1.上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司合肥分公司, 安徽 合肥 230001 2.河海大学岩土力学科学研究所, 江苏 南京 210098
摘要:本文以实际工程为研究背景,对煤系土不良地质深路堑边坡的处理进行了探讨,并在施工过程中进行动态跟踪观测,以不断完善边坡处理方案,为煤系土边坡处理提供了可借鉴的工程经验。
关键词:煤系地层 边坡防护 动态跟踪
1.工程概况
广东某公路的沿线经过大多是山地丘陵地区,这些地区的地质条件、水文条件等都相当的复杂,往往分布着一些具有独特工程特性的不良土,煤系土就是这些不良土中的一种,它是劣质煤和全风化炭质砂岩的混合产物。在K45+250~K46+720、K46+720~K46+980等十几个路段上都有煤系土的分布,其沿线总长度近3公里。
2.煤系土层的分布及特点
2.1煤系土层的分布
通过地质钻探,在勘察深度范围内的地层结构为:由上白垩系粉砂岩、泥岩夹炭质页岩、炭质灰岩和煤层构成。其基本特征是:灰黑—黑色,岩性含炭、含泥质较重,粉砂质泥晶—泥质结构,薄层状、页理状构造。以全—强风化层为主,厚度达20~40m,煤层每层厚0.2~0.6m,质软,暴露地表风化速率极快,易崩解,多呈鳞片状,煤层厚度变化较大,分布无规律,常呈透镜状、藕节状或鸡窝状。
2.2煤系土层的工程特性
煤系土层软硬不均,层间胶结较差,结构松散,开挖后风化速度较快,且遇水易软化,性能极不稳定,具有孔隙比大、高压缩性、低强度性、流变性、触变性等特点,并具有弱-中等膨胀性等特点。在水和其他外力作用下易形成软弱帯,软弱帯大都由煤系土层和风化物构成。水和外力的作用对边坡的稳定性很不利,容易造成应力变异,土体变形,软弱夹层容易形成边坡变形破坏的滑动面,由于煤层具有多层性,故滑动面也有多层的可能。变形体发育的地表形态普遍呈圈椅状,一般越接近地表,风化越强烈,所以以浅层滑动为主。其物理力学性质指标见表1:
表1 煤系土层物理力学性质指标表
统计 项目 | 含水率 (%) | 天然重度 ( ) | 孔隙比 | 液限 (%) | 塑限 (%) | 液限指数 | 压缩系数 (MPa-1) | 剪切指标 直接快剪 | |
凝聚力 (KPa) | 内摩擦角 (0) | ||||||||
平均值 | 19.9 | 19.2 | 0.68 | 26.8 | 18.4 | 0.56 | 0.21 | 21.8 | 22.5 |
最小值 | 12.1 | 16.5 | 0.46 | 17.7 | 11.6 | 0.37 | 0.06 | 4.48 | 7.0 |
最大值 | 30.0 | 20.6 | 0.94 | 30.6 | 22.4 | 0.93 | 0.3 | 38.0 | 42.0 |
从表1可知,含煤地层孔隙比较大,其抗剪强度极易受含水量的变化而变化,因此,坡面及坡顶应采取必要的措施进行防水,以免外部雨水的下渗而降低含煤地层的强度,导致边坡失稳。
3.可能产生破坏的模式
(1)平面破坏。由于煤系地层岩质软,含水量高且遇水易崩解呈土或碎石状的特点,边坡开挖后抗剪强度迅速降低,煤层常成为边坡的软弱带,与下伏弱风化灰岩或砂岩之间形成一软硬接触面,在倾向线路的情况下,发生平面破坏。局部节理交线倾向线路且倾角大于边坡坡率时,有锲块滑动现象。
(2)圆弧破坏。当整个边坡的砂岩、页岩、煤层全风化呈土状且厚度较大,边坡高、坡率陡时在地下水或地表水作用下,坡脚将出现应力集中使坡脚强度不足,坡脚土体被压溃,从而使整个边坡轻则发生浅层溜坍,重则发生圆弧破坏。
4、煤系土边坡防护工程设计
由于煤系土地质条件较差,对路堑边坡的稳定影响很大,边坡防护工程贯彻以稳定为本、加固为主、排水防护并重的原则,从卸载、固腰、强脚、排水设计等多角度充分考虑及分析。
4.1边坡方案设计
根据工程地质勘测资料,并结合煤系土层边坡处理的成功经验,本标段根据边坡的高度采用了不同的边坡形式。第一级边坡采用矮墙支档,其余采用拱形骨架植草防护,并根据地形设置排水沟。边坡形式见表2:
表2 不同边坡高度下采用的边坡形式
