黄延公路黄土路堑高边坡结构特征及其设计方法研究

焦 力,李坤阳

(陕西省高速公路建设集团公司,陕西 西安710086)

0 前 言

黄陵至延安高速公路是我省进入黄土山区里程最长、投资最多的工程建设项目,全长143.205 km。公路沿线位于陕北黄土高原南部,属典型的黄土台塬、黄土梁峁及沟壑区,海拔在800 m～1 500 m之间。地势北高南低,由西北向东南倾斜。黄陵至富县一带属河谷台塬相间的黄土残塬～沟壑地貌,残塬塬面开阔平坦,但塬边支离破碎,冲沟深切,黄土悬崖陡立,沟壑纵横。其中黄土台塬由三层结构组成,一些路堑高边坡超过百米。多年来,公路、铁路、水利电力等部门对高于30 m以下的中低边坡都做过系统的研究,并成功的指导了工程设计、施工,而关于30 m以上的黄土高边坡系统研究还较少[1～9]。本文以黄延公路沿线的黄土高边坡为依据,对黄土高边坡地质结构及优化设计作以探讨。

1 黄土高边坡的地质结构

1.1 黄土中的节理和裂隙

黄延公路所在区域在构造上总的形态为一大型向斜构造,长轴走向近南北,两翼不对称,局部可视为向西缓倾的单斜构造。褶皱、断裂均不发育。因此,该区域主要发育原生节理,且大部分为垂直节理,局部地区发育斜节理。原生节理不切穿所在的黄土分层,只局限于其中。该区域大多数原生节理只局限于Q3马兰黄土中,而到Q2离石黄土中,原生节理密度变小。该区域内节理主要有两组:走向西北,产状215°～230°∠70°～88°;走向近东西,产状4°～10°∠76°～88°,它们构成共轭剪节理,延伸较远,可达数米至百余米,频度为2～4条/m。密集处间距0.5～1.5 m。次要的有:走向北东东,产状160°～190°∠62°～89°;走向北北东,产状295°～330°∠70°～88°,二者仍为“X”状共轭节理,其发育频率高,规模小,一般间距0.2～0.5 m,但延伸短,仅数米至十余米。此外,还有一组走向近南北,向西倾斜的节理,产状260°～266°∠80°～85°,属张性节理,呈断续延伸,规模小,间距一般0.2～0.5 m。黄延公路总体走向为南北向,和该区域的主要节理走向近乎正交或斜交,有利边坡稳定。

1.2 黄土边坡的地质结构

1.2.1 黄土底部基岩风化剥蚀面

黄延公路沿线黄土底部通常为基岩风化面,为相对隔水层,若倾向坡外,边坡很容易从基岩面产生滑动。

1.2.2 流水作用形成的层理

在黄延公路黄土坡体中,流水作用形成的层理实际上在黄土中较常见,但往往经过后期的成壤作用已不明显。层理是一种原生堆积的不连续面,也是土体内物理力学性质的弱面,边坡的位移和滑动也易沿该面进行。

1.2.3 黄土中的层状结构

风成作用形成的黄土典型结构为继承性堆积,即在古地形的基础上形成幔覆结构堆积层,堆积时继承了塬边的倾斜或梁状地形,形成了倾斜层面和近水平面。黄土在后期的成壤、淋滤等地质应力作用下,形成了层状的黄土、古土壤和钙质结核层相间分布。

黄土的钙质结核层是黄土特有的一种层状物质,钙质结核层的成因在黄土研究中较多,普遍认为是在黄土成壤过程中CaCO3淋滤富集而成,但是对其工程意义,特别是对边坡稳定的影响研究较少,为了研究其特性对边坡稳定的影响,在黄延公路高边坡选取典型地段取样,分别在4个层位取样进行物理力学性质测试,其结果如表1。

表1 黄延高速公路K105+750～980剖面钙质结核层(板)综合实验成果

从表1中可以看出,其钙板中CaCO3的百分含量已接近泥灰岩的CaCO3含量,其单轴极限抗压强度、抗剪强度类似于岩石,其抗压强度和内聚力最大分别为68.1 MPa和7.6 MPa,按岩石强度分类标准,已属硬质岩石。当然,强度与CaCO3含量有密切关系,从表1中的数据还可看出,抗压强度和内聚力都随着CaCO3百分含量的增高而增强,内摩擦角变化不大。由于钙质结核层在Q2黄土中存在,且层数较多,当然一些没有形成钙板层,但其中的碳酸钙成分和钙核也已胶结成连续层,其存在无疑有利于边坡稳定,因此,在计算评价中将充分考虑其作用。

1.2.4 其它不连续结构面

在调查中,发现边坡中还存在一些其它不连续结构面,如冲沟经后期充填形成的不规则面,坡体滑动后的老滑面也是极不稳定的弱面。

2 高边坡优化设计

2.1 黄土高边坡设计依据

黄土高边坡设计是一项复杂的系统工程,需要考虑众多因素。具体来说,其设计依据包括如下方面:

(1)工程建设对边坡稳定性的要求是设计的安全标准,其安全系数应有一定的储备,即稳定系数应大于1.25。

(2)在边坡设计中应充分考虑其工程地质与水文地质条件,包括地层成因时代、地层岩性、地层结构、土的物理力学指标和水文地质条件等,所有这些条件是优化设计的地质依据。

(3)气象水文条件是设计的外因条件,主要为降雨量和冻融深度及地表水的冲刷等。

(4)根据调查和前人的研究成果是设计的主要参考依据,所有成功经验对于设计均提供了有益借鉴。

(5)计算、模拟是优化设计的理论依据,其结果可以和地质比拟法相互验证,二者密切配合,才能得出可靠的结果。

2.2 黄土高边坡的坡高、坡比和坡型的设计

坡高、坡比和坡型是设计中的重要问题,在特定条件下,坡高、坡型和坡比三者之间,有一个统一的辩证的关系。一般情况下,坡高越高,将坡比放大,既可保证安全。但是坡比越大,开挖的工程量就会加大,投资也会增加,同时坡比加大还受场地条件等限制,原斜坡的地形和弃土堆放条件等限制,因此,在保证安全可靠的前提下,对于三者进行最优化的组合,是黄土高边坡设计的指导思想。

