丘陵山區(qū)農(nóng)村道路路基穩(wěn)定性及影響因素研究

修維寧，魏朝富，張仕超，張平倉，丁文峰

（1.西南大學資源環(huán)境學院三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室，重慶 400715；2.長江科學院水土保持研究所，武漢 430010）

丘陵山區(qū)農(nóng)村道路路基穩(wěn)定性及影響因素研究

修維寧1，魏朝富1，張仕超1，張平倉2，丁文峰2

（1.西南大學資源環(huán)境學院三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室，重慶 400715；2.長江科學院水土保持研究所，武漢 430010）

從土壤條件、工程地質(zhì)條件和水文及水文地質(zhì)條件3方面，闡述了道路路基穩(wěn)定性及其影響因素。路基填土穩(wěn)定性主要依賴土體粘聚力和內(nèi)摩擦角，而承載力取決于填土含水量和壓實度；道路沿線巖石的種類、風化程度和裂隙情況，巖石走向、傾向、傾角、層理和巖層厚度，有無夾層或遇水軟化的夾層以及有無斷層或其他不良地質(zhì)現(xiàn)象等，都對路基穩(wěn)定性有一定的影響；水的滲透不僅產(chǎn)生滲透力對土體造成破壞，更能降低土體的抗剪強度等。這些研究成果對丘陵山區(qū)農(nóng)村道路的路基設計具有重要的理論價值。

路基；穩(wěn)定性；承載力；滲透性

農(nóng)村道路作為直接服務于農(nóng)民生活與生產(chǎn)活動的農(nóng)業(yè)基礎設施，把握著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)農(nóng)機化水平、農(nóng)民生活水平及農(nóng)村社會經(jīng)濟的重要命脈，是新農(nóng)村建設的基本途徑［1］。但我國農(nóng)村范圍廣、人口多、農(nóng)村道路建設要受到社會經(jīng)濟條件的約束，其建設相對滯后且質(zhì)量水平較低。路基承受著土體自重和路面結(jié)構(gòu)靜荷載，又承受由路面?zhèn)鬟f下來的人畜行車動荷載，作為道路的承重主體，路基穩(wěn)定性的好壞影響著道路整體質(zhì)量的水平。道路網(wǎng)的空間延伸需穿越有不同水文、地質(zhì)等條件的區(qū)域，而路基的穩(wěn)定性在很大程度上取決于不同區(qū)域的這些自然條件［2］。我國丘陵山區(qū)地形地貌、水文地質(zhì)環(huán)境復雜，巖性多樣，從而造成農(nóng)村道路路基土體的力學特性各異，因而，對不同自然條件下路基穩(wěn)定性設計提出了更高的要求。如路基的材料選用、軟路基的填充壓實、路基沉降垮塌與拓寬墊高、路基邊坡防滑穩(wěn)定、路基的防護與加固、路基排水、路基的施工工藝等處理技術(shù)［3，4］。目前，道路路基設計及特定情景的處理技術(shù)［5－8］、施工工藝及質(zhì)量的控制技術(shù)［9－11］研究多停留在投資大、技術(shù)支撐強的鐵路、公路、市政道路的建設，而對區(qū)域自然條件依賴更大的農(nóng)村道路路基的穩(wěn)定性分析與設計的研究較少，為此，本文在總結(jié)國內(nèi)外道路路基建設的經(jīng)驗基礎上，概述了不同土壤條件，工程地質(zhì)條件，水文和水文地質(zhì)條件下道路路基穩(wěn)定性及其設計，可為農(nóng)村道路路基建設提供理論基礎。

