喻雷, 王聚山, 楊慧, 江學良, 范文臣, 李珍玉

不同生態(tài)技術防護方案邊坡的穩(wěn)定性分析

喻雷1, 王聚山2, 楊慧1, 江學良1, 范文臣1, 李珍玉1

(1. 中南林業(yè)科技大學 土木工程學院, 湖南 長沙, 410004; 2. 中國鐵路成都局集團有限公司重慶鐵路樞紐東環(huán)線建設指揮部, 四川 成都, 610082)

以重慶鐵路樞紐東環(huán)線某生態(tài)護坡技術示范工程為例, 利用Midas GTS/NX有限元軟件建立了灌草護坡方案、矮墻—灌草護坡方案、格構錨桿—灌草護坡方案的數值模型并對3種不同護坡方案進行了穩(wěn)定性分析。結果表明: 灌草護坡方案使邊坡土體的潛在滑動區(qū)域變深, 塑性區(qū)域變小; 格構錨桿—灌草聯合護坡時, 邊坡的安全系數最大;矮墻—灌草聯合護坡的安全系數比灌草護坡的安全系數略大。

鐵路邊坡; 灌草護坡; 矮墻—灌草護坡; 格構錨桿—灌草護坡; 邊坡穩(wěn)定性

隨著我國鐵路建設的蓬勃發(fā)展, 鐵路邊坡的安全穩(wěn)定性及其防治滑坡措施顯得愈加重要。邊坡的滑移、坍塌等工程事故, 不僅會造成植被破壞、水土流失, 而且極大的威脅著鐵路行車安全。鐵路建設項目與其周圍自然環(huán)境密切相關, 具有工程規(guī)模大、項目多、涉及面廣的特點。土石方填挖工程造成邊坡大量土石裸露, 破壞了既有植被, 對當地的生態(tài)環(huán)境造成很大影響。

鐵路邊坡防護設計, 要求具有足夠的邊坡穩(wěn)定性[1]。邊坡防護類型主要分為傳統(tǒng)圬工防護和生態(tài)防護2大類。圬工防護是通過混凝土、鋼筋材料, 依靠其自重等來提高邊坡穩(wěn)定性, 具有支護結構穩(wěn)定、邊坡防護顯效快的優(yōu)點; 生態(tài)防護一方面是通過植物根系與土壤之間的附著力來提高邊坡穩(wěn)定性, 另一方面是通過植物莖葉來提高邊坡表面的抗沖刷能力, 其具有保護生態(tài)、改善環(huán)境等優(yōu)點。

隨著保護生態(tài)環(huán)境意識的增強, 既能穩(wěn)固邊坡又能綠化邊坡的防護技術逐漸取代傳統(tǒng)的只注重穩(wěn)固邊坡的防護技術, 如采用混凝土框架內植草(或植生袋)的防護技術、土工合成材料與植草防護技術、巖質邊坡客土植生技術以及噴混凝土植生技術[2]等。此外, 在綠化時特別注意景觀設計、建筑物立體(綠化)體系以及采用拼裝式支擋結構物與植生相結合的新型加固防護體系等。

目前, 有很多學者研究了綠色邊坡防護技術[3–5], 國內邊坡綠色防護技術在公路[6]、堤壩和市政等工程中使用較多, 而鐵路邊坡[7–9]工程中應用相對較少。本文利用Midas GTS/NX有限元軟件, 建立了三維模型, 探究了香根草護坡技術在鐵路邊坡中的應用, 分析了不同生態(tài)技術防護方案邊坡的穩(wěn)定性。

1 地質概況

某鐵路邊坡位于重慶市巴南區(qū), 地層主要為砂質泥巖、砂巖, 巖石飽和抗壓強度為5～50 MPa, 砂巖的石英含量達到70%左右從軟巖到硬巖都具備。地下水通常很差, 地下水量也很少, 砂巖或砂質泥巖滲透系數為10-7～10-5m/s, 透水性較弱。

2 路堤邊坡計算模型的建立

某路堤邊坡的現場條件: 全長270 m, 填筑風化泥砂巖, 坡率1︰1.5～1︰1.75, 邊坡高度 13.97～14.53 m, 二級邊坡。對該路堤邊坡DK27+360.000右側邊坡進行模型的建立。路堤的高度為14.5 m, 邊坡模型分為上下2部分土層。上部土層為二級邊坡, 坡高分別為6.5 m和8 m, 坡率分別為1︰1.75和1︰1.5。

