吉图珲高铁延吉膨胀岩土工程特性与边坡治理研究

韩志霞，邓 帅，崔俊杰，姚瑞珽

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

1 概述

膨胀岩土是一种含有大量亲水矿物,湿度变化时有较大体积变化,变形受约束时产生较大内应力的岩土[1]。膨胀岩土在我国分布广泛,不同地区膨胀岩土的工程特性有较大差异。成渝、焦枝、南昆等铁路均穿越膨胀岩土地区,工程修建和铁路运营期间都曾发生工程滑坡和路基病害,其中以南昆铁路南宁至百色段最为典型[2]。20世纪末期,铁三院在图们至珲春铁路勘察设计中发现延吉地区存在膨胀岩土;随后在延吉地区高速公路建设中,公路部门对膨胀性软岩的矿物组成、微观组构、变形机理等展开研究,提出封闭微裂隙、转化膨胀机制、改变工程岩体受力状态的注浆锚管桩等治理措施[3-5]。

吉图珲高铁穿越延吉地区膨胀岩土地段,长度达14.3 km,虽然在勘察设计时已针对膨胀岩土路堑边坡进行特殊考虑,但施工过程中仍出现了边坡滑坍等现象[6-7]。以吉图珲高铁GDK279边坡为基础,进行严寒地区膨胀岩土工程特性、边坡破坏模式、滑面(带)确定、岩土参数选取等研究,并开展稳定性分析和工程治理对策探讨。

2 延吉地区膨胀岩土工程地质条件

2.1 区域地质环境特征

延吉地区四周是海西期花岗岩及二叠系变质岩形成的高山区,中部是白垩期沉积的泥岩、泥质砂岩形成的低山丘陵及第四纪河谷平原,构造简单。

该区属温带大陆性季风气候,全年无霜期160 d,结冰日164 d,最冷月平均气温-16.5 ℃,属严寒地区,年平均降雨量528 mm,最大年降水量852 mm,土壤最大冻结深度1.68 m[7]。

2.2 滑坡区膨胀岩土工程地质条件

2.2.1 滑坡岩土物质组成

GDK279(图1)工程滑坡为堆积层滑坡,上部为第四系全新统坡洪积覆盖层,下部为白垩系上统龙井组泥质粉砂岩、细砂岩、粉砂质泥岩。覆盖层为含角砾、碎石的黏性土或含泥岩碎屑的碎石土,自由膨胀率50%～70%,蒙脱石含量28%～35%,阳离子交换量310～354 mmol/kg,为中等膨胀性土。部分覆盖层中分布有坚硬致密的大块石,主要为玄武岩块。

图1 GDK279滑坡剖面(单位:m)

2.2.2 滑坡岩土结构特征

微观结构是指在一定地质环境条件下,岩土矿物颗粒的排列方式,微孔隙与微裂隙的大小、形状、数量及其空间分布与充填情况,接触与连结方式等。膨胀岩土的微观结构主要有絮凝状结构、层流状结构、紊流状结构、胶粘式结构、蜂窝状结构、基质状结构、骨架状结构等[8]。

对GDK279边坡的第四系黏性土及白垩系全风化泥岩进行电子扫描,典型微观结果见图2。

图2 白垩系全风化泥岩样品SEM扫描

电镜扫描显示,石英及长石颗粒表面以及粒间空隙、裂隙中充填大量的黏土矿物,长石表面溶蚀明显,石英及长石晶体无完整晶形结构。黏土矿物成分以蒙脱石和伊利石为主,矿物晶体主要为片状结构。

2.2.3 滑坡岩土物理力学性质

延吉地区膨胀性软岩力学性质较差,天然状态全风化泥岩的单轴抗压强度为0.331～1.433 MPa,强风化泥质粉砂岩的单轴抗压强度为0.566～1.689 MPa。岩石的单轴抗压强度及崩解性有显著差异,主要原因在于软岩中黏土矿物含量和成份分布不均匀[9]。

2.2.4 滑坡岩土水理特性

该区域试验表明,延吉地区膨胀性软岩的崩解性呈现如下特征:具有较强的遇水迅速崩解特性;崩解性随深度增加而递减;主要表现形式为伴随气泡发生的粉末状崩解[10]。

吉图珲高铁GDK279组合滑坡岩土体的渗透特性差别很大,主要表现为黏性土含量较多时的相对隔水性,以及碎块石含量相对较多时的相对高含水性。由于表层具有裂隙,加之膨胀性黏性土的胀缩特性,尤其是干裂性、严寒地区的反复冻融循环造成表层岩土疏松,有利于降水和降雪融水的入渗。根据现场勘察结果,滑坡体的水位埋深1.7～12.4 m,见表1。由表1可知,边坡水位变化大、连续性较差,地下水的垂直渗流在10 m以下并不通畅。

