某城际铁路高边坡病害特征及加固措施研究_杭红星.pdf

DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202211037开放科学（资源服务）标识码（OSID）某城际铁路高边坡病害特征及加固措施研究杭红星（中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉430063）摘要：依托某城际铁路高边坡变形病害工程，通过工程地质、水文地质调查和现场边坡稳定性评价、数值计算等方法，分析边坡发生变形病害原因并提出加固补强方案。研究表明：边坡坡面发育蚀变凝灰岩破碎带，破碎带内局部岩块破碎，带中存在风化呈高岭土化的土状风化物及碎石土，具弱膨胀潜势；坡脚受多方向结构面切割发生楔形崩塌破坏等是引起坡面发生变形的主要原因，现状边坡处于整体基本稳定、局部欠稳定-不稳定状态。提出基于现状边坡的局部加固补强方案，坡面采用承压板锚索加固，边坡平台设钢筋混凝土锚固桩。关键词：高陡边坡；破碎带；楔形破坏；稳定性评价；压力分散型锚索中图分类号：U213.1+3文献标志码：A文章编号：1003 8825(2023)03 0206 05 0 引言我国现行建筑边坡工程技术规范规定：超过 30 m 以上边坡应进行专项设计，需采取有效、可靠加固措施1。随着城市建设的发展，不可避免地会遇到受建筑用地红线制约和建设场段需要开挖山体形成高陡边坡，如怀化枢纽站前工程需开挖124 m 超高边坡2，土石方挖方量高达 2 100 万 m3。高陡边坡地质条件复杂，极易导致边坡变形失稳，开展高陡边坡的稳定性分析及加固措施研究显得十分重要3。边坡稳定性评价采用定性和定量分析相结合的方法进行，国内外提出了多种边坡安全性评价方法，在边坡稳定性评价中得到了不同程度应用，以极限平衡状态法和数值分析法4-7为代表的定量分析法，以自然（成因）历史分析法、工程类比分析法、图解法8-10等为代表的定性分析方法等。某城际铁路车辆段高陡边坡坡脚有重要建筑物和铁路走行线，边坡需保持长期稳定，一旦破坏，影响和后果很严重。如何深化认识高陡边坡工程地质条件，分析边坡稳定性，选取经济合理支护设计方案，具有重要的工程价值和社会意义。1 边坡工程设计概况车辆段属丘陵地貌，地形起伏较大，原地面高程 11.0117.0 m，场坪设计高程 32.0 m，边坡堑顶高程 85.0 m，工程建成后南侧会形成高度53.0 m、长度 320.0 m 的高边坡，边坡工程安全等级一级1。边坡开挖面全景，见图 1。西段东段西段东段图1边坡开挖面全景 丘坡地势较高处可见基岩出露地表，岩性以侏罗系劳村组流纹质熔结凝灰岩为主，强-中风化，岩质坚硬，岩体较完整，中风化饱和单轴抗压强度标准值 59.1 MPa，工程地质条件较好。流纹质熔结凝灰岩，以灰紫色、浅灰色为主，含晶屑玻屑塑变凝灰结构，块状构造，假流纹构造，晶屑含量20%左 右，形 态 为 碎 屑 状，粒 度 大 小 一 般0.51.5 mm，含量不多，分布不均匀，成分主要为长石、石英少量。玻屑已脱玻变为长英质矿物，形态模糊不清，但仍可见假流纹状构造。根据建筑边坡工程技术规范（GB 503302013）第 4.1.4 条，以强风化熔结凝灰岩为主的边坡岩体类型为级，以中风化凝灰岩为主的边坡岩体类型为级。边坡场地设计地震动峰值加速度为 0.05 g，地震动加速度反应谱特征周期 0.35 s。边坡地下水为基岩裂隙水，赋存于基岩裂隙中，其含水量主要取决于裂隙发育程度和裂隙联通 收稿日期：2023 01 24作者简介：杭红星（1985），男，浙江杭州人。高级工程师，主要从事铁路地质路基勘察设计研究工作。E-mail：。路基工程 206 Subgrade Engineering2023 年第 3 期（总第 228 期）性。据现场调查，稍大的裂隙一般以原生裂隙为主，多呈闭合状，少量在人工开挖和自然（岩石重力、风化）作用下呈半张开状，风化、构造裂隙稍发育，联通性差，含水量小，水力联系差。