重載鐵路黃土路塹三聯(lián)生態(tài)護(hù)坡入滲穩(wěn)定性及應(yīng)用研究

劉 寶 李丹峰

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,天津 300308)

1 概述

隨著我國(guó)在西部地區(qū)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度的加大,許多鐵路及公路工程需通過路塹形式經(jīng)過黃土地區(qū),而黃土路塹邊坡護(hù)坡措施對(duì)保障邊坡工程長(zhǎng)期穩(wěn)定性和耐久性至關(guān)重要。 目前,路塹邊坡防護(hù)措施有工程護(hù)坡、植物護(hù)坡、骨架護(hù)坡等[1-3],實(shí)際工程項(xiàng)目中,由于植被護(hù)坡具有防止坡體沖刷潛蝕、水土保持、加固坡體、和生態(tài)綠化等優(yōu)點(diǎn),諸多深挖高填邊坡多采用“工程護(hù)坡+植物護(hù)坡”模式,如“拱形骨架+客土植草、框格梁+植生袋”等。 然而,黃土地區(qū)氣候干旱,且黃土自身具有多孔性、透水性強(qiáng)等特點(diǎn),坡面草種發(fā)芽率低、幼苗成活率低,難以達(dá)到防護(hù)目的;另外,在石料匱乏的黃土高原及風(fēng)沙地區(qū),圬工護(hù)坡(如漿砌片石)不僅增加工程造價(jià),還極易引發(fā)防護(hù)體與土體之間的潛蝕性沖刷破壞,從而使防護(hù)失效[4-5]。 隨著對(duì)工程建設(shè)生態(tài)環(huán)境的重視,邊坡生態(tài)防護(hù)新技術(shù)如三聯(lián)生態(tài)護(hù)坡、生態(tài)袋、加筋植生毯等逐步得到發(fā)展。

現(xiàn)階段黃土地區(qū)邊坡防護(hù)的設(shè)計(jì)與建設(shè)實(shí)施中,由于多種原因還是采用簡(jiǎn)單綠化,關(guān)于黃土路塹邊坡防護(hù)技術(shù)方面的研究還比較欠缺,需積極引進(jìn)新技術(shù)解決黃土路塹邊坡生態(tài)護(hù)坡問題[6-8]。 目前,已有相關(guān)學(xué)者開展黃土路塹邊坡生態(tài)護(hù)坡技術(shù)的研究,楊惠林針對(duì)濕陷性黃土地區(qū)邊坡防護(hù)提出一種“拱形骨架+土工格室植”復(fù)合型生態(tài)護(hù)坡,并采用數(shù)值計(jì)算方法分析坡面的應(yīng)力狀態(tài)和穩(wěn)定性[9]。 三聯(lián)生態(tài)護(hù)坡具有安全防護(hù)、生態(tài)修復(fù)及環(huán)保綠化的特點(diǎn),在公路工程特殊邊坡防護(hù)領(lǐng)域已有所應(yīng)用,并取得一定效果,戴德江等針對(duì)西南高速公路巖質(zhì)邊坡防護(hù)現(xiàn)狀,考察云南、貴州省區(qū)等三聯(lián)生態(tài)防護(hù)技術(shù)實(shí)施效果[10];韋春艷等比較三聯(lián)生態(tài)防護(hù)及與傳統(tǒng)防護(hù)方式的優(yōu)劣勢(shì)[11];黃驟屹等基于云南廣那高速公路巖質(zhì)邊坡分析植被生態(tài)修復(fù)、三聯(lián)生態(tài)防護(hù)與傳統(tǒng)圬工防護(hù)的功效差異[12]。

綜上,由于黃土地區(qū)氣候特點(diǎn)及黃土工程特性的特殊性,黃土路塹邊坡易遭受降雨沖刷破壞進(jìn)而導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性變差,故黃土路塹邊坡防護(hù)較為困難。 為此,依托蒙華鐵路工程浩勒?qǐng)?bào)吉至三門峽段,提出一種“骨架護(hù)坡+三聯(lián)生態(tài)護(hù)坡”黃土路塹邊坡防護(hù)措施,開展土水特征試驗(yàn),研究該地區(qū)黃土的土水特征曲線,并根據(jù)其土水特征曲線,采用數(shù)值計(jì)算方法分析降雨工況下該復(fù)合護(hù)坡的入滲特征和穩(wěn)定性,優(yōu)化三聯(lián)生態(tài)護(hù)坡設(shè)計(jì)參數(shù),總結(jié)“骨架護(hù)坡+三聯(lián)生態(tài)護(hù)坡”的施工要點(diǎn)。

