地震及降雨滲流條件下鐵路生態(tài)邊坡客土穩(wěn)定性分析

徐黎明，趙曉萌

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院地質(zhì)路基設(shè)計(jì)處，天津 300143)

生態(tài)建設(shè)和環(huán)境保護(hù)是21世紀(jì)人類共同關(guān)注的熱門話題，也是世界各國(guó)為之不懈努力解決的焦點(diǎn)問題。基本建設(shè)的快速發(fā)展與生態(tài)環(huán)境的不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致了人類賴以生存環(huán)境的生態(tài)破壞，同時(shí)也制約了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，對(duì)人類的生存和社會(huì)發(fā)展構(gòu)成了威脅［1］。因此，工程建設(shè)與環(huán)境保護(hù)兼顧是經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重大課題，在工程建設(shè)中合理利用資源、保護(hù)環(huán)境、美化環(huán)境，是我們必須正視和認(rèn)真對(duì)待的問題。

鐵路工程規(guī)模大、線路長(zhǎng)，土石填挖工程形成的大量土石裸露邊坡，破壞了既有植被，對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境影響較大，以往通常采用單純的工程防護(hù)，如漿砌片石、噴錨防護(hù)等，這些工程措施都導(dǎo)致原有植被破壞、水土流失、滑坡、邊坡失穩(wěn)等一系列生態(tài)環(huán)境和工程問題。國(guó)家已經(jīng)十分重視工程建設(shè)中的生態(tài)建設(shè)和環(huán)境保護(hù)，強(qiáng)制要求在工程建設(shè)中要注重生態(tài)建設(shè)與環(huán)境保護(hù)。對(duì)巖土進(jìn)行必要的開挖堆填后，利用植物工程和土木工程相結(jié)合的方法進(jìn)行生態(tài)邊坡建設(shè)是保護(hù)環(huán)境的最佳工程措施。目前國(guó)內(nèi)生態(tài)邊坡防護(hù)技術(shù)主要有客土噴播、液壓噴播、客土植生植物護(hù)坡技術(shù)［2］，這些技術(shù)均是將種子、肥料和土壤的混合物均勻噴固到邊坡坡面上，這些混合物統(tǒng)稱為客土。在重力、降雨滲流、地震等因素作用下，生態(tài)邊坡客土存在穩(wěn)定性問題。目前國(guó)內(nèi)對(duì)客土穩(wěn)定問題研究較少。胡利文和陳漢寧［3］提出了在生態(tài)護(hù)坡設(shè)計(jì)中的無限坡模型，楊俊杰和王亮［4，5］等人通過室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，討論了客土的破壞模式，并根據(jù)破壞模式進(jìn)行客土的穩(wěn)定性分析。

本文采用摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則和無限坡模型，對(duì)鐵路生態(tài)邊坡客土進(jìn)行穩(wěn)定分析，為客土厚度設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 客土穩(wěn)定分析

在自然降雨條件下，雨水在坡面形成順坡向的滲流。水的入滲使得客土吸水飽和，達(dá)到飽和重度，質(zhì)量增大，抗剪強(qiáng)度降低，孔隙水壓力增大，穩(wěn)定性降低。如圖1所示，設(shè)邊坡坡角θ，客土內(nèi)摩擦角為φ，黏聚力c，飽和重度為γ，厚度為h，降雨滲流厚度為hw。客土的破壞模式均為平行于原邊坡坡面的直線滑動(dòng)［4］。客土厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于邊坡長(zhǎng)度和寬度，因此可以采用無限坡模型對(duì)客土單元體進(jìn)行受力分析。如圖1所示，取陰影部分客土單元體進(jìn)行受力分析，受力圖如圖2所示。

圖1 鐵路生態(tài)邊坡客土示意

圖2 客土單元體受力分析

在重力和地震的作用下，客土有沿著原邊坡坡面下滑的趨勢(shì)。根據(jù)圖2中的受力分析，滑動(dòng)力表達(dá)式為

式中，W為客土單元體的重力;E為地震力。

式中，a為水平地震系數(shù)。

將式(2)和式(3)代入式(1)得

根據(jù)摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則，邊坡坡面上的抗剪強(qiáng)度表達(dá)式為

