陇海铁路路堤沉降变形与深部位移监测及防治

2022-11-05范家玮张玉芳李知军徐勇

铁道建筑 2022年10期

范家玮张玉芳李知军徐勇

1.中国铁道科学研究院研究生部，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；3.云南省建设投资控股集团有限公司，昆明 650000

黄土抗水性差，其大孔隙性和湿陷性对工程影响巨大。黄土路基极易在极端降雨条件下产生滑坡、路堤沉降等工程病害［1-3］。2021年7月，受郑州特大暴雨影响，陇海铁路上街—黑石关区段发生大量路基水害，严重威胁铁路运营安全，亟待开展病害段变形监测与综合防治对策研究。

目前国内外对黄土路基边坡降雨水害的研究取得了一定成果。张雁等［4］采用室内模型试验与数值模拟相结合的手段，研究不同降雨强度对不同边坡坡率黄土路基的冲刷规律。刘德仁等［5］开展压实黄土浸水入渗室内模型试验，研究非饱和黄土浸水入渗过程中体积含水率与孔隙气压力变化规律。盛明强等［6］开展现场黄土浸水试验，比较了黄土微型桩在天然工况与浸水饱和工况下的力学性能。Chang等［7］研究了极端降雨条件下黄土边坡的水敏性与湿陷性，提出了黄土边坡由坡脚至坡顶分阶段失稳的破坏模式。Wang等［8］为研究黄土渗透系数与基质吸力的相关性，改进了基质吸力监测三轴仪，为分析黄土降雨入渗提供新手段。Pham等［9］为研究瞬态非饱和渗流条件下黄土边坡的稳定性，建立瞬态降雨入渗数学模型，为分析黄土降雨入渗提供理论基础。

针对铁路黄土路基受水软化变形的现场研究仍然有待进一步深入。本文以陇海铁路上街—黑石关区间路基水害为研究对象，采用现场调查、变形监测、数值模拟的综合手段研究分析黄土路堤边坡稳定性，并提出相应的防治对策。

1 沿线地质概况

1.1 地形地貌

陇海铁路上街—黑石关区间位于洛阳盆地与黄河下游的华北平原南部过渡地段，黄河及其支流伊洛河南岸，整体地势南高北低，最高点位于南部山区，最低点位于黄河河床。区内陇海铁路总体走向NE～SW，东段沿黄河南岸山区布设，中、西段位于伊洛河南岸紧邻河流布设。根据区域地貌的成因类型与形态特点，可划分为构造剥蚀丘陵地貌和河流堆积平原地貌。

1.2 地层岩性

根据现场工程地质勘察，沿线地层主要为坡面上覆人工填土与下伏黄土状粉质黏土。人工填土层厚2～4 m，呈黄褐色与灰黄色，土体近饱和，主要成分为黄土状粉质黏土，局部夹杂碎石、砾石。下伏黄土状粉质黏土呈褐黄色、浅黄色，土体近饱和，局部夹杂粉土。

1.3 气象条件

陇海铁路上街—黑石关区间属大陆性暖温带半湿润气候，平均海拔110 m，年平均气温11℃，无霜期185 d左右，年降水量500～600 mm。2021年7月18—20日期间，郑州地区最大降雨量达到438.7 mm，2 d内降雨量与该地区年降雨量基本持平。7月18日—9月7日，该地区累计降雨量达到862.2 mm，超过历史同期降雨量。

2 监测原理与方案

依据现场调查，陇海铁路上街—黑石关区间路堤黄土受水软化后呈软塑状，承载力降低，路堤产生较大沉降。此外，地表水集中下渗，边坡内软弱岩土带被软化，引起路堤滑坡，危及列车运营安全。

2.1 监测设备及系统工作原理

根据YS 5229—96《岩土工程监测规范》与GB 50021—2001《岩土工程勘察规范》，针对路堤沉降与路堤边坡滑坡病害，选用静力水准系统与深部位移测斜技术进行监测。采用静力水准系统（图1）监测路堤沉降。静力水准系统使用高性能压力传感器反映测点与基准点间的压差变化，最终获取多个测点的垂直位移［10］。该系统由一系列沉降传感器组成，传感器之间用通液管和通气管连接，通液管与储液罐相连，通气管亦与储液罐连接构成内压自平衡系统，以消除大气压力变化对系统稳定性的影响。静力水准系统根据连通器原理设计，将各测点与基准点由通液管串联，并在储液罐内存储导压液体，根据各测点与基准点间的液体变化量，计算各测点沉降。

图1 静力水准系统构成

深部位移监测是通过一定的手段和方法，掌握边坡体内部的相对位移变化情况，为分析和确定滑面深度以及采取合理的工程措施提供科学依据［11］。监测采用活动式测斜仪，其原理是：在边坡上预先钻孔，孔底置于预测的最深滑动面以下，孔内预埋特制的带有十字刻槽的管件，测斜仪沿管中刻槽按固定间距从孔底至孔口测量，通过测量结果可计算出对应不同深度两点间的相对位移。将孔底作为参照点，当测斜仪读数显示某深度侧向位移相对孔底参照点的位移激增，则推测此处存在滑动面。

2.2 监测点布设方案

陇海铁路上街—黑石关区间全长近40 km，依据现场调查，受暴雨影响，区内多处路堤局部段落线路高程异常，部分段落边坡存在失稳风险。选取6处路堤沉降最严重的工点进行监测，路堤沉降监测区间长120 m，沿线路方向在路肩上布设监测点，每隔20 m设置1个监测点，测点1—测点7；选取3处潜在路堤滑坡风险的工点进行深部位移监测，每处监测点设置2个监测断面，每个监测断面布设3个深部位移监测孔。

