地震及降雨渗流条件下铁路生态边坡客土稳定性分析

徐黎明，赵晓萌

(铁道第三勘察设计院地质路基设计处，天津 300143)

生态建设和环境保护是21世纪人类共同关注的热门话题，也是世界各国为之不懈努力解决的焦点问题。基本建设的快速发展与生态环境的不协调，导致了人类赖以生存环境的生态破坏，同时也制约了社会经济的可持续发展，对人类的生存和社会发展构成了威胁［1］。因此，工程建设与环境保护兼顾是经济可持续发展的重大课题，在工程建设中合理利用资源、保护环境、美化环境，是我们必须正视和认真对待的问题。

铁路工程规模大、线路长，土石填挖工程形成的大量土石裸露边坡，破坏了既有植被，对当地生态环境影响较大，以往通常采用单纯的工程防护，如浆砌片石、喷锚防护等，这些工程措施都导致原有植被破坏、水土流失、滑坡、边坡失稳等一系列生态环境和工程问题。国家已经十分重视工程建设中的生态建设和环境保护，强制要求在工程建设中要注重生态建设与环境保护。对岩土进行必要的开挖堆填后，利用植物工程和土木工程相结合的方法进行生态边坡建设是保护环境的最佳工程措施。目前国内生态边坡防护技术主要有客土喷播、液压喷播、客土植生植物护坡技术［2］，这些技术均是将种子、肥料和土壤的混合物均匀喷固到边坡坡面上，这些混合物统称为客土。在重力、降雨渗流、地震等因素作用下，生态边坡客土存在稳定性问题。目前国内对客土稳定问题研究较少。胡利文和陈汉宁［3］提出了在生态护坡设计中的无限坡模型，杨俊杰和王亮［4，5］等人通过室内模拟实验，讨论了客土的破坏模式，并根据破坏模式进行客土的稳定性分析。

本文采用摩尔-库伦强度准则和无限坡模型，对铁路生态边坡客土进行稳定分析，为客土厚度设计提供依据。

1 客土稳定分析

在自然降雨条件下，雨水在坡面形成顺坡向的渗流。水的入渗使得客土吸水饱和，达到饱和重度，质量增大，抗剪强度降低，孔隙水压力增大，稳定性降低。如图1所示，设边坡坡角θ，客土内摩擦角为φ，黏聚力c，饱和重度为γ，厚度为h，降雨渗流厚度为hw。客土的破坏模式均为平行于原边坡坡面的直线滑动［4］。客土厚度远远小于边坡长度和宽度，因此可以采用无限坡模型对客土单元体进行受力分析。如图1所示，取阴影部分客土单元体进行受力分析，受力图如图2所示。

图1 铁路生态边坡客土示意

图2 客土单元体受力分析

在重力和地震的作用下，客土有沿着原边坡坡面下滑的趋势。根据图2中的受力分析，滑动力表达式为

式中，W为客土单元体的重力;E为地震力。

式中，a为水平地震系数。

将式(2)和式(3)代入式(1)得

根据摩尔-库伦强度准则，边坡坡面上的抗剪强度表达式为

根据图2中的受力分析，可得

图3为客土内降雨渗流时的孔隙水压力计算示意，根据图3所示，客土内的孔隙水压力计算式为

将式(6)和式(7)代入到式(5)中，得到

客土的安全系数f为抗剪强度和滑动力的比值，根据式(4)和式(8)计算得到客土的安全系数计算公式

图3 客土中孔隙水压力计算示意

以表1中所列的客土力学参数值为例，分析客土稳定性与渗流深度的关系。取边坡坡率为1∶1.5，即边坡坡度33.7°，边坡场地的地震基本烈度为Ⅶ度，地震动峰值加速度为0.1g，即水平地震系数为0.1，降雨强度一定时，雨水渗流深度为一定值，取hw=0.05。将各个参数值代入到式(9)中，得出安全系数与客土厚度的关系曲线，如图4所示。由图4可以看出，客土的稳定性随着客土厚度的增加明显降低。客土越厚越有利于植被的生长，但随着客土厚度的增加，客土的稳定性会降低，所以在客土厚度设计时，需要同时考虑植被的生长和客土的稳定性，在保证客土稳定的前提下尽可能增大客土的厚度。

