刘 宝 李丹峰

(中国铁路设计集团有限公司,天津 300308)

1 概述

随着我国在西部地区交通基础设施建设力度的加大,许多铁路及公路工程需通过路堑形式经过黄土地区,而黄土路堑边坡护坡措施对保障边坡工程长期稳定性和耐久性至关重要。 目前,路堑边坡防护措施有工程护坡、植物护坡、骨架护坡等[1-3],实际工程项目中,由于植被护坡具有防止坡体冲刷潜蚀、水土保持、加固坡体、和生态绿化等优点,诸多深挖高填边坡多采用“工程护坡+植物护坡”模式,如“拱形骨架+客土植草、框格梁+植生袋”等。 然而,黄土地区气候干旱,且黄土自身具有多孔性、透水性强等特点,坡面草种发芽率低、幼苗成活率低,难以达到防护目的;另外,在石料匮乏的黄土高原及风沙地区,圬工护坡(如浆砌片石)不仅增加工程造价,还极易引发防护体与土体之间的潜蚀性冲刷破坏,从而使防护失效[4-5]。 随着对工程建设生态环境的重视,边坡生态防护新技术如三联生态护坡、生态袋、加筋植生毯等逐步得到发展。

现阶段黄土地区边坡防护的设计与建设实施中,由于多种原因还是采用简单绿化,关于黄土路堑边坡防护技术方面的研究还比较欠缺,需积极引进新技术解决黄土路堑边坡生态护坡问题[6-8]。 目前,已有相关学者开展黄土路堑边坡生态护坡技术的研究,杨惠林针对湿陷性黄土地区边坡防护提出一种“拱形骨架+土工格室植”复合型生态护坡,并采用数值计算方法分析坡面的应力状态和稳定性[9]。 三联生态护坡具有安全防护、生态修复及环保绿化的特点,在公路工程特殊边坡防护领域已有所应用,并取得一定效果,戴德江等针对西南高速公路岩质边坡防护现状,考察云南、贵州省区等三联生态防护技术实施效果[10];韦春艳等比较三联生态防护及与传统防护方式的优劣势[11];黄驟屹等基于云南广那高速公路岩质边坡分析植被生态修复、三联生态防护与传统圬工防护的功效差异[12]。

综上,由于黄土地区气候特点及黄土工程特性的特殊性,黄土路堑边坡易遭受降雨冲刷破坏进而导致边坡稳定性变差,故黄土路堑边坡防护较为困难。 为此,依托蒙华铁路工程浩勒报吉至三门峡段,提出一种“骨架护坡+三联生态护坡”黄土路堑边坡防护措施,开展土水特征试验,研究该地区黄土的土水特征曲线,并根据其土水特征曲线,采用数值计算方法分析降雨工况下该复合护坡的入渗特征和稳定性,优化三联生态护坡设计参数,总结“骨架护坡+三联生态护坡”的施工要点。

2 黄土水力特性试验

2.1 土水特征试验

马兰黄土试验材料取自蒙华铁路浩三段试验段工点(见图1)。 利用GDS 三轴仪,通过非饱和土试验模块,对特定工点原状黄土进行水土特征试验和给定基质吸力条件下固结排水试验。

图1 土样取样点

试验黄土基本物理性质指标如下。 液限27.5%,塑限19.7%,塑性指数7.8,天然含水率6.88%,比重2.65,孔隙比0.88,密度1.55 g/cm3。 土水特征试验试样尺寸为3.9 cm(直径)×8 cm(高),按照不同含水率分为6 组,分别采用6.88%,9.94%、15.1%、19%、23%、25%含水率进行配置。 GDS 加载前,通过调整围压室顶部排气孔使试验前围压在2 kPa,关闭水压阀门和反压阀门,打开气压阀门,启动GDS 控制系统和测量系统,给定轴向应力、围压、气压(轴向应力≥围压≥气压)。 由于气压是定值,水压阀门关闭,试样便在封闭环境中调整孔隙水压,直至达到定值,进而反算不同含水率下的基质吸力,绘制土水特征曲线,试验结果见表1。

表1 马兰黄土土水特性试验结果

通过上述试验,得到黄土水土特征曲线,通过Van Genuchten(简称V-G)模型对试验数据进行拟合,V-G模型为描述非饱和土体体积含水量和吸力之间关系的通用模型,对大部分非饱和土体在宽含水量范围内具有普遍适用性,其关系式为

式中,θ为体积含水量;α为基质吸力;θr为残余体积含水量;θs为饱和体积含水量;a,n为拟合参数。根据表达式,对马兰黄土的土水特征曲线进行拟合,拟合结果见图2。

图2 非饱和黄土土水特征曲线

2.2 三轴剪切试验

饱和-非饱和黄土的三轴剪切试验通过GDS 三轴仪实现,对马兰黄土进行饱和状态下和含水量15.1%情况下的固结排水剪切试验,首先,给定轴向应力、围压、孔隙气压、孔隙水压,即给定符合试样含水量的基质吸力,直至稳定;其后分别在净围压为50,100,150 kPa 条件下,以0.010 7 mm/min 恒定速率(保证基质吸力不变)进行排水剪切,直至轴向应变达到15%(试样破坏),试验结果见表2。