計算中采用的本構模型: 上部土層和下部土層都采用摩爾—庫倫本構模型; 香根草根系、刺槐根系采用彈性模型, 研究表明香根草根系網的存在, 可以明顯提高周圍邊坡土體的抗剪強度指標內聚力值及內摩擦角值, 即假定香根草根系影響范圍內的土體值和值都有明顯的提高; 矮墻利用毛石砌筑而成, 采用彈性模型; 格構材料為C30混凝土, 采用彈性模型; 錨桿為鋼筋材料, 采用彈性模型。模型材料參數如表1所示, 灌草(香根草、刺槐)護坡效果如圖1所示。

圖1 灌草護坡效果圖

表1 模型材料基本參數

根據現場地形及地質情況, 經綜合分析, 對右側路堤邊坡擬采用3種方案進行防護, 即灌草護坡方案、矮墻—灌草護坡方案、格構錨桿—灌草護坡方案。護坡方案如表2所示。3種方案的護坡模型如圖2—4所示。

表2 護坡方案

圖2 灌草護坡模型

圖3 矮墻—灌草聯合護坡模型

3 路堤邊坡的應力分析

3.1 路堤邊坡的應力分析

圖5為自然邊坡狀態(tài)下的最大主應力云圖, 圖6—8分別顯示了不同工況下鐵路邊坡最大主應力云圖。

圖4 格構錨桿—灌草聯合護坡模型

圖5 自然邊坡最大主應力云圖

圖6 灌草護坡最大主應力云圖

圖7 矮墻—灌草聯合護坡最大主應力云圖

圖8 格構錨桿—灌草聯合護坡最大主應力云圖

由計算結果及邊坡最大主應力云圖中可知:

(1) 自然邊坡土體內最大主應力在坡頂、坡腳以及坡頂與坡腳中間位置處最大, 這些受拉區(qū)域相連形成了貫通的滑移面, 容易發(fā)生屈服破壞。在水平向距離坡頂12 m處最大主應力值較大, 此處尚未形成貫通的滑移面。因此坡體整體上容易發(fā)生淺層滑坡;

(2) 灌草邊坡土體內最大主應力的最大值主要分布在坡頂和坡頂位置, 在坡頂與坡腳之間分布零星, 這些受拉區(qū)域尚未形成貫通的滑移面, 不能構成大范圍的屈服破壞。坡體灌草位置處最大主應力較自然坡體位置處的最大主應力略有增大, 原因是香根草根系和刺槐根系的存在, 增加了土體最大主應力。因此灌草邊坡整體上還是穩(wěn)定的;

(3) 矮墻—灌草邊坡土體內最大主應力分布與灌草坡體的相似, 但在坡角位置處最大主應力的最大值分布零星, 原因是矮墻減小了坡腳位置處的應力集中, 使坡體整體上更加穩(wěn)定;

(4) 格構錨桿—灌草邊坡土體內最大主應力的最大值主要分布在坡面、坡腳、在水平向距離坡頂8 m處和垂直向距離坡腳10 m處。這些受拉區(qū)域尚未形成貫通的滑移面, 不能構成大范圍的屈服破壞。原因是坡面位置的土體受到來自格構的作用, 使得土體的最大主應力增加; 錨桿的錨固作用, 加固了淺層土體, 使得坡體的潛在滑移面下移。因此坡體整體上更加穩(wěn)定;

(5) 自然邊坡土體內最大主應力在坡頂、坡腳以及坡頂與坡腳中間位置處最大, 這些受拉區(qū)域相連形成了貫通的滑移面, 坡體整體上容易發(fā)生淺層滑坡。灌草護坡、矮墻—灌草聯合護坡和格構錨桿—灌草聯合護坡形式下坡體內的最大主應力所在的受拉區(qū)域沒有形成貫通的滑移面, 增加了邊坡的穩(wěn)定性。

圖9為自然邊坡狀態(tài)下最大剪應力云圖, 圖10—12分別顯示了不同工況下鐵路邊坡最大剪應力云圖。由計算結果及邊坡最大剪應力云圖中可知:

