吉圖琿高鐵延吉膨脹巖土工程特性與邊坡治理研究

韓志霞，鄧 帥，崔俊杰，姚瑞珽

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

1 概述

膨脹巖土是一種含有大量親水礦物,濕度變化時有較大體積變化,變形受約束時產生較大內應力的巖土[1]。膨脹巖土在我國分布廣泛,不同地區膨脹巖土的工程特性有較大差異。成渝、焦枝、南昆等鐵路均穿越膨脹巖土地區,工程修建和鐵路運營期間都曾發生工程滑坡和路基病害,其中以南昆鐵路南寧至百色段最為典型[2]。20世紀末期,鐵三院在圖們至琿春鐵路勘察設計中發現延吉地區存在膨脹巖土;隨后在延吉地區高速公路建設中,公路部門對膨脹性軟巖的礦物組成、微觀組構、變形機理等展開研究,提出封閉微裂隙、轉化膨脹機制、改變工程巖體受力狀態的注漿錨管樁等治理措施[3-5]。

吉圖琿高鐵穿越延吉地區膨脹巖土地段,長度達14.3 km,雖然在勘察設計時已針對膨脹巖土路塹邊坡進行特殊考慮,但施工過程中仍出現了邊坡滑坍等現象[6-7]。以吉圖琿高鐵GDK279邊坡為基礎,進行嚴寒地區膨脹巖土工程特性、邊坡破壞模式、滑面(帶)確定、巖土參數選取等研究,并開展穩定性分析和工程治理對策探討。

2 延吉地區膨脹巖土工程地質條件

2.1 區域地質環境特征

延吉地區四周是海西期花崗巖及二疊系變質巖形成的高山區,中部是白堊期沉積的泥巖、泥質砂巖形成的低山丘陵及第四紀河谷平原,構造簡單。

該區屬溫帶大陸性季風氣候,全年無霜期160 d,結冰日164 d,最冷月平均氣溫-16.5 ℃,屬嚴寒地區,年平均降雨量528 mm,最大年降水量852 mm,土壤最大凍結深度1.68 m[7]。

2.2 滑坡區膨脹巖土工程地質條件

2.2.1 滑坡巖土物質組成

GDK279(圖1)工程滑坡為堆積層滑坡,上部為第四系全新統坡洪積覆蓋層,下部為白堊系上統龍井組泥質粉砂巖、細砂巖、粉砂質泥巖。覆蓋層為含角礫、碎石的黏性土或含泥巖碎屑的碎石土,自由膨脹率50%～70%,蒙脫石含量28%～35%,陽離子交換量310～354 mmol/kg,為中等膨脹性土。部分覆蓋層中分布有堅硬致密的大塊石,主要為玄武巖塊。

圖1 GDK279滑坡剖面(單位:m)

2.2.2 滑坡巖土結構特征

微觀結構是指在一定地質環境條件下,巖土礦物顆粒的排列方式,微孔隙與微裂隙的大小、形狀、數量及其空間分布與充填情況,接觸與連結方式等。膨脹巖土的微觀結構主要有絮凝狀結構、層流狀結構、紊流狀結構、膠粘式結構、蜂窩狀結構、基質狀結構、骨架狀結構等[8]。

對GDK279邊坡的第四系黏性土及白堊系全風化泥巖進行電子掃描,典型微觀結果見圖2。

圖2 白堊系全風化泥巖樣品SEM掃描

電鏡掃描顯示,石英及長石顆粒表面以及粒間空隙、裂隙中充填大量的黏土礦物,長石表面溶蝕明顯,石英及長石晶體無完整晶形結構。黏土礦物成分以蒙脫石和伊利石為主,礦物晶體主要為片狀結構。

2.2.3 滑坡巖土物理力學性質

延吉地區膨脹性軟巖力學性質較差,天然狀態全風化泥巖的單軸抗壓強度為0.331～1.433 MPa,強風化泥質粉砂巖的單軸抗壓強度為0.566～1.689 MPa。巖石的單軸抗壓強度及崩解性有顯著差異,主要原因在于軟巖中黏土礦物含量和成份分布不均勻[9]。

2.2.4 滑坡巖土水理特性

該區域試驗表明,延吉地區膨脹性軟巖的崩解性呈現如下特征:具有較強的遇水迅速崩解特性;崩解性隨深度增加而遞減;主要表現形式為伴隨氣泡發生的粉末狀崩解[10]。

吉圖琿高鐵GDK279組合滑坡巖土體的滲透特性差別很大,主要表現為黏性土含量較多時的相對隔水性,以及碎塊石含量相對較多時的相對高含水性。由于表層具有裂隙,加之膨脹性黏性土的脹縮特性,尤其是干裂性、嚴寒地區的反復凍融循環造成表層巖土疏松,有利于降水和降雪融水的入滲。根據現場勘察結果,滑坡體的水位埋深1.7～12.4 m,見表1。由表1可知,邊坡水位變化大、連續性較差,地下水的垂直滲流在10 m以下并不通暢。

