铁路桥梁桥址边坡稳定性分析与防护

刘兰英

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

1 概况

某新建铁路大桥位于山坡中下部，沿坡而行，为10-32 m简支梁桥，桥址中心里程DK63+670.45，桥全长336.5 m。其中0～5号墩均依山势而设，施工便道和平台的修建改变了原来稳定的山坡，使边坡破碎的岩体裸露，在自然营力和人工活动的影响下，局部坍滑或崩塌落石在所难免，从而对桥梁安全造成一定的威胁。根据物质组成，分析边坡稳定程度和破坏类型，继而提出防护措施。

2 桥址边坡的地层结构

总的来讲，桥址边坡地层组成较简单。施工前，原始山坡局部表层分布1～5 m厚的新黄土和5～10 m厚的松散碎石土，施工后均被剥离。目前边坡主要分布太古界(Ar)浅粒岩，灰白色、浅灰色，变晶结构，块状构造，岩质坚硬，岩体节理裂隙发育，上部风化严重，全风化-强风化，风化带厚度变化很大，一般为15～25 m，下部为弱风化。全风化浅粒岩，灰白色，可见深灰色条带，分布不均匀，风化岩块大小不一，以角砾和砂砾状为主，常见块状和土状物夹含其中。风化裂隙十分发育，面多粗糙，多充填砂状和泥状物。强风化浅粒岩，灰白色夹深灰色，分布不均匀，以块状夹角砾砂状为主，偶见含土，风化裂隙发育，张开但多不充填，裂隙面粗糙。弱风化浅粒岩，灰白色，岩质坚硬，节理裂隙较发育，岩体较完整。边坡岩体中未见地下水。

图1为1～5号墩边坡横断面地质图，可见浅粒岩风化带厚度墩与墩之间变化较大，且风化带的组成也不尽相同。其中2号和3号墩断面，风化带基本都是全风化岩体，其他墩断面全风化带较薄，主要为强风化层。图中地表上面的虚线为原来地面线，各墩刷方量不尽相同，3～5号墩断面刷方量较大，1和2号墩断面刷方量较小，说明了前者对原始边坡破坏不大，而后者对边坡稳定影响较大。分别讨论各墩附近边坡稳定性及对墩的影响程度。

图1 1～5号墩地质横断面

3 边坡稳定分析

3.1 物理力学参数的确定

岩体物理力学参数的准确与否直接决定了边坡稳定性分析结果的可信程度，这些参数主要为岩体的容重(γ)和抗剪强度(黏聚力C和内摩擦角φ)。岩体的抗剪强度受控于岩性、胶结或结晶情况和岩体结构。抗剪强度基本上为岩石的固有特性，主要与岩石的物质组成(基质或矿物成分、胶结物、颗粒大小等)有关，如何合理取值一直是工程界的难题。常用的取值方法有3类[1]:(1)根据试验，如三轴、中剪和大型现场剪切试验;(2)按规范或估算法选取，规范如国标、铁路和水力规范等;(3)根据坡体极限平衡状态反演或反算而得。岩体抗剪强度主要考虑两方面的因素，一是岩体的风化状态，对于弱风化岩体应考虑岩体结构的修正，对风化岩体则应同时考虑风化岩体的折减和岩体结构的修正;二是岩体的结构类型[2]。因此以《工程岩体分级标准》(GB50328—94)附录C提供的物理力学参数值为依据，结合岩体的风化破碎程度和现场实际情况而定。

由图1，最有可能失稳或滑动的岩体应该是地层上部的风化带，即全风化带和强风化带。上已描述，全风化带岩体是以角砾状岩块夹砂砾组成，岩体十分破碎，岩体基本质量级别应是Ⅴ级，可按Ⅴ级取物理力学指标，因其中夹杂有砂砾，所以还应考虑砂砾土的影响，适当降低取值;同样，强风化带以碎石土夹角砾砂状为主，岩体破碎，岩体基本质量级别为Ⅳ级，可按Ⅳ级取物理力学指标，因其中杂夹角砾砂砾等，所以还应考虑角砾砂砾的影响，适当降低取值。此外，自然界的岩体并不是严格意义上的各向同性和均值介质，受很多不确定因素影响，物理力学指标不可能是一个或几个固定值，应是在一定范围内，为表示这种变化，常采取标准差或最大最小值表示，同时也为了分析破坏概率用。综合以上因素，最终得到表1各岩体重力密度、内摩擦角和黏聚力的平均值(μ)、标准方差(σ)、最小值(min)和最大值(max)。

