周福軍

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，西安　710043)

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銀西鐵路驛馬黃土滑坡工程特性與變形研究

周福軍

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，西安710043)

銀西鐵路途經(jīng)黃土梁峁溝壑區(qū)，不良地質(zhì)非常發(fā)育。通過現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查、鉆探、原位測試及室內(nèi)土工試驗等綜合勘察手段，查明驛馬滑坡的工程地質(zhì)條件。驛馬滑坡為一大型中深層-深層黃土質(zhì)古滑坡，滑坡前緣臨空，后緣發(fā)育陡坎，后緣后部黃土塬面發(fā)育陷穴，側(cè)緣分布沖溝，且受灌溉、排水等人為擾動影響。采用地層宏觀評判，土體物理參數(shù)細(xì)部數(shù)據(jù)分析，有限元數(shù)值模擬的方法，研究滑坡工程特性及變形規(guī)律，評價滑坡潛在危害，為鐵路選線提供參考。

黃土滑坡；鐵路選線；地層結(jié)構(gòu)；工程特性；數(shù)值模擬

銀西鐵路途經(jīng)陜西、甘肅、寧夏三省(區(qū))，連接關(guān)中經(jīng)濟(jì)區(qū)、隴東地區(qū)和沿黃城市帶[1]，是國家快速鐵路網(wǎng)絡(luò)中的重要線路。銀西鐵路在甘肅隴東慶陽地區(qū)，經(jīng)過董志塬黃土梁峁溝壑區(qū)，黃土滑坡、錯落等不良地質(zhì)非常發(fā)育[2]?；碌陌l(fā)生，具有突發(fā)性、泛生性、強(qiáng)破壞性、高危害性等特征，對人類的生命財產(chǎn)造成極大危害，受到國內(nèi)外研究學(xué)者的極大重視[3]，對線路選線產(chǎn)生重大影響，也是鐵路選線的控制性因素[4]。

鐵路選線范圍，滑坡的規(guī)模、形成機(jī)制、變形特征及穩(wěn)定性研究，是滑坡災(zāi)害研究的核心和熱點問題。滑坡的形成是內(nèi)外因素共同作用的結(jié)果。地形地貌、巖土性質(zhì)、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、水和地震，以及越來越多的人類工程活動等多種因素共同作用，對滑坡的形成產(chǎn)生綜合效應(yīng)[5]，同時，眾多的影響因素不斷地發(fā)展變化，最終使滑坡的形成機(jī)制復(fù)雜多變。

驛馬滑坡位于甘肅省慶陽市驛馬鎮(zhèn)東側(cè)，滑坡發(fā)育于驛馬溝左岸與支溝相交處，為一黃土滑坡，擬選線路方案從滑坡后緣通過。

本文通過現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查、鉆探、原位測試及室內(nèi)土工試驗等綜合勘察手段，查明驛馬滑坡的工程地質(zhì)條件。采用地質(zhì)分析、有限元模擬的方法，分析滑坡土體的工程地質(zhì)特性及變形規(guī)律，并為鐵路選線提供參考[6]。

1　滑坡工程地質(zhì)條件概況

驛馬滑坡發(fā)育于“V”字形黃土沖溝，溝底有流水，溝岸陡立，岸坡地形破碎，兩岸不良地質(zhì)發(fā)育。地面高程1 345.0～1 460.0 m，相對高差約115.0 m。滑坡體后部為董志塬塬面，地勢相對平坦。

圖1　驛馬滑坡平面

本區(qū)屬中溫帶亞濕潤氣候區(qū)，春遲夏短，秋早冬長，晝夜溫差大，四季分明。年平均氣溫9.7 ℃，極端最高氣溫38.1 ℃，極端最低氣溫-25.4 ℃，年平均降水量540.45 mm，年最大降水量848.9 mm，最大季節(jié)凍土深度83 cm。

