崔維孝

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司， 天津 300308)

雅萬高速鐵路沿線具有泥頁巖工程特性的地層構(gòu)造主要包括Subang地層構(gòu)造(Tms/Msc)和Jatilihur地層構(gòu)造(Tmj/Mdm)[1]。由于沿線泥頁巖具有低強(qiáng)度和強(qiáng)膨脹特性，給雅萬高速鐵路建設(shè)帶來了邊坡穩(wěn)定控制和基床變形控制兩大突出技術(shù)難題，本文將結(jié)合雅萬高速鐵路建設(shè)，對(duì)泥頁巖路塹邊坡工程對(duì)策開展研究。

1 勘察試驗(yàn)情況

根據(jù)巖石薄片鑒定，泥頁巖主要由巖屑、晶屑、玻屑和火山灰組成，部分為硅藻和黏土質(zhì)，礦物成分主要為隱晶～微晶黏土礦物，占比達(dá)90%以上，其次含有石英、長(zhǎng)石、方解石等。受海洋沉積環(huán)境影響，泥頁巖中含有少量氯鹽。

右側(cè)泥頁巖邊坡傾向線路，視傾角16°～30°，節(jié)理裂隙發(fā)育。

根據(jù)沿線不同時(shí)代泥頁巖全風(fēng)化層土工試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，內(nèi)摩擦角為17.9°～20.9°，粘聚力為47.6～71 kPa。泥頁巖殘余剪切強(qiáng)度內(nèi)摩擦角為6.7°～17.3°，平均值為11.34°；黏聚力為1～3 kPa，平均值為2 kPa。

2 設(shè)計(jì)參數(shù)

原土樣土工試驗(yàn)結(jié)果表征了全風(fēng)化泥頁巖在天然狀態(tài)下的強(qiáng)度參數(shù)，殘余剪切試驗(yàn)結(jié)果則表征了泥頁巖在外界環(huán)境作用下強(qiáng)度衰減可能達(dá)到的強(qiáng)度。

膨脹巖土的強(qiáng)度設(shè)計(jì)參數(shù)的確定是永恒的技術(shù)難題，甚至有內(nèi)摩擦角取室內(nèi)試驗(yàn)值的1/7，黏聚力取室內(nèi)試驗(yàn)值的1/14的建議[2]。本次研究嘗試了經(jīng)驗(yàn)參數(shù)化、借鑒當(dāng)?shù)匮芯砍晒盎谑Х€(wěn)邊坡反算的方法。

2.1 經(jīng)驗(yàn)參數(shù)化

在雅萬高速鐵路路基設(shè)計(jì)過程中采用了經(jīng)驗(yàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，即將根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判定為穩(wěn)定的邊坡按臨界穩(wěn)定安全系數(shù)進(jìn)行反算，確定邊坡強(qiáng)度設(shè)計(jì)參數(shù)。

以文獻(xiàn)[3]為例，對(duì)邊坡高度不超過10 m的膨脹巖土邊坡坡率及平臺(tái)設(shè)置提出了建議值，如表1所示。

表1 膨脹土(巖)路塹邊坡坡率和平臺(tái)寬度表

鑒于相關(guān)規(guī)范對(duì)于邊坡穩(wěn)定性的規(guī)定并不完全一致，本次研究邊坡最小穩(wěn)定安全系數(shù)按一般工況1.35[4]、地震工況1.15[5]，臨時(shí)工況1.10[6]進(jìn)行計(jì)算分析。重點(diǎn)在于探討參數(shù)確定方法及對(duì)策，并假定了表1的邊坡坡率及平臺(tái)寬度在最大邊坡高度時(shí)臨界滿足一般工況穩(wěn)定安全系數(shù)要求，在巖土強(qiáng)度參數(shù)反算時(shí)，按穩(wěn)定安全系數(shù)不大于控制值取值。