路基边坡防护设计遵循因地制宜、安全可靠、经济适用、易于管护、兼顾景观的原则11。边坡工程主要采用桩板式挡土墙联合锚杆框架梁防护措施，边坡设计坡率 11，边坡分级高度 810 m，锚杆框架梁内采用喷混植生绿色防护，边坡典型设计横断面，见图 2。C35钢筋混凝土 桩板墙五级边坡C25混凝土拱型截水 骨架内喷播植草、种灌木2.02.05.02.05.012.032.085.00-2粉质黏土混砾石-b-2强风化凝灰岩-b-3中等风化凝灰岩 一四级边坡锚杆框架加固堑坡框架内喷混植生 一四级边坡锚杆框架加固堑坡框架内喷混植生L=12图2边坡典型设计横断面（单位：m）2020 年 8 月雨季，巡查发现 2 级边坡顶平台（高程约 58 m）出现环形张拉裂缝，裂缝延展长度 212 m 不等，裂缝宽度 0.52.0 cm不等，见图 3。JDK0+190 附近 1 级边坡坡脚岩体发生坍塌，形成崩塌体，体积约 40 m3。现场立即采取坡脚回填反压的应急处理方案，反压完成后经裂缝观测，未继续出现明显扩张现象。图3二级边坡顶平台环形张拉裂缝 2 病害原因分析及稳定性评价现状边坡高 53 m，属岩质边坡，边坡上缓下陡，总体坡度 4247。坡脚呈直立状，高约810 m，坡脚支护工程尚未全部完成。大部分开挖坡面及坡脚附近基岩出露，坡面岩性主要为熔结凝灰岩、蚀变熔结凝灰岩，节理裂隙发育，岩体较破碎。现场调查发现：边坡发育多组节理，节理面多平直、粗糙，多数节理面缝宽 25 mm，无充填或岩屑充填，部分破碎带区域缝宽 12 cm，黏性土充填，局部有渗水。采用倾向节理玫瑰花图12对边坡节理进行统计，见图 4，发生变形病害的边坡区段优势节理面有 J2 节理 13569、J3 节理17576。图4边坡倾向玫瑰花图 当热液或流体作用于岩石时，两者之间发生化学反应及物质交换作用，其结果导致岩石中部分或者全部原始矿物消失和新矿物的形成，即成为蚀变岩。蚀变作用降低了岩体的物理力学性质，劣化了其工程地质特性13。强风化蚀变熔结凝灰岩呈青灰色、紫灰色、灰绿色，原岩组织结构大部分已破坏，岩芯一般呈碎石状、碎块状或短柱状，手可掰开，矿物成分以长石、石英、火山碎屑、方解石及少量云母为主，裂隙发育一般，裂隙面多由方解石、氧化产物及次生矿物填充。造岩矿物中的黑云母、方解石、辉石等黏土矿物已风化蚀变，大部分已绿泥石化，蚀变熔结凝灰岩典型照片，见图 5，蚀变熔结凝灰分布受断裂构造的控制，多分布在断裂、节理周围，具分带特征。图5蚀变熔结凝灰岩典型照片 坡面发育两条破碎带，破碎带主结构面 J1 产状15345，主破碎带和次破碎带楔形交汇于坡脚，造成坡脚局部岩体崩塌失稳，坡面蚀变凝灰岩破碎带发育，见图 6。破碎带中局部岩块破碎，带中存在风化呈高岭土化的土状蚀变熔结凝灰岩风化物及碎石土。取土状风化物进行自由膨胀率试验和蒙脱石含量检测，数据显示自由膨胀率 23.0%71.0%，平均值 48.3%，蒙脱石含量 5.4%40.0%，平均值 28.2%，属弱膨胀潜势。采用赤平投影法分析边坡稳定性，见图 7。坡面倾向 39倾角 45，与主要结构面 J1 倾向大角度正交，主要结构面倾向有利于坡面稳定，产状面属于稳定结构面。J2 和 J4 倾向为该边坡主滑动方杭红星：某城际铁路高边坡病害特征及加固措施研究 207 向，J3 为切割面，边坡易沿着 J3 面形成楔形切割产生较多危岩块，同时该段破碎带中局部风化物呈碎石土或土状，局部坡体易沿风化土体底面发生浅层滑动，最终形成局部崩塌。58 m标高平台58 m标高平台东段崩塌失稳崩塌失稳西段图6坡面蚀变凝灰岩破碎带发育 ONESW边坡：3945结构面J1产状：15345节理J2：13569节理J3：17576节理J4：30072图7边坡赤平投影分析 通过以上分析，认为自然工况下该段边坡整体处于基本稳定状态，在局部蚀变熔结凝灰岩破碎带发育区处于欠稳定-不稳定状态。蚀变熔结凝灰岩坡面岩体浸水后易软化，岩石强度急剧下降，失水后易干缩崩解。边坡施工过程中，坡脚形成开挖陡坎，局部存在临空面。