不同生态技术防护方案边坡的稳定性分析

喻雷, 王聚山, 杨慧, 江学良, 范文臣, 李珍玉

不同生态技术防护方案边坡的稳定性分析

喻雷1, 王聚山2, 杨慧1, 江学良1, 范文臣1, 李珍玉1

(1. 中南林业科技大学 土木工程学院, 湖南 长沙, 410004; 2. 中国铁路成都局集团有限公司重庆铁路枢纽东环线建设指挥部, 四川 成都, 610082)

以重庆铁路枢纽东环线某生态护坡技术示范工程为例, 利用Midas GTS/NX有限元软件建立了灌草护坡方案、矮墙—灌草护坡方案、格构锚杆—灌草护坡方案的数值模型并对3种不同护坡方案进行了稳定性分析。结果表明: 灌草护坡方案使边坡土体的潜在滑动区域变深, 塑性区域变小; 格构锚杆—灌草联合护坡时, 边坡的安全系数最大;矮墙—灌草联合护坡的安全系数比灌草护坡的安全系数略大。

铁路边坡; 灌草护坡; 矮墙—灌草护坡; 格构锚杆—灌草护坡; 边坡稳定性

随着我国铁路建设的蓬勃发展, 铁路边坡的安全稳定性及其防治滑坡措施显得愈加重要。边坡的滑移、坍塌等工程事故, 不仅会造成植被破坏、水土流失, 而且极大的威胁着铁路行车安全。铁路建设项目与其周围自然环境密切相关, 具有工程规模大、项目多、涉及面广的特点。土石方填挖工程造成边坡大量土石裸露, 破坏了既有植被, 对当地的生态环境造成很大影响。

铁路边坡防护设计, 要求具有足够的边坡稳定性[1]。边坡防护类型主要分为传统圬工防护和生态防护2大类。圬工防护是通过混凝土、钢筋材料, 依靠其自重等来提高边坡稳定性, 具有支护结构稳定、边坡防护显效快的优点; 生态防护一方面是通过植物根系与土壤之间的附着力来提高边坡稳定性, 另一方面是通过植物茎叶来提高边坡表面的抗冲刷能力, 其具有保护生态、改善环境等优点。

随着保护生态环境意识的增强, 既能稳固边坡又能绿化边坡的防护技术逐渐取代传统的只注重稳固边坡的防护技术, 如采用混凝土框架内植草(或植生袋)的防护技术、土工合成材料与植草防护技术、岩质边坡客土植生技术以及喷混凝土植生技术[2]等。此外, 在绿化时特别注意景观设计、建筑物立体(绿化)体系以及采用拼装式支挡结构物与植生相结合的新型加固防护体系等。

目前, 有很多学者研究了绿色边坡防护技术[3–5], 国内边坡绿色防护技术在公路[6]、堤坝和市政等工程中使用较多, 而铁路边坡[7–9]工程中应用相对较少。本文利用Midas GTS/NX有限元软件, 建立了三维模型, 探究了香根草护坡技术在铁路边坡中的应用, 分析了不同生态技术防护方案边坡的稳定性。

1 地质概况

某铁路边坡位于重庆市巴南区, 地层主要为砂质泥岩、砂岩, 岩石饱和抗压强度为5～50 MPa, 砂岩的石英含量达到70%左右从软岩到硬岩都具备。地下水通常很差, 地下水量也很少, 砂岩或砂质泥岩渗透系数为10-7～10-5m/s, 透水性较弱。

2 路堤边坡计算模型的建立

某路堤边坡的现场条件: 全长270 m, 填筑风化泥砂岩, 坡率1︰1.5～1︰1.75, 边坡高度 13.97～14.53 m, 二级边坡。对该路堤边坡DK27+360.000右侧边坡进行模型的建立。路堤的高度为14.5 m, 边坡模型分为上下2部分土层。上部土层为二级边坡, 坡高分别为6.5 m和8 m, 坡率分别为1︰1.75和1︰1.5。

计算中采用的本构模型: 上部土层和下部土层都采用摩尔—库伦本构模型; 香根草根系、刺槐根系采用弹性模型, 研究表明香根草根系网的存在, 可以明显提高周围边坡土体的抗剪强度指标内聚力值及内摩擦角值, 即假定香根草根系影响范围内的土体值和值都有明显的提高; 矮墙利用毛石砌筑而成, 采用弹性模型; 格构材料为C30混凝土, 采用弹性模型; 锚杆为钢筋材料, 采用弹性模型。模型材料参数如表1所示, 灌草(香根草、刺槐)护坡效果如图1所示。