按一級(jí)邊坡高度6 m，二級(jí)邊坡高度4 m，邊坡坡率1∶1.75、1∶2、1∶2.5，邊坡平臺(tái)寬度2 m、3 m、3 m，穩(wěn)定安全系數(shù)不小于1.35、邊坡土體重度20 kN/m3，對(duì)弱、中、強(qiáng)膨脹性巖土分別采用簡(jiǎn)化Bishop法按圓弧滑動(dòng)破壞模式進(jìn)行了設(shè)計(jì)參數(shù)反算，據(jù)此確定了路塹邊坡設(shè)計(jì)采用的強(qiáng)度參數(shù)，如表2所示。

表2 經(jīng)驗(yàn)參數(shù)化方法確定的設(shè)計(jì)參數(shù)表

2.2 當(dāng)?shù)匮芯繖C(jī)構(gòu)的建議

2017年，當(dāng)?shù)匮芯繖C(jī)構(gòu)提供的文獻(xiàn)中有來自Gartung(1986)的建議，如圖1所示。

圖1 Gartung(1986)建議的泥頁巖抗剪強(qiáng)度圖

2019年，當(dāng)?shù)乜蒲腥藛T對(duì)于圖1的設(shè)計(jì)抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了修正，建議粘聚力c取7～25 kPa，內(nèi)摩擦角φ取13°～16°。

2.3 參數(shù)反算

盡管在路塹邊坡設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合泥頁巖水敏感性強(qiáng)的特點(diǎn)提出了開挖后及時(shí)防護(hù)的要求，雅萬高速鐵路路塹邊坡開挖成形后，在裸露狀態(tài)下還是普遍經(jīng)歷了1～2個(gè)雨季及干濕循環(huán)的作用。泥頁巖開挖暴露經(jīng)歷雨季和旱季的干濕循環(huán)過程就是巖土強(qiáng)度參數(shù)從天然強(qiáng)度向殘余剪切強(qiáng)度衰減演化的過程，尤其對(duì)于大氣劇烈影響深度范圍內(nèi)的巖土體而言，其演化的程度更為顯著，局部表層黏土和泥巖全風(fēng)化層，在降雨浸泡作用下甚至呈流塑狀態(tài)。因此雅萬高速鐵路沿線泥頁巖路塹邊坡在建設(shè)過程中出現(xiàn)了多處滑塌，滑塌主要發(fā)生于右側(cè)路塹邊坡，說明泥頁巖邊坡在降水作用下沿結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度衰減更加顯著。同時(shí)局部低洼易積水位置坡體往往受大氣降水及干濕循環(huán)的影響更大，其土體力學(xué)參數(shù)更易接近殘余剪切試驗(yàn)結(jié)果，因而失穩(wěn)問題多發(fā)。

本次研究對(duì)于右側(cè)路塹邊坡發(fā)生滑塌的DK 52+463、DK 53+177、DK 54+830、DK 59+400等4個(gè)斷面(如表3所示)按統(tǒng)一的土體強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行了抗剪強(qiáng)度反算，由于滑塌發(fā)生時(shí)，邊坡土體強(qiáng)度的衰減程度可能不一致，因此本次反算各斷面穩(wěn)定安全系數(shù)按不大于1控制，但不強(qiáng)求一致。

表3 計(jì)算斷面情況表

結(jié)合4個(gè)斷面破壞特征、土工試驗(yàn)結(jié)果及對(duì)于泥頁巖相關(guān)強(qiáng)度參數(shù)的認(rèn)識(shí)，采用Bishop簡(jiǎn)化計(jì)算方法按順層滑動(dòng)與切層圓弧組合滑面進(jìn)行試算，確定的計(jì)算參數(shù)如表4所示。

表4 反算設(shè)計(jì)參數(shù)表

采用上述參數(shù)計(jì)算，DK 52+463、DK 53+177、DK 54+830、DK 59+400斷面的穩(wěn)定安全系數(shù)分別為0.917、0.999、0.844、0.914。

一般來說，泥頁巖全風(fēng)化層由于比較接近地表，受大氣環(huán)境的影響較為顯著，對(duì)降雨和干濕循環(huán)相對(duì)敏感，因此抗剪強(qiáng)度較低。而強(qiáng)風(fēng)化層受大氣環(huán)境影響相對(duì)較小，其天然強(qiáng)度保持較好，相對(duì)而言，表4中強(qiáng)風(fēng)化泥頁巖的抗剪強(qiáng)度取值更加保守。