1 土壤條件對路基的影響

路基工程材料較多，包括條石、塊石、碎石、電石渣、水泥粉煤灰及石灰粉煤灰碎石與砂礫等［12，13］，但土是道路路基建設的最根本的基礎材料。尤其是農(nóng)村道路路基，受到自然條件和社會經(jīng)濟條件的約束較大，路基建設更與土壤條件密不可分。土壤與其他連續(xù)介質(zhì)的建筑材料相比，具有壓縮性高、抗剪強度低以及透水性大3個顯著的工程特性，同時，土類多而復雜，且不同土類的成因、成分、顆粒大小、級配、結(jié)構(gòu)等均不同，從而造成其力學性質(zhì)、工程性質(zhì)也不同，因而直接影響到路基的強度和穩(wěn)定性［14］，這也給土應力應變關系的確定、路基變形和穩(wěn)定性的計算與分析帶來了困難。土壤性質(zhì)對路基穩(wěn)定性的影響主要分為土壤性質(zhì)對土體抗剪強度的影響和土壤性質(zhì)對土體承載力的影響。

1.1 路基土體穩(wěn)定性

由路基填方或路基挖方形成的邊坡，在各種自然因素或者人為因素的作用下，邊坡土體的力學平衡破壞時，土體就會沿著其中某一滑面產(chǎn)生滑動。這種破壞主要是由于土坡中土體的剪應力達到了土的抗剪強度，以致在土坡內(nèi)形成了連續(xù)的滑動面，其上的土體沿剪切面發(fā)生滑動破壞。因此，對路基土體的穩(wěn)定性分析主要是對路基土體抗剪強度的分析，而土體的抗剪強度指標主要是粘聚力和內(nèi)摩擦角，這樣，分析土壤性質(zhì)對路基土體穩(wěn)定性的影響主要是分析土體粘聚力和內(nèi)摩擦角與土壤性質(zhì)的關系。土壤水可以通過影響土體中粘土礦物的脹縮性和收縮性來影響路基土體的穩(wěn)定性，膨脹土的膨脹量與含水量成反比，收縮量與含水量成反比，膨脹土體的含水量減小，摩擦力和內(nèi)摩擦角也會隨著增大［15］。在強度方面，土體的粘聚力隨干密度減小和含水率增加顯著降低，而密實度和含水率對內(nèi)摩擦角的影響不太顯著。土體的粘聚力隨干密度、含水率的變化規(guī)律具有較好的相關性［16，17］。

路基填土是一種不均勻的和非連續(xù)的中低壓縮性土，其土力學性質(zhì)及處理技術(shù)需要考慮土體物理性質(zhì)和基本力學性質(zhì)，涉及天然含水量、最佳含水量、最大干密度、液限、塑限、塑性指數(shù)、壓縮特性、無側(cè)限抗壓強度、三軸抗剪強度和彈性模量等［14－18］。路基的穩(wěn)定性隨著填土層或軟土層內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角的增大而增加，隨著填土重度的增大而減小，在一定厚度范圍內(nèi)，隨下臥層厚度增大而減小，高水位和高路堤都在一定程度上降低了路基的穩(wěn)定性［19］。路基填筑過程中，淤泥路基的強度增長要考慮不同位置增長速率差異，因此，需分級填筑施工，以保證淤泥路基的預壓工程安全合理［20］。

填方高度、地下水和填土粘聚力是影響路基穩(wěn)定的較敏感因素［21］，而影響填方邊坡整體穩(wěn)定性主因子是地形坡度和填土內(nèi)摩擦角以及二者之間的定性關系［22］。地形坡度較大時，采用降低填方高度的方法不能保證填方邊坡的整體穩(wěn)定性，此時應采用如開挖臺階填方、設置路肩墻、半路半橋等處理措施保證路基穩(wěn)定性，填方巖土內(nèi)摩擦角必須大于地形坡角，否則邊坡將處于失穩(wěn)狀態(tài)。而地形坡度等條件一定時，路基穩(wěn)定系數(shù)隨填方高度的增加而迅速減小。填方高度較小時，路基基本不存在穩(wěn)定性問題，隨著填方高度的增加，路基漸趨于不穩(wěn)定直至失穩(wěn)破壞，因此填方高度對路基穩(wěn)定性影響很大［21］。

1.2 路基土體承載力

路基回彈模量是反映路基承載能力的主要力學參數(shù)，多用于分析不同路基土的含水量、壓實度等對路基承載能力的影響。壓實可以提高土的密實程度，降低其透水性和壓縮性，可以提高路基土體的穩(wěn)定性。