图1 灌草护坡效果图

表1 模型材料基本参数

根据现场地形及地质情况, 经综合分析, 对右侧路堤边坡拟采用3种方案进行防护, 即灌草护坡方案、矮墙—灌草护坡方案、格构锚杆—灌草护坡方案。护坡方案如表2所示。3种方案的护坡模型如图2—4所示。

表2 护坡方案

图2 灌草护坡模型

图3 矮墙—灌草联合护坡模型

3 路堤边坡的应力分析

3.1 路堤边坡的应力分析

图5为自然边坡状态下的最大主应力云图, 图6—8分别显示了不同工况下铁路边坡最大主应力云图。

图4 格构锚杆—灌草联合护坡模型

图5 自然边坡最大主应力云图

图6 灌草护坡最大主应力云图

图7 矮墙—灌草联合护坡最大主应力云图

图8 格构锚杆—灌草联合护坡最大主应力云图

由计算结果及边坡最大主应力云图中可知:

(1) 自然边坡土体内最大主应力在坡顶、坡脚以及坡顶与坡脚中间位置处最大, 这些受拉区域相连形成了贯通的滑移面, 容易发生屈服破坏。在水平向距离坡顶12 m处最大主应力值较大, 此处尚未形成贯通的滑移面。因此坡体整体上容易发生浅层滑坡;

(2) 灌草边坡土体内最大主应力的最大值主要分布在坡顶和坡顶位置, 在坡顶与坡脚之间分布零星, 这些受拉区域尚未形成贯通的滑移面, 不能构成大范围的屈服破坏。坡体灌草位置处最大主应力较自然坡体位置处的最大主应力略有增大, 原因是香根草根系和刺槐根系的存在, 增加了土体最大主应力。因此灌草边坡整体上还是稳定的;

(3) 矮墙—灌草边坡土体内最大主应力分布与灌草坡体的相似, 但在坡角位置处最大主应力的最大值分布零星, 原因是矮墙减小了坡脚位置处的应力集中, 使坡体整体上更加稳定;

(4) 格构锚杆—灌草边坡土体内最大主应力的最大值主要分布在坡面、坡脚、在水平向距离坡顶8 m处和垂直向距离坡脚10 m处。这些受拉区域尚未形成贯通的滑移面, 不能构成大范围的屈服破坏。原因是坡面位置的土体受到来自格构的作用, 使得土体的最大主应力增加; 锚杆的锚固作用, 加固了浅层土体, 使得坡体的潜在滑移面下移。因此坡体整体上更加稳定;

(5) 自然边坡土体内最大主应力在坡顶、坡脚以及坡顶与坡脚中间位置处最大, 这些受拉区域相连形成了贯通的滑移面, 坡体整体上容易发生浅层滑坡。灌草护坡、矮墙—灌草联合护坡和格构锚杆—灌草联合护坡形式下坡体内的最大主应力所在的受拉区域没有形成贯通的滑移面, 增加了边坡的稳定性。

图9为自然边坡状态下最大剪应力云图, 图10—12分别显示了不同工况下铁路边坡最大剪应力云图。由计算结果及边坡最大剪应力云图中可知:

(1) 自然边坡状态下, 在坡面顶部潜在深度为10 m处, 土体所受到的最大剪应力最大, 呈现出圆弧形状。距离此处的一定范围内, 最大剪应力逐渐减小。在坡面底部潜在深度为2 m处, 土体所受到的最大剪应力较大, 此处可能是边坡土体发生拉应力破坏开始的位置。当边坡破坏进一步发展, 坡面潜在最大剪应力作用位置会形成细长的滑移带, 造成路堤边坡的破坏;

(2) 灌草护坡状态下, 在坡面顶部潜在深度为12 m处, 土体所受到的最大剪应力较大, 呈现出圆弧形状。在坡面底部潜在深度为7 m处, 土体所受到的最大剪应力最大。通过与图4对比可知, 灌草护坡状态下的最大剪应力潜在深度更大, 大大加强土体抗剪强度, 从而固结土壤, 防止浅层滑坡;

(3) 矮墙—灌草护坡状态下, 在坡面底部的最大剪应力有明显的减小。其他位置处的最大剪应力没有明显变化。说明矮墙对局部有明显的护坡效果;

(4) 格构锚杆—灌草护坡状态下, 在坡面顶部潜在深度为17 m处, 土体所受到的最大剪应力较大, 呈现出圆弧形状。在坡面底部潜在深度为7 m处, 土体所受到的最大剪应力最大。在坡面底部存在较大的最大剪应力;