3 工程對(duì)策研究

按殘余剪切強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，工程措施的可靠性必然可以顯著提高，但經(jīng)濟(jì)性較差。采用保護(hù)和利用巖土天然強(qiáng)度的方法，可提高經(jīng)濟(jì)性；適當(dāng)考慮外部環(huán)境變化對(duì)巖土參數(shù)的影響對(duì)保證工程措施的可靠性是必要的。

一般而言，邊坡土體抗剪強(qiáng)度較低需較緩的邊坡坡率才能保證穩(wěn)定性，而緩邊坡可能會(huì)增加降雨徑流在坡面的滯留時(shí)間使?jié)B透進(jìn)入坡體的水量增大從而降低坡體強(qiáng)度。在坡面設(shè)置隔水防滲層可減小大氣影響深度、緩解大氣環(huán)境變化對(duì)坡體穩(wěn)定性的影響，如果隔水防滲層具有一定強(qiáng)度和厚度，還會(huì)對(duì)坡體失穩(wěn)具有約束作用。同時(shí)，對(duì)坡體進(jìn)行局部置換，可以提高坡體復(fù)合強(qiáng)度，穩(wěn)定坡率變陡，減少占地、挖方及棄土外運(yùn)。圍繞這個(gè)思路，本次研究提出了對(duì)于低強(qiáng)度坡體的工程解決方案，如圖2所示。該方案主要包括坡體置換加強(qiáng)與坡面置換加強(qiáng)兩部分。坡體置換加強(qiáng)可采用埋入式預(yù)加固樁[7]，其設(shè)計(jì)計(jì)算通常采用基于土壓力或滑坡推力的方法，但在本方案中，坡體置換加強(qiáng)主要用于提高坡體整體強(qiáng)度，在邊坡穩(wěn)定分析時(shí)，可采用條分法，其中加固體所在土條(如圖3所示)的抗剪強(qiáng)度可采用加固體與土體的復(fù)合強(qiáng)度，采用式(1)進(jìn)行計(jì)算。

圖2 低強(qiáng)度坡體邊坡置換加強(qiáng)方案圖

圖3 置換體土條示意圖

(1)

式中：τsp——置換體與坡體復(fù)合抗剪強(qiáng)度(kPa)，坡體參數(shù)變化時(shí)可分段計(jì)算；

D——置換體直徑(m)；

S——置換體間距(m)；

τp——置換體抗剪強(qiáng)度(kPa)；

τs——計(jì)算位置坡體巖土層抗剪強(qiáng)度(kPa)。

坡面置換又稱重力罩面[8]、“壓重”[9]，坡面置換材料首先應(yīng)滿足強(qiáng)度高及水穩(wěn)性好的要求。當(dāng)坡體富水時(shí)尚需具有一定的滲透能力以避免阻水；當(dāng)坡體干燥時(shí)應(yīng)具抗?jié)B透性能力以減少降雨時(shí)雨水下滲，減小大氣影響深度，保護(hù)坡體天然強(qiáng)度。強(qiáng)度高可提高坡體穩(wěn)定性，起到類似于重力式擋土墻的作用。水穩(wěn)性的要求是基于覆蓋體位于坡體表面，受降雨及干濕循環(huán)影響比較顯著，只有具有較好的水穩(wěn)性才能保證長(zhǎng)期強(qiáng)度。為避免置換層影響坡體內(nèi)部排水，一般應(yīng)設(shè)置泄水孔。為保證可靠性，在坡體穩(wěn)定分析時(shí)宜取置換體飽和狀態(tài)下的強(qiáng)度參數(shù)。

該方案的設(shè)計(jì)計(jì)算步驟如下：

(1)確定最上一級(jí)邊坡坡率。一般可采用開挖至邊坡分級(jí)高度的一半滿足臨時(shí)工況邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的最陡坡率。最上一級(jí)邊坡高度較小時(shí)，可按一次開挖完成滿足臨時(shí)工況安全系數(shù)確定邊坡坡率。