表1 各岩体物理力学指标

3.2 边坡破坏形式

基于上述边坡岩体类型和现有地貌特点，边坡有可能发生滑坡、落石、水石流等不良地质现象。其中水石流主要发生于全风化这种表层岩体很破碎且已松动的地层中，也即2号墩和3号墩边坡附近，但由于当地位于干旱地区，降雨量小，发生强降雨频率很小，且该边坡是单面坡，没有大的汇水面积，雨天以片流为主，不具备形成大规模的水石流的外部条件。此外，水石流多沿坡面形成和流动，在坡度变缓处，其动能迅速降小，冲击力不足以影响到桥墩的安全，所以本文对水石流不再进行专门的定量分析，但水石流在流动工程中，不排除个别岩块发生滚落跳跃的可能，这种现象一并放在下边的落石一节进行分析。

除水石流外，该桥址边坡最可能发生的破坏形式应是滑坡和落石。滑坡发生的最大可能是在全风化和强风化岩体中。因全风化带和强风化带，岩体破碎，岩体呈碎块状和砂砾状，风化结构面众多，无规律，没有主导的结构面，所以可以将其假设为各向同性体，因而其滑动面可以认为是圆弧，可以按条分法进行分析。落石主要发生于坡面，受自然营力作用，坡面上松动岩块受重力影响顺坡面滚落或跳跃冲向桥墩。其破坏的结果取决于滚落岩块的质量、体积和速度。鉴于该边坡岩体的特殊性，以下主要对边坡滑坡和落石进行评价分析。

3.2.1 滑坡

滑坡是自然界常见的一种地质现象，它的产生与地形地貌、地层岩性及其物理力学性质密切相关，也即必须具有必要的内在条件，在一定的外部因素诱导下发生滑动。滑坡的分析方法众多，最常用有bishop、janbu法，本文采用bishop条分法，假设滑面为圆弧，按式(1)分别对5个墩横断面进行滑坡的稳定性检算，计算结果列于表2。

式中F——安全系数;

li——分块滑面长度，li≈bi/cosαi;

bi——岩土条分块宽度;

αi——为分块滑面相对于水平面的夹角;

ci——滑体分块滑动面上的黏聚力;

φi——滑面岩土的内摩擦角;

n——分块数;

表2 各断面边坡稳定性计算结果

表2显示，2号墩安全系数最小，而且它的破坏概率也只有35.8%，相对比较低;5号墩安全系数最大。如果设安全系数小于1.5或1.2为最不利情况，则只有2号墩和3号墩附近断面符合条件，也即只有全风化岩体边坡才最有可能发生滑动，但也仅有局部滑动。图2显示了2号墩和3号墩边坡最有可能发生滑动情况(图中阴影部分为可能滑体)，如2号墩断面，可能发生滑动的只是坡度变陡处的表层滑动，而非全部全风化层，滑体体积有限，对桥墩有一定的冲击。3号桥墩断面可能发生的位置也是在边坡比较陡的地方。可见该桥最有可能发生滑坡的边坡应是由全风化岩体组成的边坡。其他断面发生滑动的可能性极小，也即强风化岩体既不可能发生局部滑动，更不可能发生整体滑动，对滑坡来讲是相对稳定边坡。

图2 2号墩(上)和3号墩(下)横断面可能滑面

实际上，上述计算结果是毕肖普条分法的计算结果，如果按janbu法计算，其安全系数均比表2结果要小，其中2号墩边坡安全系数小于1。由此可见，不论是何种计算方法，都不是绝对的合理，因此取安全系数为1.2或1.5作为最不利的情况有助于避免由于计算方法的差异造成的最不利情况。总之，根据bishop和janbu法计算结果综合分析，2号墩和3号墩边坡，也即全风化岩质边坡是最有可能发生局部滑塌的。而其他由强风化组成的岩质边坡发生滑塌的可能性极小，即使局部滑坡可能性也不大。

3.3.2 落石

1～5号墩边坡上部均分布风化带物质，岩体破碎，因人为刷坡，部分表层岩块松动，长期裸露时，在自然营力和人为振动影响下，易发生坡面剥落，岩块在重力作用下向下滚落，冲击桥墩。但因各个断面表层物质不尽相同，所以形成的落石规模、速度和滚动轨迹也各不相同。以下利用ROCFALL软件分别对各个断面落石进行分析。5个断面表层主要有2种岩体，一是全风化岩层，分布于2、3号墩边坡;二是强风化岩层，分布于其他边坡。按ROCFALL软件要求，首先要确定2种岩体的坡面法向恢复系数RN、切向恢复系数RT、坡面粗糙系数和坡面摩擦角均值及其标准差，具体见表3。因边坡均为人工机械刷成，可以认为是比较平顺的，所以坡面粗糙系均设为0。考虑到自然界没有固定的法向和切向恢复系数、坡面摩擦角，计算时均给出了一定的标准差表示它们的波动范围。

