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        蒙華鐵路平陸站土質高邊坡設計及監(jiān)測分析

        2018-10-22 06:16:32李會章
        鐵道勘察 2018年5期
        關鍵詞:坡率測力計監(jiān)測數據

        李會章

        (中國鐵路設計集團有限公司,天津 300251)

        1 概述

        目前,主要通過定性和定量的方法對土質邊坡進行穩(wěn)定性評價[1],吳海剛在研究內容中引入特高邊坡概念,通過工程比擬法及自然比擬法對特高邊坡進行宏觀控制及定性分析[2];王旭等采用基于極限平衡法的蒙特卡洛模擬進行邊坡可靠度計算[3];陳國慶等[4]提出基于動態(tài)和整體強度折減法的邊坡動態(tài)穩(wěn)定性評價方法;董文文[5]等介紹了近幾年國內外邊坡變形檢測技術的發(fā)展及應用現狀,主要有分布式光纖傳感新型監(jiān)測技術等;陳效星[6]以深云車輛段巖質高邊坡為依托,通過建立長期監(jiān)測系統(tǒng),對邊坡穩(wěn)定性進行分析探討;郭帥杰等[7]對路塹邊坡監(jiān)測數據預處理方法進行了研究,并在長昆客專路塹邊坡監(jiān)測中取得了良好效果。

        在蒙華鐵路平陸站黃土高邊坡設計中,首先對場地地質情況進行深入研究,在滿足邊坡穩(wěn)定的前提下進行了優(yōu)化設計,并建立了長期監(jiān)測系統(tǒng)。以下以該土質高邊坡的優(yōu)化設計和監(jiān)測成果為基礎,對其穩(wěn)定性進行分析和探討。

        2 工程概況

        2.1 邊坡概況

        蒙華鐵路北起內蒙古浩勒報吉,終至江西省吉安市,全長1 837 km。平陸站位于山西省平陸縣境內,該段線路主要以挖方形式通過黃河高階地,地形起伏較大,整體地形左高右低。線路中心最大挖深41.9 m,左側邊坡最大高度90.1 m。

        2.2 地層巖性

        場區(qū)內地層主要有砂質新黃土(Q3dl+pl)、黏質新黃土(Q3dl+pl)、黏質老黃土(Q2pl)、粉砂(Q2pl)、細砂(Q2pl)。其中,砂質新黃土具濕陷性,濕陷厚度為12~27 m,濕陷性為Ⅲ級(嚴重),地震動峰值加速度為0.15g,地震基本烈度為Ⅶ度。以現場地質報告提供的物理力學統(tǒng)計指標為基礎,綜合考慮該區(qū)域既有鐵路設計資料,選取的邊坡穩(wěn)定計算參數見表1。

        表1 土層穩(wěn)定計算參數

        3 高邊坡設計

        路塹高邊坡設計主要涉及3個因素,坡形、坡率和邊坡平臺。該段路塹高邊坡設計采用安全系數法,同時輔以工程比擬及自然比擬法,在滿足穩(wěn)定的前提下對邊坡進行優(yōu)化[8-10]。

        3.1 坡形設計

        根據黃土路塹邊坡設計原則及區(qū)域內黃土自然穩(wěn)定邊坡的坡形結構,確定黃土路塹高邊坡的最佳坡形為臺階形。

        3.2 坡率設計

        根據地勘資料推薦坡率以及工程類比分析,確定設計坡率選取范圍介于1∶1.0~1∶1.5之間。采用圓弧滑動法進行計算,對邊坡穩(wěn)定性、邊坡高度、占地情況等因素進行綜合分析,各種檢算結果如表2所示。

        表2 不同坡率檢算結果

        由表2可見,邊坡坡率采用1∶1.0、1∶1.15、1∶1.20三種方案時,穩(wěn)定系數均小于1.25,達不到規(guī)范要求,高邊坡存在安全隱患;邊坡坡率采用1∶1.25、1∶1.5時,邊坡穩(wěn)定系數均滿足規(guī)范要求,但1∶1.5坡率方案邊坡用地及挖方數量較1∶1.25坡率方案明顯增加,經濟效益差。因此,通過對不同方案的綜合分析,擬定坡率為1∶1.25。

        3.3 邊坡平臺設計

        根據黃土地區(qū)邊坡設計經驗,高邊坡中設置大平臺可有效降低坡腳應力集中,有利于邊坡穩(wěn)定,同時便于施工。因此,本項目采用大平臺、小平臺相結合的設計方式,路塹邊坡大平臺每3級邊坡設置一處,寬10~20 m,每級邊坡設置小平臺,寬3 m。以下對土方、用地、邊坡高度、穩(wěn)定系數4方面進行綜合評價,以選取適宜的平臺寬度。檢算結果見表3。

        表3 不同邊坡平臺寬度檢算結果

        當邊坡平臺設置過小時,穩(wěn)定系數不滿足規(guī)范要求;當邊坡平臺設置過大時,穩(wěn)定系數滿足規(guī)范要求,但邊坡占地及土方開挖工程量過大。因此,在滿足邊坡穩(wěn)定性前提下,選取合適的大平臺寬度對邊坡優(yōu)化設計有顯著意義。

        最終確定的高邊坡設計方案:坡形為臺階形,邊坡坡率采用1∶1.25,小平臺寬3 m,大平臺寬度采用15 m、20 m、15 m??紤]坡腳應力集中情況,每級大平臺下的三級邊坡分別采用一級拱形骨架、兩級錨桿格梁進行防護(見圖1)[11]。