开挖后灰绿色风化蚀变熔结凝灰岩受雨水浸泡，长时间裸露，1 级边坡处局部出现楔形破坏崩塌体，见图 8。崩塌崩塌图8楔形破坏崩塌体 3 边坡稳定性计算及加固方案设计 3.1 计算模型36 级边坡出露全-强风化蚀变熔结凝灰岩，岩质极软，可采用圆弧滑动法分析边坡稳定性1。运用 Geo-Slope 软件建立边坡稳定性分析模型，选用 Bishop 法进行计算。工况组合为：工况 1，天然工况（自重）；工况 2，暴雨工况（自重+50 年一遇暴雨状态）。3.2 计算参数根据室内土工试验、原位测试结果并结合地区经验综合取值，设计参数建议值，见表 1。表1边坡治理设计参数建议值名称重度/（kNm3）天然饱和黏聚力c/kPa内摩擦角/（）黏聚力c/kPa内摩擦角/（）全风化蚀变熔结凝灰岩层18.028152010强风化蚀变熔结凝灰岩层20.035202515中风化凝灰岩层24.9130307025 3.3 稳定性分析结果建筑边坡工程技术规范（GB 503302013）规定：1 级边坡一般工况下稳定安全系数不小于1.35；根据滑坡防治工程设计与施工技术规范（DZ/T 02192006），按照一般滑坡防治工程级别为级，自重+暴雨工况安全系数1.051.10。结合边坡高度、重要性等级确定不同工况下最小安全系数控制标准，边坡稳定性计算（暴雨工况），见图 9。边坡稳定性计算结果，见表 2。114323436383 103 1231049484746454443424高程/m距离/m（22）b3层中风化凝灰岩-饱和蚀变破碎带（全-强风化蚀变凝灰岩）-饱和0.990图9现状边坡稳定性计算（暴雨工况）表2现状边坡稳定性计算结果工况荷载组合最小安全系数 计算安全系数 稳定状态天然工况自重1.351.32基本稳定暴雨工况 自重降雨1.100.99不稳定 天然工况下边坡稳定安全系数 1.32，处于基本稳定状态。暴雨饱和工况下边坡稳定安全系数0.99，处于不稳定状态，边坡需加固整治。3.4 整治措施边坡处于整体基本稳定、局部欠稳定-不稳定的状态，若重新刷方施工支挡防护措施会产生较大的废弃工程，经比选采用基于现状边坡状态局部加固补强的方案。针对蚀变熔结凝灰岩遇水后强度极剧下降的特点，采用锚喷混凝土对裸露的破碎带进行封闭，锚喷混凝土封闭坡面示意，见图 10。结合工程地质条件，调整中风化蚀变熔结凝灰岩区、破碎带区桩板墙结构截面尺寸、间距和长度，由原设计桩长 1214 m 调整为 1219 m 不等，桩间距局部调整为 5 m。桩顶以上一级边坡锚杆框架梁结构调整为锚索框架梁加固，锚索纵向、竖向间距 3.0 m，锚索设计锚固力 400 kN。路基工程 208 Subgrade Engineering2023 年第 3 期（总第 228 期）180水泥砂浆杆头弯折镀锌钢丝网第一次喷射混凝土第二次喷射混凝土20HRB400钢筋20图10锚喷混凝土封闭坡面示意（单位：cm）桩顶以上二级边坡顶平台增设 C35 钢筋混凝土锚固桩，长 15 m，截面尺寸 2.00 m2.25 m。桩顶以上二级边坡，中风化蚀变熔结凝灰岩、破碎带等出露区域，在已施工完毕的框架锚杆框格梁中央增加承压板锚索，承压板尺寸 1.5 m1.5 m；边坡加固措施典型断面，见图 11。12.0C35钢筋混凝土 锚固桩原设计锚杆中等风化凝灰岩全-强风化蚀变凝灰岩强风化蚀变凝灰岩承压板锚索中等风化凝灰岩中等风化凝灰岩L=20L=35L=29L=27L=21L=18L=17L=16L=15图11边坡加固措施典型断面（单位：m）为解决破碎岩体中当锚固长度大于 810 m后承载力的增加非常有限甚至无任何增加，无法在破碎岩体地层中获得较高的锚固力等问题14，锚索长度大于 30 m 时采用压力分散型锚索形式，将锚索总的锚固力以压力性质分散作用于不同深度的岩土体上，适宜于膨胀性软岩边坡永久加固15。压力分散型承压板锚索孔径 150 mm，锚索长 35 m，锚固段长度 27 m，锚索设计吨位 450 kN，锚索采用 6 根直径 15.24 mm、强度 1 860 MPa