表1 GDK279工点钻孔地下水位统计 m

根据滑坡地区及滑坡工点第四系黏性土及全风化泥岩、泥质粉砂岩的水理试验结果,该区黏性土及泥岩具有中～强膨胀性,遇水很快崩解。当有水作用时,岩土体强度参数急剧降低,对边坡的稳定非常不利。

2.3 延吉膨胀岩土与南方典型膨胀岩土差异

2.3.1 膨胀岩土成因及沉积环境区别

延吉地区膨胀岩土成因复杂,白垩系泥岩及风化物主要为湖泊相静水沉积半成岩,泥质胶结,泥质结构,薄层状,或与泥质粉砂岩呈互层状。

堆积层多分布于地表梁峁地带,以黏性土为主,夹有角砾、碎石、块石及零星玄武岩孤石,其下伏的基岩面多呈凹形,两侧基岩埋深浅,中间部分基岩埋深较深,呈沟槽状。其成因较为复杂,认识上分歧也较大,有认为坡洪积成因为主的,有认为坡残积成因为主的,也有认为碎石、孤石可能为冰碛物,属于冰川成因。主流的观点是坡积、洪积混合成因,堆积物中的玄武岩孤石、块石、碎石来源于洪水远距离搬运,与下伏白垩系泥岩、砂岩构成二元结构。

另外,延吉地区的地表堆积层受寒冷气候影响大,长期的冻融循环,特别是初冬和春融期,反复多次冻融使得地表土层结构疏松,含水量高,土壤颜色较深,多以黑色、灰黑色、灰褐色为主。

南方地区膨胀土成因多以残坡积为主,也有冲积、洪积、湖积和混合成因;膨胀岩一般为第三系泥岩、泥灰岩、黏土岩[11]。

2.3.2 膨胀岩土物质组成和物理性质差异

延吉地区膨胀岩土的物质组成有两大类[12]。第一类是基岩滑坡,其物质组成为具有中～强膨胀性的白垩系泥岩、泥质砂岩及风化物;第二类是以GDK279滑坡为代表的堆积层滑坡,其物质组成为结构疏松、均匀性差、具有中～强膨胀性的黏性土夹角砾、碎石、块石及零星孤石(成分以玄武岩为主)。

第一类物质组成在南方或者北方其他地区的膨胀岩土中均较为常见,第二类则具有显著的地域性,尤其是结构疏松、土质不均夹有碎石、孤石等特征,一般在其他地区的膨胀岩土中较少见。

2.3.3 延吉地区膨胀岩土工程性质的特殊性

延吉地区膨胀岩土体宏观特征的特殊性表现为受东北地区严寒气候影响,表层土体裂隙发育,结构疏松,黏性土层中夹有大量的粗颗粒角砾、碎石,成为渗水、储水构造,坡洪积混合成因的各种不连续面多,不利于边坡土体稳定。

延吉地区膨胀岩土体特殊的水理特性与南方地区的膨胀岩土差异较大,一般南方地区的残坡积土体均属于或存在隔水层[13]。

3 GDK279滑坡变形特征与原因分析

GDK279工点原为膨胀岩土深路堑及地下水路堑,路堑边坡最大高度16 m,坡脚采用桩板墙加固,上部边坡每6 m分一级,路堑边坡坡率1∶2,每隔11.4 m设一道支撑渗沟,坡面采用锚杆框架防护。施工期间,左侧边坡发生多次滑塌,形成工程滑坡。以GDK279工点为例,进行该类膨胀岩土滑坡的稳定性分析,并介绍其治理措施。

3.1 滑坡概况

滑坡位于线路北坡,沿线路宽379 m,垂直线路长约98 m,呈簸箕状,上窄下宽,滑坡后缘位于路堑堑顶外15 m左右,前缘位于边坡坡脚附近。

滑坡区出露地层上部为以黄褐色为主的坡洪积层,由含角砾的黏土、砂黏土及碎块石土构成,厚度不均,下部基岩为白垩系上统龙井组(K2l)泥岩、砂岩互层,倾角较缓,近水平,泥岩、砂岩强风化层埋深11.00～14.80 m。滑坡体体积约为34.3×104m3,属中型滑坡。

3.2 滑坡变形特征

通过现场勘察发现该滑坡为破碎基岩以上发育形成的堆积层滑坡,堆积层成因较为复杂,为坡积物、洪积物堆积,坡体中存在软弱带、砂黏土或泥化带,路堑开挖后形成临空面,在地下水的作用下,极易形成滑动带产生蠕动变形,同时堆积层多处于松散、密实度不均的状态,在降雨及地表水沿裂缝渗入滑体的情况下,滑体就会存在变形滑移趋势。