表1 GDK279工點鉆孔地下水位統計 m

根據滑坡地區及滑坡工點第四系黏性土及全風化泥巖、泥質粉砂巖的水理試驗結果,該區黏性土及泥巖具有中～強膨脹性,遇水很快崩解。當有水作用時,巖土體強度參數急劇降低,對邊坡的穩定非常不利。

2.3 延吉膨脹巖土與南方典型膨脹巖土差異

2.3.1 膨脹巖土成因及沉積環境區別

延吉地區膨脹巖土成因復雜,白堊系泥巖及風化物主要為湖泊相靜水沉積半成巖,泥質膠結,泥質結構,薄層狀,或與泥質粉砂巖呈互層狀。

堆積層多分布于地表梁峁地帶,以黏性土為主,夾有角礫、碎石、塊石及零星玄武巖孤石,其下伏的基巖面多呈凹形,兩側基巖埋深淺,中間部分基巖埋深較深,呈溝槽狀。其成因較為復雜,認識上分歧也較大,有認為坡洪積成因為主的,有認為坡殘積成因為主的,也有認為碎石、孤石可能為冰磧物,屬于冰川成因。主流的觀點是坡積、洪積混合成因,堆積物中的玄武巖孤石、塊石、碎石來源于洪水遠距離搬運,與下伏白堊系泥巖、砂巖構成二元結構。

另外,延吉地區的地表堆積層受寒冷氣候影響大,長期的凍融循環,特別是初冬和春融期,反復多次凍融使得地表土層結構疏松,含水量高,土壤顏色較深,多以黑色、灰黑色、灰褐色為主。

南方地區膨脹土成因多以殘坡積為主,也有沖積、洪積、湖積和混合成因;膨脹巖一般為第三系泥巖、泥灰巖、黏土巖[11]。

2.3.2 膨脹巖土物質組成和物理性質差異

延吉地區膨脹巖土的物質組成有兩大類[12]。第一類是基巖滑坡,其物質組成為具有中～強膨脹性的白堊系泥巖、泥質砂巖及風化物;第二類是以GDK279滑坡為代表的堆積層滑坡,其物質組成為結構疏松、均勻性差、具有中～強膨脹性的黏性土夾角礫、碎石、塊石及零星孤石(成分以玄武巖為主)。

第一類物質組成在南方或者北方其他地區的膨脹巖土中均較為常見,第二類則具有顯著的地域性,尤其是結構疏松、土質不均夾有碎石、孤石等特征,一般在其他地區的膨脹巖土中較少見。

2.3.3 延吉地區膨脹巖土工程性質的特殊性

延吉地區膨脹巖土體宏觀特征的特殊性表現為受東北地區嚴寒氣候影響,表層土體裂隙發育,結構疏松,黏性土層中夾有大量的粗顆粒角礫、碎石,成為滲水、儲水構造,坡洪積混合成因的各種不連續面多,不利于邊坡土體穩定。

延吉地區膨脹巖土體特殊的水理特性與南方地區的膨脹巖土差異較大,一般南方地區的殘坡積土體均屬于或存在隔水層[13]。

3 GDK279滑坡變形特征與原因分析

GDK279工點原為膨脹巖土深路塹及地下水路塹,路塹邊坡最大高度16 m,坡腳采用樁板墻加固,上部邊坡每6 m分一級,路塹邊坡坡率1∶2,每隔11.4 m設一道支撐滲溝,坡面采用錨桿框架防護。施工期間,左側邊坡發生多次滑塌,形成工程滑坡。以GDK279工點為例,進行該類膨脹巖土滑坡的穩定性分析,并介紹其治理措施。

3.1 滑坡概況

滑坡位于線路北坡,沿線路寬379 m,垂直線路長約98 m,呈簸箕狀,上窄下寬,滑坡后緣位于路塹塹頂外15 m左右,前緣位于邊坡坡腳附近。

滑坡區出露地層上部為以黃褐色為主的坡洪積層,由含角礫的黏土、砂黏土及碎塊石土構成,厚度不均,下部基巖為白堊系上統龍井組(K2l)泥巖、砂巖互層,傾角較緩,近水平,泥巖、砂巖強風化層埋深11.00～14.80 m?；麦w體積約為34.3×104m3,屬中型滑坡。

3.2 滑坡變形特征

通過現場勘察發現該滑坡為破碎基巖以上發育形成的堆積層滑坡,堆積層成因較為復雜,為坡積物、洪積物堆積,坡體中存在軟弱帶、砂黏土或泥化帶,路塹開挖后形成臨空面,在地下水的作用下,極易形成滑動帶產生蠕動變形,同時堆積層多處于松散、密實度不均的狀態,在降雨及地表水沿裂縫滲入滑體的情況下,滑體就會存在變形滑移趨勢。

