡病害整治为例，对滑坡病害形成原因进行分析，通过稳定分析计算，采取设置抗滑桩、膨胀土挡墙、截水沟、放缓边坡、边坡设置截水骨架、支撑渗沟等措施进行综合整治加固，历经多次强降雨考验，至今未出现异常，可为类似铁路边坡病害整治提供借鉴[1-2]。
1.1 地形概况
本段位于双牌县龙泊中学的西南边附近，属低山、丘陵和河流高阶地地貌，地形左低右高，相对高差达100 m，自然横坡一般15°～40°。线路左侧公路下～线路右侧约160 m为高阶地，地形起伏不大，为缓坡地带，线路右侧160 m外山坡坡度较陡。坡面杂草、树木丛生，植被发育。该山体小里程端和大里程端各有一条小型冲沟，平时无水，雨季才有水。
1.2 施工图情况
1.2.1 地质情况
2)灰岩夹泥质灰岩(D2q)：深灰、灰色，隐晶质结构，中厚层状，致密坚硬，性脆，弱风化(W2)。
段内地下水为第四系土层中的土壤孔隙潜水，含量甚微。基岩中的基岩裂隙水埋藏较深，未见地下水露头。
1.2.2 设计情况
D3K55+985～D3K56+155段为典型的土层路堑边坡。右侧边坡为缓单面坡地形，右高左低，土层厚度达20 m，开挖边坡高度约14 m，土层山坡高达35 m。施工图坡脚设膨胀土路堑挡土墙，墙高均为3 m，墙顶平台宽2 m；
边坡分级开挖，第一级墙顶边坡按1∶1.5刷坡，第二级边坡按1∶1.75刷坡，中间分级平台宽2 m；
边坡坡面采用人字形截水骨架内灌草护坡防护，主骨架净距6 m，人字型骨架净距5 m。施工图设计代表性断面如图1所示。
2.1 施工开挖过程及变形情况
路堑开挖至路肩下侧沟底标高、挡墙及边坡防护工程均已完成，当年7月15日～20日，双牌县连降暴雨，21日雨后发现挡墙移位变形，沿沉降缝推移产生错台，墙顶线最大向外推移10 cm，并有5处裂缝。在挡墙中部，距线路100 m外的山坡上发现了15 cm～20 cm宽的裂缝，挡墙两端的山坡上有5 cm左右宽的裂缝，往下延伸至一级护坡平台上，为一条圈椅状的裂缝，长约为270 m，宽为5 cm～30 cm，深度0.3 m～2 m。
2.2 路堑边坡开裂变形原因分析
该开裂变形体分布于D3K55+980～D3K56+130段路基右侧开挖边坡处，开裂变形体周界地貌形态呈圈椅状，开裂变形体前缘边界为路基右侧侧沟，前缘出现许多微裂缝，后缘及两边边界为开裂变形后形成的一条圈椅状的裂缝，宽0.05 m～0.3 m，深0.3 m～2.0 m。轴向长约110 m。宽100 m～150 m、厚度为6 m～18 m。物质成分为弱膨胀上，硬塑状，局部为软塑状，土质不均，含10%～40%的灰岩、砂岩质碎石、角砾，粒径为2 mm～200 mm，局部含有漂石，φ=200 mm～300 mm。其底部主要为薄层软塑状的弱膨胀土。变形体下部纵坡前缘坡度有反翘，中部平均坡度为3°～9°，后部～后壁坡度为30°～50°。
开裂变形的成因分析：
1)路基施工开挖后，线路右侧山体形成临空面，边坡土体易失稳。
2)地表土为弱膨胀土，具有遇水膨胀，失水收缩、开裂的特征。失水时收缩、开裂，破坏土体结构，增加土体空隙，利于水的下渗；
遇水时膨胀、软化，降低土体力学强度，有利于开裂变形体的形成[3]。
3)挡墙施工完成后，个别泄水孔排水不畅，导致地下水浸泡土体。形成了软塑土，大大降低了土体力学强度；
同时路堑右侧侧沟在施工过程中严重积水，导致地表水下渗，浸泡挡墙基础，降低挡墙基底承载力，从而有利于土体向临空面剪出而造成山体开裂变形。
4)由于连下大暴雨，大量降水补给土体内地下水，不仅增加土体重量，降低其抗剪强度，其水压力也促使土体产生滑动。
2.3 山体整体性评价及危害
在线路中心～右侧110 m范围内发现有裂缝，线路左侧及右侧110 m以外未见裂缝及地表其他变形迹象。钻探揭示在基岩面表层分布有0 m～3 m受水浸泡成软塑状的土层。滑动面尚未形成，但开裂、变形仍在进行中，其范围和深度有进一步扩大的可能[4-5]。
由于测段上层为弱膨胀土，膨胀土具有遇水膨胀，失水收缩、开裂的特征。如遇更大的暴雨，下部土体结构会受到更严重破坏，土体力学强度降低更大，大量降水更容易补给土体内地下水，更加增大土体重量，加之线路中心附近已形成了临空面，右侧土体可能沿更深的基岩面上的软塑土层向路基开挖面剪出，从而形成更深层的滑坡[6]。
3.1 工程地质情况
②灰岩夹泥质灰岩、泥灰岩(D2q)：灰色、深灰色、灰白色，隐晶质结构，中～厚层状，钙质胶结，含少量方解石脉，节理、裂隙较发育，节理面见铁锈色，溶蚀较严重，强风化带(W3)厚0 m～4 m，钻出岩心呈碎块状，属Ⅳ级软石；
弱风化(W2)钻出岩心呈柱状，少量碎块状，节长0.05 m～0.40 m，属Ⅴ级次坚石。
3.2 水文地质情况
段内地表水主要为潇水河水、沟水及坡面径流。潇水河常年有水，流量较大，受季节影响较大，由大气降水补给。区内大气降雨丰富，植被发育，降雨时常形成地表片流。