(5) 自然坡体内最大剪应力的最大值主要分布在坡顶与坡脚中间位置处, 这些区域呈现出圆弧形状。在坡脚位置处的最大剪应力也有较大值。当边坡破坏进一步发展, 坡面潜在最大剪应力作用位置会形成细长的滑移带, 造成路堤边坡的破坏。灌草护坡、矮墙—灌草联合护坡和格构锚杆—灌草联合护坡形式下坡体内的最大剪应力的最大值所在区域减小, 增加了边坡的稳定性。

图9 自然边坡最大剪应力云图

图10 灌草护坡最大剪应力云图

图11 矮墙—灌草联合护坡最大剪应力云图

图12 格构锚杆—灌草联合护坡最大剪应力图

3.2 香根草根系的应力分析

图13—15分别显示了3个方案下铁路边坡中香根草根系应力云图。由计算结果及边坡中香根草根系云图中可知:

(1) 香根草+刺槐(灌草)护坡时, 沿着坡面方向从坡顶到坡底, 香根草根系由压应力逐渐变为拉应力。在坡脚位置处, 香根草根系所受的拉应力最大。沿着深度方向, 香根草根系受到的拉应力越来越大。由香根草根系的受力规律可知, 香根草根系的压应力分布区域是由于边坡土体重力对香根草根系的作用引起的; 香根草根系的拉应力分布区域是由于边坡土体内潜在滑移面作用下引起的, 此处香根草根系存在拉应力破坏。因此在实际工程中应适当在坡脚位置处加密香根草根系的布置, 同时香根草根系生长深度越深, 越有利于边坡的稳定;

(2) 矮墙—灌草联合护坡时, 沿着坡面方向从坡顶到坡底, 沿着深度方向, 香根草根系应力分布规律与灌草护坡中一致。矮墙—灌草联合护坡中香根草根系的拉应力分布区域比灌草护坡中的大; 相反, 香根草根系的压应力分布区域要比灌草护坡中的小。由此可知, 在坡脚位置处的矮墙能有效的减少应力集中, 使香根草根系的拉应力分布区域减小, 在一定程度上减缓了香根草根系的拉应力破坏;

(3) 格构锚杆—灌草联合护坡时, 沿着坡面方向从坡顶到坡底, 除了坡脚位置处, 香根草根系的小部分拉应力分布区域外, 其他香根草根系受到的全部是压应力。这说明格构锚杆对提高铁路边坡稳定性起了决定性的作用, 而香根草根系的护坡性能没能很好的发挥出来。

图13 灌草护坡时香根草根系应力云图

图14 矮墙—灌草联合护坡时香根草根系应力云图

3.3 路堤边坡的稳定性分析

铁路路堤边坡的稳定性直接影响到行车安全, 影响路堤边坡稳定性的因素很多, 如填料本身的性质、周围环境(水、温度)、外荷载及边坡防护等多方面因素。赵志明等[10]通过对植物根系加固边坡的试验和有限元计算研究, 提出了对不同土质边坡采取不同的植物防护建议。以铁路路堤边坡为研究对象, 对路堤边坡在不同防护类型下的边坡稳定性进行了数值模拟研究。

图15 格构锚杆—灌草联合护坡时香根草根系应力云图

3.3.1 强度折减法的基本原理

由强度折减系数引出的强度折减法, 其定义为: 在外部荷载保持不变的情况下, 边坡内部土体所能提供的最大抗剪强度与外部荷载在边坡内所产生的实际剪应力之比。在极限状况下, 外部荷载所产生的实际剪应力与抵御外荷载所发挥的最低抗剪强度即按照实际强度指标折减后所确定的、实际中得以发挥的抗剪强度相等。

本模型采用强度折减法进行边坡稳定性分析。首先选取初始折减系数, 通过逐步减小抗剪强度指标, 将黏聚力和内摩擦角同时除以折减系数, 得到一组新的强度指标c、φ进行有限差分析, 反复计算直至边坡达到临界破坏状态。此时, 边坡整个滑移面的抗剪强度指标与实际抗剪强度指标的比值, 即边坡安全系数,式中,τ为折减后剪切强度;为滑面长度;为折减前剪切强度;为岩土体的粘聚力;为临界破坏时正应力;为岩土体的内摩擦角。

