石太客運(yùn)專線某橋基高邊坡穩(wěn)定分析及防護(hù)加固設(shè)計(jì)

黃 健 冷景巖

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 天津 300251)

1 工程概況

石太客運(yùn)專線跨314省道2號(hào)特大橋，位于山西省陽(yáng)曲縣范莊村東南,該橋某墩左側(cè)邊坡陡峻,最大邊坡高度達(dá)80余m。由于坡腳水溝長(zhǎng)期沖刷切蝕,造成溝底巖石淘空,上部的土層和巖體沿高陡邊坡向下錯(cuò)落坍塌,對(duì)施工安全及行車運(yùn)營(yíng)安全產(chǎn)生隱患。為了確保橋基工程安全,消除安全隱患,需對(duì)該邊坡進(jìn)行防護(hù)加固處理。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

橋址區(qū)地處低中山,大橋斜跨古河谷,兩岸溝壁陡立,上部覆蓋黃土層。314省道順溝而行,線路斜跨314省道,坡高80余m。地形起伏不平,多為灌木植被覆蓋。

2.2 地層巖性

(1)第四系上更新統(tǒng)坡洪積層

新黃土：堅(jiān)硬—硬塑,具大孔隙及直立性,垂直節(jié)理發(fā)育,表層具濕陷性。

(2)上第三系上新統(tǒng)保德組

粉質(zhì)黏土：硬塑—堅(jiān)硬,土質(zhì)較均勻,土質(zhì)結(jié)構(gòu)緊密,含鐵錳氧化及白色鈣質(zhì)斑塊。

粗圓礫土：稍密—中密,稍濕—飽和,圓礫主要成分為灰?guī)r,呈透鏡體狀分布。

(3)奧陶系中統(tǒng)上馬家溝二段

本工程施工對(duì)象為大型水壩，具體內(nèi)容涵蓋壩頂溢流表孔的打造、發(fā)電引水系統(tǒng)的建設(shè)及供水管道的鋪設(shè)等。其中，大壩采用的是雙曲拱壩結(jié)構(gòu)，施工工藝選用的是碾壓混凝土方式，運(yùn)用C20碾壓混凝土實(shí)現(xiàn)大壩主體的施工，以混凝土加水時(shí)開始計(jì)算，周期應(yīng)滿90d，見圖1。

石灰?guī)r：中厚層狀構(gòu)造,隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu),節(jié)理裂隙發(fā)育,弱風(fēng)化—微風(fēng)化,呈塊狀、大塊狀,局部有輕微溶蝕現(xiàn)象。

2.3 橋址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造分析

橋址區(qū)正好位于奧陶系與上第三系分界處,構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈。

2.4 不良地質(zhì)

(1)錯(cuò)落和坍塌

橋址區(qū)溝口、邊坡坡腳普遍存在錯(cuò)落坍塌體,并且邊坡表面分布大小不一的塊石。

(2)軟弱結(jié)構(gòu)面

邊坡灰?guī)r巖層間存在泥化夾層,泥化夾層厚度不等,長(zhǎng)大貫通節(jié)理也多被泥質(zhì)充填,均對(duì)邊坡穩(wěn)定產(chǎn)生一定影響。

3 邊坡穩(wěn)定性分析

314省道2號(hào)特大橋地處低中山,橋址表層覆蓋第四系坡洪積層，下伏奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組石灰?guī)r,橋址巖層傾向坡外,區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造形跡錯(cuò)綜復(fù)雜。巖體結(jié)構(gòu)破碎,節(jié)理密集,泥化夾層和節(jié)理充填物發(fā)育?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、室內(nèi)巖土樣抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)表明，泥化夾層及節(jié)理充填物具有中等膨脹性,且強(qiáng)度較低,在地震、飽水狀態(tài)下邊坡易失穩(wěn)。

3.1 計(jì)算軟件及采用方法

本次計(jì)算采用Geo-slope邊坡穩(wěn)定性分析軟件,計(jì)算方法采用該軟件提供的Janbu法,Janbu法能滿足全部力矩和力的平衡條件,破壞模式可以是任意形狀；巖土體均采用常用的Mohl-coulomb模型。

3.2 破壞位置及破壞模式

3.3 參數(shù)選擇

邊坡穩(wěn)定性分析中計(jì)算參數(shù)一般有室內(nèi)試驗(yàn)法、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)法、經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法和反算指標(biāo)法。室內(nèi)試驗(yàn)獲得的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

其他參數(shù)：黃土、粉質(zhì)黏土容重取19 kN/m3,灰?guī)r容重取26 kN/m3,本地區(qū)為0.2g地震區(qū)。

4 穩(wěn)定性計(jì)算

4.1 破壞位置及模式

通過分析,該邊坡潛在破壞面有土層內(nèi)圓弧破壞、土巖分界面和沿泥化夾層,根據(jù)3個(gè)潛在破壞位置，選擇3個(gè)代表性斷面進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。土層內(nèi)破壞選擇8-8斷面、土巖分界面破壞選擇5-5斷面,將土巖分界面作為潛在滑動(dòng)面。泥化夾層破壞選擇6-6斷面進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算,將最底層泥化夾層作為潛在滑動(dòng)面。邊坡巖體受長(zhǎng)大貫通節(jié)理切割,黃土中垂直節(jié)理發(fā)育,后緣按自然坡度35°左右控制(如圖1、圖2、圖3所示)。

