影響巖質路塹邊坡表層土穩定性因素的敏感度分析

趙志明,王喜華

(1.西南交通大學地球科學與環境工程學院,四川成都 610031;2.西南石油大學資源與環境學院,四川成都 610500)

影響巖質路塹邊坡表層土穩定性因素的敏感度分析

趙志明1,王喜華2

(1.西南交通大學地球科學與環境工程學院,四川成都 610031;2.西南石油大學資源與環境學院,四川成都 610500)

針對渝懷鐵路魚嘴車站巖質路塹植被邊坡,采用直剪切試驗獲得邊坡表層綠色防護層的物理力學參數。在此基礎上,選取5個影響邊坡表層土穩定性的因素(坡度、土層厚度、重度、粘聚力、內摩擦角),采用數學及數理統計的方法進行敏感度分析,得出各影響因素的敏感度順序為內摩擦角＞坡度＞重度＞土層厚度＞粘聚力,分析表明綠色防護層的內摩擦角是控制其穩定性的主控因素。

植被護坡;穩定性因素;敏感度分析

0 前 言

近年來,隨著我國西部大開發戰略的實施,在大量鐵路、公路等工程項目的施工中,不可避免的開挖出大量巖質路塹邊坡。對于這些工程邊坡,除了采取必要的支擋措施保證邊坡的穩定外,對邊坡進行植被綠色防護不僅可以快速回復工程施工造成的環境破壞,同時植被根系起到加固邊坡表層土體的作用[1]。針對進行綠色防護的工程邊坡,確保邊坡植被生長層土體的穩定是植被正常生長的前提,因此,很有必要對邊坡綠色防護層土體進行穩定性評價[2]。本文結合渝懷(重慶至湖南懷化)鐵路魚嘴車站巖質路塹植被邊坡的綠色防護工程進行表層土體穩定性影響因素的敏感度分析。

1 渝懷鐵路魚嘴車站地質概況[2]

渝懷鐵路魚嘴車站地處丘陵溝槽地貌,自然坡度10°～30°,海拔180 m～260 m。丘陵平原,山頂渾圓,基巖裸露,平緩處多辟為旱地,溝槽中覆蓋土較厚,開辟為水田及水塘;植被發育一般。地層巖性主要有:覆蓋層:第四系坡洪積(Q4dl+el)、坡殘積(Q4dl+el)、下伏基巖侏羅系中統沙溪廟組(J2s)。砂黏土(Q4dl+pl):棕黃色,棕紅色,硬塑狀,水田表層 1 m內為軟塑狀,厚2 m～10 m。軟砂黏土(Q4dl+pl):棕黃色,灰褐色,軟塑狀,分布于塘中,水田表層,或夾層產出,厚0 m～4 m。砂黏土(Q4dl+el):棕紅色,硬塑～半干硬狀,夾5%～10%砂巖、泥巖質碎石角礫,厚0 m～2 m。泥巖夾灰巖(J2s):紫紅色灰紫色,泥巖,泥質結構,礦物成分以粘土礦物為主,易風化,夾中厚層泥質砂巖,表層風化呈顆粒及土狀,風化嚴重帶1 m～2 m。地表水為水塘中水,由大氣降雨補給,地下水不發育。

2 魚嘴車站采用的綠色防護類型

魚嘴車站D1K51+450～D1K51+980是長大深路塹,中心最大挖深48 m;除地表層0 m～2 m為覆蓋的砂粘土,再下1.5 m為泥巖夾砂巖的W3風化嚴重帶外,其余為風化頗重帶W2。開挖后邊坡中部以泥巖為主 ,N15°W/90°、N10°W/90°、N70°W/90°三組節理將巖層切割成塊狀,巖性主要為厚層砂巖,節理不發育,巖質堅硬,有少量裂隙水。

D1K51+460～D1K51+980左側長 520 m及D1K51+530～D1K51+930右側長400 m的路塹邊坡(砂巖)設置錨桿掛網厚層基材(見圖1)植被護坡,效果圖見圖2,邊坡坡率為1∶0.75,錨桿長度分別為1.6m和1.3 m,部分位于泥巖夾砂巖層中的厚層基材錨桿分別加長至3.2 m和1.6 m,基材厚度10 cm,掛網采用Φ 3.0高鍍鋅機編鐵絲網。錨桿采用Φ 16的Ⅱ級螺紋鋼筋。

