风蚀环境下膨胀性泥岩路堑边坡防护措施应用研究

辛文栋

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

1 工程概况

新建铁路兰新第二双线新疆段位于新疆维吾尔自治区境内，膨胀性泥岩路堑长度57.6 km，占路基长度的23.0%。泥岩广泛分布于盐池北、哈密、吐鲁番盆地西北缘、盐湖等一带，为第三系、白垩系和侏罗系泥岩，成岩作用差，岩质较软，节理裂隙发育，易风化剥落，岩体遇水易崩解，胀缩性大，具弱～中等膨胀性，具有吸水膨胀软化的特性，吸水膨胀时对路基挡护工程产生膨胀力，尤其有地下水时，结构面强度大大降低，易导致路堑边坡失稳［1］。同时泥岩路堑边坡分布于4个大风区(烟墩风区、百里风区、三十里风区、达板城风区)，风力强劲，路堑边坡遭受强风蚀的破坏。

2 路堑边坡防护研究的必要性

(1)线路穿行于4大风区，其风蚀对路基边坡影响很大，需研究膨胀性泥岩区满足风蚀条件的边坡防护工程措施。

(2)研究戈壁干旱区膨胀性泥岩路堑边坡坡率及边坡分级高度，突破《铁路特殊路基设计规范》(TB10035—2006)关于膨胀岩路堑边坡边坡坡率及分级高度的限制，减少土石方及防护圬工工程数量，节省工程投资。

(3)研究戈壁干旱区膨胀性泥岩工程特性，选取能够保证边坡稳定、抗风蚀、节省工程投资以及美观、适应当地自然环境特点的防护形式。采用数值计算与工程实际相结合的方法，参照既有兰新铁路，采用新结构、新技术，勇于创新。

(4)以技术方案攻关为依托，研究新疆戈壁干旱区膨胀性泥岩路基工程的边坡防护方案，为设计积累成功经验，同时可为规范修编提供参考依据。

3 膨胀岩路堑边坡防护现状

膨胀岩中含有亲水矿物，具有吸水膨胀、软化的特点［2］，根据《铁路特殊路基设计规范》(TB10035—2006)及结合多条铁路膨胀岩的路堑边坡防护，基本按以下原则进行设计施工。

(1)膨胀岩地区路基应严格控制边坡高度，避免高路堤及深长路堑。路堤边坡高度不宜超过10 m，路堑边坡高度不宜超过15 m，并应加强稳定边坡措施。

(2)膨胀岩边坡设计应遵循缓坡率、宽平台、加固坡脚和适宜的坡面防护相结合的原则。边坡高度不超过10 m时，边坡坡率及平台宽度可根据边坡的高度和土质按表1设计;边坡高度大于10 m时，边坡坡率及形式应结合稳定性分析计算进行设计。稳定性检算宜采用圆弧法，安全系数不小于1.25［3］。

表1 膨胀岩路堑边坡坡率和平台宽度

(3)路堑边坡防护和加固可依据工程地质条件、环境因素和边坡高度按表2及表3进行设计。骨架净间距不宜大于3.0 m，宽度不小于0.5 m，深度不应小于0.6 m。

表2 膨胀岩路堑边坡防护加固措施

表3 膨胀岩路堑边坡支挡加固措施

4 风蚀边坡防护工程措施研究

4.1 路堑边坡风蚀的特点

路堑边坡风蚀为风对路堑边坡的吹蚀和磨蚀作用。风吹过路堑边坡时，产生紊流，使边坡细粒土离开，从而使路堑边坡遭受破坏，称为吹蚀作用;风紧贴路堑边坡迁移时，沙砾对路堑边坡的冲击、摩擦的作用，称为磨蚀作用。风蚀作用在风日多、风速大的干燥区极为盛行。在泥岩边坡上，经风蚀形成大小不等、形状各异的小洞穴和凹坑［4］。路堑边坡风蚀特点如下。

(1)路堑内风向变化比较紊乱。紊乱程度与路堑边坡坡率、边坡高度以及风向与线路交角大小等有关。如边坡坡率陡于1∶4的情况，则于堑内出现顺线路方向的拉沟风，或称“顺槽风”，边坡愈高，拉沟风愈大;风向与线路的交角愈小，拉沟风愈大。堑顶顺风向层至拉沟风向层之间有一层涡流层(图1)。如边坡坡率缓于1∶4，尤其是在1∶7～1∶8时，气流流线比较平顺(图2)，且产生滑移冲力(由压力差产生的上升力)，路堑边坡遭受吹蚀、磨蚀作用的影响。