边坡高度 | 边坡坡率 |
0~8m | 1:1.5 |
8~12m | 上面8m为1:1.5,下面1:1.75 |
12~18m | 上面8m为1:1.5,下面1:1.75,在8m处设置2m的平台 |
超过18m | 上面8m为1:1.5,下面1:1.75,除在8m处设置2m的平台外,在18m处设置平台,平台的宽度根据边坡高度及地基条件确定 |
4.2边坡施工方法
由于该标段路堑边坡地质较差,只对坡面防护不足以保障其稳定性。且由于坡脚开挖后,破坏了边坡原有的平衡状态,造成局部开挖断面应力集中;或由于边坡岩层软硬不均,出现地下水等不良地质现象时,使松散岩层遇水坍塌,所以必须对边坡进行加固,尤其是坡脚。根据钻孔资料,在以煤炭为主,残留强风化砂岩风化物地段设50cm厚的浆砌片石护面墙进行加固(局部地质尚好路段可调整护面墙厚度为30cm),并对坡脚3m高的范围内加厚铺砌,坡脚距路面碎落台宽度增加至5m,均采用浆砌片石稳定。
4.3边坡稳定计算
边坡稳定分析发展至今已有多种计算方法,各计算公式随所选择的计算模型不同而有所不同,其原理可归纳为边坡体的抗滑力和下滑力的计算,并确保边坡抗滑具有一定的安全储备[2]。
边坡抗滑力: ;
边坡下滑力: ;
抗滑安全系数:
式中: 为边坡体的自重重力; 为边坡上的外荷载; 为边坡上有可能的动水作用力; 为边坡土的粘聚力; 为边坡体的内摩擦角; 为滑体与水平面的夹角; 为地震作用力。本标段边坡计算采用的是瑞典条分法,对施工阶段和使用阶段分别建立力学模型进行分析验算。其中,施工阶段不考虑地震作用,使用阶段计地震烈度为7度,地震作用综合系数取0.25。
5.煤系土边坡施工阶段的动态跟踪与控制
由于煤系土边坡稳定问题目前在国内尚无完整、理想的处治方案,且该段煤层分布较厚,风化程度及土质强度均不均匀。随着开挖的进行,对原状煤系土将产生一定的扰动。因此,为保证煤系土边坡施工过程中及施工后的稳定性,设计人员对此进行跟踪分析,根据开挖后的地质情况随时动态地完善设计方案,以求最终确定安全可靠的边坡防护方案。
在沿线边坡段,根据最大坡高和边坡岩性,采用不同的边坡率,对边坡刷坡以后,在沿线边坡段,根据最大坡高和边坡岩性,采用不同的边坡率,对边坡刷坡以后,坡脚采用矮墙支档,其余坡面采用拱形骨架植草防护等进行防护,坡顶根据地形的变化情况设置山坡截水沟,坡体设置排水孔。在遇有煤系土路段,由于煤系土孔隙比大、易储存地下水,水动力作用使其抗剪强度变差、含水量大,对边坡的稳定性不利。施工方法及施工工艺的选取对煤系土路堑边坡的稳定有着很大的影响。施工控制中应结合不同类型的边坡及水文地质条件慎重选择合理的施工工艺。对于较厚的煤系边坡需增加临时支撑或采取分段掘进、分段完工的方法,宜将开挖、加固、支撑、排水交叉进行。以确保施工中具有足够的安全度。煤系土的一大特点是遇水软化,强度随含水量的增加而急剧下降,容易造成边坡失稳。因此,施工开挖过程中应尽量避开雨季,选择土层较为干燥的季节。开挖过程中如遇雨天,应停止施工,并覆盖开挖面,同时采取积极有效的措施,如对坡面水截流及开挖临时排水沟等将边坡内的水及时排走,把水对煤系土层的影响降到最小。
6.结语
煤系土边坡的稳定受多种因素的影响与制约,本文结合煤系土边坡处治的工程实例,总结经验如下:(1)煤系土属不良地质,设计时应予以高度重视。(2)煤系土路堑边坡应根据地质钻探资料,分析煤系土的性状、断层分布、强度等力学参数,建立多种防护力学模型进行边坡稳定计算,确定边坡防护方案。(3)通过采用合理的支护结构形式及施工工艺,并对煤系土路堑高边坡进行施工中的动态跟踪与完善,发现问题及时调整,以尽可能避免在施工和运营中出现重大灾害性事故,和造成重大的经济损失和不良的社会影响。
参考文献:
[1] 杨航宇,颜志平等.公路边坡防护与治理[M].北京:人民交通出版社,1998.
[2] 中华人民共和国交通运输部. JTG D30-2015公路路基设计规范 [S].北京:人民交通出版社,2015.
作者简介:周邦艮(1983-),男,安徽无为人,硕士,从事市政道桥工程设计