2 黃土水力特性試驗(yàn)

2.1 土水特征試驗(yàn)

馬蘭黃土試驗(yàn)材料取自蒙華鐵路浩三段試驗(yàn)段工點(diǎn)(見圖1)。 利用GDS 三軸儀,通過非飽和土試驗(yàn)?zāi)K,對(duì)特定工點(diǎn)原狀黃土進(jìn)行水土特征試驗(yàn)和給定基質(zhì)吸力條件下固結(jié)排水試驗(yàn)。

圖1 土樣取樣點(diǎn)

試驗(yàn)黃土基本物理性質(zhì)指標(biāo)如下。 液限27.5%,塑限19.7%,塑性指數(shù)7.8,天然含水率6.88%,比重2.65,孔隙比0.88,密度1.55 g/cm3。 土水特征試驗(yàn)試樣尺寸為3.9 cm(直徑)×8 cm(高),按照不同含水率分為6 組,分別采用6.88%,9.94%、15.1%、19%、23%、25%含水率進(jìn)行配置。 GDS 加載前,通過調(diào)整圍壓室頂部排氣孔使試驗(yàn)前圍壓在2 kPa,關(guān)閉水壓閥門和反壓閥門,打開氣壓閥門,啟動(dòng)GDS 控制系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng),給定軸向應(yīng)力、圍壓、氣壓(軸向應(yīng)力≥圍壓≥氣壓)。 由于氣壓是定值,水壓閥門關(guān)閉,試樣便在封閉環(huán)境中調(diào)整孔隙水壓,直至達(dá)到定值,進(jìn)而反算不同含水率下的基質(zhì)吸力,繪制土水特征曲線,試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 馬蘭黃土土水特性試驗(yàn)結(jié)果

通過上述試驗(yàn),得到黃土水土特征曲線,通過Van Genuchten(簡(jiǎn)稱V-G)模型對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,V-G模型為描述非飽和土體體積含水量和吸力之間關(guān)系的通用模型,對(duì)大部分非飽和土體在寬含水量范圍內(nèi)具有普遍適用性,其關(guān)系式為

式中,θ為體積含水量;α為基質(zhì)吸力;θr為殘余體積含水量;θs為飽和體積含水量;a,n為擬合參數(shù)。根據(jù)表達(dá)式,對(duì)馬蘭黃土的土水特征曲線進(jìn)行擬合,擬合結(jié)果見圖2。

圖2 非飽和黃土土水特征曲線

2.2 三軸剪切試驗(yàn)

飽和-非飽和黃土的三軸剪切試驗(yàn)通過GDS 三軸儀實(shí)現(xiàn),對(duì)馬蘭黃土進(jìn)行飽和狀態(tài)下和含水量15.1%情況下的固結(jié)排水剪切試驗(yàn),首先,給定軸向應(yīng)力、圍壓、孔隙氣壓、孔隙水壓,即給定符合試樣含水量的基質(zhì)吸力,直至穩(wěn)定;其后分別在凈圍壓為50,100,150 kPa 條件下,以0.010 7 mm/min 恒定速率(保證基質(zhì)吸力不變)進(jìn)行排水剪切,直至軸向應(yīng)變達(dá)到15%(試樣破壞),試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 馬蘭黃土三軸剪切試驗(yàn)結(jié)果