(2)边坡坡率愈陡，边坡高度愈高，风速降低愈多。当边坡高2～3 m，边坡坡率1∶0.75，背风坡坡脚30 cm高的风速比远方2 m高的风速降低80%(图3)，路堑边坡遭受吹蚀、磨蚀作用的影响。

图1 路堑风向示意之一

图2 路堑风向示意之二

图3 路堑风速增减率等值线

4.2 风蚀边坡防护工程措施

从路堑边坡防护措施防风蚀的角度考虑，路堑边坡宜采用全坡面的浆砌片石或混凝土的防护措施，彻底阻断风对泥岩边坡的风化及风蚀作用［5］。但对于膨胀岩路堑边坡必须考虑以下问题。

(1)既有兰新线防护现状

既有铁路风区路基边坡并不是全坡面采用混凝土或浆砌片石防护，其防风蚀在路堤地段于路肩下设置了2 m高混凝土块板进行防护，路堑泥岩边坡大多数地段设置了挡土墙，挡土墙以上坡面大多数地段未采用坡面防护措施。结合多年既有线运营经验，路基边坡未因风蚀出现坍塌等事故，但绝大多数泥岩路堑边坡风蚀严重，路堑边坡多出现风蚀凹坑、泥岩风化形成的细粒土下滑至路肩，形成沙害，增加了大量的养护工作量。

(2)泥岩膨胀力的释放问题

泥岩膨胀性的存在使得泥岩边坡在遇水后产生膨胀力，在新疆干旱少雨区，虽然天然降雨量很小，但局部暴雨强度很大，暴雨历时很短，边坡易被水冲破坏，尤其泥岩路堑边坡。泥岩遇水后其膨胀力的释放易造成混凝土或浆砌片石等全面防护工程的开裂损坏。而设置成网格状坡面防护，如空心砖、骨架护坡、空窗式护墙、框架梁等，可使泥岩的膨胀力在网格内有效释放，不会损坏坡面防护工程。也就是说，膨胀力的存在使得泥岩路堑边坡不适用全坡面的防护措施。

(3)规范相关规定的问题

根据铁建设［2009］172号《铁路边坡防护及防排水工程设计补充规定》第二十一条规定:边坡防护设计不得采用全坡面混凝土或浆砌片石防护［6］。

(4)边坡种植植物的问题

因新疆戈壁干旱荒漠区平均降雨量很小，除乌鲁木齐市外其余地段年平均降雨量为16.6～63.2 mm，年平均蒸发量为2 164～4 803 mm，植物存活困难，绝大部分段落边坡均无种植植物的条件，同时泥岩边坡其土质条件也不具备种植植物的条件。

5 边坡坡率及分级高度的研究

膨胀岩路堑边坡的破坏形式多种多样，但从破坏的深度区分，大体可归纳为浅层破坏和深层破坏两类［7］。浅层破坏是指发生在气候影响层内的边坡变形，超过这层厚度的边坡变形便是深层破坏。在考虑边坡的稳定时，应针对这2种破坏类型分别对待。由于浅层破坏是受气候变化、风化程度、裂隙发育程度等因素的影响，其抗剪强度明显低于深部的强度。因此，对于整体边坡(包括浅层和深层)的稳定，如果不考虑边坡防护加固，则需按浅层土质特征考虑边坡坡率。如果考虑边坡防护加固，则浅层的工程地质问题已基本得到解决，只需按深部的地层强度决定边坡坡率，如采用支挡加固工程时也可以用较陡的边坡坡率。对膨胀岩路堑边坡，除考虑膨胀岩本身特性以外，还必须考虑构造环境对膨胀岩结构的影响。

5.1 抗剪强度参数的选用

在路堑边坡稳定分析中，选用抗剪强度参数根据膨胀岩性泥岩的特性、埋藏条件(有无浸水、夹层等)及边坡破坏的性质分别采用不同的设计参数。其参数应通过试验取得，其强度指标应采用低于峰值强度值，当无试验资料时可采用反算和经验指标。