提高低液限粘土路基的壓實度，可有效提高路基的回彈模量。粉砂土的變形與強度性質(zhì)隨路基壓實系數(shù)和含水率的變化而變化。黃河沖積粉土的顆粒級配不良，難于壓實，壓實后空氣體積率較大。最佳含水率條件下，壓實系數(shù)為0.90的粉土變形為軟化型，隨著含水率增加，試樣的變形性狀逐漸由軟化型轉(zhuǎn)變?yōu)橛不?，尤其圍壓高、含水率大時，塑性剪切位移更大；壓實系數(shù)不超過0.85、含水率不低于最佳含水率的試樣，變形均為硬化型。壓實粉土的粘聚力隨壓實系數(shù)減小或含水率增加顯著降低，而內(nèi)摩擦角的變化不大。壓實粉砂土濕化變形，土體的壓實系數(shù)對變形量影響顯著［16，17］。不同土質(zhì)的回彈模量對含水量變化的敏感性不同，其中粘土最強，粉土其次，砂礫土最弱。不同土質(zhì)情況下，在壓實度不變時路基回彈模量隨含水量的變化而變化。當含水量低于最佳含水量時，回彈模量隨壓實度的增加而增加；當含水量大于最佳含水量時，回彈模量隨壓實度的增加而減??；含水量越大，減小的幅度越大［23，24］。路基基底承載力與基底壓實度和含水量間存在很強的相關性。

存在一個最佳含水量，當基底土含水量不大于最佳含水量時，隨著壓實度的增加，承載能力也逐漸增大；當基底土含水量大于最佳含水量時，基底承載力和壓實度的關系線將出現(xiàn)一個峰值（對應的壓實度為臨界壓實度），當壓實度小于臨界壓實度時，基底承載力隨壓實度增大而增大，當壓實度大于臨界壓實度時，基底承載力隨壓實度增大而減小。當基底土含水量繼續(xù)增大到一定數(shù)值后，基底承載力就隨壓實度的增大而不斷減小［25］。基礎壓實時，應考慮水在土中的物理狀態(tài)及其與壓實功能的關系，并確定填料含水量、最優(yōu)碾壓系數(shù)、含水量控制范圍和碾壓系數(shù)，以使基礎填土做到既經(jīng)濟又滿足密實度要求，保證路基工程質(zhì)量和使用年限［26－29］。

2 工程地質(zhì)條件對路基的影響

道路沿線的地質(zhì)條件，如巖石的種類、成因、節(jié)理，風化程度和裂隙情況，巖石走向、傾向、傾角、層理和巖層厚度，有無夾層或遇水軟化的夾層、以及有無斷層或其他不良地質(zhì)現(xiàn)象（巖溶、冰川、泥石流、地震等）都對路基穩(wěn)定性有一定的影響［2］。

2.1 道路沿線地質(zhì)條件對路基的影響

道路沿線的工程地質(zhì)條件對路基的穩(wěn)定性及設計的影響較大。如沖積湖平原工程地質(zhì)區(qū)地質(zhì)條件差，上覆土層以全新統(tǒng)軟土、軟弱土為主，連續(xù)分布，埋深淺，屬中－厚層軟（弱）土，厚度、分布形態(tài)變化均較大，為該區(qū)主要特殊土層，一般路基和構(gòu)筑物基礎需要加固處理。