滑坡區(qū)地層巖性主要為：第四系上更新統(tǒng)(Q3)、中更新統(tǒng)(Q2)風(fēng)積黏質(zhì)黃土。淺黃色、棕黃色，顆粒成分以粉粒為主，含有大量黏粒，孔隙發(fā)育，土質(zhì)較均，垂直節(jié)理發(fā)育，局部含姜石。夾有多層古土壤層。

區(qū)域構(gòu)造單元位于中朝準(zhǔn)地臺的陜甘寧臺坳的西南部，該區(qū)以深厚的黃土覆蓋，下伏第三系紅黏土，基底為白堊系巖層，產(chǎn)狀近水平，少有褶皺和斷裂發(fā)育，未見巖漿侵入活動。

現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查，驛馬溝內(nèi)有地表水發(fā)育，驛馬溝長度大，支溝發(fā)育，溝底平時有小的徑流，雨季水量較大，形成較大的徑流，遇暴雨可引發(fā)山洪，并有驛馬鎮(zhèn)及沿溝兩側(cè)居民生活污水向溝內(nèi)排放。

滑坡體后部為黃土臺塬，目前為耕地，有農(nóng)田灌溉流水跡象。

驛馬溝溝谷特征，表明該溝目前正處于侵蝕發(fā)育階段[7]。流水沖刷坡面，形成臨空面。水利灌溉，浸潤坡體，降低土體強(qiáng)度。多種因素共同作用，均為滑坡發(fā)育提供有利地質(zhì)條件[8]。

2　滑坡發(fā)育特征分析

滑坡發(fā)育于驛馬溝左岸與支溝相交處，滑坡主軸如圖1中1-1’斷面所示，主滑方向與主溝流向近似正交，相交角度約82.0°，滑坡傾向南西，主軸長約195.0 m，寬約145.0 m，面積約2.18×104m2，厚度10～60 m，屬中深層-深層滑坡。如圖1、圖2所示，滑坡體前緣，高程1 345.0～1 375.0 m，呈陡峻臨空面，坡度50.0°～70.0°；滑坡體后緣，陡坎高度10.0～15.0 m，后緣陡坎發(fā)育有沖刷細(xì)溝、紋溝。坡體中部坡面相對平緩連續(xù)，坡度15.0°～30.0°。坡體中部從塬頂至溝心，發(fā)育有一沖溝，長約170.0 m，寬8.0～12.0 m，深10.0～15.0 m，將坡體一分為二?；聟^(qū)地形前、后相對陡峻，坡體中部平緩，地貌判斷為古滑坡發(fā)育特征[9]。

圖2　驛馬滑坡全貌

圖3　驛馬滑坡后緣塬邊黃土陷穴

圖4　驛馬滑坡主軸剖面

黃土土體結(jié)構(gòu)疏松，孔隙發(fā)育，垂直節(jié)理裂隙發(fā)育，在滑坡體后部黃土臺塬邊，由于農(nóng)田灌溉、降雨、滲水潛蝕沖刷等作用，發(fā)育有多處陷穴，地表出露形態(tài)多為不規(guī)則圓形，如圖3所示。陷穴平面呈串珠狀，沿滑坡后緣分布。

地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，滑坡體后緣共發(fā)育有7處黃土陷穴，基本呈圓形分布，直徑3.0～8.0 m，可見深度8.0～15.0 m。陷穴調(diào)查統(tǒng)計如表1所示。

滑坡側(cè)緣沖溝發(fā)育，坡體左側(cè)沖溝下寬上窄，呈“V”形；坡體右側(cè)沖溝沿滑坡前部呈“V”形，后段與滑坡陡坎相連。坡體左右兩側(cè)沖溝均交匯于滑坡后緣，切割滑坡。

表1　滑坡體后緣陷穴調(diào)查

坡體地貌形態(tài)、坡面分布、后緣及側(cè)緣地質(zhì)調(diào)查，均表明，驛馬滑坡為一古滑坡體，具備滑坡發(fā)育特征。坡前流水沖刷形成臨空，坡后降雨、灌溉，進(jìn)一步弱化土體結(jié)構(gòu)，誘發(fā)坡體向不穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)展。