5.2 路堑边坡整体稳定性的计算

膨胀性泥岩路堑边坡整体稳定性计算可采用工程类比法、圆弧法、简易的设计方法［8］3种计算办法进行计算比较，以确定边坡坡率、分级高度以及边坡平台宽度。

(1)工程地质比拟法

在调查统计既有堑坡的基础上，对堑坡的稳定性进行分析和稳定性评价，并作为新设计堑坡的依据之一。另外，还可用数学地质中判别分析方法，建立判别函数，从而对边坡进行定量的稳定性评价，并用于边坡设计。

(2)圆弧法

膨胀岩堑坡的稳定计算，可按圆弧法，选择适当的参数进行计算;此外，还可采用中铁西北科研院裂土堑坡破坏类型及稳定性分析方法的研究建立的数学函数式。该函数式建立在按强度分区的基础上，在一般情况下，该式可以简化为

式中 Kf——安全系数，采用Kf≥1.25;

Wi——i块土条的重力，kN;

ui——i块土条的空隙水压力(在土层中有空隙水存在时才计算);

PX——静水压力，PX=0.5yW·h2W，kN;

Li——土块长度，m;

d——PX至圆心的距离，m;

R——破裂圆的半径，m;

n——C 的折减系数(n=0.6 ～0.8)，这是考虑膨胀土(岩)的三性(裂隙性、超固结性、膨胀性)对强度影响的简化计算方法。

(3)简易设计方法

中铁西北科研院建立的经验公式为

式中 Hc——堑坡的临界高度，m;

β——堑坡的坡角，(°);

γ——膨胀土(岩)的重度，kN/m3;

c'——膨胀土(岩)的黏聚力，kN/m2;

φ'——膨胀土(岩)的内摩擦角，(°)。

对于浆砌片石全封闭的堑坡，采用非浸水条件下的抗剪强度参数;对于无封闭的堑坡(含骨架护坡)采用浸水条件下的抗剪强度参数。

当路堑边坡高度H＞HC时，表示边坡不稳定;当H＜HC时表示边坡稳定。

5.3 边坡坡率及分级高度的确定

针对新疆段膨胀性泥岩的特点，用稳定和力学分析膨胀岩强度指标，采用低于峰值强度值，同时采用试验、反算、经验指标或综合分析进行边坡稳定性计算，确定路堑边坡坡率、分级边坡高度及边坡平台宽度。经过工程类比、理论计算比较研究按以下原则进行设计。

(1)对于无地下水影响的泥岩地段，弱膨胀岩路堑地段，边坡坡率采用1∶1.5，边坡分级高度10.0 m;中等膨胀岩地段，边坡坡率采用1∶1.75，边坡分级高度10.0 m;边坡平台宽度2.0～2.5 m。

(2)对于地下水发育地段，其边坡坡率、分级高度及边坡平台宽度按照《铁路特殊路基设计规范》(TB10035－2006)的相关规定进行设计。

(3)对于路堑边坡高度大于20 m或基岩顺层地段，根据稳定计算方法逐点计算后确定边坡坡率及分级高度。

6 边坡防护形式的研究

膨胀性泥岩路堑边坡防护形式的选择需满足膨胀性的要求，且本线地处四大风区，风力强劲，风蚀破坏边坡严重，气候干燥，缺水，混凝土养护困难等诸多因素影响边坡防护形式的选择，同时还应考虑膨胀岩在含水量极低的情况下特别坚硬，路堑边坡防护实施需开槽时，施工难度很大，采用人工开槽费时费力的问题。针对以上特点，需研究不同形式的边坡防护措施。通过分析收集到国内外边坡防护形式，对初步选择的方案进行讨论，以力学分析及综合经济比选为基础，对初步方案进一步深化、筛选，然后选定适宜的边坡防护形式。

(1)空心砖护坡

空心砖护坡适用于泥岩路堑边坡高度较小地段，对于边坡高度较高地段空心砖护坡因其厚度很小，易脱落，不宜采用。边坡满铺混凝土空心砖，底部设置M10浆砌片石护脚加固，路堤坡脚设置片石混凝土脚墙基础，堑顶设置M10浆砌片石镶边。施工前应修整好坡面。砌筑基础按设计要求挂线放样，基础顶面应平顺。自下而上铺设混凝土空心砖，铺设时应拿橡皮锤击打，不得使用铁锤等重物。见图4。

