影响岩质路堑边坡表层土稳定性因素的敏感度分析

赵志明,王喜华

(1.西南交通大学地球科学与环境工程学院,四川成都 610031;2.西南石油大学资源与环境学院,四川成都 610500)

影响岩质路堑边坡表层土稳定性因素的敏感度分析

赵志明1,王喜华2

(1.西南交通大学地球科学与环境工程学院,四川成都 610031;2.西南石油大学资源与环境学院,四川成都 610500)

针对渝怀铁路鱼嘴车站岩质路堑植被边坡,采用直剪切试验获得边坡表层绿色防护层的物理力学参数。在此基础上,选取5个影响边坡表层土稳定性的因素(坡度、土层厚度、重度、粘聚力、内摩擦角),采用数学及数理统计的方法进行敏感度分析,得出各影响因素的敏感度顺序为内摩擦角＞坡度＞重度＞土层厚度＞粘聚力,分析表明绿色防护层的内摩擦角是控制其稳定性的主控因素。

植被护坡;稳定性因素;敏感度分析

0 前 言

近年来,随着我国西部大开发战略的实施,在大量铁路、公路等工程项目的施工中,不可避免的开挖出大量岩质路堑边坡。对于这些工程边坡,除了采取必要的支挡措施保证边坡的稳定外,对边坡进行植被绿色防护不仅可以快速回复工程施工造成的环境破坏,同时植被根系起到加固边坡表层土体的作用[1]。针对进行绿色防护的工程边坡,确保边坡植被生长层土体的稳定是植被正常生长的前提,因此,很有必要对边坡绿色防护层土体进行稳定性评价[2]。本文结合渝怀(重庆至湖南怀化)铁路鱼嘴车站岩质路堑植被边坡的绿色防护工程进行表层土体稳定性影响因素的敏感度分析。

1 渝怀铁路鱼嘴车站地质概况[2]

渝怀铁路鱼嘴车站地处丘陵沟槽地貌,自然坡度10°～30°,海拔180 m～260 m。丘陵平原,山顶浑圆,基岩裸露,平缓处多辟为旱地,沟槽中覆盖土较厚,开辟为水田及水塘;植被发育一般。地层岩性主要有:覆盖层:第四系坡洪积(Q4dl+el)、坡残积(Q4dl+el)、下伏基岩侏罗系中统沙溪庙组(J2s)。砂黏土(Q4dl+pl):棕黄色,棕红色,硬塑状,水田表层 1 m内为软塑状,厚2 m～10 m。软砂黏土(Q4dl+pl):棕黄色,灰褐色,软塑状,分布于塘中,水田表层,或夹层产出,厚0 m～4 m。砂黏土(Q4dl+el):棕红色,硬塑～半干硬状,夹5%～10%砂岩、泥岩质碎石角砾,厚0 m～2 m。泥岩夹灰岩(J2s):紫红色灰紫色,泥岩,泥质结构,矿物成分以粘土矿物为主,易风化,夹中厚层泥质砂岩,表层风化呈颗粒及土状,风化严重带1 m～2 m。地表水为水塘中水,由大气降雨补给,地下水不发育。

2 鱼嘴车站采用的绿色防护类型

鱼嘴车站D1K51+450～D1K51+980是长大深路堑,中心最大挖深48 m;除地表层0 m～2 m为覆盖的砂粘土,再下1.5 m为泥岩夹砂岩的W3风化严重带外,其余为风化颇重带W2。开挖后边坡中部以泥岩为主 ,N15°W/90°、N10°W/90°、N70°W/90°三组节理将岩层切割成块状,岩性主要为厚层砂岩,节理不发育,岩质坚硬,有少量裂隙水。

D1K51+460～D1K51+980左侧长 520 m及D1K51+530～D1K51+930右侧长400 m的路堑边坡(砂岩)设置锚杆挂网厚层基材(见图1)植被护坡,效果图见图2,边坡坡率为1∶0.75,锚杆长度分别为1.6m和1.3 m,部分位于泥岩夹砂岩层中的厚层基材锚杆分别加长至3.2 m和1.6 m,基材厚度10 cm,挂网采用Φ 3.0高镀锌机编铁丝网。锚杆采用Φ 16的Ⅱ级螺纹钢筋。

图1 厚层基材护坡断面[3]

图2 鱼嘴车站喷射厚层基材植草护坡

3 试验边坡表层土物理力学参数及计算模型

根据实验操作规程[4],通过室内直接剪切试验测得有无根系情况下表层土物理力学参数见表1。

表1 有无根系边坡表层土物理力学参数

试验边坡表层土稳定性计算模型见图3,图中H为坡高(m),α为坡度(°),表层土厚度取25 cm,坐标轴X轴向坡外表示变形值为正,Y轴向上为正,单位均为mm。

图3 计算模型

4 边坡表层土稳定性影响因素的敏感性分析

岩质路堑边坡绿色防护需具备两个基本条件[5]:一是坡面上必须有植物能赖以持续生长的种植基质;二是基质能永久固定在岩面上。所以,如何在岩质路堑边坡表面提供稳定的植被生长所需的条件是在边坡上恢复植被的关键技术。

影响岩质路堑边坡表层土稳定的因素很多,主要有坡高H、坡度α、表层土厚度h、表层土的重度γ及其力学参数C、φ值、地下水、降雨及地震等,以下进行各影响因素的敏感性分析。