3　滑坡土體結(jié)構(gòu)特征

3.1滑坡土體結(jié)構(gòu)

為了查明驛馬滑坡的滑動面，布設(shè)完成鉆孔12孔/770.7 m，如圖1所示，其中10孔位于滑坡坡體，另外2孔位于滑坡后黃土塬區(qū)。鉆探揭示，第四系中更新統(tǒng)(Q2)風(fēng)積黏質(zhì)黃土層中夾有多層古土壤層，呈層狀分布，顏色相對較深，呈淺棕紅色，黏粒含量高，含有較多姜石、白色鈣質(zhì)菌絲。根據(jù)滑坡后臺塬區(qū)2孔鉆探揭示，古土壤層相對穩(wěn)定，基本呈層狀近水平產(chǎn)出?；麦w鉆孔，古土壤層發(fā)生明顯錯動，二者相結(jié)合，可進(jìn)行滑動面推測，滑坡主軸剖面如圖4所示。

分析滑坡土體結(jié)構(gòu)特點，將滑坡主軸剖面分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3個區(qū)域(圖4)，其中Ⅰ區(qū)為滑坡后緣后部黃土臺塬，Ⅱ區(qū)為滑動面以下黃土區(qū)域，Ⅲ區(qū)為滑坡體所在區(qū)域。從圖中可以看出Ⅰ、Ⅱ2個區(qū)域地層中的古土壤層穩(wěn)定產(chǎn)出，近水平連續(xù)分布，尤其在Ⅰ區(qū)黃土臺塬，古土壤層數(shù)相同，層厚基本一致。古土壤層的分布特征，表明這2個區(qū)域土體相對穩(wěn)定，未發(fā)生過大的變形或錯動；Ⅲ區(qū)滑坡體內(nèi)，鉆孔同樣揭示多層古土壤層，但在水平方向不連續(xù)，呈向下錯動分布，同一層連續(xù)古土壤層相連后，圖4中虛線框上下兩線間區(qū)域，地層傾向坡外產(chǎn)出，傾角10°～18°，且在靠近前緣鉆孔有古土壤層缺失不連續(xù)現(xiàn)象，表明土體發(fā)生過錯動。因此坡體古土壤分布特征可為滑坡發(fā)育提供證據(jù)。

3.2滑坡結(jié)構(gòu)特征

如何準(zhǔn)確地確定黃土滑坡的滑動面，一直是工程實踐和科學(xué)研究中的重點和難點[10]，因黃土土質(zhì)較均勻、滑動面不明顯的特點，在現(xiàn)場勘探時，鉆孔取樣，依靠肉眼較難區(qū)分出滑帶土的準(zhǔn)確深度和位置[11]。對該滑坡范圍12個鉆孔的原狀樣，進(jìn)行土常規(guī)試驗，選取天然含水率、孔隙比、液性指數(shù)3個指標(biāo)進(jìn)行比較，嘗試分析土體物理性質(zhì)參數(shù)與滑動面分布的關(guān)系。

因所選指標(biāo)類型不同、單位各異，參數(shù)比較時需進(jìn)行不同指標(biāo)的單位無量綱化和數(shù)據(jù)歸一化處理，采用效益型線性方法進(jìn)行量化計算[12]。

式中，x′為無量綱化后的指標(biāo)值；x為實測數(shù)據(jù)；xmax為實測數(shù)據(jù)最大值；xmin為實測數(shù)據(jù)最小值。

以鉆孔SHPZ-9為例，進(jìn)行參數(shù)比較，如圖5所示。

圖5　黃土物理指標(biāo)對比(鉆孔SHPZ-9)

從圖5可以看出，土體的孔隙比、天然含水率、液性指數(shù)3個指標(biāo)，整體變化規(guī)律一致，即孔隙比越大，天然含水率、液性指數(shù)也越大，反之亦然。圖5中不考慮鉆孔表層畸變點，可見在高程1 390～1 387 m、1 375～1 367 m 2個區(qū)間，3個指標(biāo)均明顯突出變大。表明在這2個高程區(qū)間的土體相對疏松，土顆粒間孔隙明顯增多，從而使得土體相對含水，稠度狀態(tài)趨于軟塑態(tài)。