2012年9—10月,延吉地區降雨持續時間長、雨量大,2012年10月25日,GDK279+580～GDK280+150左側邊坡開始坍滑,并不斷發展,坍滑體后緣位于塹頂外15 m左右,前緣位于樁板墻頂,坍滑形成裂縫寬40～50 cm,錯臺高 1.0～2.0 m,邊坡形成多級牽引式滑動,同時發現已施工完成的抗滑樁平臺先后出現裂縫。經測量發現,左側抗滑樁47號～86號,樁頂平均位移203 mm,最大位移80號樁283 mm,最小位移86號樁72 mm。

2013年4—5月,對坍滑段進行清方減載,清理完后重新進行刷坡,加寬邊坡平臺,調整邊坡坡率;2013年6月塹頂平臺,邊坡平臺及邊坡施作錨管樁注漿進行加固,但仍未遏制邊坡變形,裂縫緩慢發展,邊坡及平臺個別位置甚至出現新的裂縫及錯臺。

2013年12月22日,野外調查發現,滑坡發育為2條折線型裂縫和1處局部坍滑區,如圖3所示?；潞缶壈l育1條走向EW～NW70°折線型裂縫,約40 m長,張開裂縫寬5～10 cm,尚未完全貫通;滑坡中部發育1條走向NE20°～EW下錯折線形裂縫,約120 m長,10～20 cm寬;局部坍滑區位于小里程方向滑坡周界左側,約70 m長,60 m寬,后壁下錯約20～50 cm;滑坡周界右側大里程方向錨桿框架處坡面出現裂縫;滑坡前緣局部樁板墻出現外傾變形,樁后張開裂縫為5～25 cm[14]。

圖3 GDK279滑坡平面

3.3 滑坡性質及結構特征

根據鉆孔揭露和超高密度電法物探成果(圖4),滑坡體物質主要為第四系全新統坡積層、洪積層(Q4dl+pl)的含角礫黏土、砂黏土及碎塊石土,滑床含水量高?；虑熬壖俺隹诟浇瑒訋恢弥饕荛_挖深度控制,在鉆孔中滑動帶、滑床主要為較均勻的黏性土,其性質無明顯區別,滑動帶附近可見擾動及不連續擦痕。

圖4 GDK279滑坡物探成果

該滑坡滑帶(圖1)埋深7.05～12.90 m,先后兩次牽引滑動,主滑段滑帶傾角9°,后緣傾角60°,滑面主要依附于坡體中的相對軟弱帶,在鉆探巖芯中表現為黏土、含角礫黏土,含水量高,局部軟塑,力學性質極其軟弱,黏粒含量較高,已形成灰綠色及灰黃色帶,該套地層為易滑軟弱地層。

3.4 滑坡變形原因分析

吉圖琿高鐵GDK279滑坡為一堆積層滑坡,走向與線路近垂直,該滑坡變形特征明顯,后緣及中后部側緣形成錯壁,中后部及前部形成多條拉張及下錯裂縫。路塹開挖形成的高陡邊坡在經歷長期的卸荷、大氣降雨及風化作用后,邊坡巖土強度逐漸降低,最終沿土巖界面上部的軟弱帶發生滑動變形?？蓪⒃摶禄瑒幼冃蔚闹饕驓w納為以下3點。

(1)特殊的巖土性質是滑坡發育的基礎,滑體主要為第四系全新統坡積層、洪積層的含角礫黏土、砂黏土及碎塊石土,黏性土含量較高,力學性質軟弱,含水量高,局部軟塑,伊利石、蒙脫石等礦物局部富集,形成灰綠色及灰黃色黏土層,具中等膨脹潛勢,軟弱地層是滑坡產生的地質基礎。

(2)區域匯水面積大,雨季降雨量高,堆積層物質多處于松散、密實度不均的狀態,受地表徑流和降雨入滲影響,大量雨水下滲進入松散巖土體,黏土層軟化后,強度更低。地下水的作用一方面降低土體強度,致使抗滑力減小;另一方面受動、靜水壓力作用,下滑力增加,同時導致滑體力量增加,誘發滑坡產生。

(3)鐵路自斜坡中下部以深挖路塹形式通過,挖方邊坡高達16 m,開挖邊坡形成新的臨空面,引起斜坡地層失去平衡,在長期重力及水的作用下,穩定性逐步降低,最終發生滑動變形。

