王洪法

(中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，上海 200070)

按照現(xiàn)行《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10001—2005)，路塹邊坡不宜超過(guò)30 m，規(guī)范中對(duì)路塹邊坡高度小于20 m地段的邊坡坡率進(jìn)行了相應(yīng)的規(guī)定。但當(dāng)線路以車(chē)站、停車(chē)場(chǎng)、車(chē)輛段等形式經(jīng)過(guò)時(shí)，往往路塹邊坡高度遠(yuǎn)大于規(guī)范中規(guī)定的數(shù)值。高陡邊坡一旦失穩(wěn)，會(huì)對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)安全造成嚴(yán)重威脅，也會(huì)對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)造成巨大損失。以某停車(chē)場(chǎng)北側(cè)高陡邊坡為研究對(duì)象，通過(guò)工程地質(zhì)比擬法、規(guī)范及經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法、力學(xué)計(jì)算法三種不同的方法綜合確定硬質(zhì)巖高陡邊坡的穩(wěn)定坡高、坡率及邊坡平臺(tái)寬度，從而確定安全合理的設(shè)計(jì)方案。

1 工程概況

停車(chē)場(chǎng)區(qū)域地貌為剝蝕低丘陵區(qū)，北側(cè)為采石形成的高陡邊坡，坡面主要為巖質(zhì)邊坡，邊坡高度約為80～100 m，坡率1∶0.2～0.5。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查，由于開(kāi)采爆破使坡面局部閉合裂隙張開(kāi)，形成卸荷裂隙，與邊坡面呈不利組合，造成邊坡現(xiàn)狀穩(wěn)定性較差，成為安全隱患。巖土力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

2 工點(diǎn)邊坡劃分

根據(jù)工程地質(zhì)縱斷面將場(chǎng)地北側(cè)山體坡面劃分為兩類(lèi)。

(1)巖質(zhì)邊坡:根據(jù)工程地質(zhì)鉆孔分層顯示，高程約80 m 以下為〈8H〉、〈9H〉混合花崗巖(T3ηγ)，強(qiáng)風(fēng)化～弱風(fēng)化，巖石抗壓強(qiáng)度高，極限單軸抗壓強(qiáng)度為25.36～66.75 MPa，屬于硬質(zhì)巖～極硬巖，不易風(fēng)化，是典型的以強(qiáng)度為主控制塹坡的穩(wěn)定。

(2)土質(zhì)及類(lèi)土質(zhì)邊坡:其余地段為全風(fēng)化混合花崗巖〈7H〉和〈5H-2〉坡殘積土層(Q3dl+el)，巖石較為破碎，巖石的抗壓強(qiáng)度低，主要以土體內(nèi)部的黏聚力為主控制塹坡的穩(wěn)定。

根據(jù)巖坡的劃分分析，坡高陡峭的巖質(zhì)邊坡區(qū)域的加固和防護(hù)是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，土質(zhì)及類(lèi)土質(zhì)邊坡區(qū)域較小，多位于山體頂部，采取刷方減重原則，降低邊坡高度，避免土質(zhì)及類(lèi)土質(zhì)邊坡因外力的作用發(fā)生滑塌。巖坡劃分區(qū)域如圖1所示。

3 工點(diǎn)病害分析

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告可將山體病害劃分為以下三種。

(1)土體滑塌:根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，停車(chē)場(chǎng)起點(diǎn)處有崩塌現(xiàn)象，為土質(zhì)崩塌，其成因?yàn)橛捎谇懈钇侣瘦^陡，受多次強(qiáng)降雨影響，土體沿土石分界處出現(xiàn)滑塌現(xiàn)象，多為坡體頂部土體的滑塌。

(2)坡面病害:由于開(kāi)采時(shí)坡面留下不規(guī)則的節(jié)理裂隙，受雨水、溫差等營(yíng)力作用，坡面出現(xiàn)破壞現(xiàn)象，局部出現(xiàn)明顯的崩塌現(xiàn)象，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，坡面病害影響深度約2 m左右，一般4～6 m，很少有超過(guò)8 m。