堆積階地工程地質(zhì)區(qū)工程地質(zhì)條件良好，上覆土層以上更新統(tǒng)下蜀土為主，層位穩(wěn)定，厚度大，物理力學性質(zhì)良好，是路基和一般淺基礎的良好持力層［30］。風化巖作為路基填料，最大粒徑宜控制在20 cm以內(nèi)，虛鋪應控制在30 cm以內(nèi)，當顆粒粒徑大于40 mm時，應采用大型振動壓路機，使土的結(jié)構(gòu)呈骨架密實或骨架懸浮結(jié)構(gòu)，盡量避免骨架空隙結(jié)構(gòu)［31］。強風化軟巖路基填料具有良好的壓實性能［32］，如泥質(zhì)千枚板巖、砂質(zhì)千枚板巖與泥質(zhì)粉砂巖等［33］，但壓實度為90%時，在較大的偏應力作用下，濕化不僅產(chǎn)生較大的附加軸向應變，而且還能引起相當大的附加體變和偏應變，濕化使填土的強度降低［34］，當然只要方法得當，施工工藝合理，可用于公路路基填筑［35］。千枚狀板巖強度低，抗風化能力、抗水性及抗變形能力較差［36］，但全風化體抗剪強度性能較好，路基填筑壓實后不易沉降，采用1∶1.5的路基邊坡坡度進行填筑，邊坡基本穩(wěn)定，且從回彈模量值看，千枚狀板巖能滿足路堤在剛度和強度方面的要求［37］。層狀或具有密集定向節(jié)理的巖體，節(jié)理面的厚度較小，在受壓時裂隙可能閉合，填充物可能壓密，受拉時易于脫開，受剪時上、下兩壁往往沿軟弱面發(fā)生相對錯動，在道路建設中若處理不當，路基也會失穩(wěn)破壞［38］。在不同的巖層傾角與巖體層面抗剪強度下，順層坡的穩(wěn)定性受巖層產(chǎn)狀、巖體中軟弱面的抗剪強度參數(shù)、路基邊坡開挖深度控制，若順向坡的巖層產(chǎn)狀越陡，邊坡的臨界開挖深度越淺；越緩則臨界開挖深度越深。同時，巖體中軟弱面的抗剪強度參數(shù)越高，邊坡的臨界開挖深度越深；越低則臨界開挖深度越淺［39］。

2.2 不良地質(zhì)條件對路基的影響

土洞、溶洞及危巖等不良地質(zhì)情況對路基穩(wěn)定性和運營安全性存在較大影響，為此必須進行填充加固處理。巖溶充填基底加固后，基底最大變形量大幅度減小。如水泥漿體在填土體中的擴散，凝固后的漿體可形成骨架，使得原有溶洞內(nèi)的淤泥狀承載力提高。巖腔的存在既降低了地基的穩(wěn)定安全系數(shù)，又造成了路基的不均勻變形，為此必須對巖腔進行填充處理，且填充時要確保填充的片石混凝土與巖腔頂部的巖體結(jié)合緊密，并且在巖腔底部要進行一定的排水設計［40］。巖堆地段的地質(zhì)結(jié)構(gòu)松散，空隙度大，其組成結(jié)構(gòu)很不均勻，在自重和附加荷載作用下容易產(chǎn)生不均勻沉降，巖堆地段的地質(zhì)結(jié)構(gòu)松散，空隙度大，其組成結(jié)構(gòu)很不均勻，在自重和附加荷載作用下容易產(chǎn)生不均勻沉降。巖堆自然固結(jié)時間越長越密實，巖堆路基的工后沉降越小，反之則越大；而在巖堆土體密度相同或相近的條件下，巖堆的含石量越大，其工后沉降反而越??；另外，相同土石比和密度的巖堆，其高度越大，沉降也越大但不成比例關系增加［41］。鋼筋砼蓋板跨越無填充類型溶洞時，砼蓋板最大拉應力值為0.54 MPa，路基經(jīng)過處理后最大變形量由處理前的13.32 cm下降至0.52 cm［42］。路堤不均勻沉降和路基失穩(wěn)作為巖溶路基病害的具體表現(xiàn)，而石芽、漏斗、洼地、溶洞、溶隙、巖溶泉等多種巖溶形態(tài)具有尺度效應，不同地段巖溶路基的具體處理措施也應各異［43］。

