路基边坡病害分析及防护设计原则

路基是承受轨道和列车荷载的基础 ,是铁路工程的重要组成部分 ,其稳定与否直接影响列车运行的安全。 路基裸露在大气中 ,风霜雨雪、气温变化和流水冲刷等都会对路基产生有害影响。 为保证路基具有足够的强度和稳定性 ,一般设计均采用对边坡进行防护。

在运营线路技术状态的调查中发现 ,个别线路和路段不同程度地存在着路基边坡病害。 因此 ,有必要研究边坡病害的成因及其发生规律 ,进而对路基边坡防护的设计提出优化措施。

1 路基边坡病害的特征及发生规律
1、1 风化剥落

一般发生在路堑边坡下部 ,或构成边坡软硬互层的松软层 ,在节理发育的变质岩坡面尤为严重。 该部位受风化作用的影响显著 ,边坡表面破碎 ,呈薄片状或小颗粒状 ,沿坡面向下滚落 ,往往造成侧沟堵塞。

1、2 边坡溜方

在土质为黄土质砂粘土或其它粘性土的边坡 ,经较长时段的连阴雨后 ,其表层厚 110 m 以内的土体松软、失稳 ,而向坡脚溜下。 由于在边坡基岩上面覆盖有黄土或其它粘性土层 ,在雨后流水量加大、地表水不断渗透而使土层失稳 ,或因基岩面有地下水出露 ,促使覆盖层沿基岩面溜方。

1、3 坡面冲刷

在高大的土质边坡上或风化严重的石质坡面下部发生坡面冲刷 ,由于地表径流的冲蚀搬运作用明显 ,表面形成条状鸡爪沟或冲坑 ,这不但破坏了坡面的完整 ,在暴雨时还时常造成泥流漫道现象。

1、4 坍塌滑坡

多发生在的变质岩地段路堑边坡中上部 ,该部位岩石节理发育 ,风化严重 ,或者路堑边坡的粘性土层和蓄水砂石层分层蕴藏 ,且有倾向路堑方向的斜坡层理存在。 发生过程时间较长 ,先在边坡上部张开裂缝 ,逐渐发展扩大 ,周围岩石错动 ,进而坍塌体下缘凸起并局部坍塌或落石 ,随之即顺边坡大面积滑坡。 特征是整个边坡不稳定 ,而且一直破坏到边坡坡度小于相应的天然休止角为止。

2 路基边坡病害的原因分析

2、1 气候因素

气候因素有气温、降水、风速、风向、最大冻土深度等。 在大面积裸露的土质或风化岩质坡面上 ,由于温差对地表的影响 ,加上雨水直接冲刷坡面 ,极易风化剥落 ,导致堑坡水土大量流失 ,或坡面产生裂缝 ,发生浅层溜方。

2、2 水文和水文地质因素

水文因素如地表水的排泄 ,河流常水位、洪水位 ,有无地表积水和积水时间长短 ,河岸淤积情况 ;水文地质因素有地下水埋深、移动规律 ,有无层间水、裂隙水、泉水等。 在土质路基边坡上因受雨水冲刷导致表层坑洼积水 ,地表水顺裂缝向下渗透而浸泡边坡 ;全封闭边坡防护层材料的水稳定性差 ,出露的地下水无法疏导使边坡内积水 ,或整个边坡结构排水不畅 ,引发堑坡局部溜方和浅层滑坡。

2、3 地质因素

沿线地质因素 ,如岩石的种类、成因、节理、风化程度和裂隙情况 ,岩石走向、倾向、倾角、层理和岩层厚度 ,有无夹层或遇水软化的夹层 ,以及有无断层或其它不良地质现象。 在人工开挖的岩质坡面 ,尽管山体本身稳定 ,但岩层节理发育 ,长时间日晒雨淋 ,表面风化严重 ,经常发生坡面剥落和零星掉石流碴。 若堑坡地层岩性为岩质较软的砂土、页岩和变质岩 ,且节理发育、风化严重 ,或粘性土层和蓄水的砂石层分层蕴藏 ,特别是有倾向路堑方向的斜坡层理存在时 ,易造成路堑滑坡。

2、4 土质因素

土是建筑路基及边坡的基本材料 ,不同的土类具有不同的工程性质。 砂粒土的强度构成以内摩擦力为主 ,强度高 ,受水的影响小 ;粘性土的强度形成以粘聚力为主 ,强度随密实程度的不同变化较大 ,并随湿度的增大而降低 ;粉土类土毛细现象强烈 ,强度和承载力随着毛细水上升和湿度的增大而下降。 对于黄土质砂粘土或其它粘土质土 ,因其透水性弱、崩解性强、经雨水浸泡后土体表层含水量达到饱和状态时 ,易使边坡失稳而溜方 ;若路堤填料不合格 ,又没有进行土质改良 ,将导致边坡结构层断裂破坏。

2、5 人为因素

1) 地质勘察不准确。 例如对边坡土体地下水位的勘探不到位 ,未发现基岩面出露的地下水 ,引发边坡溜方 ;勘察获得的土体内摩擦角、粘聚力、密度及承载力等数据不准确 ,导致设计出错 ,而引发坍塌滑坡。

