雷西高速公路生態(tài)防護邊坡的穩(wěn)定性分析

歐湘萍 李 博 朱云升 王澤華

(武漢理工大學交通學院1) 武漢 430063) (武漢科技大學城市學院2) 武漢 430083)

雷西高速公路生態(tài)防護邊坡的穩(wěn)定性分析

歐湘萍1)李 博2)朱云升1)王澤華1)

(武漢理工大學交通學院1)武漢 430063) (武漢科技大學城市學院2)武漢 430083)

雷西高速公路位于黃土高原區(qū)隴東黃土高原亞區(qū)，該亞區(qū)是我國黃土高原地貌特征表現(xiàn)最為典型的區(qū)域.文中運用數(shù)值分析的方法，選取典型的生態(tài)防護邊坡，利用FLAC3D軟件分別建立含植物根系和無植物根系的邊坡模型，對不同坡比的邊坡進行穩(wěn)定性的對比分析，從理論上驗證了生態(tài)防護對邊坡穩(wěn)定性的作用.

黃土高原；數(shù)值分析；邊坡穩(wěn)定；生態(tài)防護

0 引 言

生態(tài)防護，是指用活的植物或者植物與工程防護相結合，通過植物根系對邊坡土體的加筋和固土，減輕了坡面的不穩(wěn)定性和侵蝕，在保障邊坡穩(wěn)定性、維持生態(tài)平衡的同時，也美化了環(huán)境[1].本文結合雷西高速公路的典型生態(tài)防護邊坡，利用FLAC3D軟件進行天然邊坡和生態(tài)防護邊坡的建模分析，以驗證生態(tài)防護對邊坡穩(wěn)定性的效果與作用.

1 工程概況

雷西高速公路是青島至蘭州國家高速公路雷家角(陜甘界)至西峰段高速公路，位于黃土高原區(qū)隴東黃土高原亞區(qū)，該亞區(qū)是我國黃土高原地貌特征表現(xiàn)最為典型的區(qū)域，屬于我國典型的北方干旱地區(qū)氣候，年平均降水量為185～630 mm/年，具有年平均降雨量少，降雨又十分集中的特點，是全國水土流失最嚴重的地區(qū)之一[2].同時，由于黃土具有濕陷性的特性，所以裸露的邊坡潛蝕性沖刷破壞比較嚴重，從而導致防護體的破壞，防護作用的失效，邊坡容易產生失穩(wěn)破壞.

為了保護生態(tài)環(huán)境、提高公路旅行的舒適度、改善和彌補工程護坡方法的不足，雷西高速公路在沿線邊坡進行了生態(tài)防護.主要在其沿線的路基邊坡中，坡面種植了灌木(紫穗槐、黃刺玫等)和草本(扁穗冰草、黑麥草等)，局部的邊坡平臺上種植了喬木(刺槐、國槐等)，以期達到改善和提高公路邊坡穩(wěn)定性的目的.

2 邊坡土體參數(shù)的確定

楊亞川等[3]在提出了根-土復合體的概念，即認為在邊坡生態(tài)防護中，植物根系對邊坡起到加筋作用，并且可以把加筋后的邊坡土體當成是根-土復合體的一種材料.

依托甘肅省交通廳“子午嶺林區(qū)邊坡生態(tài)防護技術研究”的相關科研課題，分別在雷西高速公路的典型邊坡坡面及平臺選取含草根土樣、灌木根土樣各1組3件，同時在地質條件相同、但無生態(tài)防護的邊坡取無根土樣1組3件作為對照組，進行室內三軸固結不排水剪試驗.通過三軸試驗得出的土性參數(shù)見表1.

表1 三軸試驗得出的土性參數(shù)值

3 不同坡比的邊坡穩(wěn)定性計算

通過對表1中含草本根和灌木根的土性參數(shù)的分析可知，草本對于邊坡土體的土性參數(shù)影響很小.因此，盡管邊坡坡面上同時種植了草本和灌木，但為了簡化計算，建立含植物根系的邊坡模型時，只考慮灌木根系的影響[4].同時，灌木根系在邊坡上的深度有限，因此，在建立含植物根系的邊坡模型時，在灌木根系的實際分布范圍內(坡面下1 m)，邊坡土體的土性參數(shù)選用含灌木根的，而深層邊坡土體的土性參數(shù)值均選用無根土的參數(shù).

FLAC3D軟件是計算巖土工程問題的專業(yè)性軟件，利用其自帶了利用強度折減法求解邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的命令(solve fos)，對計算邊坡穩(wěn)定性有獨特的優(yōu)勢[5].根據(jù)所選的典型邊坡情況，在FLAC3D軟件中分別建立邊坡坡比為1∶0.5，1∶0.75，1∶1，1∶1.25和1∶1.5的素土和含根土的共10個局部邊坡模型，模型采用莫爾-庫侖模型，約束條件為下部固定、左右兩側水平約束，上部為自由邊界[6-8].

