页岩风化层深路堑边坡坍滑病害整治研究

王博斐

(浩吉铁路股份有限公司南部建设指挥部,江西新余 338000)

1 概述

边坡作为路基重要部分,其稳定性是铁路路基设计、施工和运营养护中的重难点,施工工艺和雨水对边坡稳定性具有显著影响[1]。已有许多学者开展相关研究,邵辉等从水文地质和工程地质角度分析黄土路堑边坡坍塌的原因,并提出整治设计措施[2];宋章等对成渝铁路沿线地质灾害进行归类整理,并分析其产生和发展的成因,同时优化了工程防滑措施[3];张占荣提出一种非开挖支挡结构,可适用于高铁边坡变形病害整治[4];温希华对高压旋喷桩应用于路基边坡横向变形病害整治进行可行性分析[5-6];胡厚田等对粤山区高速公路边坡病害特征、类型和产生发展规律进行研究,并提出了工程地质工作的加强措施[7];张斌等针对山区高速公路边坡滑塌和崩塌的病害,提出综合运用格构锚杆、抗滑桩和抗滑挡土墙的思路[8-10];叶帅华等认为黄土-砂岩二元结构路堑高边坡的结构特点、地层岩性决定了其失稳变形机制[11];唐立明等分析垂直节理发育的红层软岩路基边坡病害,给出施工方法与注意事项[12]。然而,针对页岩风化层深路堑边坡稳定性的研究还相对较少。

依托某重载铁路建设与运营过程中页岩风化层深路堑边坡病害整治工程,从设计角度出发,采用现场调绘和现场监测的技术手段,分析其病害的发展特征、成因机理[13-15],并通过现场监测验证加固效果。

2 工程设计

浩吉铁路DK1737+275～DK1737+460里程范围位于江西省宜丰县,为剥蚀低丘地貌,地形起伏,山头呈浑圆状,相对高差为30～50m,自然坡度为15°～25°,地表植被茂盛,灌木丛生。线路中心挖高11～27m,右侧边坡高一般为10～30m,最高边坡位于DK1737+370里程附近,高度约为38m,工点所在位置地形如图1所示。

图1 病害工点地形示意

组成坡体地层为二叠系茅口组页岩,表层为全风化,呈灰黄色,厚7～25m;下伏岩体为强-弱风化,呈灰黄色、灰色,岩质软弱,岩体较破碎,遇水软化特征显著。岩层倾向与坡面倾向相反,无顺层现象。该工点坡残积土层及全风化层经取样测试,无膨胀性。

2.1 原工程设计

DK1737+275～DK1737+460右侧路堑边坡最大高度约为38m,原设计采用“板墙+框架锚杆+浆砌片石植草窗+浆砌片石骨架桩”组合防护结构。

(1)支挡及防护措施

DK1737+285～DK1737+397.5段右侧坡脚设置桩板墙,桩中心间距5m,桩长为20m,截面尺寸2.5m×2.75m,桩顶以上一、二级边坡坡率均为1∶1.5,采用框架锚杆内M10浆砌片石植草窗防护,锚杆长度为10m。桩顶二级边坡上方设置6m宽平台(其余边坡平台宽度2m),三、四级边坡坡率为1∶1.75,三级边坡采用浆砌片石植草窗防护,四级边坡采用浆砌片石骨架防护。

DK1737+275～DK1737+285、DK1737+397.5～DK1737+460段右侧采用重力式挡墙收坡,墙顶一、二级边坡坡率均为1∶1.5,一级边坡采用浆砌片石植草窗防护,二级边坡采用浆砌片石骨架防护,如图2所示。

图2 病害工点右侧深路堑原设计横断面(单位:m)

(2)排水措施

堑顶设置天沟;各边坡平台设置截水沟;侧沟平台以上1.5m挡土板后设仰斜排水孔,长15m,仰角为5°,纵向间距为5m;路基面两侧通长设置宽0.6m,深0.8m钢筋混凝土矩形侧沟。

2.2 工程设计变更

按照原设计,该段路堑第四级边坡M10浆砌片石拱形截水骨架于2017年6月初完成,第三级边坡M10浆砌片石植草窗于2017年6月底完成,二级边坡锚杆框架梁内植草窗于2017年8月完成,一级边坡锚杆框架梁于2017年10初完成;坡脚桩板墙(共计23根抗滑桩)于2018年1月完成。

边坡开挖过程中,发现全、强风化分界面较原设计发生较大变化,风化界面平均提高约25m(即该段边坡以强风化页岩为主)。造成误判的主要原因是该地层岩体为极软岩,呈薄层状,岩体破碎,钻探时岩芯呈粉末状和碎块状,将强风化层误判为全风化层。施工过程中,结合实际地质情况开展土石比例变更调整,将强风化地层线提高25m,边坡防护及加固措施维持原设计。经过设计变更后的边坡现状如图3所示。