表3 岩体坡面参数值

表4是各个断面滚落岩块起始水平速度(VH)、垂直速度(VH)、岩块质量(M)和起始转动角速度(ω)的采用值，同样是考虑了岩块质量和角速度的不同变化。

根据表3和表4数值分别计算了1～5号墩边坡崩落岩块的滚动轨迹，结果表明不同断面均有不同岩块可能崩落至桥墩附近。但不同断面崩落的规模、密度和动能都不尽相同。表5是各墩位前5 m朝坡下以远距离内滚落岩块所占的比例P、沿途弹起最高hmax、墩位前5 m范围内岩块的最大运动速度Vmax以及岩块最大动能Emax。因2～4号墩边坡落石轨迹不明显，所以图3只标出了1号墩和5号墩边坡崩塌落石的运动轨迹图。从轨迹模拟结果看，1号墩边坡墩位上部有一人工开挖平台，尽管上部落石滚落速度较大，反弹也很明显，但绝大多数岩块都停止于该平台上，只有极少数岩块滚出平台沿下部边坡向墩位冲去，但已都是强弩之末，对桥墩鲜有影响。2、3号墩边坡较缓，岩块多沿坡面滚动，但因是全风化岩块，故岩块体积普遍较小，滚动距离不长，只有部分岩块滚落于墩位附近，反弹高度和能量都不大，对桥墩影响有限。4号墩大部分岩块冲向桥墩，只是速度明显减缓，反弹高度很低，对桥墩有一定影响。5号墩边坡坡度较陡，墩位基本就在落石区，速度高，能量大，受影响最大。

表5 各断面滚落岩块结果

图3 1号墩和5号墩落石轨迹

前面所述只是针对坡面松动造成的岩块滚落。如果安全系数按1.2考虑，则2号和3号墩上部边坡都有局部滑动的可能，尤其是2号墩边坡。因其是高位滑动，滑落的岩块密集，规模大，初始速度也较大，这时可以考虑从滑落处有高速运动的岩块飞出，对桥墩的影响就大不一样。滑动后，设滑体滑出滑床时的水平速度VH=10 m/s;垂直速度VV=0 m/s;岩块质量M=10 kg;转动角速度ω=3 rad/s。图4为2、3号墩局部滑坡后，其滑体岩块滚落轨迹图，显然在相同条件下，3号墩受到的岩块威胁要大于2号墩，岩块的回弹高度也明显大于2号墩，说明虽然2号墩边坡局部滑动的可能性比3号墩边坡要大，如果一旦滑动，3号墩受到的冲击要比2号墩大得多。

图4 2、3号墩局部滑动形成的落石轨迹

4 防护措施

由上所述，5个墩受影响的程度不尽相同，可分别采取不同的防护措施。1号墩可在C点处设一般挡石墙或防护网，高度不低于6 m。2～3号墩情况基本类似，如果对上边的滑坡设置抗滑措施，则桥墩可设护墩以防其他落石袭击，护墩高度不低于1 m，最好设成仿锤形，尖头朝上部边坡;否则需设重型护墩，主要防上部滑坡滑动造成的大量岩块袭击。4、5号墩设护墩即可，高度分别不低于1 m和3 m。防护的强度应考虑墩位附近岩块最大速度和最大能量。

5 结论

通过以上论述，可以得出如下结论。

(1)2号墩边坡发生局部滑塌的可能性最大，3号墩次之，对桥墩安全影响较大;其余边坡可能性甚小，对桥墩安全影响较小。

(2)1、2号墩边坡落石对桥影响最小;5号墩影响最大;3、4号墩影响居中。

(3)结合滑塌和落石，2、3号墩防护应最重;1号墩最轻;4、5号墩居中。

[1]向波，周立荣，马建林.基于岩体结构面分级的抗剪强度确定法[J].岩石力学与工程学报，2008，27(S2):3547-3552.

[2]蔡耀军，徐福兴.大坝建基岩体抗剪强度取值[J].岩石力学与工程学报，2002，21(7):1040-1044.