(2)最上一級(jí)邊坡坡體置換加強(qiáng)設(shè)計(jì)。按具備最上一級(jí)坡面置換體施工條件的邊坡高度滿足臨時(shí)邊坡穩(wěn)定要求進(jìn)行坡體置換設(shè)計(jì)。最上一級(jí)邊坡高度較小時(shí)，可不對(duì)坡體進(jìn)行置換加強(qiáng)。

(3)最上一級(jí)邊坡坡面置換設(shè)計(jì)。按一級(jí)邊坡滿足一般工況下及地震工況的穩(wěn)定安全系數(shù)進(jìn)行邊坡置換層厚度檢算。邊坡置換層最小厚度一般應(yīng)滿足碾壓施工對(duì)填筑體寬度的要求，當(dāng)計(jì)算確定的置換層厚度較大時(shí)，可通過調(diào)整邊坡坡率、坡體加固強(qiáng)度、深度及加固位置等進(jìn)行調(diào)整。

(4)重復(fù)上述步驟依次進(jìn)行下級(jí)邊坡設(shè)計(jì)，必要時(shí)可根據(jù)整體穩(wěn)定檢算情況調(diào)整邊坡平臺(tái)寬度及上級(jí)邊坡設(shè)計(jì)參數(shù)。

需要強(qiáng)調(diào)的是，該方案在施工時(shí)必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)確定的邊界條件分步驟進(jìn)行開挖、坡體置換加強(qiáng)及邊坡置換層的施工。上一級(jí)邊坡置換層施工完成后方可進(jìn)行下一級(jí)邊坡的施工，并嚴(yán)格遵循開挖至坡體置換加強(qiáng)體頂面高程時(shí)進(jìn)行坡體置換加強(qiáng)體施工的原則；置換體強(qiáng)度滿足要求后進(jìn)行該級(jí)邊坡下半部分開挖；具備該級(jí)邊坡置換層施工條件時(shí)應(yīng)及時(shí)施做置換層。

4 方案比較

以高速鐵路無砟軌道強(qiáng)膨脹泥巖順層側(cè)路塹邊坡為研究對(duì)象，視傾角15°，每1m厚度存在0.1 m厚軟弱夾層，全風(fēng)化層厚度12 m，其下為強(qiáng)風(fēng)化層，采用表4的巖土參數(shù)；地震動(dòng)峰值加速度為0.25 g；設(shè)計(jì)采用“路堤式”路塹結(jié)構(gòu)，路堤高 0.6 m，為控制基床膨脹變形，基床厚2.7 m范圍內(nèi)采取換填措施；邊坡分級(jí)高度6 m，各級(jí)邊坡之間設(shè)置邊坡平臺(tái)。穩(wěn)定分析采用簡(jiǎn)化Bishop法，按順層直線與切層圓弧的復(fù)合滑面進(jìn)行計(jì)算。分別按邊坡高度6 m、12 m及18 m將研究提出的解決方案(方案Ⅰ)與常規(guī)設(shè)計(jì)通常采用的坡腳支擋與穩(wěn)定坡率結(jié)合的設(shè)計(jì)方案(方案Ⅱ)及按穩(wěn)定坡率設(shè)計(jì)方案(方案Ⅲ)進(jìn)行對(duì)比分析。工程數(shù)量計(jì)算時(shí)統(tǒng)一以側(cè)溝平臺(tái)線路側(cè)(如圖2的點(diǎn)劃線)為基準(zhǔn)，用地計(jì)算至塹頂以外5 m，坡面防護(hù)面積計(jì)列邊坡及平臺(tái)。投資估算采用的指標(biāo)如表5所示。