图3 病害工点右侧深路堑边坡设计现状

3 病害发育特征

3.1 边坡变形及裂缝发育情况

2017年11月30日,雨后线路巡查过程中,发现DK1737+275～DK1737+397.5段路基桩顶以上二、三级边坡浆砌片石植草窗出现轻微不规则裂纹,主要分布于边坡平台外缘,呈张拉裂缝,裂缝主要沿纵向(线路方向)发展,局部边坡平台可见横向裂缝。随时间推移,发现裂缝逐步发展,桩顶以上各级边坡均出现开裂现象,部分锚杆框架梁、浆砌片石植草窗也产生开裂(如图4所示);最大主裂缝位于桩顶二级边坡上方宽平台(平台宽6.0m),裂缝宽4～6cm,错台3cm左右。

图4 病害工点边坡平台外缘典型裂缝

桩顶一级边坡下部及桩顶平台呈现显著的鼓胀、上拱特征,其他各级边坡均表现为下沉、拉裂特征,从边坡整体变形情况判断,呈圈椅状向线路方向滑移。

由于DK1737+397.5～DK1737+460段路基右侧重力式挡墙施工尚未完成,该段边坡亦产生较大规模的坍滑,如图5所示。其上一级边坡平台及堑顶外侧3m处可见明显的贯通纵向裂缝,裂缝宽5～8cm。

图5 DK1737+397.5～DK1737+460段边坡坍滑

3.2 变形监测分析

路堑边坡变形发生后,开展了边坡相关力学指标监测工作,包括边坡坡表位移、深部位移、桩板墙位移和桩背土压力监测。

(1) 边坡坡表(含桩顶)位移情况

分别于DK1737+320、+330、+340、+350、+365、+370里程位置处设置6个坡表位移监测剖面,各剖面分别于堑顶、各级边坡平台、桩板墙顶设置位移监测桩,监测期间,每天对位移变形进行持续监测。由监测结果可知,一级平台累计水平位移11.4mm,累计最大沉降14.9mm;二级平台累计水平位移11.5mm,累计最大沉降17.6mm;三级平台累计水平位移46.7mm,累计最大沉降54.0mm;四级平台累计水平位移23.9mm,累计最大沉降21.2mm;堑顶地表累计水平位移11.0mm,累计最大沉降9.5mm。后期监测表明,位移和速度虽然有所减小,但各监测点并无稳定趋势,位移监测数据见表1。

表1 边坡表面(含桩顶)位移监测 mm

(2)深部横向位移情况

地层深部横向位移监测共设置2个测点(如图6所示),分别位于DK1737+350右侧三级平台(1001号孔)深度为8m;位于DK1737+350右侧一级平台(1002号孔),深度为20.5m。监测发现,1001号孔变形最大处在8.0m,而1002号孔变形最大处在20.0m左右。

图6 深部测斜孔位布设

编号为1001号和1002号的2个深部测斜孔的横向水平位移曲线如图7所示。

图7 病害工点边坡横向水平位移曲线

(3) 桩背土压力变化

桩背土压力监测设置2个测点,分别位于DK1737+350右侧14号抗滑桩和DK1737+380左侧31号抗滑桩,监测数据见图8。监测结果表明,14号抗滑桩桩背土压力最大为8.09kPa,最小为4.41kPa;31号抗滑桩桩背土压力最大为15.56kPa,最小为13.98kPa。可见抗滑桩桩背土压力无突变或异常变大现象,可以推测抗滑桩未产生异常变形。

图8 抗滑桩桩背土压力监测曲线

现场实测桩顶位移情况见图9。

由图9可知,不同测点的抗滑桩桩顶的横向水平位移均未发生明显变化,仅呈轻微波动状态,推测为测量误差。

图9 抗滑桩桩顶横向水平位移曲线

3.3 边坡滑移特点分析

综合现场勘察及位移、压力监测结果,DK1737+275～+460段右侧深路堑边坡已产生明显的滑移变形破坏,滑体前沿位于桩板墙顶平台,后缘位于堑顶以外1～7.0m;推测为牵引式滑动,前一级滑体后缘在中部宽大平台处,产生的位移量明显大于后一级牵引滑体,滑体最大厚度约7.5m。推测滑面如图10所示。

图10 推测滑动面示意

4 病害成因和整治

4.1 病害成因分析

基于上述分析,可推断造成此次病害的原因主要涵盖以下3类,分别为地层岩性、风化层界面误差、施工偏差和排水不利。

(1)组成本段深路堑边坡的地层为页岩,褐灰色,岩质软弱,易风化,风化后岩体破碎,多呈松散状;岩体遇水后极易软化、抗剪强度急剧降低而失稳。从DK1737+275～+300段坡脚出露的页岩为全-强风化(如图11所示),受构造影响显著,小型褶曲发育,节理裂隙发育,岩体破碎呈片状,层间可见明显云母光泽,层面间光滑易滑动,其物理力学参数如表2所示。

图11 页岩风化后照片

表2 风化页岩基本物理力学参数

(2)原勘察设计判定该工点地层为全风化页岩,实际边坡开挖过程中发现该边坡地层主要为强风化页岩,所以更改了设计方案。然而,开挖断面具有局部性,无法推测边坡内部地层岩性,该更改减弱了边坡防护强度,造成病害产生。