        圖1 邊坡檢算示意

        4 邊坡自動化監(jiān)測分析

        4.1 監(jiān)測項目及測點布置

        為了及時掌握施工期及運營期路塹邊坡的穩(wěn)定性和變形情況,需要對邊坡變形、錨固拉力、含水量等項目進行監(jiān)測;根據監(jiān)測數據分析變形發(fā)展趨勢及邊坡穩(wěn)定狀態(tài),為鐵路安全運營提供預警保障[12-14]。

        平陸站高邊坡監(jiān)測主要針對邊坡高陡、地質情況復雜段落,一般沿線路方向每隔30~50 m設置一個監(jiān)測斷面,局部可根據地形、巖性和支護結構等情況進行調整。每個監(jiān)測斷面一般設置2~3個深層監(jiān)測孔,按照縱、橫斷面呈十字布置,形成合理的測網。監(jiān)測孔應設在變形敏感位置,鉆孔深度需結合邊坡滑動弧面確定(達到穩(wěn)定地層不少于2 m)。錨桿測力計布設在邊坡較高段落的錨固工程中,通過拉力計監(jiān)測錨桿應力變化,進而分析邊坡變形情況。

        本工程共布設監(jiān)測斷面20個,深部位移監(jiān)測點226個,錨桿測力計6個,含水量計24個,各監(jiān)測項目數據均采用遠程自動化采集傳輸。

        4.2 監(jiān)測數據分析

        (1)含水量分析

        含水量計于2016年9月安裝,監(jiān)測數據截止2018年6月,代表性測點的含水量變化曲線見圖2。

        圖2 含水量變化曲線

        在五級平臺和十級平臺的2 m和8 m深度設置含水量計。如圖2所示,不同位置處含水量不盡一致,整體表現為十級邊坡處含水量高于五級邊坡處;邊坡表層2 m處含水量隨時間變化出現大幅波動,邊坡中部8 m處含水量隨時間變化不明顯。邊坡表層含水量劇烈變化時間與當地雨季時間較為吻合。

        根據邊坡表層和深部含水量隨時間變化的情況可知,深層土受降雨影響較小,含水量較穩(wěn)定,表層土含水量受降雨影響較大,但雨季過后,坡體含水量又趨于穩(wěn)定。針對坡體含水量變化規(guī)律,邊坡開挖后應及時進行防護,并做好臨時排水,減少雨水下滲對坡體產生的影響。

        (2)鉆孔測斜儀數據分析

        兩批鉆孔測斜儀分別于2016年9月和2017年5月安裝,監(jiān)測數據截止2018年6月,代表性測斜數據見圖3~圖5。

        圖3 二級平臺深孔位移曲線

        圖4 五級平臺深孔位移曲線

        圖5 十級平臺深孔位移曲線

        代表性斷面設置在二級、五級和十級平臺,每級平臺測斜孔深度根據邊坡高度以及潛在滑動面綜合確定。

        鉆孔測斜儀監(jiān)測數據顯示,每級邊坡變形情況不盡相同。十級邊坡變形較大,最大值約為10 mm,邊坡變形量隨鉆孔深度的增加明顯減小,其原因為十級邊坡位于高邊坡頂部,地層主要為砂質新黃土,土體相對松散,隨著邊坡開挖累計變形量逐漸增大,但當邊坡整體開挖結束,變形速率有所減小并逐漸趨于穩(wěn)定。五級邊坡總體位移變化較小,但邊坡9月~12月有變形加劇情況出現,主要原因是受降雨影響,雨水下滲后土體含水率增大,強度降低,變形有所增加。二級邊坡位移總體較小,但前期位移有較大突變,造成突變的主要原因是5月~11月施工單位進行一級邊坡開挖,開挖卸荷后應力重新分布所致。

        由圖3~圖5可知,邊坡曾出現局部位移突變情況,但逐漸趨于穩(wěn)定,邊坡最大水平位移及坡體變形速率均在規(guī)范預警范圍內,邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

        (3)錨桿測力計數據分析

        兩批錨桿測力計分別于2016年9月和2017年5月安裝,監(jiān)測數據截止2018年6月,代表性錨桿測力計監(jiān)測數據見表4。

        表4 錨桿測力計數據變化

        在二級、五級邊坡錨桿格梁護坡處設置錨桿測力計。根據表4中錨桿測力數據可以看出,五級平臺錨桿拉力普遍較小,錨桿軸力變化幅度不大;二級邊坡測點數據隨時間變化有較大變動,主要原因是一級邊坡開挖卸荷后邊坡局部位移增大,由于錨桿格梁具有變形限制作用,錨桿拉力隨著坡體開挖逐漸增大,當土方施工結束后,邊坡變形增量逐漸減小,錨桿軸力也逐漸趨近穩(wěn)定。

        錨桿測力計監(jiān)測數據表明,錨桿拉力小于設計值,錨桿工作正常,各測點附近不存在邊坡失穩(wěn)情況??傮w來說,錨桿作為一種被動支護措施,只有在土體錨固范圍內有破壞或存在破壞趨勢時,錨桿軸力才會出現持續(xù)增大情況。

        5 結論

        平陸站高邊坡段落各項監(jiān)測數據的分析結果顯示,高邊坡坡體表層及深部無明顯位移,錨桿、格梁受力合理,邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

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