3.3.2 稳定性分析

图16为自然边坡状态下的塑性应变云图, 图17—19分别显示了3种护坡方案下铁路边坡的塑性应变云图。

图16 自然边坡塑性应变云图

图17 灌草护坡塑性应变云图

图18 矮墙—灌草联合护坡塑形应变云图

图19 格构锚杆—灌草联合护坡塑形应变云图

从计算结果及边坡中香根草根系云图中可知:

(1) 自然边坡运用强度折减法进行计算, 得出安全系数为2.08, 此时坡面顶部潜在的破坏位置在5.3 m处。在坡角位置处产生的塑性应变最大;

(2) 香根草和刺槐加固铁路边坡, 得出的安全系数为2.28, 此时坡面顶部潜在的破坏区域范围在7 m。用灌草护坡将铁路边坡的安全系数提高了9.53%, 坡面顶部潜在的破坏区域由浅变深, 塑性区域减小, 对于边坡位移的控制有一定的效果。由图16—19可知, 边坡越接近坡角位置, 其塑性应变越大;

(3) 矮墙—灌草联合护坡加固铁路边坡, 得到的安全系数为2.31, 此时坡面顶部潜在的破坏区域范围与灌草护坡基本一致, 但其相应位置的塑性应变值比灌草护坡要小。用灌草—矮墙联合护坡将铁路边坡的安全系数提高了11.22%, 这说明矮墙对铁路边坡的稳定性影响较大;

(4) 格构锚杆—灌草联合护坡加固铁路边坡, 得到的安全系数为2.45, 此时坡面顶部潜在的破坏区域范围在10 m。用竹锚杆与格构支护将铁路边坡的安全系数提高了17.87%, 坡面顶部潜在的破坏区域由浅变深, 对边坡位移的控制效果最为显著。

不同护坡方案下铁路边坡的安全系数的比较如表4所示。只有灌草加固铁路边坡的情况下, 灌草的存在使边坡土体的潜在滑动区域变深, 塑性区域变小, 从而在一定程度上提高了边坡的稳定性。将灌草护坡形式分别与矮墙、锚杆—格构联合进行护坡, 分析结果发现: 格构锚杆—灌草联合护坡时, 边坡的安全系数最大, 边坡稳定性最高; 矮墙—灌草联合护坡形式的安全系数比灌草护坡的安全系数略大。

表4 不同护坡方案的边坡稳定性安全系数

4 结论

本文依托重庆铁路枢纽东环线某生态护坡技术示范工程, 对不同护坡方案进行了对比分析, 通过数值分析, 横向对比了不同护坡方案下路堤边坡的应力、香根草根系的受力以及边坡稳定性, 得出如下结论:

(1) 自然边坡状态下, 边坡整体上容易发生浅层滑坡。香根草根系和刺槐根系的存在, 增加了土体最大主应力, 但由于香根草根系深入土层, 在边坡土体内尚未形成贯通的滑移面, 进而使边坡稳定性提高。坡脚位置处的矮墙能有效减小局部应力集中, 坡脚位置处的最大主应力分布零星, 进而增加了边坡稳定性。坡面位置处的格构锚杆能有效加固浅层土体, 使坡体的潜在滑移面下移, 增加边坡稳定性;

(2) 自然边坡状态下, 坡面潜在最大剪应力作用位置会形成细长的滑移带, 容易造成路堤边坡的破坏。香根草根系的存在加强了土体抗剪强度, 从而固结土壤, 防止浅层滑坡。矮墙对坡脚位置处的最大剪应力有明显的影响, 其他位置处的最大剪应力影响不大;

(3) 灌草护坡时, 沿着坡面方向从坡顶到坡底, 香根草根系由压应力逐渐变为拉应力。在坡脚位置处, 香根草根系所受的拉应力最大。沿着深度方向, 香根草根系受到的拉应力越来越大。在实际工程中应适当在坡脚位置处加密香草根系的布置, 同时香根草根系生长深度越深, 越有利于边坡的稳定;

(4) 通过对比不同护坡方案下铁路边坡的安全系数, 发现灌草护坡与矮墙—灌草联合护坡的安全系数相差不大, 相比于自然边坡其安全系数提高约10%; 格构锚杆—灌草联合护坡相比于自然边坡其安全系数提高约18%, 边坡稳定性提高最大。

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[10] 赵志明. 工程边坡绿色防护机理与设计指标研究[D]. 成都: 西南交通大学, 2004.

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

国家自然科学基金资助项目(31971727); 中铁二十局集团公司科技研发项目(YF1900SD07B); 湖南省自然科学基金资助项目(2020JJ4944); 2018年湖南省教育厅科学研究项目(18A162)。

(责任编校: 张红)