浅析重载铁路高路堑地段边坡破坏原因分析及防治措施

【摘要】本文以新建大准至朔黄铁路联络线为例，介绍了重载铁路高路堑边坡地段边坡的防护形式和破坏原因，通过力学计算等方式进行分析总结，提出重载铁路高路堑边坡的合理防护形式，为以后类似工程提供借鉴。

【关键词】重载铁路；路堑；边坡；破坏；防治措施

1.引言

在铁路、公路建设发展中，随着重载铁路、高速公路的快速发展，路基边坡的稳定和防护措施成为专业的技术课题，工程技术人员和不少的专家就从有关的工程地质学，岩土工程学等特别重要学科入手，从理论上研究路基边坡的稳定，从实践上证实理论的正确性，理论和实践做到了有机的统一，理论和实践的有机结合，为工程边坡的研究提供理论的保障。

最近几年，我国的重载铁路和高速公路飞速的发展，通过山区的重载铁路和高速公路不断增多，而这些地区地形条件很复杂，环境艰苦，并且大部分是深路堑和高填方，路基的边坡问题尤为突出，工程中不少路基边坡经常遇到破坏已成为常态，这就更加迫切的需要对路基边坡稳定的重视和必要的研究，本文通过力学计算等方式提出重载铁路高路堑边坡地段的防护形式，取得很好的效果。

2.工程概况

新建大准至朔黄铁路联络线工程ZCZQ-3标段内DK59+680～DK60+440，长760m。工点位于黄土塬缓坡地带，地形较为平坦。地表多辟为林地，地面高程一般在1362～1390m之间。线路在此以挖方通过，中心最大挖深24.50m。

工点范围内地层为第四系上更新统洪风积层（Q3pl+eol3）砂质黄土，黏质黄土：

砂质黄土（Q3pl+eol3）：分布于表层，黄褐色，坚硬-硬塑，土质较均匀，见少许孔隙，局部偶见铁锰质结核，层厚1.0～12.1m，Ⅱ级普通土，σ。=150kPa。

黏质黄土（Q3pl+eol3）：褐黄色，坚硬-硬塑，土质较均匀，含有少量铁锰质结核，层厚5.1～26.9m，Ⅱ级普通土，σ。=150kPa。

黏质黄土（Q2pl+eol3）：棕红色，硬塑，土质均匀，局部含有少量钙质结核及铁锰质结核，切面光滑，Ⅲ级硬土，σ。=180kPa。

工点内第四系上更新统砂质黄土无湿陷性。

地震动峰值加速度为0.10g，相当于地震基本烈度Ⅶ度，地震动反应谱特征周期分区为二区。

土壤最大冻结深度1.69m。本次勘测期间勘探深度范围内未见地下水。勘探孔取样揭示黏质黄土层天然含水量20.0%～26.7%。

ZCZQ-4标段里程DK67+120～DK68+205，长1085m。工程位于黄土平缓地区，地势稍有起伏。丘坡植被较茂密，以杨树、灌木及农作物为主，地面高程一般在1385～1410m之间。线路在此以挖方通过，中心最大挖深16.52m。

工点范围内地层为第四系上更新统洪风积层（Q3pl+eol3）砂质黄土，黏质黄土；第四系中更新统洪风积层（Q2pl+eol3）黏质黄土。

砂质黄土（Q3pl+eol3）：分布于表层，褐黄色，坚硬-硬塑，土质较均匀，见少许孔隙，局部含有钙质结核，层厚：1.9～10.0m，Ⅱ级普通土，σ。=150kPa。