3 邊坡滲流及穩(wěn)定性分析

3.1 模型建立

蒙華鐵路浩勒?qǐng)?bào)吉至三門峽段所經(jīng)地區(qū)位于鄂爾多斯盆地內(nèi)部,又稱陜甘寧盆地,地貌單元眾多,地形起伏較大,從北向南,大的地貌單元依次為毛烏素沙漠、黃土高原、黃龍山—南呂梁山脈、臨汾盆地—峨嵋臺(tái)地—運(yùn)城盆地、中條山脈、靈三盆地、東秦嶺山脈北麓。 根據(jù)蒙華鐵路浩勒?qǐng)?bào)吉至三門峽段邊坡工程特點(diǎn)及氣候特點(diǎn),采用生態(tài)防護(hù)、強(qiáng)化植物固坡、減少水土流失的設(shè)計(jì)理念,強(qiáng)化景觀效果和環(huán)境效益、生態(tài)效益的原則,提出以“骨架護(hù)坡+三聯(lián)生態(tài)護(hù)坡”作為黃土路塹邊坡防護(hù)措施,該體系由“錨桿+鍍鋅三維網(wǎng)”作為第一聯(lián)物理防護(hù),專用纖維和粘結(jié)材料合理配比后附著在鍍鋅三維網(wǎng)及土壤基層上構(gòu)成第二聯(lián)抗蝕防護(hù),喬、灌、草、藤本等植被構(gòu)成第三聯(lián)植被生態(tài)防護(hù),三聯(lián)生態(tài)護(hù)坡的結(jié)構(gòu)形式見圖3。

圖3 三聯(lián)邊坡生態(tài)防護(hù)結(jié)構(gòu)形式(單位:cm)

為分析降雨條件下護(hù)坡的入滲規(guī)律和穩(wěn)定性,驗(yàn)證防護(hù)措施的合理性,優(yōu)化護(hù)坡設(shè)計(jì)參數(shù),采用MIDAS-GTS 有限元方法建立非飽和黃土邊坡計(jì)算模型,模型XYZ方向尺寸分別為51,20,30 m。 巖土單元采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu),滲流模型采用達(dá)西定律描述;該模型中金屬網(wǎng)、錨桿采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬,錨桿長(zhǎng)取2 m,輔錨桿長(zhǎng)取1.5 m,并且和周圍土體共節(jié)點(diǎn)模擬協(xié)調(diào)變形;混凝土骨架采用彈性本構(gòu)關(guān)系;降雨入滲邊界為坡面坡頂以及地基面,地下水位位于地面以下18 m 位置。 在整體計(jì)算模型中,地基土體模型的兩側(cè)邊界設(shè)為側(cè)向約束,底邊邊界設(shè)固定約束,計(jì)算模型見圖4。

圖4 三聯(lián)邊坡生態(tài)防護(hù)計(jì)算模型(單位:m)

模型中,邊坡和黃土地基土采用非飽和土模型描述,土水特征曲線的V-G 模型參數(shù)及剪切強(qiáng)度參數(shù)根據(jù)試驗(yàn)擬合得到,其余參數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)[13]相關(guān)研究結(jié)果確定,各部件的計(jì)算參數(shù)見表3、表4。

表3 力學(xué)計(jì)算參數(shù)

表4 水力計(jì)算參數(shù)

根據(jù)相關(guān)資料,研究區(qū)年平均降雨量一般在600 mm 以下,歷史上最大日降雨量達(dá)200 mm[14]。 為便于比較,假設(shè)4 種不同降雨類型(小雨、中雨、暴雨、特大暴雨)總降雨量均為200 mm,3 種降雨類型分別為:①雨強(qiáng)50 mm/d,持續(xù)4 d;②雨強(qiáng)100 mm/d,持續(xù)2 d;③雨強(qiáng)200 mm/d,持續(xù)1 d。 錨桿長(zhǎng)度按1 m、2 m、3 m 計(jì)算,默認(rèn)狀態(tài)下為2 m,邊坡高度按12 m、8 m、6 m 計(jì)算,默認(rèn)為12 m。

3.2 滲流變化規(guī)律

圖5 為暴雨工況下孔壓的變化規(guī)律,將邊坡體內(nèi)所有負(fù)的孔隙水壓力定義為基質(zhì)吸力,降雨前邊坡體基質(zhì)吸力在地下水位以下為0,地下水位以上隨坡高線性遞增。 隨著降雨的持續(xù),雨水向坡體內(nèi)入滲,基質(zhì)吸力也隨雨水的滲入逐漸減小,路基邊坡坡頂與坡面的基質(zhì)吸力最先受到影響,在降雨初期基質(zhì)吸力迅速減少,而后緩慢發(fā)展,隨著雨水的滲透,路基坡頂、坡面和坡腳位置基質(zhì)吸力變化區(qū)域逐漸變大,而非飽和土又具有一定的持水能力,降雨對(duì)邊坡體表層一定深度范圍的基質(zhì)吸力影響較大,與文獻(xiàn)[15]研究結(jié)果的變化規(guī)律類似,也驗(yàn)證該計(jì)算模型的可靠性。

圖5 暴雨工況下孔壓變化規(guī)律(單位:kPa)