圖1 巖坡劃分區(qū)域示意

(3)邊坡病害:邊坡病害一般受當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)環(huán)境及營(yíng)力作用較長(zhǎng)周期(一般20～30年)，影響范圍較深(一般10～20 m)，主要特點(diǎn)是坡體以這一深度為界，內(nèi)外巖土的風(fēng)化程度有顯著的區(qū)別，一般邊坡病害也同時(shí)伴有坡面病害，由于采石高邊坡裸露將近20年，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)推測(cè)，邊坡一定深度范圍可能存在邊坡病害。

4 穩(wěn)定坡高、坡率及邊坡平臺(tái)寬度的確定

自然斜坡由于組成的巖性、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、水文地質(zhì)的條件以及氣候的不同，可以有各種不同的極限坡率，但在同一條件下的巖土層中，都具有因坡高增大而坡率變緩的規(guī)律［1］。

4.1 工程地質(zhì)比擬法

(1)土質(zhì)及花崗巖全風(fēng)化殘積層(5H-2及7H):場(chǎng)地西側(cè)及東側(cè)為自然山坡，坡角約30°，坡高約15～20 m，土質(zhì)邊坡，狀態(tài)基本穩(wěn)定，反算穩(wěn)定坡率約1∶1.73。

(2)巖層(8H及9H):場(chǎng)地北側(cè)大部分基巖出露，背側(cè)自然山坡角50°～55°，坡高約50～110 m邊坡?tīng)顟B(tài)基本穩(wěn)定，反算穩(wěn)定坡率約1∶0.7～0.83。

(3)開(kāi)采面(9H):場(chǎng)地北側(cè)開(kāi)采面平均邊坡角73.3°，局部80°～85°，反算穩(wěn)定坡率 1∶0.2 ～0.3，巖坡局部可見(jiàn)巖石順坡節(jié)理坍塌，坡面病害明顯。

綜上所述，對(duì)于土質(zhì)及花崗巖全風(fēng)化殘積層(5H-2及7H)，穩(wěn)定坡率采用不陡于1∶1.75，巖層(8H及9H)穩(wěn)定坡率采用不陡于1∶0.75，完整基巖(9H)穩(wěn)定坡率采用不陡于1∶0.5。

4.2 規(guī)范及經(jīng)驗(yàn)參數(shù)

鐵路規(guī)范要求路塹邊坡高度不宜超過(guò)30 m，否則要進(jìn)行隧路比較。相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)要求一般軟巖坡高控制在20～30 m，硬巖30～50 m，以下是收集國(guó)內(nèi)外對(duì)巖石高邊坡的坡高及坡率的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，作為設(shè)計(jì)的參考依據(jù)［1］。

日本地質(zhì)學(xué)家渡邊貫教授曾提出，在無(wú)構(gòu)造控制下有以下關(guān)系(表2)。可供高塹坡設(shè)計(jì)參考，并能作出分析穩(wěn)定山坡的總平均坡率數(shù)值。

表2 堅(jiān)硬巖石在不同高度與風(fēng)化、破碎條件下的切坡數(shù)值

根據(jù)巖石堅(jiān)硬程度類(lèi)似地質(zhì)條件的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)值可參考表3。

根據(jù)鐵路勘察設(shè)計(jì)得出在塊狀結(jié)構(gòu)巖石中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表 4［3］所示。

綜合國(guó)內(nèi)外工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合場(chǎng)區(qū)工程性質(zhì)及高邊坡的巖石特性，確定巖質(zhì)(9H)坡面的穩(wěn)定坡率采用1∶0.3～0.5，每級(jí)坡高宜控制在40 m以?xún)?nèi)。

表3 完整巖石按堅(jiān)硬程度確定邊坡的參考數(shù)值

4.3 力學(xué)計(jì)算法

由于天然斜坡的復(fù)雜性，至今很少在巖質(zhì)邊坡中進(jìn)行力學(xué)計(jì)算，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查，坡面巖質(zhì)較完整(非構(gòu)造、非破碎、非風(fēng)化控制)，是典型的以巖石強(qiáng)度控制塹坡的坡高及坡率，設(shè)計(jì)計(jì)算采用齊姆巴列維奇空間要素法(齊氏法)［1］，公式為