表2 马兰黄土三轴剪切试验结果

3 边坡渗流及稳定性分析

3.1 模型建立

蒙华铁路浩勒报吉至三门峡段所经地区位于鄂尔多斯盆地内部,又称陕甘宁盆地,地貌单元众多,地形起伏较大,从北向南,大的地貌单元依次为毛乌素沙漠、黄土高原、黄龙山—南吕梁山脉、临汾盆地—峨嵋台地—运城盆地、中条山脉、灵三盆地、东秦岭山脉北麓。 根据蒙华铁路浩勒报吉至三门峡段边坡工程特点及气候特点,采用生态防护、强化植物固坡、减少水土流失的设计理念,强化景观效果和环境效益、生态效益的原则,提出以“骨架护坡+三联生态护坡”作为黄土路堑边坡防护措施,该体系由“锚杆+镀锌三维网”作为第一联物理防护,专用纤维和粘结材料合理配比后附着在镀锌三维网及土壤基层上构成第二联抗蚀防护,乔、灌、草、藤本等植被构成第三联植被生态防护,三联生态护坡的结构形式见图3。

图3 三联边坡生态防护结构形式(单位:cm)

为分析降雨条件下护坡的入渗规律和稳定性,验证防护措施的合理性,优化护坡设计参数,采用MIDAS-GTS 有限元方法建立非饱和黄土边坡计算模型,模型XYZ方向尺寸分别为51,20,30 m。 岩土单元采用摩尔-库伦本构,渗流模型采用达西定律描述;该模型中金属网、锚杆采用梁单元进行模拟,锚杆长取2 m,辅锚杆长取1.5 m,并且和周围土体共节点模拟协调变形;混凝土骨架采用弹性本构关系;降雨入渗边界为坡面坡顶以及地基面,地下水位位于地面以下18 m 位置。 在整体计算模型中,地基土体模型的两侧边界设为侧向约束,底边边界设固定约束,计算模型见图4。

图4 三联边坡生态防护计算模型(单位:m)

模型中,边坡和黄土地基土采用非饱和土模型描述,土水特征曲线的V-G 模型参数及剪切强度参数根据试验拟合得到,其余参数根据文献[13]相关研究结果确定,各部件的计算参数见表3、表4。

表3 力学计算参数

表4 水力计算参数

根据相关资料,研究区年平均降雨量一般在600 mm 以下,历史上最大日降雨量达200 mm[14]。 为便于比较,假设4 种不同降雨类型(小雨、中雨、暴雨、特大暴雨)总降雨量均为200 mm,3 种降雨类型分别为:①雨强50 mm/d,持续4 d;②雨强100 mm/d,持续2 d;③雨强200 mm/d,持续1 d。 锚杆长度按1 m、2 m、3 m 计算,默认状态下为2 m,边坡高度按12 m、8 m、6 m 计算,默认为12 m。

3.2 渗流变化规律

图5 为暴雨工况下孔压的变化规律,将边坡体内所有负的孔隙水压力定义为基质吸力,降雨前边坡体基质吸力在地下水位以下为0,地下水位以上随坡高线性递增。 随着降雨的持续,雨水向坡体内入渗,基质吸力也随雨水的渗入逐渐减小,路基边坡坡顶与坡面的基质吸力最先受到影响,在降雨初期基质吸力迅速减少,而后缓慢发展,随着雨水的渗透,路基坡顶、坡面和坡脚位置基质吸力变化区域逐渐变大,而非饱和土又具有一定的持水能力,降雨对边坡体表层一定深度范围的基质吸力影响较大,与文献[15]研究结果的变化规律类似,也验证该计算模型的可靠性。

图5 暴雨工况下孔压变化规律(单位:kPa)

图6 为暴雨工况下三联生态防护边坡饱和度变化规律。 由图6 可知,降雨初期,坡面和坡顶饱和度陡然增加,随着降雨的持续,饱和度逐渐向深度和四周方向逐渐增大,加速了雨水的渗入。 在暴雨期间,路基边坡坡脚处首先形成局部饱和区,之后饱和度等值线逐渐向路基边坡内部迁移,坡面浅层土体处逐渐形成连续的饱和区并逐渐趋于稳定。