圖6 為暴雨工況下三聯(lián)生態(tài)防護(hù)邊坡飽和度變化規(guī)律。 由圖6 可知,降雨初期,坡面和坡頂飽和度陡然增加,隨著降雨的持續(xù),飽和度逐漸向深度和四周方向逐漸增大,加速了雨水的滲入。 在暴雨期間,路基邊坡坡腳處首先形成局部飽和區(qū),之后飽和度等值線逐漸向路基邊坡內(nèi)部遷移,坡面淺層土體處逐漸形成連續(xù)的飽和區(qū)并逐漸趨于穩(wěn)定。

圖6 暴雨工況下各階段飽和度變化規(guī)律

3.3 穩(wěn)定性變化規(guī)律

基于滲流-應(yīng)力偶耦合下強(qiáng)度系數(shù)折減法計(jì)算路塹邊坡穩(wěn)定[15],以護(hù)肩特征點(diǎn)位移值突變情況作為失穩(wěn)的判斷準(zhǔn)則,黃土路塹邊坡在持續(xù)暴雨下,安全系數(shù)逐漸減小,從降雨開始至歷時(shí)0.2 h,安全系數(shù)從1.8 降低至1.0。 且降幅在降雨初期較大,隨著降雨持續(xù),非飽和土邊坡在下滲表水浸潤(rùn)下,由非飽和狀態(tài)逐漸達(dá)到飽和狀態(tài),穩(wěn)定安全系數(shù)降幅逐漸減小,最后趨于定值。 因此,從變化階段上來(lái)看,降雨初期穩(wěn)定性系數(shù)也有一個(gè)短暫驟降期,然后是穩(wěn)定性平緩期,最后隨時(shí)間增長(zhǎng)穩(wěn)定性系數(shù)出現(xiàn)一定回升(見圖7)。

圖7 暴雨工況下路塹邊坡穩(wěn)定性變化規(guī)律

3.4 參數(shù)變化影響規(guī)律

圖8 為不同降雨強(qiáng)度下路基邊坡飽和度和孔壓的分布規(guī)律。 由圖8 可知,隨著降雨強(qiáng)度的增大,路基邊坡淺層飽和度和孔隙水壓變化幅度越大,飽和度下降速度較快,但降雨強(qiáng)度越小時(shí)飽和度和孔隙水壓變化的深度更大,在降雨強(qiáng)度為50,100,200 mm/d 時(shí),影響深度分別為4.6,3.8,2.9 m,并且在2 m 范圍內(nèi)的影響比較明顯。

圖8 不同降雨強(qiáng)度下滲流變化分布規(guī)律

圖9 為不同降雨強(qiáng)度下邊坡穩(wěn)定系數(shù)變化規(guī)律,50 mm/d 時(shí)在降雨初期穩(wěn)定系數(shù)從1.8 降低至1.14,在后期呈現(xiàn)回升趨勢(shì),主要因?yàn)橥馏w滲透系數(shù)一定時(shí),降雨強(qiáng)度較小時(shí)達(dá)到持水能力后水份可較快消散,100,200 mm/d 降雨強(qiáng)度下穩(wěn)定系數(shù)變化規(guī)律基本類似,從整體上看,邊坡穩(wěn)定性系數(shù)與降雨強(qiáng)度大致呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。

圖9 降雨強(qiáng)度對(duì)安全系數(shù)的影響變化規(guī)律

圖10 為不同邊坡高度下風(fēng)沙路基邊坡穩(wěn)定系數(shù)變化規(guī)律,降雨?duì)顟B(tài)下,隨著邊坡高度增加,其穩(wěn)定性逐漸降低,降雨初期不同邊坡高度的穩(wěn)定性系數(shù)降低速率基本一致;隨著降雨時(shí)間的增加,邊坡穩(wěn)定性系數(shù)發(fā)展規(guī)律表現(xiàn)出一定的差異,邊坡高度較低時(shí)其穩(wěn)定系數(shù)有一定的回升趨勢(shì),而在H=12 m 時(shí),穩(wěn)定性基本達(dá)到穩(wěn)定的臨界狀態(tài)。 因此,三聯(lián)邊坡防護(hù)高度不宜超12 m。