图4 空心砖护坡正面(单位:m)

(2)拱形骨架护坡

拱形骨架护坡适用于泥岩路堑边坡高度较高的地段。骨架、镶边、护脚均采用M10浆砌片石砌筑，截水槽采用混凝土预制块砌筑。骨架下部设置1 m高脚墙基础，骨架内铺设六角混凝土空心砖等防护措施。截水槽需与浆砌片石同时施工，并保证其栽砌牢固，埋入土中深度10 cm。施工前应修整好坡面。施工时应自上而下布置放线、自下而上逐条砌筑骨架，间距不足时调整拱间间距在下部增加设拱一道。砌筑基础应按设计要求挂线放样，基础顶面应平顺。见图5。

图5 拱形骨架护坡正面(单位:m)

(3)空窗式护墙

空窗式护墙适用于泥岩路堑边坡高度较高的地段。与拱形骨架护坡相比，空窗护墙施工不需开挖沟槽，对于泥岩非常坚硬，开槽难度较大的路堑边坡，降低了施工难度，但其工程投资高于拱形骨架护坡。空窗式护墙采用M10水泥砂浆砌片石砌筑，空窗内铺设预制混凝土空心砖，空窗纵向间距5.0 m。石料应选用不易风化的硬石，其极限抗压强度不小于30 MPa。每级护墙空窗设置原则:当护墙高度H＜4 m时，不设置;4 m≤H＜9 m时，设置1排空窗;H≥9 m时，设置两排空窗。为增强护墙的稳定性，当墙高大于8 m时，于墙背设置耳墙1道;当墙高大于13 m时，于墙背设置耳墙两道。顶级护墙墙顶应嵌入边坡20 cm，以防雨水灌入墙背。护墙的埋置深度路肩高度以下不小于1.0 m，并不应低于侧沟砌体底面;当地基为冻胀土时，应埋置于冻结深度线以下不小于0.25 m。施工前必须清刷坡面松动土层，必要时应进行夯实。如有松动岩石，应先行清除，然后砌筑墙体。护墙浆砌前应将石料表面泥土冲洗干净。施工时应分层砌筑，要求灰满缝严，砌缝交错。为了保证质量和外观整齐，施工时应按设计的坡度，厚度挂线。墙背必须与坡面密贴，局部超挖或凹陷应先挖台阶，并采用M10浆砌片石砌筑。见图6。

图6 空窗式护墙正面(单位:m)

(4)锚杆框架梁护坡

锚杆框架梁护坡适用于泥岩路堑边坡高度大于20 m的膨胀岩路堑边坡，以及存在顺层、滑坡等路堑边坡稳定存在安全隐患的地段。既可以解决坡面表层问题，也可以处理较深层的边坡问题。框架梁采用正方形布置，框架梁及封头混凝土强度等级应一致，一般环境下采用 C30，现场立模施工。梁截面尺寸为0.5 m×0.5 m，埋深0.4 m，外露0.1 m。在进行框架梁的施工时，在泥岩边坡必须采用人工开槽的方式嵌入坡面中，嵌入深度0.4 m。锚杆采用φ32HBR400螺纹钢制作，锚杆间距4.0 m，正方形布置，长度6～10 m，锚杆体与水平面的夹角为20°～25°，锚杆配合框架梁使用，锚头采用弯钩与框架梁主筋焊接或绑扎牢固，支架与锚杆采用焊接连接。锚杆锚孔直径70 mm，注浆材料一般环境下采用M30水泥砂浆或水泥浆，注浆压力不小于0.2 MPa。一般环境和碳化环境下，框架梁和注浆材料所用水泥采用P.O 42.5普通硅酸盐水泥;氯盐环境、化学侵蚀环境下，根据环境作用等级注浆材料选用M35水泥砂浆或水泥浆，并掺入水泥质量一定比例的粉煤灰。框架内铺设混凝土空心砖。路堑顶设镶边，路堑坡脚设护脚，起迄点采用M10浆砌片石镶边加固，宽0.5 m，厚0.6 m。锚杆施工前在同一标段范围内应选择有代表性、与锚杆锚固段地层相同，环境类似的相邻地段进行抗拔试验及开挖试验，试验孔数均不少于3孔，以验证锚杆砂浆的握裹性和锚固段的设计指标，确定施工工艺及参数，其相关参数在同一标段内相同地层通用［9］。见图7。