2012年9—10月,延吉地区降雨持续时间长、雨量大,2012年10月25日,GDK279+580～GDK280+150左侧边坡开始坍滑,并不断发展,坍滑体后缘位于堑顶外15 m左右,前缘位于桩板墙顶,坍滑形成裂缝宽40～50 cm,错台高 1.0～2.0 m,边坡形成多级牵引式滑动,同时发现已施工完成的抗滑桩平台先后出现裂缝。经测量发现,左侧抗滑桩47号～86号,桩顶平均位移203 mm,最大位移80号桩283 mm,最小位移86号桩72 mm。

2013年4—5月,对坍滑段进行清方减载,清理完后重新进行刷坡,加宽边坡平台,调整边坡坡率;2013年6月堑顶平台,边坡平台及边坡施作锚管桩注浆进行加固,但仍未遏制边坡变形,裂缝缓慢发展,边坡及平台个别位置甚至出现新的裂缝及错台。

2013年12月22日,野外调查发现,滑坡发育为2条折线型裂缝和1处局部坍滑区,如图3所示。滑坡后缘发育1条走向EW～NW70°折线型裂缝,约40 m长,张开裂缝宽5～10 cm,尚未完全贯通;滑坡中部发育1条走向NE20°～EW下错折线形裂缝,约120 m长,10～20 cm宽;局部坍滑区位于小里程方向滑坡周界左侧,约70 m长,60 m宽,后壁下错约20～50 cm;滑坡周界右侧大里程方向锚杆框架处坡面出现裂缝;滑坡前缘局部桩板墙出现外倾变形,桩后张开裂缝为5～25 cm[14]。

图3 GDK279滑坡平面

3.3 滑坡性质及结构特征

根据钻孔揭露和超高密度电法物探成果(图4),滑坡体物质主要为第四系全新统坡积层、洪积层(Q4dl+pl)的含角砾黏土、砂黏土及碎块石土,滑床含水量高。滑坡前缘及出口附近滑动带位置主要受开挖深度控制,在钻孔中滑动带、滑床主要为较均匀的黏性土,其性质无明显区别,滑动带附近可见扰动及不连续擦痕。

图4 GDK279滑坡物探成果

该滑坡滑带(图1)埋深7.05～12.90 m,先后两次牵引滑动,主滑段滑带倾角9°,后缘倾角60°,滑面主要依附于坡体中的相对软弱带,在钻探岩芯中表现为黏土、含角砾黏土,含水量高,局部软塑,力学性质极其软弱,黏粒含量较高,已形成灰绿色及灰黄色带,该套地层为易滑软弱地层。

3.4 滑坡变形原因分析

吉图珲高铁GDK279滑坡为一堆积层滑坡,走向与线路近垂直,该滑坡变形特征明显,后缘及中后部侧缘形成错壁,中后部及前部形成多条拉张及下错裂缝。路堑开挖形成的高陡边坡在经历长期的卸荷、大气降雨及风化作用后,边坡岩土强度逐渐降低,最终沿土岩界面上部的软弱带发生滑动变形。可将该滑坡滑动变形的主要原因归纳为以下3点。

(1)特殊的岩土性质是滑坡发育的基础,滑体主要为第四系全新统坡积层、洪积层的含角砾黏土、砂黏土及碎块石土,黏性土含量较高,力学性质软弱,含水量高,局部软塑,伊利石、蒙脱石等矿物局部富集,形成灰绿色及灰黄色黏土层,具中等膨胀潜势,软弱地层是滑坡产生的地质基础。

(2)区域汇水面积大,雨季降雨量高,堆积层物质多处于松散、密实度不均的状态,受地表径流和降雨入渗影响,大量雨水下渗进入松散岩土体,黏土层软化后,强度更低。地下水的作用一方面降低土体强度,致使抗滑力减小;另一方面受动、静水压力作用,下滑力增加,同时导致滑体力量增加,诱发滑坡产生。

(3)铁路自斜坡中下部以深挖路堑形式通过,挖方边坡高达16 m,开挖边坡形成新的临空面,引起斜坡地层失去平衡,在长期重力及水的作用下,稳定性逐步降低,最终发生滑动变形。