表5 投資估算指標(biāo)表

4.1 方案Ⅰ

坡體置換加強(qiáng)采用直徑為1 m的鉆孔灌注樁，坡面置換根據(jù)雅萬高速鐵路改良試驗(yàn)結(jié)果采用表層黏土或全風(fēng)化泥巖摻加不少于5%石灰，并按壓實(shí)度0.92控制，其設(shè)計(jì)參數(shù)取值為重度γ為20 kN/m3，內(nèi)聚力c為50 kPa，內(nèi)摩擦角φ為20°。經(jīng)過試算，路塹邊坡坡率均采用1∶1.75，側(cè)溝平臺(tái)及邊坡平臺(tái)寬度均采用2.0 m，坡面置換厚度均采用1.2 m。對(duì)應(yīng)邊坡高度6 m、12 m、18 m分別設(shè)置1、2、3排坡體加固樁，其設(shè)置位置、間距及深度如表6所示，對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定安全計(jì)算結(jié)果如表7所示。

表6 坡體置換位置、間距及深度表

表7 施工節(jié)點(diǎn)計(jì)算穩(wěn)定安全系數(shù)表

4.2 方案Ⅱ

于坡腳設(shè)置懸臂高度為3 m的排樁墻(采用直徑為1 m的鉆孔灌注樁，間距1.2 m)，考慮換填層施工，臨時(shí)工況懸臂高度約5.5 m，不同邊坡高度計(jì)算確定的設(shè)計(jì)參數(shù)如表8所示。

表8 方案Ⅱ設(shè)計(jì)參數(shù)表

4.3 方案Ⅲ

不設(shè)置支擋結(jié)構(gòu)，按穩(wěn)定檢算進(jìn)行坡率及平臺(tái)寬度設(shè)計(jì)，換填層施工按臨時(shí)工況控制穩(wěn)定安全系數(shù)。不同邊坡高度計(jì)算確定的設(shè)計(jì)參數(shù)如表9所示。

表9 方案Ⅲ設(shè)計(jì)參數(shù)表

4.4 對(duì)比分析

每米土方、用地及投資比較如表10所示。通過表10可以看出，置換加強(qiáng)方案在節(jié)省用地方面具有突出的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并可大幅度減少棄方從而減小對(duì)環(huán)境的影響；按設(shè)定的估算指標(biāo)，工程投資除邊坡高度18 m時(shí)與方案Ⅲ持平外，均明顯低于其它兩個(gè)方案。方案Ⅲ在邊坡高18 m時(shí)經(jīng)濟(jì)性提高，其主要原因是強(qiáng)風(fēng)化層設(shè)計(jì)強(qiáng)度參數(shù)的提高，說明置換加強(qiáng)方案在邊坡巖土強(qiáng)度較高時(shí)不具備技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

表10 每米土方、用地及投資比較表

方案Ⅱ與方案Ⅲ比較，坡腳設(shè)置排樁墻隨著邊坡高度增加，其節(jié)省用地及挖方的作用減弱，投資增加比較顯著。雖然增加排樁墻高度或設(shè)置多排排樁可以提高方案的可靠性、進(jìn)一步減少用地、挖方及防護(hù)面積，但其經(jīng)濟(jì)性將進(jìn)一步降低。

方案Ⅰ兼顧了坡體強(qiáng)度的保護(hù)和利用，因此具有較好的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)由于坡體加固的分隔作用，即使出現(xiàn)局部坡體受環(huán)境影響其強(qiáng)度低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度的情形，其破壞的規(guī)模較小，處理比較簡(jiǎn)單，不會(huì)引起投資的較大增加。兼之其節(jié)省用地、土石方及防護(hù)工程的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于坡體強(qiáng)度較低、水敏感性較強(qiáng)的邊坡工程具有突出的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)論

雅萬高速鐵路沿線泥頁巖由于具有膨脹性，且每年都要經(jīng)歷旱季和雨季的交替作用，其強(qiáng)度參數(shù)的確定難度很大。對(duì)此提出了經(jīng)驗(yàn)參數(shù)化確定方法，如果將規(guī)范經(jīng)驗(yàn)進(jìn)一步拓展至具體工點(diǎn)不同方向天然穩(wěn)定邊坡的經(jīng)驗(yàn)，可提高針對(duì)性和合理性。

坡體與坡面置換加強(qiáng)相結(jié)合的邊坡方案對(duì)于提高坡體強(qiáng)度、減少大氣環(huán)境對(duì)坡體強(qiáng)度的不利影響具有積極意義，可用于膨脹巖土邊坡設(shè)計(jì)。