張連啟

（北京鐵研建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司，北京 102628）

從1999 年實(shí)施西部大開發(fā)戰(zhàn)略開始，到2020 年的《關(guān)于新時(shí)代推進(jìn)西部大開發(fā)形成新格局的指導(dǎo)意見》發(fā)布，我國(guó)西部地區(qū)的鐵路、公路等交通設(shè)施建設(shè)取得了極大的進(jìn)步。由于西部地區(qū)獨(dú)特的地理特點(diǎn)，山區(qū)鐵路、公路等建設(shè)了大量的橋梁、隧道等工程[1-2]，建設(shè)過程中產(chǎn)生了大量廢棄渣土[3-4]，進(jìn)而導(dǎo)致了大量的棄渣場(chǎng)工程出現(xiàn)。棄渣堆積體往往結(jié)構(gòu)松散，容易產(chǎn)生穩(wěn)定性問題[5-6]。如何有效分析棄渣堆積體及擋墻的穩(wěn)定性，成為人們?nèi)找骊P(guān)注的問題。

在棄渣場(chǎng)穩(wěn)定性的研究方面，已有學(xué)者進(jìn)行了廣泛而深入的研究。王莉[7]基于大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)棄渣場(chǎng)的水解性巖石含量與黏土含量超過40%，臺(tái)階高度超過18 m 時(shí)，棄渣場(chǎng)有較大概率出現(xiàn)滑坡；劉浩等[8]對(duì)影響棄渣場(chǎng)穩(wěn)定性的因素進(jìn)行了分析，認(rèn)為坡率、內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角等屬于影響棄渣場(chǎng)坡體穩(wěn)定性的主要因素，而坡高、渣體容重和堆積位置下伏基巖傾角屬于次要影響因素；羅雷等[9]認(rèn)為棄渣場(chǎng)的坡度低于土體內(nèi)摩擦角時(shí)，堆積體可以在無風(fēng)、大暴雨的情況處于穩(wěn)定狀態(tài)，但擋渣墻是必要的工程措施；毛雪松等針對(duì)棄渣場(chǎng)堆積體的非飽和滲流問題，采用GeoStudio 軟件對(duì)降雨條件下的穩(wěn)定性問題進(jìn)行研究，認(rèn)為降雨條件下的邊坡穩(wěn)定性變化存在滯后現(xiàn)象，邊坡穩(wěn)定系數(shù)在降雨停止后還會(huì)繼續(xù)下降；羅浩等[10]研究了棄渣場(chǎng)邊坡在堆積過程中不同粒徑顆粒的分布特點(diǎn)和引起的破壞模式影響效應(yīng)，認(rèn)為降雨作用下的棄渣堆積體固結(jié)沉降、孔隙率降低及抗剪強(qiáng)度降低，棄渣場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性隨之降低。郭朋瑜等[11]通過剪切試驗(yàn)，分析了節(jié)理分布位置對(duì)巖體綜合抗剪強(qiáng)度和破裂特征的影響程度；洪振宇等[12]研究了土體非飽和情況下及降雨入滲與震動(dòng)耦合作用下棄渣場(chǎng)的穩(wěn)定性，并針對(duì)某實(shí)際工程，認(rèn)為降雨滲流地震耦合作用下該棄渣場(chǎng)是穩(wěn)定的。

然而，棄渣堆積體的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)復(fù)雜，受實(shí)際環(huán)境影響較大，其穩(wěn)定性分析方法和結(jié)果也存在差異。本文以杭州至長(zhǎng)沙鐵路客運(yùn)專線（以下簡(jiǎn)稱“杭長(zhǎng)客?！保┚盘了淼肋M(jìn)口的棄渣場(chǎng)為研究對(duì)象，利用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)，獲得了棄渣場(chǎng)基本情況和土體性質(zhì)，并基于Delphi6.0 開發(fā)應(yīng)用程序，進(jìn)行了棄渣堆積體穩(wěn)定性和擋墻穩(wěn)定性分析，對(duì)保障棄渣場(chǎng)穩(wěn)定和高速鐵路的正常運(yùn)營(yíng)具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 棄渣場(chǎng)概況

1.1 場(chǎng)地情況

本文的研究對(duì)象為杭長(zhǎng)客專九塘隧道進(jìn)口的棄渣場(chǎng)。棄渣場(chǎng)周邊為丘陵地貌，地形起伏，自然坡度約在16°~22°之間，相對(duì)高差約為25 m~30 m。棄渣場(chǎng)植被覆蓋率低，四周山體植被發(fā)育較為茂盛。棄渣場(chǎng)共占地14.5 畝（1 畝約等于0.066 7 hm2），總棄渣量達(dá)10 萬m3，棄渣最大高度為30 m，屬于4 級(jí)棄渣場(chǎng)。