4 GDK279滑坡治理措施

4.1 滑坡稳定性评价

根据滑坡变形稳定状态,采用反算结果、结合滑带土样试验及滑带经验数值[15],综合确定主滑段的力学参数指标。

天然重度为19.0 kN/m3;饱和重度为19.5 kN/m3;地基系数的比例系数m为1.8×104kN/m4;天然抗剪强度C=10 kPa,φ=7.5°;饱和抗剪强度C=9.5 kPa,φ=7.0°。

采用基于极限平衡理论的折线型滑动面推力传递系数法对滑坡进行稳定性分析[16-18],计算结果见表2。

表2 GDK279滑坡稳定性计算结果

由表2可知,滑坡在不同状态下稳定性有所变化。滑坡前级自然工况处于欠稳定状态,稳定系数为1.02～1.10,在暴雨工况下处于不稳定状态,稳定系数为0.94～1.03;滑坡后级自然工况处于基本稳定状态,稳定系数为1.08～1.15,在暴雨工况下处于欠稳定状态,稳定系数为1.01～1.05。此稳定性分析结果与滑坡变形现状较为吻合。

4.2 滑坡治理措施

原设计中路基左侧设桩板墙,桩截面尺寸为2.25 m×2.5 m,桩间距5 m(中-中),桩长12 m,桩身采用C35钢筋混凝土现场浇注。左侧一、二级边坡采用锚杆框架防护,一级边坡锚杆长10 m,二级边坡锚杆长8 m。锚杆沿线路及坡面方向间距均为3.0 m,框架内采用空心砖客土植草及种灌木防护。

根据稳定性分析结果和推荐的滑带力学参数指标[19-21],按照“主被动支护结合、滑体疏排水与地表截排水统筹”的设计理念,采用一级边坡框架锚索支护+二级边坡平台抗滑桩加固+坡面设置仰斜排水孔的综合方案予以整治(图5)。

图5 GDK279滑坡治理措施(单位:m)

取消原设计边坡锚杆框架防护措施,左侧一级边坡采用C30钢筋混凝土框架锚索防护,锚索沿线路方向间距3 m,沿坡面方向间距5 m,锚索长度21 m,锚固段长10 m,单孔设计锚固力为400 kN。

在左侧二级边坡平台位置采用抗滑桩处理,其中A型桩24根,桩截面尺寸为2.0 m×2.5 m,桩间距6 m(中-中),桩长15～21 m;B型桩17根,桩截面尺寸为2.2 m×3.0 m,桩间距6 m(中-中),桩长21 m;C型桩19根,桩截面尺寸为2.2 m×3.2 m,桩间距6 m(中-中),桩长22～24 m。

左侧边坡坡面沿线路方向3 m、沿坡面方向2 m设置仰斜排水孔;边坡坡脚沿线路纵向设置截水渗沟;天沟及滑坡周界外5 m处设置梯形截水沟。

4.3 滑坡变形监测

根据GDK279工点的具体特点以及工程施工、线路运营阶段的需求,变形监测网[22-23]布置如下。

边坡地表位移监测(Ⅰ型):建立射线网法观测网。沿线路纵向每隔30～50 m设置监测断面,每个断面分别于路堑边坡的路肩、桩(墙)顶平台、边坡平台、堑顶以及堑顶外5,10 m设置观测桩。

深部位移监测(Ⅱ型):对边坡进行深部位移变形监测,在边坡平台钻孔埋设测斜管,监测岩土层内水平位移或变形,每个监测断面设1～2个监测孔。

预应力锚索锚固力监测(Ⅲ型):对采用预应力锚索加固的边坡进行锚固力监测,选择代表性锚索孔,安装锚索计,采用振弦频率检测仪监测。

5 结论

(1)延吉地区膨胀岩土既有白垩系泥岩、泥质砂岩及其风化物,也有夹角砾、碎石、块石及零星玄武岩孤石的第四系黏性土堆积层。膨胀岩土组成主要为石英、长石和大量黏土矿物,黏土矿物微观结构以片状结构为主,黏性土及白垩系泥岩具有中～强膨胀潜势。

(2)除湿胀干缩作用外,受东北地区严寒气候影响,表层土体受长期、反复冻融循环作用,裂隙发育,结构疏松;黏性土层中夹有大量的粗颗粒角砾、碎石,成为渗水、储水构造;混合成因的各种不连续面多,不利于边坡岩土体稳定。

(3)由于长期的卸荷、大气降雨及风化作用,延吉地区路堑开挖形成的膨胀岩土边坡土体强度逐渐降低,最终沿软弱结构面发生牵引滑动变形,其特征大多可以归结为梯级牵引和多层滑动。

(4)按照“主被动支护结合、滑体疏排水与地表截排水统筹”的设计理念,进行边坡治理是行之有效的。GDK279边坡治理工程竣工已近十年,目前边坡状态稳定。