黏质黄土（Q3pl+eol3）：棕黄色，坚硬，土质较均匀，含有少量铁锰质结核，层厚：7.8m，Ⅱ级普通土，σ。=150kPa。

黏质黄土（Q2pl+eol3）：棕红色，坚硬-硬塑，土质均匀，局部含有少量铁锰质结核及黑色斑点，Ⅲ级硬土，σ。=180kPa

湿陷性砂质黄土：根据试验资料，工点内第四系上更新统砂质黄土具湿陷性，湿陷系数0.025，湿陷层厚度3.0，本场地属Ⅰ级（轻微）非自重湿陷性场地。

地震动峰值加速度为0.10g，相当于地震基本烈度Ⅶ度，地震动反应谱特征周期分区为三区。

土壤最大冻结深度1.69m。本次勘测期间勘探深度范围内未见地下水，勘探孔取样揭示黏质黄土层天然含水量20%～25%。

3.原设计主要工程措施

原设计路基基床表层换填0.5mA组填料+0.1m中粗砂垫层，并于中粗砂中间铺设一层两布一膜复合土工膜（600g/m2）；路堑基床底层挖除换填0.5m厚改良土。

DK59+820～DK60+385左侧、DK59+885～DK60+380右侧设4.0～6.0m高的C25片石混凝土路堑挡土墙，挡墙基底换填0.3m厚碎石垫层。墙顶以上路堑边坡坡率1：1.0，每10m一级，采用M7.5水泥砂浆砌片石护墙防护，护墙顶宽0.4m，胸坡1：1，背坡1：0.95；两级间设置2.0m宽M7.5浆砌片石错台，错台上设截水沟，深0.4m，底宽0.4m。

挡墙及护墙每隔2～3m上下左右交错设置Φ100mm的泄水孔，泄水孔采用PVC管，PVC管进水端采用透水土工布（400g/m2）包裹，，挡墙路肩以上部分墙背通长设置反滤层，护墙管后设置0.5×0.5m的砂砾石窝状反滤层，厚0.3m。最下层泄水孔下设置夯填黏土防渗层。挡墙及护墙每隔10～20m设一道伸缩缝，缝内填塞沥青麻筋。

路堑基床两侧设M7.5浆砌片石矩形侧沟，沟底宽0.6m、深0.8m、厚0.4m。侧沟外设2.0m宽平台，采用M7.5浆砌片石砌筑，厚0.4m。

路堑两侧侧沟平台上设置净尺寸为0.35×0.3m（宽×高）的通信信号电缆槽。

4.勘察设计分析

本工点定测于2009年9月至10月完成，补充定测于2010年4月完成。主要采用钻探、挖探结合原位测试及土工试验等综合勘察方法。共完成钻孔216.9m/7孔，挖探10m/2孔，布置勘探横断面2条，勘探工作满足规范要求。

由勘探孔揭示及土工试验得出本段路基土层主要物理力学参数如下：

砂质黄土⑤4：孔隙比e=0.851、重力密度γ=16.3kN/m3、内摩擦角φ=24.4°、凝聚力C=17.9kPa、压缩模量Es0.1～0.2=9.41MPa。

黏质黄土⑤5：孔隙比e=0.735、重力密度γ=19.4kN/m3、内摩擦角φ=22.3°、凝聚力C=36.7kPa、压缩模量Es0.1～0.2=10.72MPa。

黏质黄土⑦5：孔隙比e=0.731、重力密度γ=19.8kN/m3、内摩擦角φ=20.9°、凝聚力C=33.7kPa、压缩模量Es0.1～0.2=12.7MPa。

原设计路堑边坡稳定安全系数为K=1.32>1.25，满足规范要求。

5.重载铁路高路堑边坡破坏机理与稳定性分析计算

5.1变形破坏机制（失稳类型）

主要从以下方面分析：力学基础，园弧或似园弧破坏，平面型破坏，折线型破坏，复合型破坏，其它形式破坏。

5.1.1力学基础

主要有：岩土性质-重度、摩擦角、粘聚力，极限坡高和极限坡角，不连续面，有效应力定律，非饱和土力学理论。

5.1.2园弧或似园弧破坏

主要有：均质土坡，坡残积土坡，砂土状强风化，碎块状强风化（碎裂），不良地质堆积体。对于类土质路堑边坡，我们经常发现，如不考虑地质不连续面的存在和影响，其坡体变形破裂面一般呈园弧或似园弧的形状。边坡呈园弧或似园弧破坏一般发生在均质土坡、坡残积土坡、砂土状强风化层、碎块状强风化层（碎裂结构）、以及不良堆积体内部的变形和破坏。