棄渣場(chǎng)下游出口100 m 范圍內(nèi)的建筑分布如圖1所示，從上到下依次為水塘、擋墻、場(chǎng)坪和杭長(zhǎng)客專。擋墻位于棄渣場(chǎng)坡腳，實(shí)際長(zhǎng)度68 m，墻高4.1 m，擋墻墻頂寬2.2 m。由于未設(shè)置排水系統(tǒng)，擋墻后方積水形成水塘。

圖1 棄渣場(chǎng)周邊環(huán)境示意圖

1.2 地質(zhì)條件

棄渣場(chǎng)的地質(zhì)條件是影響其穩(wěn)定性的重要因素。為此，對(duì)棄渣場(chǎng)的地質(zhì)條件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研。該渣場(chǎng)所處位置上覆第四系全新統(tǒng)殘坡積層（Q4el+dl）粉質(zhì)黏土；下伏基巖為元古界板小木坪組（Ptx）板巖，各層的土體性質(zhì)特征如下。

（1）第一層粉質(zhì)黏土（Q4el+dl）。該土層主要分布在地表緩坡及溝谷中，土層厚度約為1~4 m，具有較高的含水率，且具有硬塑性，屬于II 級(jí)普通土，承載力為180 kPa。

（2）第二層板巖（Ptx）位于粉質(zhì)黏土層下方，由全風(fēng)化層和強(qiáng)風(fēng)化層組成。巖層整體為板狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，呈淺黃和灰綠色，屬于變余砂質(zhì)結(jié)構(gòu)。其中，全風(fēng)化層厚度約為4~26m，屬于III 級(jí)硬土，承載力為200 kPa；強(qiáng)風(fēng)化層厚度約為3~60 m，屬于V 級(jí)次堅(jiān)石，承載力為500 kPa。此外，該棄渣場(chǎng)的地表水較為匱乏，主要來源為大氣降雨等季節(jié)性變化，受氣候影響較大，并由于缺乏排水系統(tǒng)，主要以蒸發(fā)、下滲和徑流等形式排泄。

2 棄渣場(chǎng)穩(wěn)定性分析原理及方法

棄渣場(chǎng)的穩(wěn)定性分析主要包括棄渣堆積體的邊坡穩(wěn)定性和擋墻的穩(wěn)定性分析，前者主要分析其邊坡穩(wěn)定性，后者主要分析其抗滑和抗傾覆情況。由于棄渣場(chǎng)所在地的地震烈度為Ⅵ級(jí)，根據(jù)GB 51018—2014《水土保持工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[13]，可以不進(jìn)行地震工況計(jì)算。

2.1 棄渣堆積體穩(wěn)定性分析原理及方法

棄渣場(chǎng)的渣料為松散土體，對(duì)其進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性的分析時(shí)，主要采用以條分法和極限平衡原理為基礎(chǔ)的邊坡極限平衡法。根據(jù)假設(shè)的不同，分析方法可以選用瑞典圓弧法和簡(jiǎn)化Bishop 法、Janbu 法、Sarma 法和Morgenstern-Price 法等，其中，瑞典圓弧法和簡(jiǎn)化Bishop 法的應(yīng)用較為廣泛。

瑞典圓弧法不考慮條分法中土條兩側(cè)的作用力，主要適用于棄渣場(chǎng)抗滑穩(wěn)定性的計(jì)算；而簡(jiǎn)化Bishop法考慮了2 側(cè)條間力的作用，對(duì)均質(zhì)棄渣體更為適用。為增加計(jì)算結(jié)果的可靠性，本文同時(shí)采用2 種方法進(jìn)行計(jì)算，式（1）和式（2）分別為簡(jiǎn)化Bishop 法和瑞典圓弧法的表達(dá)式。

式中：K 表示抗滑穩(wěn)定性安全系數(shù)；b 為條塊寬度（m）；W為條塊重力（kN）；V 為垂直地震慣性力（向上為負(fù)，向下為正）（kN）；u 為作用于土條底面的孔隙壓力（kPa）；α 為條塊的重力線與通過此條塊底面中點(diǎn)的半徑之間的夾角（°）；c'和φ'為土條底面的有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)；MC為水平地震慣性力對(duì)圓心的力矩（kN·m）；R 為圓弧半徑（m）。

結(jié)合前述調(diào)研的棄渣場(chǎng)情況，可以知道棄渣場(chǎng)的植被覆蓋率低，缺乏排水系統(tǒng)，且位于多雨地區(qū)。因此在進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性的計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮降雨情況。因此，計(jì)算條件可以分為降雨和非降雨2 種，而根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，可以確定該棄渣場(chǎng)的渣體及巖層的基本物性參數(shù)，具體見表1。在計(jì)算時(shí)，選取具有代表性的橫、縱剖面進(jìn)行計(jì)算，如圖2 所示。表1 中的參數(shù)可以為后續(xù)的穩(wěn)定性計(jì)算提供支撐。

圖2 棄渣場(chǎng)計(jì)算剖面

表1 棄渣場(chǎng)基本物性參數(shù)