(1) 自然邊坡狀態(tài)下, 在坡面頂部潛在深度為10 m處, 土體所受到的最大剪應力最大, 呈現出圓弧形狀。距離此處的一定范圍內, 最大剪應力逐漸減小。在坡面底部潛在深度為2 m處, 土體所受到的最大剪應力較大, 此處可能是邊坡土體發(fā)生拉應力破壞開始的位置。當邊坡破壞進一步發(fā)展, 坡面潛在最大剪應力作用位置會形成細長的滑移帶, 造成路堤邊坡的破壞;

(2) 灌草護坡狀態(tài)下, 在坡面頂部潛在深度為12 m處, 土體所受到的最大剪應力較大, 呈現出圓弧形狀。在坡面底部潛在深度為7 m處, 土體所受到的最大剪應力最大。通過與圖4對比可知, 灌草護坡狀態(tài)下的最大剪應力潛在深度更大, 大大加強土體抗剪強度, 從而固結土壤, 防止淺層滑坡;

(3) 矮墻—灌草護坡狀態(tài)下, 在坡面底部的最大剪應力有明顯的減小。其他位置處的最大剪應力沒有明顯變化。說明矮墻對局部有明顯的護坡效果;

(4) 格構錨桿—灌草護坡狀態(tài)下, 在坡面頂部潛在深度為17 m處, 土體所受到的最大剪應力較大, 呈現出圓弧形狀。在坡面底部潛在深度為7 m處, 土體所受到的最大剪應力最大。在坡面底部存在較大的最大剪應力;

(5) 自然坡體內最大剪應力的最大值主要分布在坡頂與坡腳中間位置處, 這些區(qū)域呈現出圓弧形狀。在坡腳位置處的最大剪應力也有較大值。當邊坡破壞進一步發(fā)展, 坡面潛在最大剪應力作用位置會形成細長的滑移帶, 造成路堤邊坡的破壞。灌草護坡、矮墻—灌草聯合護坡和格構錨桿—灌草聯合護坡形式下坡體內的最大剪應力的最大值所在區(qū)域減小, 增加了邊坡的穩(wěn)定性。

圖9 自然邊坡最大剪應力云圖

圖10 灌草護坡最大剪應力云圖

圖11 矮墻—灌草聯合護坡最大剪應力云圖

圖12 格構錨桿—灌草聯合護坡最大剪應力圖

3.2 香根草根系的應力分析

圖13—15分別顯示了3個方案下鐵路邊坡中香根草根系應力云圖。由計算結果及邊坡中香根草根系云圖中可知:

(1) 香根草+刺槐(灌草)護坡時, 沿著坡面方向從坡頂到坡底, 香根草根系由壓應力逐漸變?yōu)槔瓚?。在坡腳位置處, 香根草根系所受的拉應力最大。沿著深度方向, 香根草根系受到的拉應力越來越大。由香根草根系的受力規(guī)律可知, 香根草根系的壓應力分布區(qū)域是由于邊坡土體重力對香根草根系的作用引起的; 香根草根系的拉應力分布區(qū)域是由于邊坡土體內潛在滑移面作用下引起的, 此處香根草根系存在拉應力破壞。因此在實際工程中應適當在坡腳位置處加密香根草根系的布置, 同時香根草根系生長深度越深, 越有利于邊坡的穩(wěn)定;

(2) 矮墻—灌草聯合護坡時, 沿著坡面方向從坡頂到坡底, 沿著深度方向, 香根草根系應力分布規(guī)律與灌草護坡中一致。矮墻—灌草聯合護坡中香根草根系的拉應力分布區(qū)域比灌草護坡中的大; 相反, 香根草根系的壓應力分布區(qū)域要比灌草護坡中的小。由此可知, 在坡腳位置處的矮墻能有效的減少應力集中, 使香根草根系的拉應力分布區(qū)域減小, 在一定程度上減緩了香根草根系的拉應力破壞;

(3) 格構錨桿—灌草聯合護坡時, 沿著坡面方向從坡頂到坡底, 除了坡腳位置處, 香根草根系的小部分拉應力分布區(qū)域外, 其他香根草根系受到的全部是壓應力。這說明格構錨桿對提高鐵路邊坡穩(wěn)定性起了決定性的作用, 而香根草根系的護坡性能沒能很好的發(fā)揮出來。