(3)实际施工的平台宽度和开挖坡面与原设计存在较大差异,主要表现为:①桩顶以上二级边坡未满足设计坡率;②边坡平台宽度不符合设计要求(一级边坡平台宽度局部不足1m;二级边坡平台宽度为8m,均与设计不符);③DK1737+397.5～+460段右侧重力式挡墙开挖后未及时浇筑,造成本段路堑边坡下部产生坍滑破坏。

(4)边坡截排水系统实施不到位、不完善。病害发生后现场核查发现,平台截水沟、天沟均未施作;边坡已施工的骨架护坡、植草窗护坡孔窗呈凹状(低于护坡表面),表水易下渗至路堑边坡内;本段路堑高边坡的排水系统未完善,在经历多次强降雨后,边坡变形明显恶化。

4.2 整治方案与效果

基于上述分析,该深路堑坡脚桩板墙处于安全稳定状态,桩顶以上边坡出现整体滑移的特点,因此本滑移工点整治的总体思路为:①为确保线路架梁通道安全,于桩板墙顶部设置安全隔离网,拓宽桩顶平台至10m左右作为施工平台;②对桩顶以上已产生滑移边坡采取适当清方卸载,适当放缓边坡坡率,对一、二级边坡增设框架锚索加固;③加强边坡防排水措施(增设排水斜孔、框架内采用植草窗、完善平台截水沟等);④加强变形监测;⑤DK1737+275～+460段坡脚增设抗滑挡墙等综合整治方案。

经多方案综合比选,最终整治方案为如下,加固示意见图12。

图12 边坡整治设计示意

(1)维持DK1737+285～DK1737+397.5段右侧桩板墙,加大桩顶平台宽度至10m,对坍滑体进行清除;桩顶平台上边坡坡脚设置3m抗滑挡墙。

(2)桩顶一、二边坡坡率较原设计放缓一级,按1∶1.75设计,采用锚索框架梁内M10浆砌片石,植草窗内客土喷播植草+栽种灌木;桩顶以上第三级边坡坡率取1∶2,采用骨架护坡;边坡平台宽度取4～6m。

(3)桩顶平台坡脚增设排水斜孔,孔深15.0m,纵向间距5.0m;各级边坡平台(含桩顶平台)均设截水沟。

(4)DK1737+397.5～+460段右侧坡脚增设重力式挡墙,墙高6.0m。

为了验证加固效果,分别于DK1737+340和DK1737+380里程位置处设置坡表观测桩、深部地层测斜孔、抗滑桩桩背土压力盒和锚索应力计,分别用于测试边坡表面横向水平位移、深部地层横向水平位移、抗滑桩所受土压力和锚索所受拉力。测试结果见图13～图16。

图13 边坡表面横向水平位移时程曲线

图16 锚索预应力时程曲线

由图13可知,两测点位置处的边坡横向水平位移在监测期间均呈收敛状态,其稳定值分别为2.0mm和5.8mm,没有随时间逐渐增加的趋势,说明边坡横向变形得到有效控制。

由图14可知,对比2017年12月施工完成时测量值,DK1737+340里程位置处不同深度地层发生的横向位移均近似为0,说明边坡深部地层的横向水平变形得到有效控制。

图14 深部地层横向水平位移曲线

由图15可知,在施工结束后的监测期内,两测点位置处的抗滑桩桩背土压力维持在相对恒定的状态,其中,DK1737+340测点的桩背压力维持在10.0MPa左右,DK1737+380测点桩背压力维持在4.9MPa左右。说明抗滑桩后地层处于相对稳定状态。

图15 抗滑桩桩背土压力时程曲线

由图16可知,在施工结束后的监测期内,两测点位置处的表预应力锚索的预应力也维持在相对恒定的状态,其中,DK1737+340测点的锚索预应力维持在275kN,DK1737+380测点锚索预应力为275kN。说明预应力锚索所锚固地层处于相对稳定状态。

5 结论

(1)页岩风化层深路堑边坡坍滑病害一般表现为:边坡产生明显的滑移变形破坏,滑体前沿位于桩板墙顶平台,后缘位于堑顶以外,为牵引式滑动,前一级滑体后缘在中部平台处,其位移明显大于后一级牵引滑体,从而引发边坡平台外缘产生持续发展的纵向裂缝。

(2)以页岩为主组成的深路堑边坡,边坡自身稳定性极差,开挖后暴露时间过长或地表水入渗,极易诱发溜坍、坍滑等变形破坏病害。主要原因为页岩岩质软弱,遇水后极易软化,抗剪强度急剧降低而失稳。

(3)从页岩边坡支护的设计角度,应加强和重视对页岩等极软岩地质钻探岩芯的判识,且应重点加强坡脚、缓边坡、封闭或半封闭坡面防护和防排水等方面工程措施;从施工角度看,应严格落实“分级开挖、分级防护”工序,以确保页岩等极软岩高边坡长期稳定。