地下水主要为第四系土层孔隙潜水及基岩裂隙水、岩溶水。由于土层中含较多的碎石、角砾，以及局部土层为漂石土、碎石土，因此土层中储存有丰富的孔隙潜水。下伏基岩为灰岩夹泥质灰岩、泥灰岩，岩溶中等发育，岩溶水较丰富，但其分布具不均一性。地下水主要受大气降雨及地表水补给，受季节影响较大。
4.1 路堑滑坡稳定性分析及推力计算
1)滑带土力学指标参数。
根据滑坡处于蠕动变形拉裂阶段，本次对D2K56+060断面的滑面按临界稳定状态(K=0.98)进行反算，取土层容重γ=20 kN/m3，反算结果为c=7 kPa，φ=11.82°。
2)滑坡推力计算。
滑坡稳定性计算以极限平衡法为主，滑坡推力计算按传递系数法考虑，推力计算安全系数K=1.25。滑坡推力计算中，采用滑面指标临界稳定状态(K=0.98)反算值，D2K56+060断面滑坡推力计算结果为431 kN/m。
4.2 工程(整治)措施
路堑边坡病害代表性横断面示意图见图2，路堑边坡病害平面设计示意图见图3。
1)D3K55+989.38～D3K56+121.38段右侧长132.00 m，距线路中心13.75 m或13.50 m的墙顶路堑边坡半坡处设置抗滑桩，共23根，桩间距6 m，桩截面1.75 m×2.5 m～1.75 m×2.75 m，桩长20 m～26 m，桩身采用C30混凝土灌注。锁口及护壁采用C20混凝土灌注。
2)D3K55+985～D3K56+155段右侧长170 m，设置膨胀土路堑挡土墙，高度均为3.0 m。挡土墙墙身采用C15片石混凝土浇筑。墙身沿线路方向每隔5 m～15 m设置一道伸缩缝，缝宽0.02 m～0.03 m，缝内沿顶、内、外三边填塞沥青木板，其深度不小于0.2 m，墙背设0.50 m厚砂夹卵石反滤层。墙顶背部夯填黏土，厚0.5 m、高0.5 m。反滤层底部夯填黏土，厚0.5 m、高0.3 m。挡土墙每隔2 m～3 m上下左右交错设置泄水孔，并呈梅花形布置，泄水孔采用宽0.1 m，高0.15 m的矩形孔，确保泄水孔水流畅通。
3)D3K55+980～D3K56+155段右侧长175 m，放缓路堑边坡坡率，边坡分级开挖，各级边坡均按 1∶2 刷坡，墙顶平台及中间分级平台均按2.0 m设置；
边坡坡面采用人字形截水骨架内灌草护坡防护，主骨架净距6 m，人字型骨架净距5 m。
4)D3K55+986.6～D3K55+145段右侧长158.4 m，右侧挡墙顶上路堑边坡设支撑渗沟，支撑渗沟设在人字型截水骨架主骨架位置，每隔一道主骨架设一道支撑渗沟，总共13道。支撑渗沟的平面轴线方向与线路垂直，其轴线为人字型截水骨架内灌草护坡主骨架轴线位置。
5)D3K55+980～D3K56+155段右侧长175 m，右侧路堑边坡一级平台(墙顶平台)上设半坡平台截水沟， D3K55+986～D3K56+149段右侧长163 m，右侧路堑边坡二级平台上设半坡平台截水沟，将水引入天沟或侧沟中排出。加强堑顶外天沟的疏通，各项排水措施注意高程的顺接，确保排水顺畅[7]。
4.3 施工顺序
1)本段路基工程施工前，需将路堑边坡及自然山体边坡的诸多裂缝，采用黏土人工夯填密实，避免地表水流下渗。
2)先施工天沟，作好地表排水。
3)先施作路堑边坡半坡处抗滑桩(分两次施作、间桩施工)，待桩身混凝土达到设计强度的85%，且检测合格后，拆除已变形的路堑挡土墙，并及时立模浇筑挡土墙。
4)隔桩开挖桩井，设置锁口，在土层及风化破碎岩层中及时设置护壁，并一次性连续灌注抗滑桩，注意井下排水通风，确保人身及财产安全[8-9]。
5)抗滑桩施工完毕均需进行成桩质量检测。
采用上述工程措施解决了该段路堑边坡稳定问题。铁路开通运营至今，历经多次强降雨，该段路堑边坡均未出现异常，加固效果良好，如图4所示。
1)勘察资料的正确性、准确性是路基设计的关键，尤其是地质基础资料，建议加强地质钻探、试验及调绘工作，加强路基现场调查工作。
2)具膨胀性的土层，虽然达不到弱膨胀土对应的技术指标、尤其具斜坡的地形，在施工开挖过程中，出现病害的概率较高，建议工程措施适当加强。
3)弱膨胀土，尤其是深厚(或具斜坡的地形)弱膨胀土路堑坡脚，应设置预加固桩间挡土墙或桩板墙、边坡坡率宜放缓、分级设置边坡平台、设置锚杆框架梁等措施。
4)合理地选择施工季节对边坡的稳定也很重要，膨胀土边坡施工须在旱季进行，禁止在雨季施工。
5)膨胀土地段边坡设计应有完善的排水系统，防止表水下渗，浸泡软化土体。宜采用堑顶外环形截水沟，边坡支撑渗沟、平台截水沟，墙背加厚反滤层等措施，并注意与路基侧沟、排水管、涵洞等的相互衔接，形成有效畅通的排水系统。
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