圖13 灌草護坡時香根草根系應力云圖

圖14 矮墻—灌草聯合護坡時香根草根系應力云圖

3.3 路堤邊坡的穩(wěn)定性分析

鐵路路堤邊坡的穩(wěn)定性直接影響到行車安全, 影響路堤邊坡穩(wěn)定性的因素很多, 如填料本身的性質、周圍環(huán)境(水、溫度)、外荷載及邊坡防護等多方面因素。趙志明等[10]通過對植物根系加固邊坡的試驗和有限元計算研究, 提出了對不同土質邊坡采取不同的植物防護建議。以鐵路路堤邊坡為研究對象, 對路堤邊坡在不同防護類型下的邊坡穩(wěn)定性進行了數值模擬研究。

圖15 格構錨桿—灌草聯合護坡時香根草根系應力云圖

3.3.1 強度折減法的基本原理

由強度折減系數引出的強度折減法, 其定義為: 在外部荷載保持不變的情況下, 邊坡內部土體所能提供的最大抗剪強度與外部荷載在邊坡內所產生的實際剪應力之比。在極限狀況下, 外部荷載所產生的實際剪應力與抵御外荷載所發(fā)揮的最低抗剪強度即按照實際強度指標折減后所確定的、實際中得以發(fā)揮的抗剪強度相等。

本模型采用強度折減法進行邊坡穩(wěn)定性分析。首先選取初始折減系數, 通過逐步減小抗剪強度指標, 將黏聚力和內摩擦角同時除以折減系數, 得到一組新的強度指標c、φ進行有限差分析, 反復計算直至邊坡達到臨界破壞狀態(tài)。此時, 邊坡整個滑移面的抗剪強度指標與實際抗剪強度指標的比值, 即邊坡安全系數,式中,τ為折減后剪切強度;為滑面長度;為折減前剪切強度;為巖土體的粘聚力;為臨界破壞時正應力;為巖土體的內摩擦角。

3.3.2 穩(wěn)定性分析

圖16為自然邊坡狀態(tài)下的塑性應變云圖, 圖17—19分別顯示了3種護坡方案下鐵路邊坡的塑性應變云圖。

圖16 自然邊坡塑性應變云圖

圖17 灌草護坡塑性應變云圖

圖18 矮墻—灌草聯合護坡塑形應變云圖

圖19 格構錨桿—灌草聯合護坡塑形應變云圖

從計算結果及邊坡中香根草根系云圖中可知:

(1) 自然邊坡運用強度折減法進行計算, 得出安全系數為2.08, 此時坡面頂部潛在的破壞位置在5.3 m處。在坡角位置處產生的塑性應變最大;

(2) 香根草和刺槐加固鐵路邊坡, 得出的安全系數為2.28, 此時坡面頂部潛在的破壞區(qū)域范圍在7 m。用灌草護坡將鐵路邊坡的安全系數提高了9.53%, 坡面頂部潛在的破壞區(qū)域由淺變深, 塑性區(qū)域減小, 對于邊坡位移的控制有一定的效果。由圖16—19可知, 邊坡越接近坡角位置, 其塑性應變越大;

(3) 矮墻—灌草聯合護坡加固鐵路邊坡, 得到的安全系數為2.31, 此時坡面頂部潛在的破壞區(qū)域范圍與灌草護坡基本一致, 但其相應位置的塑性應變值比灌草護坡要小。用灌草—矮墻聯合護坡將鐵路邊坡的安全系數提高了11.22%, 這說明矮墻對鐵路邊坡的穩(wěn)定性影響較大;

(4) 格構錨桿—灌草聯合護坡加固鐵路邊坡, 得到的安全系數為2.45, 此時坡面頂部潛在的破壞區(qū)域范圍在10 m。用竹錨桿與格構支護將鐵路邊坡的安全系數提高了17.87%, 坡面頂部潛在的破壞區(qū)域由淺變深, 對邊坡位移的控制效果最為顯著。

