某黄土地区路堤边坡开裂治理方案研究

2022-09-12

正文:

1 引言

近年来, 随着我国基础设施建设的飞跃发展, 铁路事业更是朝气蓬勃。路基作为列车轨道的基础, 必须具有足够的强度和稳定性, 因此路基边坡的稳定性也显得越来越突出。国内外许多学者针对黄土地区路基边坡稳定性做了相关研究, 对其变形机理进行分析, 并提出加固治理措施, 但大多是针对黄土路堑边坡[1]~[2]。本文以山西境内某黄土地区路堤边坡开裂为例, 深入分析其形成机理, 并提出排桩挡墙配合注浆加固的治理方案, 以期对类似工程问题提供一定的参考借鉴价值。

2 工程概述

山西省某铁路改DK19+719~改DK19+837段以填方通过吕梁山西坡黄土梁峁区, 地形起伏较大, 黄土冲沟发育。路堤中心填高2.1~7.7m, 路堤边坡最大高度8.4m。工程地质条件:上覆第四系上更新统风积 (Q3eol) 新黄土、第三系上新统 (N2) 粉质黏土;下伏三叠系下统刘家沟组 (T1l) 泥岩、泥质砂岩、砂岩。地下水埋深8.9~20.8m。地震动峰值加速度为0.05g, 土壤最大冻结深度1.05m。

原设计边坡坡率1:1.5, 路堤边坡采用肋条骨架或拱型骨架结合植草种灌进行防护。2015年5月, 该段路堤左侧电缆槽外侧出现贯通裂缝, 最大裂缝宽度10cm;小里程侧排水沟外侧出现贯通裂缝, 最大宽度3cm;路堤右侧水沟及水沟平台处不同程度出现裂缝, 裂缝宽度0.5cm。该段工点全貌图及裂缝分布图如图1、2所示。

3 边坡开裂机理分析

工点范围内地表覆盖的新黄土层垂直节理、裂隙发育;下伏的泥岩、砂岩及泥质砂岩隔水性能较好。下渗的地表水在土石界面处富集, 导致土石界面上部的黄土层含水量较高;而且会软化土石界面处的泥岩, 造成其抗剪强度降低。再因地方建设工业大道工程, 在改DK19+719涵洞下游弃土, 引起沟内积水浸泡路基坡脚, 造成地基软化, 土体强度降低。再由于黄土竖向裂隙发育, 滑面极易贯通, 如图3所示。从而导致路堤路肩、坡脚处开裂形成贯通裂缝, 出现滑动迹象[3]。

4 治理方案研究

4.1 方案研究

(1) 稳定加固

该段路堤路肩及坡脚处均已开裂, 且已具有滑动迹象, 因此拟定于右侧路堤坡脚处设置排桩挡墙对路堤本体进行加固。由于人工挖孔桩易受列车振动的影响, 施工风险较大, 需要的施工人员较多;且挖孔施工过程中需及时采用可靠的锁口、护壁及孔顶遮盖等措施;经过比较考虑采用钻孔灌注桩。初步拟定桩径1.5m, 桩间距1.75m, 根据滑面以上不同的悬臂段长度分段采用不同的桩长, 并进行相应的受力分析、稳定性检算及结构配筋设计[4]。

本工点排桩挡墙作为永久性挡护工程, 在控制其侧向容许变形量时, 除考虑墙后土体失稳、结构破坏等因素外, 主要还应考虑过大的变形量对挡墙墙顶结构物的影响。因此, 变形控制标准参照《铁路路基支挡结构设计规范》 (TB10025-2006) 对桩板墙的要求, 即锚固点的水平位移不宜大于10mm, 且侧壁应力不应大于地层的横向容许承载力;墙顶位移应小于桩悬臂段长度的1/100, 且不宜大于10cm[5]。

(2) 开裂治理

根据病害特点, 采用注浆方案对路堤本体裂缝附近区域及路基基底进行加固处理。注浆加固是通过注浆管将水泥、水玻璃或其他化学浆液的混合液体均匀地压入土层中, 以填充、渗透及挤密等方式挤走土层中颗粒间的空气及水分, 占据它们的空间位置, 同时改变土层颗粒间的结构关系, 浆液与土体颗粒形成一个整体, 从而达到加固的目的。