根據(jù)滑坡體主軸剖面上4個鉆孔取樣化驗成果，繪制土體孔隙比、天然含水率、液性指數(shù)橫道圖(圖6)。從圖6可以看出，本文所選的3個指標(biāo)，變化規(guī)律基本一致，相對數(shù)值大小在滑坡主軸剖面的不同深度有所不同，隨著深度的增加，3個指標(biāo)均呈變小趨勢。數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，坡面表層第四系全新統(tǒng)Q4滑坡體黃土比下部第四系中更新統(tǒng)Q2黃土，土質(zhì)更加疏松，大孔隙更加發(fā)育，土體孔隙比更大；更利于地下水富存，天然含水率更高；土體稠度狀態(tài)更低，液性指數(shù)更高。

圖6表層第四系全新統(tǒng)Q4滑坡體黃土中，不同深度土體的孔隙比、天然含水率、液性指數(shù)存在明顯數(shù)據(jù)凸起，表明在其對應(yīng)深度，土體物質(zhì)更加松散，土顆粒間粘結(jié)強(qiáng)度更低，進(jìn)而對應(yīng)位置的土體力學(xué)強(qiáng)度更低。根據(jù)分析，將坡面中數(shù)據(jù)突變點相連，即為滑坡潛在滑動面附近位置，分析可知該滑坡可能存在3個潛在滑動面，由淺到深分別為潛①、潛②、潛③，圖6虛線所示。即該滑坡并非一次形成，而是經(jīng)歷過多次滑動，該坡面存在多層潛在滑動面，將更加不利于坡體穩(wěn)定。

4　滑坡變形數(shù)值模擬分析

驛馬滑坡，發(fā)育規(guī)模大，滑坡體物質(zhì)厚，土體結(jié)構(gòu)變化大，坡面黃土性質(zhì)差異大，且存在多層潛在滑動面，對鐵路選線確定產(chǎn)生較大影響。為了更好地分析該滑坡的變形特征，根據(jù)地質(zhì)綜合勘探成果，利用GeoStudio軟件中的SIGMA模塊，選擇滑坡主軸剖面為研究對象，對滑坡進(jìn)行數(shù)值模擬，分析滑坡體應(yīng)力、變形規(guī)律，為線路工程合理設(shè)置提供依據(jù)。

4.1滑坡巖土參數(shù)與模型建立

簡化驛馬滑坡數(shù)值分析模型，將滑坡材料分為3種，分別為Q3黏質(zhì)黃土、Q2黏質(zhì)黃土、Q4滑坡體，滑坡體作為一層考慮，模型巖土假設(shè)為彈性材料[13]，各巖土材料力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2　巖土材料力學(xué)參數(shù)

驛馬滑坡數(shù)值模型，其中地形地表面為自由邊界，模型左右邊界為水平約束，底邊界為雙向約束，即同時受水平約束和豎向約束。有限元模型單元格劃分采用三角形[14]，驛馬滑坡數(shù)值模型，離散網(wǎng)格如圖7所示。

圖7　主軸剖面有限元計算模型

4.2滑坡應(yīng)變與應(yīng)力分析

基于數(shù)值模擬，分析驛馬滑坡體變形、應(yīng)力發(fā)展規(guī)律特征。

(1)坡體變形：圖8為滑坡主軸剖面X方向位移云圖計算結(jié)果，從圖8可以看出，滑坡體后緣陡坎位移量最大，可達(dá)18.5 cm，表明該坡體在自然狀態(tài)，仍會變形，繼續(xù)下滑，坡體處于相對不穩(wěn)定狀態(tài)。加之后緣黃土臺塬農(nóng)業(yè)灌溉，地下水下滲，更加不利于坡體穩(wěn)定。

圖8　剖面X方向位移云圖(單位：cm)

