石太客运专线某桥基高边坡稳定分析及防护加固设计

黄 健 冷景岩

(铁道第三勘察设计院集团有限公司, 天津 300251)

1 工程概况

石太客运专线跨314省道2号特大桥，位于山西省阳曲县范庄村东南,该桥某墩左侧边坡陡峻,最大边坡高度达80余m。由于坡脚水沟长期冲刷切蚀,造成沟底岩石淘空,上部的土层和岩体沿高陡边坡向下错落坍塌,对施工安全及行车运营安全产生隐患。为了确保桥基工程安全,消除安全隐患,需对该边坡进行防护加固处理。

2 工程地质条件

2.1 地形地貌

桥址区地处低中山,大桥斜跨古河谷,两岸沟壁陡立,上部覆盖黄土层。314省道顺沟而行,线路斜跨314省道,坡高80余m。地形起伏不平,多为灌木植被覆盖。

2.2 地层岩性

(1)第四系上更新统坡洪积层

新黄土：坚硬—硬塑,具大孔隙及直立性,垂直节理发育,表层具湿陷性。

(2)上第三系上新统保德组

粉质黏土：硬塑—坚硬,土质较均匀,土质结构紧密,含铁锰氧化及白色钙质斑块。

粗圆砾土：稍密—中密,稍湿—饱和,圆砾主要成分为灰岩,呈透镜体状分布。

(3)奥陶系中统上马家沟二段

本工程施工对象为大型水坝，具体内容涵盖坝顶溢流表孔的打造、发电引水系统的建设及供水管道的铺设等。其中，大坝采用的是双曲拱坝结构，施工工艺选用的是碾压混凝土方式，运用C20碾压混凝土实现大坝主体的施工，以混凝土加水时开始计算，周期应满90d，见图1。

石灰岩：中厚层状构造,隐晶质结构,节理裂隙发育,弱风化—微风化,呈块状、大块状,局部有轻微溶蚀现象。

2.3 桥址区地质构造分析

桥址区正好位于奥陶系与上第三系分界处,构造运动强烈。

2.4 不良地质

(1)错落和坍塌

桥址区沟口、边坡坡脚普遍存在错落坍塌体,并且边坡表面分布大小不一的块石。

(2)软弱结构面

边坡灰岩岩层间存在泥化夹层,泥化夹层厚度不等,长大贯通节理也多被泥质充填,均对边坡稳定产生一定影响。

3 边坡稳定性分析

314省道2号特大桥地处低中山,桥址表层覆盖第四系坡洪积层，下伏奥陶系中统上马家沟组石灰岩,桥址岩层倾向坡外,区域地质构造形迹错综复杂。岩体结构破碎,节理密集,泥化夹层和节理充填物发育。现场实测、室内岩土样抗剪强度试验表明，泥化夹层及节理充填物具有中等膨胀性,且强度较低,在地震、饱水状态下边坡易失稳。

3.1 计算软件及采用方法

本次计算采用Geo-slope边坡稳定性分析软件,计算方法采用该软件提供的Janbu法,Janbu法能满足全部力矩和力的平衡条件,破坏模式可以是任意形状；岩土体均采用常用的Mohl-coulomb模型。

3.2 破坏位置及破坏模式

3.3 参数选择

边坡稳定性分析中计算参数一般有室内试验法、现场试验法、经验参数法和反算指标法。室内试验获得的物理力学参数见表1。

其他参数：黄土、粉质黏土容重取19 kN/m3,灰岩容重取26 kN/m3,本地区为0.2g地震区。

4 稳定性计算

4.1 破坏位置及模式

通过分析,该边坡潜在破坏面有土层内圆弧破坏、土岩分界面和沿泥化夹层,根据3个潜在破坏位置，选择3个代表性断面进行稳定性计算。土层内破坏选择8-8断面、土岩分界面破坏选择5-5断面,将土岩分界面作为潜在滑动面。泥化夹层破坏选择6-6断面进行稳定性计算,将最底层泥化夹层作为潜在滑动面。边坡岩体受长大贯通节理切割,黄土中垂直节理发育,后缘按自然坡度35°左右控制(如图1、图2、图3所示)。

