影响岩质路堑边坡表层土稳定性因素的敏感度分析.pdf

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编号:20181111084150814267    类型:共享资源    大小:261.45KB    格式:PDF    上传时间:2019-02-16
  
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箩10 箩5 水利与建筑工程学报 l2 1 0月 Journal of wa【e; h V01.10 No.5 O ct..201 2 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) 摘要: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。 关键词:植被护坡;稳定性因素;敏感度分析 中图分类号:P642.2 文献标识码:A 文章编号:1672一l144(2012)o5~0022—04 Sensitivity Analyses for Influencing Factors on Surface Soil Stability of Rock—cutting Soil ZHAO Zhi.ming ,WANG Xi—hua2 (1.CoZ~ge ofGeosciences and Environmental Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu,Sichuan 610031,China; 2.School ofResources and Environment,Southwest Petroleum University,Chengdu,Sichuan 610500,China) Abstract: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 influ— encing factors(slope angle,thickness,unite weight,cohesion,friction angle)of the protection layer’S stability of rock— cutting 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~ngle is the most important fac— tor to help the stability of protection layer. Keywords:vegetation slope;stability factor;sensitivity analysis 0前言 1 渝1’不铁路鱼嘴车站地质概况[2] 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l_1 J。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E2j。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。 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~250 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(Q4 dl“ )、坡残积 (Q4m )、下伏基岩侏罗系中统沙溪庙组(J2s)。砂 黏土(Q4m P):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(Q4 dJ川P): 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(Q4m ):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, 收稿日期:2012—03—28 修稿日期:2012—04.22 基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金资助(SWJTU09BR033) 作者简介:赵志明(1977一),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。 万方数据 第5期 赵志明,等:影响岩质路堑边坡表层土稳定性因素的敏感度分析 23 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D1KS1+450~D1KS1+980是长大深 路堑,中心最大挖深48 m;除地表层0 13q~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。 D1KS1+460~D1KS1+980左侧长520 m及 D1KS1+530~D1KS1+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1.6 in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 In,基材厚度 10 cm,挂网采用 3.0高镀锌机编铁丝网。锚杆采 用 l6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[ ,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),a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nlnl。 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[ ]: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,,、坡度a、表层土厚度h、表层土的重度7 及其力学参数C、 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=vhH/sina(kN),稳定系 数可以用F 表示,即 =丝 =ctgatg~f+— C7hsina 7hs—ina(1) 一 一u r \1/ 式(1)对有根系边坡和无根系边坡都是适用 的。 (1)求 对y的偏导数 万方数据 24 水利与建筑工程学报 第10卷 = -C hsin (2) ay —y2 a 可见, 并不是一个常数,它随着y、C、h、 的变化而变化。 (2)求 对C的偏导数 aF, :— 1C 7hs—ina (3) a 一 \J 可见,对同一边坡, 是一个常数,它只受着 边坡表层土体坡度、重度以及表层土体厚度影响。但 a 对于不同边坡, 会受到y、h、a的影响。 乙 (3)求 对 的偏导数 a f s :ctgd+ctgat (4) t + tg t L4 可见, 也不是一个常数,它随着 、 的变化 0 而变化。 (4)求 对a的偏导数 3Fs = g +ct 嘴 + )(5) pt 可见, 是一个负值,说明随着坡度的增加, 稳定系数是减小的。它的大小受a、 y、C、h等参 数控制。 (5)求 对h的偏导数 aF, = - C7h2 i (6) a 一 s n 、u 可见, 是一个负值,说明随着表层土厚度的 增加,稳定系数是减小的,它的大小受a、y、C等参 数控制。 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y=15.6 kN/m3,h= 25 cm, =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, = 26.3。,h=25 cm, =53。,),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 =15.6 kN/m3, = 26.3。,C=11.57 kPa表层土厚度h取15 cm~30 em 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 =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。 万方数据 第5期 赵志明,等:影响岩质路堑边坡表层土稳定性因素的敏感度分析 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),= 15.6 kN/m3 ,h=25 cm,口=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 坡形状参数为日=8 m,a=53o,h=25 cm,C=11.57 kPa, =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、 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 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、 都有所 提高,由于根系对边坡的加筋作用,粘聚力C提高, 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、 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。 参考文献: [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. 万方数据
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