表1 客土力学参数取值

图4 客土稳定性与厚度关系曲线

取表1中客土的力学参数，取边坡坡率为1∶1.5，即边坡坡度33.7°，边坡场地的地震基本烈度为Ⅶ度，地震动峰值加速度为0.1g，即水平地震系数为0.1，取设计客土厚度为0.1 m，分析降雨渗流深度对于客土稳定性的影响，将各个参数值代入到式(9)中，得到安全系数与客土厚度的关系曲线，如图5所示。由图5可以看出，客土的稳定性随着渗流深度的增加直线下降。

图5 客土稳定性与渗流深度关系曲线

同样取表1中客土的力学参数，取边坡坡率为1∶1.5，即边坡坡度33.7°，取设计客土厚度为0.1 m，取雨水渗流深度为0.05 m，分析地震力对于客土稳定性的影响，将各个参数值代入到式(9)中，得出安全系数与水平地震系数的关系曲线，如图6所示。由图6可以看出，客土的稳定性随水平地震系数的增大明显降低。

图6 客土稳定性与地震的关系曲线

2 客土稳定厚度设计

根据1节中分析可知，客土的稳定性随着厚度的增大而减小，客土厚度的增大有利于植被的发育，二者是相互矛盾的，所以要在保证客土稳定的前提下尽可能增大客土的厚度，这就是客土稳定厚度设计问题。同时考虑地震和降雨渗流条件，进行客土稳定厚度设计研究。

2.1 公式法

客土的力学参数为定值，客土所在铁路边坡坡率为定值，铁路边坡所在场地的水平地震系数也为定值，选取设计降雨强度之后，降雨渗流深度也为定值。式(9)为客土安全系数和客土厚度的关系式，在给定设计稳定安全系数f情况下，即可计算得到相应安全系数下的客土稳定厚度。取极限平衡状态，即安全系数为1，此时计算所得为客土的临界安全厚度如下

式(10)即为极限平衡状态下，客土稳定的最大安全厚度，在进行客土厚度设计时，客土厚度设计值必须小于或等于这个值。

2.2 设计图法

极限平衡状态时，安全系数为1，式(9)可以变为如下形式

(1)无地震，无渗流时，式(11)中 a=0，n=0，式(11)变为

根据式(12)可以绘出以边坡坡角θ为横坐标，安全数S为纵坐标，无地震、无渗流时的客土稳定设计图，如图7所示。

图7 无地震无渗流时设计图

(2)无地震，表面渗流时，浸润比为1，此时式(11)变为

图8 无地震表面渗流时设计图

(3)有地震，无渗流时，浸润比n=0，此时式(11)变为

水平地震系数分别选取 0.05，0.1，0.15，0.2，0.3，以内摩擦角为25°为例绘出以边坡坡角θ为横坐标，安全数S为纵坐标，有地震、无渗流时的客土稳定设计图，如图9所示。

根据选用客土的力学参数，利用客土稳定厚度设计图可以方便地进行客土稳定厚度的设计，具体方法如下。

图9 有地震无渗流时设计图(内摩擦角25°)

3 结论

(1)采用摩尔-库伦强度准则，运用无限坡模型对铁路生态边坡客土在地震和降雨渗流条件下的稳定性进行了分析，推导了生态边坡客土安全系数的计算通式。

(2)生态边坡客土的稳定性随客土厚度的增大而减小。客土越厚越有利于植被的生长，但随着客土厚度的增加，客土的稳定性会降低，所以在客土厚度设计时，需要同时考虑植被的生长和客土的稳定性，在保证客土稳定的前提下尽可能增大客土的厚度。

(3)通过对地震和降雨渗流影响的分析得出，客土的稳定性随着渗流深度的增加直线下降，客土的稳定性随水平地震系数的增大明显降低。

(4)推导出了客土稳定厚度设计的通用公式，并提出了设计图法的客土厚度设计，采用设计图可以更方便快捷地解决铁路生态边坡客土厚度的设计，具有较高的工程实用价值。

［1］ 贾永刚，李相然，韩德亮，等.环境工程地质学［M］.青岛:中国海洋大学出版社，2003.

［2］ 邹胜文，饶黄裳，江玉林，等.高等级公路边坡生物防护方式浅析［J］.公路，2000(4):50-52.

［3］ 胡利文，陈汉宁.锚固三维网生态防护理论及其在边坡工程中的应用［J］.水运工程，2003(4):13-15.

［4］ 杨俊杰，王亮，郑建国，等.生态边坡客土稳定性研究［J］.岩石力学与工程学报，2006，25(2):414-422.

［5］ 王亮，杨俊杰，刘强，等.表面渗流对生态边坡中客土稳定性研究［J］.岩土力学，2008，29(6):1440-1445.