图6 暴雨工况下各阶段饱和度变化规律

3.3 稳定性变化规律

基于渗流-应力偶耦合下强度系数折减法计算路堑边坡稳定[15],以护肩特征点位移值突变情况作为失稳的判断准则,黄土路堑边坡在持续暴雨下,安全系数逐渐减小,从降雨开始至历时0.2 h,安全系数从1.8 降低至1.0。 且降幅在降雨初期较大,随着降雨持续,非饱和土边坡在下渗表水浸润下,由非饱和状态逐渐达到饱和状态,稳定安全系数降幅逐渐减小,最后趋于定值。 因此,从变化阶段上来看,降雨初期稳定性系数也有一个短暂骤降期,然后是稳定性平缓期,最后随时间增长稳定性系数出现一定回升(见图7)。

图7 暴雨工况下路堑边坡稳定性变化规律

3.4 参数变化影响规律

图8 为不同降雨强度下路基边坡饱和度和孔压的分布规律。 由图8 可知,随着降雨强度的增大,路基边坡浅层饱和度和孔隙水压变化幅度越大,饱和度下降速度较快,但降雨强度越小时饱和度和孔隙水压变化的深度更大,在降雨强度为50,100,200 mm/d 时,影响深度分别为4.6,3.8,2.9 m,并且在2 m 范围内的影响比较明显。

图8 不同降雨强度下渗流变化分布规律

图9 为不同降雨强度下边坡稳定系数变化规律,50 mm/d 时在降雨初期稳定系数从1.8 降低至1.14,在后期呈现回升趋势,主要因为土体渗透系数一定时,降雨强度较小时达到持水能力后水份可较快消散,100,200 mm/d 降雨强度下稳定系数变化规律基本类似,从整体上看,边坡稳定性系数与降雨强度大致呈现负相关。

图9 降雨强度对安全系数的影响变化规律

图10 为不同边坡高度下风沙路基边坡稳定系数变化规律,降雨状态下,随着边坡高度增加,其稳定性逐渐降低,降雨初期不同边坡高度的稳定性系数降低速率基本一致;随着降雨时间的增加,边坡稳定性系数发展规律表现出一定的差异,边坡高度较低时其稳定系数有一定的回升趋势,而在H=12 m 时,稳定性基本达到稳定的临界状态。 因此,三联边坡防护高度不宜超12 m。

图10 边坡高度对安全系数的影响变化规律

图11 为三联生态护坡不同锚杆长度下风沙路基边坡稳定系数变化规律,降雨状态下,随锚杆长度增长,其稳定性逐渐提高,但在降雨初期,不同锚杆长度的稳定性系数都表现明显的降低,在锚杆长度为2 m和3 m 工况下,随着降雨时间的增加,其稳定系数有一定的回升趋势,且两者差距较小。 因此,考虑其经济性,三联边坡锚杆长度不宜超3 m。

图11 锚杆长度对边坡稳定系数的影响变化规律

4 施工工艺及实施效果

选取蒙华铁路 DK391 + 636.66 ～ DK392 +145.14 里程开展施工工艺试验,主要施工工序依次为:前期准备→坡面清理→骨架施作→铺挂镀锌三维网→锚固镀锌三维网→喷洒种子、微生物层混合物基材→养护,具体施工工艺流程见图12。

图12 三联生态护坡施工工艺流程

由于三联生态护坡的使用尚在起步阶段,为保证现场三联生态护坡的施工质量,编制了施工质量管理程序(见图13)。 该路基三联生态边坡防护试验段2016 年7 月份开始实施,于2016 年10 月份施工完成,现场实施效果见图14,三联生态护坡经过多次强降雨后,植被生长良好,坡面稳定,表现出抗侵蚀性能强,景观效应明显的性能,可满足黄土地区边坡防护功能需求。

图13 三联生态护坡施工质量管理程序

图14 三联生态防护实施效果

5 结语

(1)蒙华铁路浩三段非饱和黄土的土水特征曲线可利用VG 模型进行描述,试验数据与拟合曲线吻合得较好,非饱和黄土的抗剪强度与含水率密切相关,随土体含水率增加,内摩擦角、黏聚力逐渐减少,黏聚力下降幅度较大,总抗剪强度降低。

(2)降雨下三联生态防护边坡浅层的孔压和饱和度增加速度明显,坡脚处首先形成局部饱和区,之后饱和度等值线逐渐向路基边坡内部迁移,坡面浅层土体处逐渐形成连续的饱和区并逐渐趋于稳定。

(3)降雨入渗和降雨强度对边坡稳定性影响明显,主要引起边坡的浅层稳定性减低,在边坡浅层土体2 m 范围内影响最为明显,三联边坡锚杆长度不宜超3 m,暴雨工况下三联生态护坡高度12 m 时基本接近稳定系数的安全值,三联生态护坡适用范围不宜超过12 m。

(4)通过施工工艺流程和质量管理程序进行三联生态护坡施工的质量控制,施工完成后经历多个雨季,边坡稳定状态和绿化效果良好。 理论分析和实践表明,蒙华铁路黄土路堑边坡采取“骨架护坡+三联生态”的防护措施,可保证黄土路堑高边坡的安全稳定和健康运营。