图1 土层内破坏模式(单位：m)

图2 土岩分界面破坏模式(单位：m)

图3 沿泥化夹层破坏模式(单位：m)

经计算分析,在选用相同的岩土体物理力学参数下,沿石灰岩泥化夹层发生折线型破坏稳定系数最低,故本次选择沿泥化夹层破坏位置进行分析计算,然后对各断面进行计算,确定各断面稳定系数。

4.2 各种工况条件下稳定性计算

(1)考虑地震力作用

考虑地震力作用，各剖面顺层滑动稳定性系数如表2、表3所示。

表2 含水量20％各剖面顺层滑动稳定性系数

表3 饱和状态(含水量27％)各剖面顺层滑动稳定性系数

(2)不考虑地震力作用

不考虑地震力作用，各剖面顺层滑动稳定性系数如表4、表5所示。

表4 含水量20％各剖面顺层滑动稳定性系数

表5 饱和状态(含水量27％)各剖面顺层滑动稳定性系数

本次综合考虑了室内试验获得的参数和经验参数,并最终以反算指标确定计算参数。由于该边坡已经开挖暴露很久,且经过了一个雨季,目前没有发现变形迹象。根据相关工程经验,可以假定这种状态下边坡稳定系数为1.10,结合工程地质勘察报告，稳定性评价报告确定泥化夹层的c值,反求φ值,经过6-6断面多次试算，确定滑面力学参数r=25,c=25,φ=17。

5 防护加固设计

综合考虑本地区工程地质条件、水文地质条件和气候条件及岩层产状和软弱结构面位置及分布情况,对该坡体选用泥化夹层20％含水量和饱和状态时两种峰值强度平均值参数,采用GEO-SLOPE软件和理正软件进行加固稳定性分析,考虑地震作用时,稳定安全系数不小于1.15,计算结果每延米需要900 kN锚固力。不考虑地震作用,稳定安全系数不小于1.25；计算结果每延米需要600 kN锚固力。计算断面如图4所示。

图4 7号、8号墩左侧边坡断面(单位：m)

承台外留36 m平台,对坍塌体进行全部清除,分级刷坡,级高8 m；下部灰岩坡率1∶0.75,中上部灰岩坡率1∶1.0,每级留有2 m平台；坡体上部新黄土和粉质黏土坡率1∶1.25,岩土分界面留4 m宽平台。利用表1参数,采用GEO-SLOPE软件和理正软件对刷方后边坡进行稳定性计算,计算结果见表2至表5。

当坡体含水量较高时,岩体结构面间充填物抗剪强度大大降低,坡体处于欠稳定状态,需要对边坡进行加固防护处理。对不稳定部位采用预应力锚固工程进行加固；为防止地表水渗入坡体边坡,全部坡面采用浆砌片石护墙或护坡防护,堑坡顶部及边坡每级平台设截水沟。

6 结论

本工点为顺层高边坡,边坡高陡，岩体节理发育，且节理充填泥化夹层,导致边坡稳定性较差。通过工程地质分析,结合计算确定了该边坡稳定性控制因素为层间泥化夹层。利用室内试验和指标反算确定了岩土体及泥化夹层结构面的物理力学参数,然后采用

GEO-SLOPE软件和理正软件对饱水和常态下，在有无地震作用下进行稳定性分析和加固设计计算,进而确定了技术可行、经济合理的设计方案。

该边坡已于2008年末施工完毕,目前状态良好,未发现有坡体变形痕迹,验证了防护加固措施的可靠性。

[1]TB10025—2006,铁路路基支挡结构设计规范[S]

[2]TB10001—2005,铁路路基设计规范[S]

[3]GB50330—2002,建筑边坡工程技术规范[S]

[4]TB10012—2001,铁路工程地质勘察规范[S]

[5]GB50011—2001,建筑抗震设计规范[S]