2.2 擋墻穩(wěn)定性分析原理及方法

擋墻的穩(wěn)定性計(jì)算主要分為抗滑移穩(wěn)定性計(jì)算和抗傾覆穩(wěn)定性計(jì)算。如式（3）和式（4）所示。本文的棄渣場(chǎng)擋墻屬于重力式擋墻，墻背上的主動(dòng)土壓力和被動(dòng)土壓力應(yīng)按式（3）和式（4）進(jìn)行計(jì)算。

式中：Ea為墻背土壓力的反力（kN），Ea=Ex+Ey；Ex為墻背所承受的水平土壓力（kN）；Ey為墻背所承受的豎向土壓力（kN）；W 為破裂棱體的重力及破裂面以內(nèi)的路基面上荷載產(chǎn)生的重力（kN）；θ 為墻背巖土內(nèi)產(chǎn)生的破裂面與豎直面的夾角（°）；φ0為墻背巖土綜合內(nèi)摩擦角（°）；δ 為墻背摩擦角（°）；α 為墻背傾角（°）。

確定了作用在擋墻上的土壓力后，可以進(jìn)行抗滑安全系數(shù)和抗傾覆安全系數(shù)的計(jì)算，分別見式（5）和式（6）。

式中：M0=ExZx+FhEZhE；My=GZW+EyZy+EpZp；M0為傾覆力矩（kN·m）；Zx為墻后土壓力的水平分力到墻趾的距離（m）；ZhE為水平地震力到墻趾的距離（m）；My為穩(wěn)定力矩（kN·m）；ZW為墻身自重及墻頂以上恒載自重合力重心到墻趾的距離（m）；Zy為墻后土壓力的總豎向分力到墻趾的距離（m）；Zp為墻前被動(dòng)土壓力到墻趾的距離（m）。

擋墻的墻身高4.1 m，墻頂寬2.2 m，其橫斷面如圖3 所示。根據(jù)調(diào)研及試驗(yàn)結(jié)果，可以確定該擋墻的基本計(jì)算參數(shù)，見表2。

圖3 擋墻橫斷面工圖

表2 擋墻基本參數(shù)

3 穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

3.1 棄渣場(chǎng)穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

本節(jié)針對(duì)非降雨條件和降雨條件下的棄渣堆積體穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖4 所示。圖中的Z1、Z2、H1 和H2 工況依次為縱剖面整體穩(wěn)定性、縱剖面局部穩(wěn)定性、橫剖面整體穩(wěn)定性及縱剖面局部穩(wěn)定性。由圖4可知，降雨會(huì)導(dǎo)致棄渣堆積體的穩(wěn)定性下降，但降雨條件下和非降雨條件下的堆積體穩(wěn)定性皆高于穩(wěn)定安全系數(shù)，棄渣場(chǎng)整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定。

圖4 棄渣堆積體穩(wěn)定性分析結(jié)果

3.2 攔擋工程穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

本節(jié)針對(duì)非降雨條件和降雨條件下的擋渣墻抗滑穩(wěn)定性和抗傾覆穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。由圖5 可知，降雨會(huì)導(dǎo)致?lián)踉鼔Φ姆€(wěn)定性下降，但降雨條件下和非降雨條件下的擋渣墻穩(wěn)定性皆高于穩(wěn)定安全系數(shù)，擋渣墻具有足夠的抗滑和抗傾覆能力。

圖5 擋墻穩(wěn)定性分析結(jié)果

4 結(jié)論

本文以山區(qū)高速鐵路棄渣場(chǎng)為研究對(duì)象，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)獲得了土體性質(zhì)參數(shù)，并計(jì)算了棄渣場(chǎng)穩(wěn)定性，得到主要結(jié)論如下。

（1）選取棄渣場(chǎng)的典型斷面，計(jì)算非降雨條件和降雨條件下的縱剖面整體穩(wěn)定性、縱剖面局部穩(wěn)定性、橫剖面整體穩(wěn)定性及縱剖面局部穩(wěn)定性。雖然降雨使得安全系數(shù)下降，但都在穩(wěn)定安全系數(shù)值以上，棄渣堆積體整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定。

（2）針對(duì)擋渣墻，計(jì)算非降雨條件和降雨條件下的抗滑穩(wěn)定性和抗傾覆穩(wěn)定性，抗滑穩(wěn)定性和抗傾覆穩(wěn)定性在降雨作用下下降，但也在穩(wěn)定安全系數(shù)值以上，擋渣墻的安全儲(chǔ)備充足。

（3）九塘隧道棄渣場(chǎng)的擋墻工程完備，棄渣堆積體和擋渣墻的穩(wěn)定性較好，暫時(shí)可不進(jìn)行加固處理。但棄渣場(chǎng)缺乏排水系統(tǒng)，受季節(jié)影響會(huì)造成擋墻后積水，可能成為影響棄渣場(chǎng)穩(wěn)定性的來源。