在路基本体中注浆, 主要产生以下作用:1) 防渗作用。浆液填充孔隙和裂隙, 堵塞渗透通道, 减少或防止水分迁移, 从而降低水对路基的不利影响。2) 改良作用。当由水泥或粉煤灰等组成的浆液与填土混合后, 会发生相应的化学反应 (如水泥的水化反应、粉煤灰的火山灰效应等) 。从而使土体形成胶凝体混合物, 提高土体强度。3) 渗入、劈裂和压密作用。在压力作用下, 浆液对土体产生劈裂作用, 土体中的孔隙和裂隙被浆液填充和胶结;随着浆液在注浆管底部的不断聚集, 会形成“浆泡”, 从而对周围土体进行压密, 减少孔隙、提高土体强度。4) 骨架作用。浆液固结体呈鱼骨状分布于土体中, 加强土体的整体性和密实度, 从而提高土体强度[6]~[7]。

4.2 排桩设计与计算

(1) 计算方法

1) 采用理正软件, 取稳定系数为0.9反算滑带岩土抗剪强度指标;取安全系数为1.25, 采用传递系数法计算滑坡推力。2) 采用理正或启明星软件, 分别计算排桩在库仑土压力和滑坡推力作用下的内力, 滑动面以下桩身内力和变位计算采用K法, 桩底支承条件为自由。3) 排桩配筋计算:沿周边均匀配置纵向钢筋的圆形截面钢筋混凝土桩见图4, 其正截面受弯承载力应符合下列规定[8]~[11]。

式中:M——桩的弯矩设计值 (k N·m)

fy——纵向钢筋的抗拉强度设计值 (k N/m2)

fc——混凝土轴心抗压强度设计值 (k N/m2)

A——桩截面面积 (m2)

As——全部纵向钢筋的截面面积 (m2)

r——桩的半径 (m)

rs——纵向钢筋重心所在圆周的半径 (m)

α——对应于受压区混凝土截面面积的圆心角 (rad) 与2π的比值

αt——纵向受拉钢筋截面面积与全部纵向钢筋截面面积的比值, 当α>0.625时, 取αt=0。

(2) 计算参数的选取

土层物理力学参数采用标准值, 滑带岩土抗剪强度指标采用反算法, 具体参数如表1所示。排桩内力计算参数:γ=19k N/m3, φ0=35°, K=60MN/m3。

注:表中括号内数值为滑动面的抗剪强度指标参数。

4.3 治理措施

(1) 排桩挡墙

1) 于右侧路堤坡脚平台处, 沿线路方向设置排桩挡墙。采用C30钢筋混凝土钻孔灌注桩, 桩径1.5m, 桩间距1.75m, 桩长10~20m。

2) 于排桩桩顶, 沿线路方向设置C30钢筋混凝土冠梁。冠梁顶宽1.75m, 厚1.2m (桩顶以上厚1.1m) , 沿线路方向每10根桩设一节冠梁 (涵洞端的一节冠梁下为8根桩) 。

3) 每两节冠梁之间设伸缩缝, 缝宽2cm, 缝内沿内、外、顶三边填塞沥青麻筋, 塞入深度不小于0.2m。

4) 桩基检测:钻孔灌注桩采用低应变发射波法, 按总桩数的100%进行检测, 检测仪器采用桩基完整性测试分析仪。

(2) 注浆加固

1) 左侧路肩处, 于电缆槽两侧垂直向下各布置一根注浆孔, 深入原地面或裂缝以下2.0m (取两者之间的大值) , 沿线路方向间距2.0m。

2) 右侧路堤边坡, 沿坡面由路肩开始至坡脚, 从上至下布置注浆孔, 间距2.0m, 沿线路方向间距2.0m。右侧路肩处布置三根注浆孔, 注浆孔倾斜角度 (与水平面的夹角) 分别为15°、20°、25°, 深入原地面或裂缝以下2.0m (取两者之间的大值) 。路肩以下的注浆孔倾斜角度 (与水平面的夹角) 均为25°, 深入原地面以下2.0m。

3) 注浆方式:注浆开始时, 根据现场观测, 先在开裂较为严重的部位中, 选取几点作为试验点进行试注, 试注按照规范检测合格后, 按照注浆孔分布位置依次进行注浆。单个注浆孔按照由下向上的顺序进行注浆, 采用分层注浆的方式, 首次注浆深度为注浆孔下部5m, 待浆液渗透、初凝后再进行注浆孔上部范围内注浆施工, 上下两层注浆段时间间隔控制在24小时左右。

4) 注浆压力参数的控制:注浆压力控制为0.5~1.0 MPa, 并需保证注浆压力不会对既有构筑物和设备 (如排水沟、电缆槽、轨道等) 造成破坏或过大变形, 以满足现场实际情况为宜。