隨著道路施工擾動、新荷載的劇增，往往滋生路基巖隙裂縫、山體滑坡等地質(zhì)災害，為此，要做好裂縫表面的封閉、排水工作，分段設置預應力錨桿（索）抗滑樁，修建河流調(diào)治構(gòu)造物（堤壩、丁壩、穩(wěn)定河床等）及修建浸水擋土墻處理且挖方路基盡量不用爆破方式進行，填方路基盡量少用帶強夯的振動機械，同時加強監(jiān)測與提前預警［44］。

3 水文和水文地質(zhì)條件對路基的影響

3.1 水文條件對路基的影響

水文條件是指道路沿線地表水的排水狀況，河流洪水位，有無地表積水和積水期的長度，河岸的淤積情況等。在洪水期間，河水水位上升，作用于路基側(cè)面的靜水壓力增大、河流流量增大、流速加快、河水對沿河路基的沖刷作用增強，因此路基更加容易發(fā)生失穩(wěn)破壞，但沖刷作用的強弱程度除與河流的水文條件密切相關外，主要受河流與路線的位置關系和路基巖土體的性質(zhì)等因素控制［45］。水是誘發(fā)路基失穩(wěn)破壞的最重要的因素。水對浸水路基的破壞主要體現(xiàn)在靜水浮力使土體有效重力減少，動水滲透力可以使土體顆粒受到滲流方向的拖拉力，加大剪應力，且有可能隨水流被帶走，另外，路基中水對路基邊坡有浸泡軟化的作用從而降低路基邊坡的抗剪強度［46］。浸水路基遭受洪水的浸泡、沖刷和淘蝕，在水位暴漲時，路堤上、下游的水位差較大，在路堤內(nèi)將產(chǎn)生水的滲透壓力，使路堤穩(wěn)定性降低［47］。顧德銀還針對道路路基穿過不干涸水塘的特殊情況，提出強夯法對拋填炮渣石的夯實處理、過渡層天然砂礫的填筑以及加荷載預壓減小工后沉降的施工技術(shù)［48］。

3.2 水文地質(zhì)條件對路基的影響

水文地質(zhì)條件是指如地下水位、地下水移動的規(guī)律，有無層間水、裂隙水、泉水等。所有這些地面水及地下水都會影響路基的穩(wěn)定性，如處理不當，常會引起各種病害［2］。水對土體的浸濕、飽和及沖刷作用，常常會造成土體的強度降低，導致路基的各種病害發(fā)生，如：基床產(chǎn)生翻漿冒泥、下沉和凍害，路基邊坡產(chǎn)生滑動和坍塌等，影響線路的正常運營。水在土中滲流時，受到土顆粒的阻力作用，水流同時也會有一個相反的力作用在土顆粒上，形成了滲透力，滲透力的存在對路基工程設計有非常重要的影響，因滲透力使土壤顆粒流失或局部土體產(chǎn)生移動，導致土體變形甚至失穩(wěn)，滲透力還可降低岸坡滑動或擋土墻等構(gòu)筑物的整體穩(wěn)定性。

路基在地表水和地下水的作用下，其強度降低。要保持路基的穩(wěn)定，必須使路基能經(jīng)常處于干燥和堅固狀態(tài)，應將可能停止在路基范圍內(nèi)的地面和地下水即時排除，并防止路基范圍以外的水流入或滲入路基范圍內(nèi)。隨著地表水入滲強度的逐漸增大，基礎內(nèi)部水流流速和孔隙水壓力也逐漸增大，并由基礎頂部開始從非飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)，飽和狀態(tài)的范圍逐漸向下增大，破壞路基穩(wěn)定性。因此，控制道路基礎穩(wěn)定的關鍵是控制孔隙水壓［49］，同時，水的滲流作用對路基的穩(wěn)定性也是致命的，無粘性土的土坡只有當坡角小于無粘性土的內(nèi)摩擦角時，土坡才穩(wěn)定，而粘性土的穩(wěn)定性則隨著動水力的增大而減小［50］。地下水的動態(tài)變化和滲流狀態(tài)的變化，將影響路基巖土體內(nèi)的孔隙水應力、有效應力的大小和分布等路基巖土體的物理力學性質(zhì)，因而也就影響路基巖土體的穩(wěn)定性和路基擋墻的穩(wěn)定性［51，52］。要采取各種有效防治地下水對路基的侵害的措施：提高路基標高、降低地下水位、加強路基壓實、不良土質(zhì)地基換填、設置路基的隔離墊層［53］；完善路基排水設施如采用攔截、匯集、隔離和導流等形式利用天然砂礫、盲溝、暗溝、滲溝、深邊溝等排除地下水［54］；設置路塹邊坡利用軟式透水管［55］等。因此，要從材料、施工、防護與加固等方面提出浸水路基防治加固處理措施，以使路基穩(wěn)定性得到保障［56］。