通過計算，得到對應于素土和含根土的不同坡比的邊坡穩(wěn)定性的計算結果.10個邊坡局部模型求解得到的安全系數(shù)、剪切應變增量云圖見圖1～10.

圖1 坡比1∶0.5的素土邊坡

圖2 坡比1∶0.5的含根土邊坡

圖3 坡比1∶0.75的素土邊坡

圖4 坡比1∶0.75的含根土邊坡

圖5 坡比1∶1的素土邊坡

圖6 坡比1∶1的含根土邊坡

圖7 坡比1∶1.25的素土邊坡

圖8 坡比1∶1.25的含根土邊坡

圖9 坡比1∶1.5的素土邊坡

圖10 坡比1∶1.5的含根土邊坡

不同坡比下對應于素土和含根土邊坡局部模型的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)及最大剪切應變增量的計算結果匯總見表2.

4 計算結果分析

從圖1～10和表2中可以看出：

1) 在同一邊坡坡比下，以坡比為1∶0.5時為例，素土邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)為1.121，含根土邊坡的則為1.127，可見含根土邊坡的穩(wěn)定性要好于素土邊坡，這一結論對其他坡比的邊坡均適用.但同時也可以看出，安全系數(shù)增大的幅度很小.說明在邊坡不種植喬木的情況下，灌木根系的植入對邊坡穩(wěn)定性的影響非常有限.

表2 不同邊坡坡比的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)及最大剪切應變增量結果

2) 邊坡坡比從1∶0.5逐漸放緩至1∶1.5時，素土邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)從1.121增加到了1.343，邊坡的安全系數(shù)顯著增大，即邊坡穩(wěn)定性增強，這一點是符合預期結果的.可見要增大邊坡的穩(wěn)定性，減小邊坡的坡度是一個重要的措施.

3) 在同一邊坡坡比下，以坡比為1∶1.5時為例，素土邊坡的最大剪切應變增量為2.76 cm，含根土邊坡的則為1.64 cm.這說明含根土邊坡由于灌木根系的植入，在相同荷載下產生的剪切應變增量明顯小于素土邊坡，即灌木根系的植入能有效地減小邊坡位移.

4) 對比分析5個不同坡比下的含根土邊坡與素土邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)的增量，可以看出坡比在1∶1.25時，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的增量最大(0.054)，因此，當邊坡坡比在1∶1.25左右時植物根系對邊坡穩(wěn)定性的改善效果最明顯.

5 結 論

1) 邊坡生態(tài)防護中，灌木和草本根系的存在，確實能增加邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)，但在不種植喬木的情況下，灌木和草本根系的植入對邊坡穩(wěn)定性的增強影響有限.

2) 不管邊坡是否進行了生態(tài)防護，坡率的放緩都會增加邊坡的穩(wěn)定性.

3) 邊坡進行了生態(tài)防護，可以有效的減小邊坡的位移.

4) 對于雷西高速沿線的典型生態(tài)防護邊坡，當坡比為1∶1.25時，植物根系對邊坡穩(wěn)定性的改善作用最為明顯.

[1]張永興.邊坡工程學[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[2]劉祖典.黃土力學與工程[M].西安:陜西科學技術出版社，1997.

[3]楊惠林.黃土地區(qū)路基邊坡防護技術研究[D].西安：長安大學，2006.

[4]王其江.西北黃土邊坡工程穩(wěn)定性研究[D].阜新：遼寧工程技術大學，2002.

[5]孫書偉，林 杭.FLAC3D在巖土工程中的應用[M].北京：中國水利水電出版社，2011.

[6]李 圍，洗 進.隧道及地下工程FLAC解析方法[M].北京：中國水利水電出版社，2009.

[7]楊賢水.馮宗義.港航工程擋土墻結構選型之探討 [J].中國新技術新產品，2012(14)：55-58.

[8]王 穎.干旱區(qū)造林時間對楊樹造林質量的影響因素分析[J].科技致富向導，2012(13)：102-106.

Stability Analysis of the Slope of the Typical Ecological Protection for Lei-Xi Highway

OU Xiangping1)LI Bo2)ZHU Yunsheng1)WANG Zehua1)

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)1)(CityCollegeofWuhanUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430083,China)2)

Lei Xi high-speed is located in Longdong Loess Plateau sub region of the Loess Plateau Area,which is the most typical part for the features of landform in Loess Plateau in China.This paper mainly uses the method of numerical analysis,with the typical slope in highway chosen,and the corresponding models were established with plant root and non root by using the software FLAC3D.Then through the comparison and analysis of the stability of the slope,and in consideration of the influence of different slope ratio,the effect of ecological protection was verified theoretically.

the loess plateau; numerical analysis; slope stability; eco-protection

2015-04-12

TU444

10.3963/j.issn.2095-3844.2015.03.040

歐湘萍(1962- )：男，碩士，副教授，主要研究領域為道路與橋梁工程