5.1.3平面型破坏

有两种情况：地质不连续面平行坡面，倾向临空；两个或两个以上不连续面组合，交线倾向临空（楔体破坏）。由于地质不连续面走向大体平行于坡面走向并倾向线路，其倾角小于边坡坡率，且大于其岩土抗剪强度所能维持的稳定坡度，这种情况一般发生平面型破坏。对于具有两个或两个以上的地质不连续面组合的情况，一般是以一组不连续面为主控滑移面，其余为空间控制面，这种情况也可归纳为平面型破坏（在岩质边坡中，常称之为楔体破坏）。

5.1.4折线型破坏

一般指不利结构面的组合和崩滑流堆积等不良地质介面。在类土质路堑边坡坡体结构中，存在两个或两个以上的地质不连续面，其走向大体平行于坡面且倾向线路，由多个地质不连续面组成折线型破裂面，其上岩土以此为依附面产生滑移变形和破坏，这种情况下的边坡破坏为折线型破坏。

5.1.5其它形式破坏

主要表现为风化剥落，流石、流泥和崩塌落石。

5.2稳定性分析计算

从以下几个方面来分析：计算模式，计算指标，计算方法和其它问题。

5.2.1计算模式

计算模式主要有：均匀层状型，基底控制型，结构面组合型和固定滑面型。

均匀层状型当坡体组成地质不连续面相对平缓成层，层内岩土性质比较简单或均匀，这种情况可以抽象为均匀层状型计算模式。其相应边坡变形破坏机理类型为园弧或似园弧破坏，这样即可通过搜索最危险园弧滑裂面计算其边坡稳定系数。

基底控制型当坡体内部存在某种控制性不连续面时，这个不连续面可以是基岩顶面、不同成因或不同时期堆积界面、差异风化界面、地层层面、断层节理面、以及软弱破碎带控制界面，由于这种控制性地质不连续面的存在，在坡体稳定性分析计算中起决定性或控制性作用，这类边坡可以归纳为基底控制型计算模式。其相应边坡变形破坏机理类型主要体现为平面型破坏，或者平面型与园弧型的复合破坏形式。在具体分析计算过程中，是以基底控制界面为剪出依附面，结合园弧搜索，搜寻最危险滑裂面，从而计算确定边坡稳定系数。

结构面组合型当坡体内部存在两组或两组以上倾向线路的不利结构面时，其坡体的变形和破坏往往受其结构面组合形态与规律控制，常见有陡倾结构面与缓倾结构面的组合，这类边坡即归纳为结构面组合型计算模式。其相应边坡变形破坏机理类型主要体现为折线型破坏或折线型与园弧型的复合破坏，据此搜索优势滑裂面，计算确定坡体稳定系数。

5.2.2计算指标

主要有以下计算指标：室内试验指标，现场试验指标，相关经验指标和反算指标。

室内试验指标室内试验是结合边坡工程地质勘查，利用工程地质勘探孔取得原状样或扰动样，通过室内试验的方法，获取边坡岩土基本物理力学指标，求得岩土抗剪强度参数值。

现场试验指标现场试验是在边坡工程现场进行现场大型剪切试验，或者，给合工程地质勘探钻孔进行孔内现场剪切试验，对于软弱地层亦可采用十字板剪切试验，以及其它结构面强度现场试验方法等，从而求得边坡岩土现场试验指标。

相关经验指标在岩土工程勘查设计工作实践中，经验知识是不可或缺的重要内容之一，对于岩土强度指标，可以也应该通过工程地质类比的方法，利用既有工程中类似岩土的相关经验知识和指标数值，类比确定当前面临岩土工程强度指标。

反算指标指标反算是根据给定边坡工程变形性状，判断边坡稳定程度或稳定系数，采用数值反分析方法，经过反算确定边坡岩土主要强度指标。在类土质路堑边坡工程中，极限坡高与极限坡率状态反分析更为实用和可靠。