根據(jù)圖2中的受力分析，可得

圖3為客土內(nèi)降雨滲流時(shí)的孔隙水壓力計(jì)算示意，根據(jù)圖3所示，客土內(nèi)的孔隙水壓力計(jì)算式為

將式(6)和式(7)代入到式(5)中，得到

客土的安全系數(shù)f為抗剪強(qiáng)度和滑動(dòng)力的比值，根據(jù)式(4)和式(8)計(jì)算得到客土的安全系數(shù)計(jì)算公式

圖3 客土中孔隙水壓力計(jì)算示意

以表1中所列的客土力學(xué)參數(shù)值為例，分析客土穩(wěn)定性與滲流深度的關(guān)系。取邊坡坡率為1∶1.5，即邊坡坡度33.7°，邊坡場(chǎng)地的地震基本烈度為Ⅶ度，地震動(dòng)峰值加速度為0.1g，即水平地震系數(shù)為0.1，降雨強(qiáng)度一定時(shí)，雨水滲流深度為一定值，取hw=0.05。將各個(gè)參數(shù)值代入到式(9)中，得出安全系數(shù)與客土厚度的關(guān)系曲線，如圖4所示。由圖4可以看出，客土的穩(wěn)定性隨著客土厚度的增加明顯降低。客土越厚越有利于植被的生長(zhǎng)，但隨著客土厚度的增加，客土的穩(wěn)定性會(huì)降低，所以在客土厚度設(shè)計(jì)時(shí)，需要同時(shí)考慮植被的生長(zhǎng)和客土的穩(wěn)定性，在保證客土穩(wěn)定的前提下盡可能增大客土的厚度。

表1 客土力學(xué)參數(shù)取值

圖4 客土穩(wěn)定性與厚度關(guān)系曲線

取表1中客土的力學(xué)參數(shù)，取邊坡坡率為1∶1.5，即邊坡坡度33.7°，邊坡場(chǎng)地的地震基本烈度為Ⅶ度，地震動(dòng)峰值加速度為0.1g，即水平地震系數(shù)為0.1，取設(shè)計(jì)客土厚度為0.1 m，分析降雨滲流深度對(duì)于客土穩(wěn)定性的影響，將各個(gè)參數(shù)值代入到式(9)中，得到安全系數(shù)與客土厚度的關(guān)系曲線，如圖5所示。由圖5可以看出，客土的穩(wěn)定性隨著滲流深度的增加直線下降。

圖5 客土穩(wěn)定性與滲流深度關(guān)系曲線

同樣取表1中客土的力學(xué)參數(shù)，取邊坡坡率為1∶1.5，即邊坡坡度33.7°，取設(shè)計(jì)客土厚度為0.1 m，取雨水滲流深度為0.05 m，分析地震力對(duì)于客土穩(wěn)定性的影響，將各個(gè)參數(shù)值代入到式(9)中，得出安全系數(shù)與水平地震系數(shù)的關(guān)系曲線，如圖6所示。由圖6可以看出，客土的穩(wěn)定性隨水平地震系數(shù)的增大明顯降低。

圖6 客土穩(wěn)定性與地震的關(guān)系曲線

2 客土穩(wěn)定厚度設(shè)計(jì)

根據(jù)1節(jié)中分析可知，客土的穩(wěn)定性隨著厚度的增大而減小，客土厚度的增大有利于植被的發(fā)育，二者是相互矛盾的，所以要在保證客土穩(wěn)定的前提下盡可能增大客土的厚度，這就是客土穩(wěn)定厚度設(shè)計(jì)問題。同時(shí)考慮地震和降雨滲流條件，進(jìn)行客土穩(wěn)定厚度設(shè)計(jì)研究。

2.1 公式法

客土的力學(xué)參數(shù)為定值，客土所在鐵路邊坡坡率為定值，鐵路邊坡所在場(chǎng)地的水平地震系數(shù)也為定值，選取設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度之后，降雨滲流深度也為定值。式(9)為客土安全系數(shù)和客土厚度的關(guān)系式，在給定設(shè)計(jì)穩(wěn)定安全系數(shù)f情況下，即可計(jì)算得到相應(yīng)安全系數(shù)下的客土穩(wěn)定厚度。取極限平衡狀態(tài)，即安全系數(shù)為1，此時(shí)計(jì)算所得為客土的臨界安全厚度如下