圖1 厚層基材護坡斷面[3]

圖2 魚嘴車站噴射厚層基材植草護坡

3 試驗邊坡表層土物理力學參數及計算模型

根據實驗操作規程[4],通過室內直接剪切試驗測得有無根系情況下表層土物理力學參數見表1。

表1 有無根系邊坡表層土物理力學參數

試驗邊坡表層土穩定性計算模型見圖3,圖中H為坡高(m),α為坡度(°),表層土厚度取25 cm,坐標軸X軸向坡外表示變形值為正,Y軸向上為正,單位均為mm。

圖3 計算模型

4 邊坡表層土穩定性影響因素的敏感性分析

巖質路塹邊坡綠色防護需具備兩個基本條件[5]:一是坡面上必須有植物能賴以持續生長的種植基質;二是基質能永久固定在巖面上。所以,如何在巖質路塹邊坡表面提供穩定的植被生長所需的條件是在邊坡上恢復植被的關鍵技術。

影響巖質路塹邊坡表層土穩定的因素很多,主要有坡高H、坡度α、表層土厚度h、表層土的重度γ及其力學參數C、φ值、地下水、降雨及地震等,以下進行各影響因素的敏感性分析。

4.1 公式推導

現只討論一坡到頂式邊坡計算模型,結合實際工程,不考慮地震、水壓力和降雨影響,該工程邊坡表層土的計算模型如圖3。

表層土體總重為W= γhH/sinα(kN),穩定系數可以用Fs表示,即

式(1)對有根系邊坡和無根系邊坡都是適用的。

(1)求Fs對γ的偏導數

(2)求Fs對C的偏導數

(3)求Fs對φ的偏導數

(4)求Fs對α的偏導數

(5)求Fs對h的偏導數

4.2 各影響因素的敏感度計算和分析

以下進行各影響因素的敏感度計算和分析時均采用無根系邊坡的物理力學參數。

(1)坡度的敏感度計算

在室內實驗的基礎上,取 γ=15.6 kN/m3,h=25 cm,φ=26.3°,C=11.57 kPa,坡度選取 30°～ 65°范圍內穩定系數對坡度的敏感度,計算結果如表2所示。

表2 坡度的敏感度計算

由表2可知,坡度對穩定系數的變化率為負,由表2可以看出,坡度對穩定性的變化率隨著坡度的增大而減小,為討論方便,對其采用絕對值。穩定系數對坡度的變化率為2.017～0.666。重度的變化還受內摩擦角、內聚力、重度、表層土體厚度、地下水位等因素影響。

(2)重度的敏感度計算

重度的選擇是在室內實驗的基礎上,考慮到表層土體重度的不均勻性,取C=11.57 kPa,φ=26.3°,h=25 cm,α=53°,γ值選取 15 kN/m3～22 kN/m3范圍內穩定系數對重度的敏感度進行分析,計算結果如表3所示。

表3 重度的敏感度計算

由表3可知,重度對穩定系數的變化率為負,可能是因為在式(2)中,內摩擦角的促滑作用小于粘聚力的促滑作用所致,為討論方便,采用絕對值。

由表3可以看出,重度對穩定性的變化率隨著重度的增大而減小(絕對值),穩定系數對重度的變化率為0.258～0.118。重度的變化還受內摩擦角、內聚力、地下水位等因素影響。

(3)表層土厚度的敏感度計算

在室內實驗的基礎上,取 γ=15.6 kN/m3,φ=26.3°,C=11.57 kPa表層土厚度h取15 cm～30 cm范圍內穩定系數對厚度的敏感度,計算結果如表4所示。

表4 表層土厚度的敏感度計算

由表4可知,表層土厚度對穩定系數的變化率為負,由表4可以看出,穩定性系數變化率隨著表層土厚度的增大而減小,為討論方便,對其采用絕對值。穩定系數對坡度的變化率為0.062～1.252。

(4)內摩擦角的敏感度計算

在室內實驗的基礎上,取 α=53°,穩定系數對內摩擦角的敏感度計算采用21°～28°范圍內穩定系數對內摩擦角的敏感度,計算結果如表5所示。

表5 內摩擦角的敏感度計算

由表5可以看出,穩定系數對內摩擦角的變化率為0.865°～0.967°,隨著內摩擦角的增大,穩定系數對其敏感度也在逐漸增大,表明內摩擦角對表層土體穩定性有較大影響。