(5)路堑挡土墙

路堑边坡坡脚位置由于胀缩最大，又属于应力集中区，是最容易破坏的位置，对边坡较高或膨胀性较大的路堑，宜在该处设置路堑挡土墙。膨胀岩路堑挡土墙设计应注意以下几个问题:基础埋入深度不宜小于气候剧烈影响层［10］，一般认为在路肩或边坡平台以下不宜小于1.5 m(还要考虑路堑侧沟的深度)、滑动面以下不小于1.0 m;墙背顶端至边坡应有一定宽度的平台，一般不宜小于2.0 m。加厚墙背反滤层。这不仅可加强排水能力，而且可抵消一部分卸荷膨胀力，反滤层的厚度应≥0.5 m。

图7 锚杆框架梁护坡正面

通过对以上边坡防护形式的研究，对于膨胀性泥岩路堑边坡形式确定了以下原则:路基边坡高度H＜3.0 m时，采用空心砖护坡防护;路基边坡高度3 m≤H＜10.0 m时，对于易开槽地段采用拱形骨架护坡防护，不易开槽地段采用空窗式护墙防护;当路堑边坡高度10 m≤H＜20.0 m，采用重力式挡土墙+拱形骨架护坡(或空窗式护墙)的措施;当路堑边坡高度H＞20 m或存在基岩顺层地段，结合稳定性计算，采用抗滑挡土墙+锚杆框架梁或骨架护坡的措施。图8～图11为现场施工完成后的效果图，可以看出，在不同路堑边坡高度，不同地质情况下选择不同的防护措施，保证工程安全有效，边坡防护视觉效果美观。

图8 空心砖护坡

图9 拱形骨架护坡

图10 锚杆框架梁护坡

图11 空窗式护墙

7 结语

(1)对于膨胀岩地区的路堑边坡防护，一般采用缓坡率(边坡高度小于6.0 m时采用1∶1.5;边坡高度在6.0～10.0 m采用1∶1.75)、宽平台(边坡平台宽度不小于2.0 m)、边坡分级高度6.0 m、坡脚采用支挡措施，此方案适用于降雨量较大的地区，如西南线、贵广线等铁路。对于新疆干旱区，采用以上的边坡防护措施显然过于保守，膨胀力的作用与该地区的降雨量有直接关系，从工程投资的角度考虑，可采用较陡一点的坡率、较高的边坡分级高度、以及适宜的坡脚加固措施。

(2)结合既有兰新线防风蚀的经验以及相关规范要求，可采用空心砖护坡、骨架护坡、锚杆框架梁、空窗式护墙等网格状坡面防护方案。考虑网格状防护措施网格内边坡易遭风蚀破坏，可于网格内铺设混凝土空心砖，空心砖内夯拍密实的戈壁土。为减少空心砖内培土的风蚀脱落，空心砖内培土必须夯拍密实，同时培土顶面宜低于空心砖顶面2～3 cm。以上选择的防护方案解决了膨胀性泥岩边坡膨胀力释放引起的破坏问题，满足了相关规范要求，同时有效解决了风蚀破坏的问题。

(3)干旱区膨胀性泥岩特殊的工程力学性能决定了路堑边坡防护措施的特殊性。通过对其边坡稳定性及防护形式的研究，针对干旱区膨胀岩的特点，用稳定和力学分析膨胀岩强度指标，采用低于峰值强度值，同时采用试验、反算、经验指标或综合分析进行边坡稳定性计算，选定路堑边坡坡率及分级边坡高度。其边坡坡率及分级高度的选择突破了《铁路特殊路基设计规范》(TB10035—2006)的相关规定，减少了大量的土石方及防护圬工数量。

(4)工程的成功实施可为新疆干旱区膨胀岩路基工程借鉴及参考，解决了新疆戈壁干旱荒漠区膨胀性泥岩路堑边坡防护工程技术难题。

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