圖10 邊坡高度對(duì)安全系數(shù)的影響變化規(guī)律

圖11 為三聯(lián)生態(tài)護(hù)坡不同錨桿長(zhǎng)度下風(fēng)沙路基邊坡穩(wěn)定系數(shù)變化規(guī)律,降雨?duì)顟B(tài)下,隨錨桿長(zhǎng)度增長(zhǎng),其穩(wěn)定性逐漸提高,但在降雨初期,不同錨桿長(zhǎng)度的穩(wěn)定性系數(shù)都表現(xiàn)明顯的降低,在錨桿長(zhǎng)度為2 m和3 m 工況下,隨著降雨時(shí)間的增加,其穩(wěn)定系數(shù)有一定的回升趨勢(shì),且兩者差距較小。 因此,考慮其經(jīng)濟(jì)性,三聯(lián)邊坡錨桿長(zhǎng)度不宜超3 m。

圖11 錨桿長(zhǎng)度對(duì)邊坡穩(wěn)定系數(shù)的影響變化規(guī)律

4 施工工藝及實(shí)施效果

選取蒙華鐵路 DK391 + 636.66 ～ DK392 +145.14 里程開展施工工藝試驗(yàn),主要施工工序依次為:前期準(zhǔn)備→坡面清理→骨架施作→鋪掛鍍鋅三維網(wǎng)→錨固鍍鋅三維網(wǎng)→噴灑種子、微生物層混合物基材→養(yǎng)護(hù),具體施工工藝流程見圖12。

圖12 三聯(lián)生態(tài)護(hù)坡施工工藝流程

由于三聯(lián)生態(tài)護(hù)坡的使用尚在起步階段,為保證現(xiàn)場(chǎng)三聯(lián)生態(tài)護(hù)坡的施工質(zhì)量,編制了施工質(zhì)量管理程序(見圖13)。 該路基三聯(lián)生態(tài)邊坡防護(hù)試驗(yàn)段2016 年7 月份開始實(shí)施,于2016 年10 月份施工完成,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果見圖14,三聯(lián)生態(tài)護(hù)坡經(jīng)過多次強(qiáng)降雨后,植被生長(zhǎng)良好,坡面穩(wěn)定,表現(xiàn)出抗侵蝕性能強(qiáng),景觀效應(yīng)明顯的性能,可滿足黃土地區(qū)邊坡防護(hù)功能需求。

圖13 三聯(lián)生態(tài)護(hù)坡施工質(zhì)量管理程序

圖14 三聯(lián)生態(tài)防護(hù)實(shí)施效果

5 結(jié)語(yǔ)

(1)蒙華鐵路浩三段非飽和黃土的土水特征曲線可利用VG 模型進(jìn)行描述,試驗(yàn)數(shù)據(jù)與擬合曲線吻合得較好,非飽和黃土的抗剪強(qiáng)度與含水率密切相關(guān),隨土體含水率增加,內(nèi)摩擦角、黏聚力逐漸減少,黏聚力下降幅度較大,總抗剪強(qiáng)度降低。

(2)降雨下三聯(lián)生態(tài)防護(hù)邊坡淺層的孔壓和飽和度增加速度明顯,坡腳處首先形成局部飽和區(qū),之后飽和度等值線逐漸向路基邊坡內(nèi)部遷移,坡面淺層土體處逐漸形成連續(xù)的飽和區(qū)并逐漸趨于穩(wěn)定。

(3)降雨入滲和降雨強(qiáng)度對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響明顯,主要引起邊坡的淺層穩(wěn)定性減低,在邊坡淺層土體2 m 范圍內(nèi)影響最為明顯,三聯(lián)邊坡錨桿長(zhǎng)度不宜超3 m,暴雨工況下三聯(lián)生態(tài)護(hù)坡高度12 m 時(shí)基本接近穩(wěn)定系數(shù)的安全值,三聯(lián)生態(tài)護(hù)坡適用范圍不宜超過12 m。

(4)通過施工工藝流程和質(zhì)量管理程序進(jìn)行三聯(lián)生態(tài)護(hù)坡施工的質(zhì)量控制,施工完成后經(jīng)歷多個(gè)雨季,邊坡穩(wěn)定狀態(tài)和綠化效果良好。 理論分析和實(shí)踐表明,蒙華鐵路黃土路塹邊坡采取“骨架護(hù)坡+三聯(lián)生態(tài)”的防護(hù)措施,可保證黃土路塹高邊坡的安全穩(wěn)定和健康運(yùn)營(yíng)。