圖1 土層內(nèi)破壞模式(單位：m)

圖2 土巖分界面破壞模式(單位：m)

圖3 沿泥化夾層破壞模式(單位：m)

經(jīng)計(jì)算分析,在選用相同的巖土體物理力學(xué)參數(shù)下,沿石灰?guī)r泥化夾層發(fā)生折線型破壞穩(wěn)定系數(shù)最低,故本次選擇沿泥化夾層破壞位置進(jìn)行分析計(jì)算,然后對(duì)各斷面進(jìn)行計(jì)算,確定各斷面穩(wěn)定系數(shù)。

4.2 各種工況條件下穩(wěn)定性計(jì)算

(1)考慮地震力作用

考慮地震力作用，各剖面順層滑動(dòng)穩(wěn)定性系數(shù)如表2、表3所示。

表2 含水量20％各剖面順層滑動(dòng)穩(wěn)定性系數(shù)

表3 飽和狀態(tài)(含水量27％)各剖面順層滑動(dòng)穩(wěn)定性系數(shù)

(2)不考慮地震力作用

不考慮地震力作用，各剖面順層滑動(dòng)穩(wěn)定性系數(shù)如表4、表5所示。

表4 含水量20％各剖面順層滑動(dòng)穩(wěn)定性系數(shù)

表5 飽和狀態(tài)(含水量27％)各剖面順層滑動(dòng)穩(wěn)定性系數(shù)

本次綜合考慮了室內(nèi)試驗(yàn)獲得的參數(shù)和經(jīng)驗(yàn)參數(shù),并最終以反算指標(biāo)確定計(jì)算參數(shù)。由于該邊坡已經(jīng)開挖暴露很久,且經(jīng)過了一個(gè)雨季,目前沒有發(fā)現(xiàn)變形跡象。根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn),可以假定這種狀態(tài)下邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.10,結(jié)合工程地質(zhì)勘察報(bào)告，穩(wěn)定性評(píng)價(jià)報(bào)告確定泥化夾層的c值,反求φ值,經(jīng)過6-6斷面多次試算，確定滑面力學(xué)參數(shù)r=25,c=25,φ=17。

5 防護(hù)加固設(shè)計(jì)

綜合考慮本地區(qū)工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件和氣候條件及巖層產(chǎn)狀和軟弱結(jié)構(gòu)面位置及分布情況,對(duì)該坡體選用泥化夾層20％含水量和飽和狀態(tài)時(shí)兩種峰值強(qiáng)度平均值參數(shù),采用GEO-SLOPE軟件和理正軟件進(jìn)行加固穩(wěn)定性分析,考慮地震作用時(shí),穩(wěn)定安全系數(shù)不小于1.15,計(jì)算結(jié)果每延米需要900 kN錨固力。不考慮地震作用,穩(wěn)定安全系數(shù)不小于1.25；計(jì)算結(jié)果每延米需要600 kN錨固力。計(jì)算斷面如圖4所示。

圖4 7號(hào)、8號(hào)墩左側(cè)邊坡斷面(單位：m)

承臺(tái)外留36 m平臺(tái),對(duì)坍塌體進(jìn)行全部清除,分級(jí)刷坡,級(jí)高8 m；下部灰?guī)r坡率1∶0.75,中上部灰?guī)r坡率1∶1.0,每級(jí)留有2 m平臺(tái)；坡體上部新黃土和粉質(zhì)黏土坡率1∶1.25,巖土分界面留4 m寬平臺(tái)。利用表1參數(shù),采用GEO-SLOPE軟件和理正軟件對(duì)刷方后邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見表2至表5。

當(dāng)坡體含水量較高時(shí),巖體結(jié)構(gòu)面間充填物抗剪強(qiáng)度大大降低,坡體處于欠穩(wěn)定狀態(tài),需要對(duì)邊坡進(jìn)行加固防護(hù)處理。對(duì)不穩(wěn)定部位采用預(yù)應(yīng)力錨固工程進(jìn)行加固；為防止地表水滲入坡體邊坡,全部坡面采用漿砌片石護(hù)墻或護(hù)坡防護(hù),塹坡頂部及邊坡每級(jí)平臺(tái)設(shè)截水溝。

6 結(jié)論

本工點(diǎn)為順層高邊坡,邊坡高陡，巖體節(jié)理發(fā)育，且節(jié)理充填泥化夾層,導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性較差。通過工程地質(zhì)分析,結(jié)合計(jì)算確定了該邊坡穩(wěn)定性控制因素為層間泥化夾層。利用室內(nèi)試驗(yàn)和指標(biāo)反算確定了巖土體及泥化夾層結(jié)構(gòu)面的物理力學(xué)參數(shù),然后采用

GEO-SLOPE軟件和理正軟件對(duì)飽水和常態(tài)下，在有無地震作用下進(jìn)行穩(wěn)定性分析和加固設(shè)計(jì)計(jì)算,進(jìn)而確定了技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)方案。

該邊坡已于2008年末施工完畢,目前狀態(tài)良好,未發(fā)現(xiàn)有坡體變形痕跡,驗(yàn)證了防護(hù)加固措施的可靠性。

[1]TB10025—2006,鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[2]TB10001—2005,鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[3]GB50330—2002,建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范[S]

[4]TB10012—2001,鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S]

[5]GB50011—2001,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S]