4 GDK279滑坡治理措施

4.1 滑坡穩定性評價

根據滑坡變形穩定狀態,采用反算結果、結合滑帶土樣試驗及滑帶經驗數值[15],綜合確定主滑段的力學參數指標。

天然重度為19.0 kN/m3;飽和重度為19.5 kN/m3;地基系數的比例系數m為1.8×104kN/m4;天然抗剪強度C=10 kPa,φ=7.5°;飽和抗剪強度C=9.5 kPa,φ=7.0°。

采用基于極限平衡理論的折線型滑動面推力傳遞系數法對滑坡進行穩定性分析[16-18],計算結果見表2。

表2 GDK279滑坡穩定性計算結果

由表2可知,滑坡在不同狀態下穩定性有所變化?；虑凹壸匀还r處于欠穩定狀態,穩定系數為1.02～1.10,在暴雨工況下處于不穩定狀態,穩定系數為0.94～1.03;滑坡后級自然工況處于基本穩定狀態,穩定系數為1.08～1.15,在暴雨工況下處于欠穩定狀態,穩定系數為1.01～1.05。此穩定性分析結果與滑坡變形現狀較為吻合。

4.2 滑坡治理措施

原設計中路基左側設樁板墻,樁截面尺寸為2.25 m×2.5 m,樁間距5 m(中-中),樁長12 m,樁身采用C35鋼筋混凝土現場澆注。左側一、二級邊坡采用錨桿框架防護,一級邊坡錨桿長10 m,二級邊坡錨桿長8 m。錨桿沿線路及坡面方向間距均為3.0 m,框架內采用空心磚客土植草及種灌木防護。

根據穩定性分析結果和推薦的滑帶力學參數指標[19-21],按照“主被動支護結合、滑體疏排水與地表截排水統籌”的設計理念,采用一級邊坡框架錨索支護+二級邊坡平臺抗滑樁加固+坡面設置仰斜排水孔的綜合方案予以整治(圖5)。

圖5 GDK279滑坡治理措施(單位:m)

取消原設計邊坡錨桿框架防護措施,左側一級邊坡采用C30鋼筋混凝土框架錨索防護,錨索沿線路方向間距3 m,沿坡面方向間距5 m,錨索長度21 m,錨固段長10 m,單孔設計錨固力為400 kN。

在左側二級邊坡平臺位置采用抗滑樁處理,其中A型樁24根,樁截面尺寸為2.0 m×2.5 m,樁間距6 m(中-中),樁長15～21 m;B型樁17根,樁截面尺寸為2.2 m×3.0 m,樁間距6 m(中-中),樁長21 m;C型樁19根,樁截面尺寸為2.2 m×3.2 m,樁間距6 m(中-中),樁長22～24 m。

左側邊坡坡面沿線路方向3 m、沿坡面方向2 m設置仰斜排水孔;邊坡坡腳沿線路縱向設置截水滲溝;天溝及滑坡周界外5 m處設置梯形截水溝。

4.3 滑坡變形監測

根據GDK279工點的具體特點以及工程施工、線路運營階段的需求,變形監測網[22-23]布置如下。

邊坡地表位移監測(Ⅰ型):建立射線網法觀測網。沿線路縱向每隔30～50 m設置監測斷面,每個斷面分別于路塹邊坡的路肩、樁(墻)頂平臺、邊坡平臺、塹頂以及塹頂外5,10 m設置觀測樁。

深部位移監測(Ⅱ型):對邊坡進行深部位移變形監測,在邊坡平臺鉆孔埋設測斜管,監測巖土層內水平位移或變形,每個監測斷面設1～2個監測孔。

預應力錨索錨固力監測(Ⅲ型):對采用預應力錨索加固的邊坡進行錨固力監測,選擇代表性錨索孔,安裝錨索計,采用振弦頻率檢測儀監測。

5 結論

(1)延吉地區膨脹巖土既有白堊系泥巖、泥質砂巖及其風化物,也有夾角礫、碎石、塊石及零星玄武巖孤石的第四系黏性土堆積層。膨脹巖土組成主要為石英、長石和大量黏土礦物,黏土礦物微觀結構以片狀結構為主,黏性土及白堊系泥巖具有中～強膨脹潛勢。

(2)除濕脹干縮作用外,受東北地區嚴寒氣候影響,表層土體受長期、反復凍融循環作用,裂隙發育,結構疏松;黏性土層中夾有大量的粗顆粒角礫、碎石,成為滲水、儲水構造;混合成因的各種不連續面多,不利于邊坡巖土體穩定。

(3)由于長期的卸荷、大氣降雨及風化作用,延吉地區路塹開挖形成的膨脹巖土邊坡土體強度逐漸降低,最終沿軟弱結構面發生牽引滑動變形,其特征大多可以歸結為梯級牽引和多層滑動。

(4)按照“主被動支護結合、滑體疏排水與地表截排水統籌”的設計理念,進行邊坡治理是行之有效的。GDK279邊坡治理工程竣工已近十年,目前邊坡狀態穩定。