(2)應(yīng)力分析：圖9為滑坡主軸剖面剪應(yīng)力云圖計算結(jié)果，從圖9可以看出，沿潛在滑動面剪應(yīng)力局部集中，尤其在坡腳、后緣陡坎下部，剪應(yīng)力變大，潛在滑動面附近土體，相對松散，力學(xué)強(qiáng)度差，繼續(xù)發(fā)展，當(dāng)剪應(yīng)力值大于抗剪強(qiáng)度時，將引起滑坡變形破壞。

圖9　剖面剪應(yīng)力云圖(單位：kPa)

5　工程影響與方案研究

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查，分析驛馬滑坡所在坡面地形地貌，利用多種勘察手段，研究坡體土層結(jié)構(gòu)特征，并結(jié)合有限元數(shù)值模擬方法，綜合評價驛馬滑坡為一大型中深層-深層黃土質(zhì)古滑坡。坡體古土壤層有層位錯動跡象，黃土物質(zhì)松散，大孔隙發(fā)育，坡體存在多個潛在滑動面，滑動面周圍土體孔隙比大、含水率高、液性指數(shù)趨向軟塑態(tài)，力學(xué)強(qiáng)度低，坡體后部平臺農(nóng)田灌溉等人為擾動大，坡面存在繼續(xù)滑動可能，對工程施工和運(yùn)營產(chǎn)生較大危害。

在銀西鐵路勘測過程中，結(jié)合驛馬滑坡發(fā)育特征，線路方案選擇對其進(jìn)行繞避。

6　結(jié)語

銀西鐵路線路長大，途經(jīng)地貌單元眾多，尤其在經(jīng)過黃土梁峁溝壑區(qū)時，不良地質(zhì)非常發(fā)育。鐵路建設(shè)屬百年工程，線路選線應(yīng)充分考慮不良地質(zhì)體的潛在危害。本文研究的驛馬滑坡為大型中深層-深層黃土質(zhì)古滑坡，滑坡前緣臨空，后緣發(fā)育陡坎，后緣后部黃土臺塬陷穴發(fā)育，側(cè)緣分布沖溝，且受人為擾動影響。

滑坡所在坡體古土壤層有滑動跡象，滑坡土體工程地質(zhì)特性指標(biāo)含水率、孔隙比及液性指數(shù)變化規(guī)律基本一致，隨著深度的增加，3個指標(biāo)整體呈變小趨勢?；麦w分布有多層潛在滑動面，沿潛在滑動面土體物理指標(biāo)產(chǎn)生突變，工程特性變化?；谟邢拊獢?shù)值模擬，沿潛在滑動面剪應(yīng)力局部集中，滑坡后緣及坡前位移變形量大，銀西鐵路線路研究，最終繞避該滑坡體。

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Study on Engineering Characteristics and Deformation of Yima Loess Landslide of Yinchuan-Xi’an Railway

ZHOU Fu-jun

(China Railway First Survey & Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an 710043， China)

Yinchuan-Xi’an Railway passes through loess flat-topped ridge replat and gully area， and adverse geological phenomena are common. The engineering geological condition of the landslide is identified though field survey， drilling and laboratory soil test. Yima landslide is a large deep loess ancient landslide， the front part of the landslide is suspended and developed scarps are on the rear part with loess settlement caves on tableland behind landslide and gullies on side edge. The landslide is affected by human activities such as irrigation and drainage. The engineering characteristics and deformation law of landslide are studied by means of formation macroscopic evaluation， physical parameters analysis of soil mass and finite element numerical simulation， and the potential landslide hazards are evaluated to provide

for railway line selection．

Loess landslide; Railway line selection; Stratum structure; Engineering characteristics; Numerical simulation

2016-03-18；

2016-03-28

中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司科研課題(院科14-C51，院重大14-7)

周福軍(1985—)，男，工程師，2013年畢業(yè)于吉林大學(xué)地質(zhì)工程專業(yè)，工學(xué)博士，E-mail：287283980@qq.com。

1004-2954(2016)08-0030-05

U213.1+4

ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.08.007