式(10)即為極限平衡狀態(tài)下，客土穩(wěn)定的最大安全厚度，在進(jìn)行客土厚度設(shè)計(jì)時(shí)，客土厚度設(shè)計(jì)值必須小于或等于這個(gè)值。

2.2 設(shè)計(jì)圖法

極限平衡狀態(tài)時(shí)，安全系數(shù)為1，式(9)可以變?yōu)槿缦滦问?/p>

(1)無地震，無滲流時(shí)，式(11)中 a=0，n=0，式(11)變?yōu)?/p>

根據(jù)式(12)可以繪出以邊坡坡角θ為橫坐標(biāo)，安全數(shù)S為縱坐標(biāo)，無地震、無滲流時(shí)的客土穩(wěn)定設(shè)計(jì)圖，如圖7所示。

圖7 無地震無滲流時(shí)設(shè)計(jì)圖

(2)無地震，表面滲流時(shí)，浸潤(rùn)比為1，此時(shí)式(11)變?yōu)?/p>

圖8 無地震表面滲流時(shí)設(shè)計(jì)圖

(3)有地震，無滲流時(shí)，浸潤(rùn)比n=0，此時(shí)式(11)變?yōu)?/p>

水平地震系數(shù)分別選取 0.05，0.1，0.15，0.2，0.3，以內(nèi)摩擦角為25°為例繪出以邊坡坡角θ為橫坐標(biāo)，安全數(shù)S為縱坐標(biāo)，有地震、無滲流時(shí)的客土穩(wěn)定設(shè)計(jì)圖，如圖9所示。

根據(jù)選用客土的力學(xué)參數(shù)，利用客土穩(wěn)定厚度設(shè)計(jì)圖可以方便地進(jìn)行客土穩(wěn)定厚度的設(shè)計(jì)，具體方法如下。

圖9 有地震無滲流時(shí)設(shè)計(jì)圖(內(nèi)摩擦角25°)

3 結(jié)論

(1)采用摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則，運(yùn)用無限坡模型對(duì)鐵路生態(tài)邊坡客土在地震和降雨滲流條件下的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，推導(dǎo)了生態(tài)邊坡客土安全系數(shù)的計(jì)算通式。

(2)生態(tài)邊坡客土的穩(wěn)定性隨客土厚度的增大而減小。客土越厚越有利于植被的生長(zhǎng)，但隨著客土厚度的增加，客土的穩(wěn)定性會(huì)降低，所以在客土厚度設(shè)計(jì)時(shí)，需要同時(shí)考慮植被的生長(zhǎng)和客土的穩(wěn)定性，在保證客土穩(wěn)定的前提下盡可能增大客土的厚度。

(3)通過對(duì)地震和降雨滲流影響的分析得出，客土的穩(wěn)定性隨著滲流深度的增加直線下降，客土的穩(wěn)定性隨水平地震系數(shù)的增大明顯降低。

(4)推導(dǎo)出了客土穩(wěn)定厚度設(shè)計(jì)的通用公式，并提出了設(shè)計(jì)圖法的客土厚度設(shè)計(jì)，采用設(shè)計(jì)圖可以更方便快捷地解決鐵路生態(tài)邊坡客土厚度的設(shè)計(jì)，具有較高的工程實(shí)用價(jià)值。

［1］ 賈永剛，李相然，韓德亮，等.環(huán)境工程地質(zhì)學(xué)［M］.青島:中國(guó)海洋大學(xué)出版社，2003.

［2］ 鄒勝文，饒黃裳，江玉林，等.高等級(jí)公路邊坡生物防護(hù)方式淺析［J］.公路，2000(4):50-52.

［3］ 胡利文，陳漢寧.錨固三維網(wǎng)生態(tài)防護(hù)理論及其在邊坡工程中的應(yīng)用［J］.水運(yùn)工程，2003(4):13-15.

［4］ 楊俊杰，王亮，鄭建國(guó)，等.生態(tài)邊坡客土穩(wěn)定性研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25(2):414-422.

［5］ 王亮，楊俊杰，劉強(qiáng)，等.表面滲流對(duì)生態(tài)邊坡中客土穩(wěn)定性研究［J］.巖土力學(xué)，2008，29(6):1440-1445.