表4 不同巖體結(jié)構(gòu)的路塹邊坡坡度與高度的參考數(shù)值

式中 c——巖層平均最大黏聚力(抗剪斷力)，kN/m。一般采用巖石的單位黏聚力c0的1/7～1/15(1/7～1/15是巖石內(nèi)的不均勻系數(shù))，一般是150～1 200 kN/m2;

γ——巖層單位容重，kN/m3;

h——切割塹坡的垂直高，m;

α——切割的坡腳角度，(°);

m——設(shè)計(jì)所采用的安全系數(shù)，一般是1.5～3。

(1)穩(wěn)定坡率計(jì)算

9H 層中，當(dāng) c=1 000 kN/m2，r=265 kN/m3，m=3時(shí)，已知切坡高度時(shí)穩(wěn)定坡率計(jì)算結(jié)果如表5所示。

綜上所述:坡高40 m以下采用1∶0.3～0.5為穩(wěn)定坡率，坡高40 m以上采用1∶0.5～0.75為穩(wěn)定坡率。

圖2 橫斷面設(shè)計(jì)示意(單位:m)

表5 穩(wěn)定坡率計(jì)算結(jié)果

(2)穩(wěn)定坡高反算

9H 層中，當(dāng) c=1 000 kN/m2，r=26.5 kN/m3，m=3時(shí)，已知邊坡角時(shí)穩(wěn)定坡高計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表6 穩(wěn)定坡高計(jì)算結(jié)果

綜上所述:9H層中，每級(jí)邊坡高度宜控制在50 m以?xún)?nèi)，維持目前的原始坡率，邊坡高度宜控制在70 m以?xún)?nèi)。

(3)平臺(tái)確定

9H層中，邊坡70 m以下穩(wěn)定坡率取1∶0.4～0.5時(shí):

土石分界70 m處，平臺(tái)寬度為S=［0.4(或0.5)-0.3］×70=7～14 m;

邊坡中部40 m處，平臺(tái)寬度為S=［0.4(或0.5)-0.3］×40=4～8 m。

根據(jù)工程地質(zhì)比擬法、規(guī)范及經(jīng)驗(yàn)參考值、力學(xué)計(jì)算三種方法，遵循“刷方減重、強(qiáng)腰固腳、強(qiáng)主弱支”的設(shè)計(jì)原則最終擬定設(shè)計(jì)方案，如圖2所示。

該方案于坡腳設(shè)置高10 m、頂寬1.5 m的護(hù)面墻，邊坡中部40 m處設(shè)4～8 m大平臺(tái)，墻頂及邊坡中部平臺(tái)設(shè)置被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)，40 m以下維持原坡面1∶0.3的坡率，其上按1∶0.75～1.75放坡開(kāi)挖，全坡面采用框架(錨索)錨桿+掛網(wǎng)噴植被混凝土防護(hù)。

5 結(jié)語(yǔ)

巖質(zhì)邊坡力學(xué)分析難度較大，目前在硬質(zhì)巖邊坡中很少采用力學(xué)計(jì)算，加之地質(zhì)條件本身的隱蔽性、多變性及復(fù)雜性，勘探測(cè)試的局限性，設(shè)計(jì)需要對(duì)工點(diǎn)周邊進(jìn)行詳細(xì)準(zhǔn)確的輪廓勘察和調(diào)查測(cè)繪，找出極限狀態(tài)、已失穩(wěn)和穩(wěn)定狀態(tài)，準(zhǔn)確劃分邊坡病害，選擇合理的計(jì)算方法，才能滿足判斷高陡邊坡穩(wěn)定性的需要，確定安全合理的設(shè)計(jì)方案。

［1］ 徐邦棟.高塹坡設(shè)計(jì)及病害分析與防治［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2011.

［2］ GB50330—2002 建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.

［3］ TB10001—2005 鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2011.