4 結(jié) 語

丘陵山區(qū)地形切割厲害，耕地破碎，旱坡地多，水田少，水土流失較嚴重而水土保持設施不足，路基穿越坡耕地、水田、魚塘、河塘地段普遍，且多為軟土路基。隨著農(nóng)村社會經(jīng)濟的發(fā)展，農(nóng)業(yè)機械化、現(xiàn)代化以及新農(nóng)村建設的推進；農(nóng)村人流量、車流量迅速增加，也對農(nóng)村道路路基承載力和穩(wěn)定性的要求越來越高。目前國內(nèi)外就土壤性質(zhì)對路基穩(wěn)定性及設計的影響，主要從土壤的質(zhì)地、顆粒級配、三相比例指標、土的密實度、土的滲透性、土的壓實性、土的壓縮性、土的抗剪強度和土壓力等方面進行特殊路基土的研究。如膨脹土路基、黃土路基、多年凍土路基、軟土路基以及鹽漬土；工程地質(zhì)研究集中于軟巖基路基的壓實性、承載力等分析及其路基處理技術(shù)，重點針對不良地質(zhì)條件下路基穩(wěn)定性設計；水文和水文地質(zhì)主要集中在地表水和地下水對路基的影響及其防治方面。這些研究成果對農(nóng)村道路路基穩(wěn)定性及設計具有重要的理論價值。

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（編輯：曾小漢）

On Stability of Rural Road Subgrade and Its Influencing Factors in Hilly Area in China

XIUWei-ning1，WEIChao-fu1，ZHANG Shi-chao1，ZHANG Ping-cang2，DINGWen-feng2
（1.Key Laboratory of Eco-environments in Three Gorges Reservoir Region（Ministry of Education），College of Resources and Environment，Southwest University，Chongqing 400715，China；2.Soil and Water Conservation Institute of Changjiang Scientific Research Institute，Wuhan，430010，China）

Subgrade is themain body of road.The subgrade bears its own weight and the static load of the pavement，and the kinetic load caused by people，livestock，and vehicle walking on the pavement.This paper reviews the stability of the rural road subgrade and its influencing factors in terms of soil，engineering geological conditions and hydrogeological conditions.The stability of the subgrade filling soil depends largely on the soil cohesion and the internal friction angle，while the bearing capacity mainly rests upon the water content and compactedness.There are somany geological factors influencing the subgrade stability，such as rock types，weathering degree，fractured degree，the rock trend，tendency，dip angle，stratification，and thickness，with or without dissection or water to soften the interlayer，with orwithout faults or other undesirable phenomena along the road.Not only does thewater permeability damage the soil，butalso it can reduce the soil shear strength.These conclusions have great theoretical value for the rural road subgrade design in the hilly-mountainous area.

subgrade；stability；bearing capacity；permeability

U416

A

1001－5485（2010）11－0033－07

2010-09-10

國家科技支撐計劃課題（2008BAD98B02）

修維寧（1984-），男，山東海陽人，碩士研究生，主要從事土壤工程與技術(shù)方面研究工作，（電話）023-68216497（電子信箱）xiuweining＠qq.com

魏朝富（1962-），男，四川樂山人，教授，博士生導師，主要從事土壤物理學、土地利用與生態(tài)過程方面研究，（電話）023-68251249（電子信箱）weicf＠swu.edu.cn。