(5)內聚力的敏感度計算

考慮到表層土體內聚力的不均勻性,取 γ=15.6 kN/m3,h=25 cm,α=53°,穩定系數對粘聚力的變化率為0.01,其大小不受粘聚力的變化而變化,其大小受表層土體重度、長度、坡度及表層土體的重量等影響。此表明,對于具體的表層土體而言,粘聚力對穩定系數的影響為一定值。

魚嘴車站試驗邊坡表層土的物理力學參數及邊坡形狀參數為H=8m,α=53°,h=25 cm,C=11.57 kPa,φ=26.3°。在此條件下,各影響因素引起的穩定系數變化率見表6所示。

表6 表層土體穩定性影響因素的敏感度順序

由以上計算分析知,影響邊坡表層土體穩定性的因素從強到弱依次為內摩擦角、坡度、土體重度、表層土厚度、粘聚力。由于對具體的表層土體而言,粘聚力對穩定系數的影響為一定值。所以綜合來講,C、φ值的影響程度最大。

5 結 論

通過對一坡到頂式巖質路塹植被邊坡穩定性影響因素的敏感度分析,得出以下結論:

(1)對邊坡表層土穩定性起積極作用的因素有C和φ值,相反,起消極作用的有表層土的坡度、重度和厚度。

(2)對邊坡表層土穩定性有控制性影響的因素是表層土的綜合粘聚力和內摩擦角兩個因素。其次為坡度,然后為表層土的重度和厚度。

(3)此為無根系表層土穩定性影響因素敏感度的分析,對于有根系表層土來講,綜合C、φ都有所提高,由于根系對邊坡的加筋作用,粘聚力C提高,φ也有所增大。

(4)在選擇植被邊坡表層土的材料屬性時,盡量選擇那些能夠提高粘聚力和內摩擦角,尤其是內摩擦角的加固方案。如必須選擇其他方案時,則應加強工程措施。

(5)在選擇坡形時,盡量選擇表層土較薄,坡度較小的坡形,盡量減小這些因素對穩定性的影響。

以上討論,并沒有考慮降雨、水壓力以及地震等因素的影響。降雨時,雨水的入滲改變了土體的性質,使土體的抗剪強度指標C、φ值降低,同時增大了土體的容重,產生附加應力;同時水壓力及地震的作用也會增大邊坡的下滑力等,從而造成土體的滑動失穩。

[1]王可鈞,李焯芬.植物固坡的力學簡析[J].巖石力學與工程學報,1998,(6):687-691.

[2]趙志明.工程邊坡綠色防護機理與設計指標研究[D].成都:西南交通大學,2004.

[3]張俊云,周德培,李紹才.巖石邊坡生態種植基材試驗研究[J].巖石力學與工程學報,2001,20(2):239-242.

[4]《工程地質手冊》編寫委員會.工程地質手冊(第三版)[M].北京:中國建筑工業出版社,1993.

[5]周德培,張俊云.植被護坡工程技術[M].北京:人民交通出版社,2003.

Sensitivity Analyses for Influencing Factors on Surface Soil Stability of Rock-cutting Soil

ZHAO Zhi-ming1,WANG Xi-hua2
(1.College of Geosciences and Environmental Engineering,Southwest JiaotongUniversity,Chengdu,Sichuan610031,China;2.School of Resources and Environment,Southwest PetroleumUniversity,Chengdu,Sichuan610500,China)

In view of the rock-cutting slope of Yuzui Station of Yuhuai Railway,which is protected by greening,the physical and mechanical parameters of the protection layer are obtained by direct shear test.The sensitivity of five influencing factors(slope angle,thickness,unite weight,cohesion,friction angle)of the protection layer's stability of rockcutting slope are analyzed based on the parameters,and the sensitivity order of influencing factors is obtained as friction angle,slope angle,unite weight,thickness,cohesion.The results show that the friction angle is the most important factor to help the stability of protection layer.

vegetation slope;stability factor;sensitivity analysis

P642.2

A

1672—1144(2012)05—0022—04

2012-03-28

2012-04-22

中央高校基本科研業務費專項資金資助(SWJTU09BR033)

趙志明(1977—),男(漢族),河北石家莊人,講師,博士研究生,主要從事邊坡穩定性評價及防治工程方面的教學和科研工作。