欧湘萍 李 博 朱云升 王泽华
(武汉理工大学交通学院1) 武汉 430063) (武汉科技大学城市学院2) 武汉 430083)
雷西高速公路生态防护边坡的稳定性分析
欧湘萍1)李 博2)朱云升1)王泽华1)
(武汉理工大学交通学院1)武汉 430063) (武汉科技大学城市学院2)武汉 430083)
雷西高速公路位于黄土高原区陇东黄土高原亚区,该亚区是我国黄土高原地貌特征表现最为典型的区域.文中运用数值分析的方法,选取典型的生态防护边坡,利用FLAC3D软件分别建立含植物根系和无植物根系的边坡模型,对不同坡比的边坡进行稳定性的对比分析,从理论上验证了生态防护对边坡稳定性的作用.
黄土高原;数值分析;边坡稳定;生态防护
生态防护,是指用活的植物或者植物与工程防护相结合,通过植物根系对边坡土体的加筋和固土,减轻了坡面的不稳定性和侵蚀,在保障边坡稳定性、维持生态平衡的同时,也美化了环境[1].本文结合雷西高速公路的典型生态防护边坡,利用FLAC3D软件进行天然边坡和生态防护边坡的建模分析,以验证生态防护对边坡稳定性的效果与作用.
雷西高速公路是青岛至兰州国家高速公路雷家角(陕甘界)至西峰段高速公路,位于黄土高原区陇东黄土高原亚区,该亚区是我国黄土高原地貌特征表现最为典型的区域,属于我国典型的北方干旱地区气候,年平均降水量为185~630 mm/年,具有年平均降雨量少,降雨又十分集中的特点,是全国水土流失最严重的地区之一[2].同时,由于黄土具有湿陷性的特性,所以裸露的边坡潜蚀性冲刷破坏比较严重,从而导致防护体的破坏,防护作用的失效,边坡容易产生失稳破坏.
为了保护生态环境、提高公路旅行的舒适度、改善和弥补工程护坡方法的不足,雷西高速公路在沿线边坡进行了生态防护.主要在其沿线的路基边坡中,坡面种植了灌木(紫穗槐、黄刺玫等)和草本(扁穗冰草、黑麦草等),局部的边坡平台上种植了乔木(刺槐、国槐等),以期达到改善和提高公路边坡稳定性的目的.
杨亚川等[3]在提出了根-土复合体的概念,即认为在边坡生态防护中,植物根系对边坡起到加筋作用,并且可以把加筋后的边坡土体当成是根-土复合体的一种材料.
依托甘肃省交通厅“子午岭林区边坡生态防护技术研究”的相关科研课题,分别在雷西高速公路的典型边坡坡面及平台选取含草根土样、灌木根土样各1组3件,同时在地质条件相同、但无生态防护的边坡取无根土样1组3件作为对照组,进行室内三轴固结不排水剪试验.通过三轴试验得出的土性参数见表1.
表1 三轴试验得出的土性参数值
通过对表1中含草本根和灌木根的土性参数的分析可知,草本对于边坡土体的土性参数影响很小.因此,尽管边坡坡面上同时种植了草本和灌木,但为了简化计算,建立含植物根系的边坡模型时,只考虑灌木根系的影响[4].同时,灌木根系在边坡上的深度有限,因此,在建立含植物根系的边坡模型时,在灌木根系的实际分布范围内(坡面下1 m),边坡土体的土性参数选用含灌木根的,而深层边坡土体的土性参数值均选用无根土的参数.
FLAC3D软件是计算岩土工程问题的专业性软件,利用其自带了利用强度折减法求解边坡稳定安全系数的命令(solve fos),对计算边坡稳定性有独特的优势[5].根据所选的典型边坡情况,在FLAC3D软件中分别建立边坡坡比为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个局部边坡模型,模型采用莫尔-库仑模型,约束条件为下部固定、左右两侧水平约束,上部为自由边界[6-8].
通过计算,得到对应于素土和含根土的不同坡比的边坡稳定性的计算结果.10个边坡局部模型求解得到的安全系数、剪切应变增量云图见图1~10.
图1 坡比1∶0.5的素土边坡
图2 坡比1∶0.5的含根土边坡
图3 坡比1∶0.75的素土边坡
图4 坡比1∶0.75的含根土边坡
图5 坡比1∶1的素土边坡
图6 坡比1∶1的含根土边坡
图7 坡比1∶1.25的素土边坡
图8 坡比1∶1.25的含根土边坡
图9 坡比1∶1.5的素土边坡
图10 坡比1∶1.5的含根土边坡
不同坡比下对应于素土和含根土边坡局部模型的边坡稳定安全系数及最大剪切应变增量的计算结果汇总见表2.
从图1~10和表2中可以看出:
1) 在同一边坡坡比下,以坡比为1∶0.5时为例,素土边坡的稳定安全系数为1.121,含根土边坡的则为1.127,可见含根土边坡的稳定性要好于素土边坡,这一结论对其他坡比的边坡均适用.但同时也可以看出,安全系数增大的幅度很小.说明在边坡不种植乔木的情况下,灌木根系的植入对边坡稳定性的影响非常有限.
表2 不同边坡坡比的边坡稳定安全系数及最大剪切应变增量结果
2) 边坡坡比从1∶0.5逐渐放缓至1∶1.5时,素土边坡的稳定安全系数从1.121增加到了1.343,边坡的安全系数显著增大,即边坡稳定性增强,这一点是符合预期结果的.可见要增大边坡的稳定性,减小边坡的坡度是一个重要的措施.
3) 在同一边坡坡比下,以坡比为1∶1.5时为例,素土边坡的最大剪切应变增量为2.76 cm,含根土边坡的则为1.64 cm.这说明含根土边坡由于灌木根系的植入,在相同荷载下产生的剪切应变增量明显小于素土边坡,即灌木根系的植入能有效地减小边坡位移.
4) 对比分析5个不同坡比下的含根土边坡与素土边坡的稳定安全系数的增量,可以看出坡比在1∶1.25时,边坡稳定安全系数的增量最大(0.054),因此,当边坡坡比在1∶1.25左右时植物根系对边坡稳定性的改善效果最明显.
1) 边坡生态防护中,灌木和草本根系的存在,确实能增加边坡的稳定安全系数,但在不种植乔木的情况下,灌木和草本根系的植入对边坡稳定性的增强影响有限.
2) 不管边坡是否进行了生态防护,坡率的放缓都会增加边坡的稳定性.
3) 边坡进行了生态防护,可以有效的减小边坡的位移.
4) 对于雷西高速沿线的典型生态防护边坡,当坡比为1∶1.25时,植物根系对边坡稳定性的改善作用最为明显.
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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
欧湘萍(1962- ):男,硕士,副教授,主要研究领域为道路与桥梁工程