4.1 公式推导

现只讨论一坡到顶式边坡计算模型,结合实际工程,不考虑地震、水压力和降雨影响,该工程边坡表层土的计算模型如图3。

表层土体总重为W= γhH/sinα(kN),稳定系数可以用Fs表示,即

式(1)对有根系边坡和无根系边坡都是适用的。

(1)求Fs对γ的偏导数

(2)求Fs对C的偏导数

(3)求Fs对φ的偏导数

(4)求Fs对α的偏导数

(5)求Fs对h的偏导数

4.2 各影响因素的敏感度计算和分析

以下进行各影响因素的敏感度计算和分析时均采用无根系边坡的物理力学参数。

(1)坡度的敏感度计算

在室内实验的基础上,取 γ=15.6 kN/m3,h=25 cm,φ=26.3°,C=11.57 kPa,坡度选取 30°～ 65°范围内稳定系数对坡度的敏感度,计算结果如表2所示。

表2 坡度的敏感度计算

由表2可知,坡度对稳定系数的变化率为负,由表2可以看出,坡度对稳定性的变化率随着坡度的增大而减小,为讨论方便,对其采用绝对值。稳定系数对坡度的变化率为2.017～0.666。重度的变化还受内摩擦角、内聚力、重度、表层土体厚度、地下水位等因素影响。

(2)重度的敏感度计算

重度的选择是在室内实验的基础上,考虑到表层土体重度的不均匀性,取C=11.57 kPa,φ=26.3°,h=25 cm,α=53°,γ值选取 15 kN/m3～22 kN/m3范围内稳定系数对重度的敏感度进行分析,计算结果如表3所示。

表3 重度的敏感度计算

由表3可知,重度对稳定系数的变化率为负,可能是因为在式(2)中,内摩擦角的促滑作用小于粘聚力的促滑作用所致,为讨论方便,采用绝对值。

由表3可以看出,重度对稳定性的变化率随着重度的增大而减小(绝对值),稳定系数对重度的变化率为0.258～0.118。重度的变化还受内摩擦角、内聚力、地下水位等因素影响。

(3)表层土厚度的敏感度计算

在室内实验的基础上,取 γ=15.6 kN/m3,φ=26.3°,C=11.57 kPa表层土厚度h取15 cm～30 cm范围内稳定系数对厚度的敏感度,计算结果如表4所示。

表4 表层土厚度的敏感度计算

由表4可知,表层土厚度对稳定系数的变化率为负,由表4可以看出,稳定性系数变化率随着表层土厚度的增大而减小,为讨论方便,对其采用绝对值。稳定系数对坡度的变化率为0.062～1.252。

(4)内摩擦角的敏感度计算

在室内实验的基础上,取 α=53°,稳定系数对内摩擦角的敏感度计算采用21°～28°范围内稳定系数对内摩擦角的敏感度,计算结果如表5所示。

表5 内摩擦角的敏感度计算

由表5可以看出,稳定系数对内摩擦角的变化率为0.865°～0.967°,随着内摩擦角的增大,稳定系数对其敏感度也在逐渐增大,表明内摩擦角对表层土体稳定性有较大影响。

(5)内聚力的敏感度计算

考虑到表层土体内聚力的不均匀性,取 γ=15.6 kN/m3,h=25 cm,α=53°,稳定系数对粘聚力的变化率为0.01,其大小不受粘聚力的变化而变化,其大小受表层土体重度、长度、坡度及表层土体的重量等影响。此表明,对于具体的表层土体而言,粘聚力对稳定系数的影响为一定值。

鱼嘴车站试验边坡表层土的物理力学参数及边坡形状参数为H=8m,α=53°,h=25 cm,C=11.57 kPa,φ=26.3°。在此条件下,各影响因素引起的稳定系数变化率见表6所示。

表6 表层土体稳定性影响因素的敏感度顺序

由以上计算分析知,影响边坡表层土体稳定性的因素从强到弱依次为内摩擦角、坡度、土体重度、表层土厚度、粘聚力。由于对具体的表层土体而言,粘聚力对稳定系数的影响为一定值。所以综合来讲,C、φ值的影响程度最大。

5 结 论

通过对一坡到顶式岩质路堑植被边坡稳定性影响因素的敏感度分析,得出以下结论:

(1)对边坡表层土稳定性起积极作用的因素有C和φ值,相反,起消极作用的有表层土的坡度、重度和厚度。

(2)对边坡表层土稳定性有控制性影响的因素是表层土的综合粘聚力和内摩擦角两个因素。其次为坡度,然后为表层土的重度和厚度。

(3)此为无根系表层土稳定性影响因素敏感度的分析,对于有根系表层土来讲,综合C、φ都有所提高,由于根系对边坡的加筋作用,粘聚力C提高,φ也有所增大。

(4)在选择植被边坡表层土的材料属性时,尽量选择那些能够提高粘聚力和内摩擦角,尤其是内摩擦角的加固方案。如必须选择其他方案时,则应加强工程措施。

(5)在选择坡形时,尽量选择表层土较薄,坡度较小的坡形,尽量减小这些因素对稳定性的影响。

以上讨论,并没有考虑降雨、水压力以及地震等因素的影响。降雨时,雨水的入渗改变了土体的性质,使土体的抗剪强度指标C、φ值降低,同时增大了土体的容重,产生附加应力;同时水压力及地震的作用也会增大边坡的下滑力等,从而造成土体的滑动失稳。

[1]王可钧,李焯芬.植物固坡的力学简析[J].岩石力学与工程学报,1998,(6):687-691.

[2]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.

[3]张俊云,周德培,李绍才.岩石边坡生态种植基材试验研究[J].岩石力学与工程学报,2001,20(2):239-242.

[4]《工程地质手册》编写委员会.工程地质手册(第三版)[M].北京:中国建筑工业出版社,1993.

[5]周德培,张俊云.植被护坡工程技术[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

中央高校基本科研业务费专项资金资助(SWJTU09BR033)

赵志明(1977—),男(汉族),河北石家庄人,讲师,博士研究生,主要从事边坡稳定性评价及防治工程方面的教学和科研工作。