3 监测数据分析

3.1 路堤沉降变形特征分析

监测区间路堤累计沉降见图2。可知，该监测区间沉降变形严重，路堤整体呈下沉趋势，自监测设备安装4个月以来，最大累计沉降达22.33 mm。

图2 监测区间路堤累计沉降

监测区间2021年10月—2022年1月路堤差异沉降见图3。可知：2021年10月路堤整体沉降大，各测点沉降均超过8 mm，最大沉降达22.33 mm；2021年11月—2022年1月路堤整体沉降趋于平稳，各测点月沉降均小于3 mm，最大月沉降仅2.11 mm。该监测区间两端测点整体沉降较小，10月沉降均小于10 mm；测点2—测点6整体沉降较大，10月沉降均大于15 mm；监测区间各测点间存在不均匀沉降现象，各测点不均匀沉降在空间上呈现两端小、中间大的分布特征。

图3 监测区间路堤差异沉降

结合现场施工进度与监测数据分析可知，2021年10月路堤整体沉降大是源于路堤加固仍处于施工阶段，路堤尚未达到稳定状态。在施作支挡加固措施后，2021年11月—2022年1月各测点沉降趋于平稳，特别是测点2，虽于10月产生最大沉降，但加固后在11月上拱2.76 mm，部分抵消路堤下沉引发的高程异常。因此判断加固后路堤处于稳定状态。

3.2 路堤边坡深部位移分析

考虑到监测区间路堤边坡监测孔位较多，且各监测孔监测数据特征一致，选取其中某测孔进行监测数据分析，研究路堤边坡侧向变形的时空演化规律，见图4。规定测孔A轴方向为陇海铁路线路方向，正方向由小里程指向大里程；测孔B轴方向为垂直线路方向，正方向由线路中心线指向路堤边坡。

图4 路堤边坡监测点不同深度累计侧向位移

由图4可知：2021年11月—2022年1月路堤边坡整体侧向位移较小，35 m深度范围内侧向位移均小于1 mm，最大侧向位移仅0.88 mm。因此判断加固后路堤边坡处于稳定状态。路堤边坡侧向位移呈现近地表位移大、远地表位移小的倒三角形。

4 数值模拟分析及综合防治对策

4.1 模型建立

选取路堤滑坡工点条件最不利断面进行边坡的稳定性分析，根据现场测量情况建立有限元模型，分析断面及网格划分见图5。

图5 分析断面及网格划分

4.2 参数选取

数值计算参数由现场钻探取注浆前后原状土样开展物理力学试验确定，计算所用的边坡岩土层计算参数见表1。

表1 边坡岩土层计算参数

4.3 计算结果

选用摩尔库伦准则进行强度计算，边坡稳定性采用极限平衡法进行分析，计算暴雨后路堤边坡的稳定性，暴雨后边坡应变增量云图见图6。可知：边坡破坏模式为圆弧形滑动，暴雨后路堤边坡的稳定系数为0.98，在暴雨状态下路基边坡处于不稳定状态，易发生坡面溜塌、浅层滑坡破坏。

图6 暴雨后边坡增量位移云图

4.4 防治对策

通过分析陇海铁路黄土路堤滑坡病害成因机制可知，黄土渗水后抗剪强度骤降，滑坡抗滑力被削弱，同时土体含水率增大导致土体自重增大，加剧滑坡下滑力。因此，需要从提升坡体黄土抗剪强度与施作支挡结构抵抗滑坡下滑力两方面考虑防治方案。综上，提出竖向钢花管+斜向钢锚管分段控制注浆的防治对策，实现黄土注浆加固与钢花管支挡的共同作用机制。

4.5 防治效果

加固后边坡应变增量云图见图7。经计算，加固后边坡的稳定系数从0.98提升到1.26。由此可见，竖向钢花管与斜向钢锚管分段控制劈裂注浆作用显著，通过劈裂注浆对岩土体进行挤密，提升注浆体与岩土体的黏结强度。

图7 加固后边坡增量位移云图

为验证钢花管分段控制劈裂注浆效果与数值计算稳定性的可靠性，开挖钢花管周土体，观察劈裂注浆所形成的浆脉分布，如图8所示，钢花管分段控制劈裂注浆效果良好，劈裂注浆的扩散半径大于50 cm，浆体可有效黏结钢花管周的岩土体，在不同深度处形成树根状浆脉，在路堤边坡中起到骨架作用，提升路堤整体稳定性。

图8 钢花管分段控制劈裂注浆浆脉分布

4.6 数值模型理论验证

采用Bishop法对所模拟路堤边坡的稳定性进行理论计算，将路堤边坡滑动面以上土体分为若干个垂直土条。

针对每个土条列出静力平衡与力矩平衡方程，即

式中：T i为第i个土条滑动面处抗剪力；c i为第i个土条滑动面处黏聚力；l i为第i个土条滑动面滑弧长度；Fs为稳定系数；N i为第i个土条滑动面处法向反力；φi为第i个土条滑动面处内摩擦角；W i为第i个土条重量；P i、P i+1为土条两侧的法向力；αi为第i个土条滑动面滑弧中点法线与竖直线夹角；R为滑弧半径。

依据作用力在水平与竖直方向上的合力为0，并综合式（1）—式（3）得出F s的迭代计算公式，即