不同護坡方案下鐵路邊坡的安全系數的比較如表4所示。只有灌草加固鐵路邊坡的情況下, 灌草的存在使邊坡土體的潛在滑動區(qū)域變深, 塑性區(qū)域變小, 從而在一定程度上提高了邊坡的穩(wěn)定性。將灌草護坡形式分別與矮墻、錨桿—格構聯合進行護坡, 分析結果發(fā)現: 格構錨桿—灌草聯合護坡時, 邊坡的安全系數最大, 邊坡穩(wěn)定性最高; 矮墻—灌草聯合護坡形式的安全系數比灌草護坡的安全系數略大。

表4 不同護坡方案的邊坡穩(wěn)定性安全系數

4 結論

本文依托重慶鐵路樞紐東環(huán)線某生態(tài)護坡技術示范工程, 對不同護坡方案進行了對比分析, 通過數值分析, 橫向對比了不同護坡方案下路堤邊坡的應力、香根草根系的受力以及邊坡穩(wěn)定性, 得出如下結論:

(1) 自然邊坡狀態(tài)下, 邊坡整體上容易發(fā)生淺層滑坡。香根草根系和刺槐根系的存在, 增加了土體最大主應力, 但由于香根草根系深入土層, 在邊坡土體內尚未形成貫通的滑移面, 進而使邊坡穩(wěn)定性提高。坡腳位置處的矮墻能有效減小局部應力集中, 坡腳位置處的最大主應力分布零星, 進而增加了邊坡穩(wěn)定性。坡面位置處的格構錨桿能有效加固淺層土體, 使坡體的潛在滑移面下移, 增加邊坡穩(wěn)定性;

(2) 自然邊坡狀態(tài)下, 坡面潛在最大剪應力作用位置會形成細長的滑移帶, 容易造成路堤邊坡的破壞。香根草根系的存在加強了土體抗剪強度, 從而固結土壤, 防止淺層滑坡。矮墻對坡腳位置處的最大剪應力有明顯的影響, 其他位置處的最大剪應力影響不大;

(3) 灌草護坡時, 沿著坡面方向從坡頂到坡底, 香根草根系由壓應力逐漸變?yōu)槔瓚?。在坡腳位置處, 香根草根系所受的拉應力最大。沿著深度方向, 香根草根系受到的拉應力越來越大。在實際工程中應適當在坡腳位置處加密香草根系的布置, 同時香根草根系生長深度越深, 越有利于邊坡的穩(wěn)定;

(4) 通過對比不同護坡方案下鐵路邊坡的安全系數, 發(fā)現灌草護坡與矮墻—灌草聯合護坡的安全系數相差不大, 相比于自然邊坡其安全系數提高約10%; 格構錨桿—灌草聯合護坡相比于自然邊坡其安全系數提高約18%, 邊坡穩(wěn)定性提高最大。

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Stability analysis of slopes with different ecological technology protection schemes

Yu Lei1, Wang Jushan2, Yang Hui1, Jiang Xueliang1, Fan Wenchen1, Li Zhenyu1

(1. Civil Engineering College, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, China;2. Chongqing Railway Hub East Loop Construction Headquarters, China Railway Chengdu Bureau Group Co Ltd, Chengdu 610082, China)

Taking a demonstration project of ecological slope protection technology on the East Ring Line of Chongqing Railway Hub as an example, the Midas GTS/NX finite element software is used to establish the numerical values of grass-filling slope protection scheme, low wall-grass-filling slope protection scheme, lattice anchor-grass-filling slope protection scheme. The model and stability analysis of three different slope protection schemes are carried out.The results show that: the shrub-grass slope protection scheme makes the potential sliding area of the slope soil deeper and the plastic area smaller; the safety factor of the slope is the largest when the lattice anchor-shrub and grass combined slope protection; the safety factor of the low wall-shrub and grass combined slope protection is not much different from that of the shrub and grass slope protection.

railway slope; shrub-filled slope protection; low wall-shrub grass slope protection; lattice anchor-shrub irrigation slope protection; slope stability

TU 432

A

1672–6146(2020)04–0087–07

10.3969/j.issn.1672–6146.2020.03.017

王聚山, 765808738@qq.com。

2020–05–25

國家自然科學基金資助項目(31971727); 中鐵二十局集團公司科技研發(fā)項目(YF1900SD07B); 湖南省自然科學基金資助項目(2020JJ4944); 2018年湖南省教育廳科學研究項目(18A162)。

(責任編校: 張紅)