根据野外调查,室内模拟实验,进行稳定性及可靠性分析计算,可以得出如下优化设计方案:30 m～40 m的黄土高边坡,其单坡坡比设计为1∶0.5,中间留2～3级平台,台宽3 m～5 m,总坡比1∶0.75～1∶1即可保持稳定。40 m～50 m高边坡,考虑坡体长期暴露地表及其它外营力作用,因此40 m～50 m边坡可设计为总坡比1∶1,4级坡形,单级坡高10 m～12 m,坡比1∶0.5,平台1、3级平台宽5 m,2级平台宽8 m～10 m。50 m～60 m边坡,其较合理的边坡应设计成5级坡形,单坡比1∶0.5,坡高10 m～15 m,1、2、4、5级平台宽5m～8m,中间3级平台设置成12 m,以消除应力向下传递,总坡比1∶1.0～1∶1.1。60 m以上边坡,总坡比应为1∶1.15～1∶1.25,单坡坡比1∶0.5～1∶0.75,单坡坡高10 m～15 m,平台宽8 m以上。

2.3 黄土高边坡最佳坡型的选择

根据野外调查发现,黄土区塬、梁及冲沟两侧的边坡大多数为2～3级的不规则形状,一般情况下是下部为稳定基座,形成天然平台,而在半山腰有一风化剥蚀或崩塌形成的小平台,其位置一般为Q3黄土底部或某一钙质结核层。长期以来,经过大量的工程实践,交通、水利工程中常见的边坡坡型有:直线型边坡、滑动型边坡、自然斜坡型边坡、平台型边坡和混合型边坡等五大类,对比各自的适应条件和优缺点可知,平台型坡是黄土高边坡最适宜的坡型。

当坡比接近0.51时,按下式可求得台阶式各单级坡的最大高度为[9]:

式中:c为Hi边坡范围内土的平均内聚力(kPa);K为边坡稳定安全系数(1.15～1.25);γ为Hi边坡范围内土的平均天然重度(kN/m3)。

在坡型确定中,平台的宽窄对坡体稳定有较大影响,为讨论这一问题,本次研究以黄延公路黄土高边坡实际情况为依据,采用二维有限元对不同坡高和不同宽度的平台进行了模拟,模拟结果说明,大平台坡型对黄土高边坡的设计和施工是较为理想的,这种坡型施工方便,而且对于排水、生物防护是有利的。

刘祖典教授[9]根据40m坡高验算出不同坡型组合下的安全系数也说明大台阶坡型其安全性较高(表2)。且在开挖中工程量也较合理。

表2 40 m高度不同坡型组合情况下的安全系数[9]

3 黄土高边坡优化设计建议方案

根据以上调研、计算和模拟分析结果,结合铁路、公路和水利系统的经验,综合总结黄延高速公路黄土高边坡设计建议(表3)。

表3 黄延高速公路黄土高边坡设计建议

4 结 语

(1)黄土中节理、裂隙、构造节理及卸荷裂隙的存在对高边坡的稳定具有控制意义。

(2)黄土高边坡的滑动易受底部基岩风化剥蚀面、流水作用形成的层理控制。

(3)黄土典型结构为继承性堆积,在后期的成壤、淋滤等地质应力作用下,形成了层状的黄土、古土壤和钙质结核层相间分布。其钙板中CaCO3的百分含量已接近泥灰岩的CaCO3含量,其单轴极限抗压强度、抗剪强度也接近硬质岩石指标。由于钙质结核层在Q2黄土中存在,且层数较多,其存在对边坡稳定起到积极意义,在计算评价中将充分考虑其作用。

(4)坡高、坡比和坡型是设计中的重要问题,在保证安全可靠的前提下,对于三者进行最优化的组合,是黄土高边坡设计的指导思想。

(5)黄土高边坡的坡型宜采用平台型(阶梯型),单级坡比采用1∶0.4～1∶0.6较合适,当坡高大于40 m时,在边坡中部设大平台较理想。

[1]倪万魁.黄土高边坡可靠性分析及优化设计[D].西安:西安工程学院,1999.

[2]李 萍.黄土边坡可靠性研究[D].西安:长安大学,2006.

[3]叶万军.黄土路堑高边坡优化设计理论和方法研究[D].西安:长安大学,2006.

[4]王念秦.黄土滑坡发育规律及其防治措施研究[D].成都:成都理工大学,2004.

[5]刘 悦,黄强兵.黄土路堑边坡开挖变形机理的离心模型试验研究[J].水文地质工程地质,2007,34(3):59-62.

[6]李萍,王秉纲,李同录.自然类比法在黄土路堑边坡设计中的应用研究[J].公路交通科技,2009,36(2):1-5.

[7]许 领,戴福初,邝国麟,等.黄土滑坡典型工程地质问题分析[J].岩土工程学报,2009,31(2):288-292.

[8]张少宏.黄土边坡稳定计算中参数的敏感性分析[J].水利与建筑工程学报,2003,1(3):40-42.

[9]刘祖典.黄土力学与工程[M].西安:陕西科学技术出版社,1997.