5.2.3计算方法

主要有极限平衡法（推力传递法、摩根斯吞-普赖斯方法），图解法和工程地质比拟法。用摩根斯吞-普赖斯方法来进行边坡稳定性分析和边坡加固工程检算。

5.2.4其它问题

主要是指孔隙水压力，边坡渗流场和结构面强度问题。

5.3坡形坡率设计原则和防护加固工程对策

5.3.1坡形坡率设计原则

坡形：台阶式边坡，台阶高度8～12m，完整岩体及顶级缓坡可设至15m左右。对于高边坡，常在坡体中部设置宽平台4～6m。

坡率：微风化岩0.25～0.50，中风化岩0.50～0.75，强风化岩0.75～1.00，坡残积层1.00～1.25，松散软弱土层1.25～1.50。

5.3.2防护加固工程对策

主要采取以下对策：坡面变形防护，浅表层变形防护，块体变形防护，深部变形防护，坡脚应力集中防护和地表、地下水引排处理。

根据工程实际情况，如果地下水较多，地表也有水，排水需要上下结合的方式进行排除，即路堑地段路基边需要做盲沟，边坡需要做支撑渗沟，并且在施工过程中需要对开挖的沟槽进行必要的加固防护，确保路基的稳定，保证行车和施工过程中人员的安全。盲沟施工完毕，需要在盲沟的上面施工排水边沟，保证地表和地下水的畅通排除。

6.本工程高路堑边坡的处理方案

在以上段落，路堑开挖后，揭示地层与原设计基本一致。其中黏质黄土现场实测天然含水量20%～25%，塑性指数12～16。根据以上的计算和分析，为保证本工程边坡永久的稳定，本工程中采取如下的工程处理方案。

ZCZQ-3标段的DK57+310～DK57+980段左侧、DK57+310～DK57+950段右侧边坡坡率放缓至1：1.5，边坡每8m一级；为便于施工，设置4m宽边坡平台及侧沟平台；边坡采用M7.5浆砌片石拱型骨架护坡内撒草籽种植灌木防护；视边坡土层性质及含水量情况，合理布设边坡支撑渗沟，渗沟宽1.5m，深2m，渗沟内码砌片石。

DK57+310～DK57+980段左侧、DK57+310～DK57+950段右侧采用路堤式路堑，路肩外侧设底宽0.4m，深0.6m的梯形侧沟，侧沟下设纵向排水盲沟，盲沟每隔30m设置一座检查井；盲沟需采取保温措施，出口段根据需要适当延长。

因DK58+000处设有上跨立交桥，DK57+980～DK58+020段左侧路堑侧沟维持原设计，侧沟外设2m宽平台；边坡坡率适当放缓。

DK58+020处左侧及DK57+950处右侧边坡放缓段与未放缓段应在放缓段落以外20m内平顺衔接。

ZCZQ-4标段内的DK67+450～DK68+100段两侧侧边坡坡率放缓至1：1.5；为便于施工，设置3～4m宽边坡平台及侧沟平台；边坡采用M7.5浆砌片石拱型骨架护坡内撒草籽种植灌木防护；视边坡土层性质及含水量情况，合理布设边坡支撑渗沟，渗沟内码砌片石。

DK67+450～DK68+100段两侧路肩外侧设梯形侧沟，侧沟下设纵向排水盲沟，并合理设置检查井；盲沟出口段根据需要适当延长，并采取保温措施。

左侧盲沟于DK67+458处过轨引至右侧，并引入右侧低洼冲沟内。

DK67+450处两侧侧边坡放缓段与未放缓段应在放缓段落以外20m内平顺衔接。

7.结束语

本文通过新建大准至朔黄铁路联络线的实际情况，介绍了重载铁路高路堑边坡地段边坡的防护形式和破坏原因，通过力学计算等方式进行分析总结，提出重载铁路高路堑边坡的合理防护形式，并且取得了良好的效果，保证的路堑边坡永久的稳定，为以后类似工程提供借鉴。

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