2) 边坡设计不合理。 在设计当中 ,为减少初期工程投入 ,忽视了气候及地质因素的长期影响 ,对干燥少雨地区、岩层节理发育的坡面未采取护坡措施 ,致使坡面发生风化剥落 ;缺乏对不同土的水稳定性的认识 ,选择防护设备不当 ,未设排水设施 ,引发流动水冲刷边坡 ;设计选择的边坡坡度过陡 ,大于岩层本身所能维持的天然休止角 ,每级台阶高度与天然岩土层次的性质又不适应 ,而设计过程中对边坡稳定性的检算又不够准确 ,导致部分土体在重力作用下沿边坡内某一滑动面发生滑移。

3) 施工方法不当。 施工时未严格按照设计文件进行边坡开挖 ,未清除边坡基岩上面覆盖的粘性土层 ;或者未严格按照施工规范的要求进行路基填方 ,填土的层次安排不合理 ,密实度不够等。

3 边坡防护设计原则

3、1 根据当地气候特征选择适宜的植被防护

气候在一年之中有季节性的变化 ,也随地理位置的不同存在差异。 同时 ,还受地形的影响 ,例如山顶与山脚、山南坡与山北坡 ,其气候有很大的差别。 根据气候特点的不同 ,对土质或风化岩质坡面应采用适宜的植被防护。 若当地气温较高 ,降水量适中 ,且适宜草木生长 ,可设计种植紫穗槐等灌木植物进行坡面防护 ;若夏季炎热干旱 ,冬季寒冷干燥 ,降水较少、但降水较集中 ,应采用浆砌片石拱型防护骨架 ,在骨架内种植草皮。 种草植树造价低廉、维护费用少 ,既可稳定路基边坡 ,又美化了沿线环境。

3、2 对于黄土土质采取土工格室技术护坡

线路经过黄土高原地区 ,土质以黄土为主。 老黄土的直立性相当好 ,挖方边坡可设计为 1∶ 015 ,甚至更陡 ;但对于填方 ,砂质黄土粘性较差 ,易产生冲沟 ,可改善土质、采用片石护坡。 此外 ,为提高路基稳定性 ,使路基填土成为一个整体 ,在高路堤设计中应采用土工格室技术。 路基填筑时分层铺设单层的土工格室 ,小室内填充种植土并均匀撒播草籽 ,能使边坡充分绿化 ,带孔的格室还能增加坡面的排水性能。

3、3 结合岩石地质条件采用水泥砂浆喷盖技术

对岩质路堑边坡的设计 ,首先做稳定性检算 ,确保边坡本身稳定 ,然后选择防护类型。 若路堑边坡仅岩面节理发育 ,可采用浆砌片石护坡 ;若是岩质较软的砂土、页岩和风化严重的变质岩堑坡 ,可设浆砌片石护墙。 在人工开挖的岩质坡面 ,若山体稳定但岩层节理发育 ,坡面风化剥落和零星掉石流碴 ,可采用水泥砂浆喷盖技术 ,费用比片石护墙节约近 70 %。 施工时 ,先铲除风化表层 ,上部每隔 5 m 交叉预设两排渗水管 ,然后把 1∶ 315 的水泥砂浆喷盖在清理过的岩面上 ,厚约 5mm。 采用水灰比 014～015 ,选用不低于 425 硅酸盐水泥和中粗砂。 加适量填充剂 ,砂浆变为绿色 ,似可起到美化的效果。

3、4 防护设计的优化

在具体设计中 ,考虑节约土地资源、尽量减少路基的占地面积 ,或根据沿线不同的地形地貌 ,对防护类型进行合理选择和灵活组合。 如路基边坡处于河岸或冲沟的一侧 ,上部防雨水冲蚀 ,下部防河流冲刷 ,可采用护坡加挡墙的防护 ;有时由于路基自然放坡占地太宽或要能侵入既有建筑物限界 ,也采用这种防护方式 ,既经济又合理。 若在边坡设计中防护类型有多种选择的余地 ,应结合当地建材资源 ,选择防护类型 ,在没有片石的地方 ,只有选用混凝土 ;而在片石多的地方 ,尽量少采用混凝土 ,可运用当地的建材资源 ,以降低工程造价。

3、5 结合不同防护类型确定边坡排水设施

为保持路基稳定 ,边坡防护是一个主要手段 ,但辅之以排水设备也是不可缺少的。 沿线地形地势不同 ,路基的水位状况也不同。 平原地势平坦 ,地表易积水 ,

地下水位较高 ,路堤边坡防护层应选择水稳定性良好的材料 ;丘陵、山区地势起伏较大 ,路堑边坡排水设计至关重要。 对于土质路基 ,应夯填边坡裂缝 ,填平积水坑洼 ,铺设不透水土工纤维截留地表水 ,防止向下渗透 ;设拱形或方格形边坡渗沟 ,用纵横盲沟或加深侧沟 ,可疏导地下水 ;对全封闭护坡、片石拱型骨架护坡做好泄水处理 ,疏干和巩固坡面。 不管采用哪一种边坡防护措施 ,必须保证路基的排水通畅。

4 结语

路基边坡的稳定性在很大程度上决定于当地的自然条件 ,而我国幅员辽阔 ,铁路行经地区的自然条件差异性大。 从总体到局部 ,从大的区域到具体路段 ,只有深入调查研究铁路沿线的自然情况 ,掌握其规律及对路基边坡稳定性的影响 ,才能因地制宜地采取有效的工程措施 ,以确保路基边坡具有足够的强度和稳定性。路基边坡防护在铁路线路中的应用十分广泛。 对于一项具体的工程 ,选择的边坡防护形式不同 ,取得的防护效果也不同 ,其工程投资也有很大差别。 因此 ,在设计实践中设计人员对每一项具体设计都应反复比选 ,精心设计 ,做到技术合理、经济可行。