不同膨脹土路堤邊坡穩(wěn)定性對(duì)比計(jì)算分析與評(píng)價(jià)
——以荊門地區(qū)某高速公路為例

湖北襄荊高速公路有限責(zé)任公司 肖 林

長(zhǎng)江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院 任 俊

不同膨脹土路堤邊坡穩(wěn)定性對(duì)比計(jì)算分析與評(píng)價(jià)
——以荊門地區(qū)某高速公路為例

湖北襄荊高速公路有限責(zé)任公司 肖 林

長(zhǎng)江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院 任 俊

在膨脹土地區(qū)，無論是路塹還是路堤，都容易發(fā)生變形和破壞。對(duì)于膨脹土地區(qū)的公路路基，大氣物理風(fēng)化作用引起的濕脹干縮效應(yīng)使得路基土極易崩解，抗剪強(qiáng)度衰減導(dǎo)致邊坡溜塌、滑坡以及路基的不均勻下沉、翻漿、冒泥等現(xiàn)象的出現(xiàn)，降低了路基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，造成路基失穩(wěn)，影響行車安全。近年來，隨著我國(guó)高等級(jí)公路的興建，不少地區(qū)遇到了膨脹土帶來的問題，許多新建公路在施工中就開始出現(xiàn)各種變形病害，膨脹土地區(qū)邊坡穩(wěn)定性已成為當(dāng)前公路建設(shè)中一個(gè)重要的研究課題。本文，筆者對(duì)膨脹土路堤穩(wěn)定性進(jìn)行了分析與評(píng)價(jià)，以期對(duì)讀者有所參考。

一、計(jì)算模式

1.滑動(dòng)面模式。

（1）關(guān)于膨脹土路堤的整體穩(wěn)定性。路堤的整體穩(wěn)定性計(jì)算，一般可以采用圓弧穩(wěn)定性分析方法。

（2）關(guān)于膨脹土路堤邊坡的表層穩(wěn)定性。在膨脹土路堤完工的初期，其表層和內(nèi)部土的強(qiáng)度基本上是一致的。但在經(jīng)過幾年的氣候變化以及風(fēng)化作用后，由于濕脹干縮的反復(fù)作用，表層中產(chǎn)生很多裂隙，雨水沿著不斷發(fā)育的裂隙深入，致使土塊崩解、軟化、膨脹并使其密度變小，導(dǎo)致發(fā)生大量的邊坡淺層溜滑，這是膨脹土地區(qū)最普遍的路基病害之一?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查表明，表層軟化的深度因各地區(qū)氣候和土質(zhì)的不同而異，一般約1.0～1.5m。邊坡表面的淺層溜滑就是沿著這種軟化表層的底部發(fā)生的。

2.汽車荷載的換算。路基除承受自重作用外，還同時(shí)承受行車荷載的作用。在邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算時(shí)，需要按照車輛最不利情況進(jìn)行排列，采用與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)車相應(yīng)的加重車進(jìn)行布置，將車輛的設(shè)計(jì)荷載換算成相當(dāng)于土層的厚度h0，此厚度h0稱為車輛荷載的當(dāng)量高度或換算高度。驗(yàn)算時(shí)，將當(dāng)量高度的土體連同滑動(dòng)土體一并進(jìn)行力的計(jì)算。當(dāng)量高度h0的計(jì)算公式如下。

式中，h0為當(dāng)量高度，單位是m；N為橫向分布的車輛數(shù)，單車道N＝1，雙車道N＝2；Q為每一輛加重車的重量，單位是kN；Φ為路基填料的重度，單位是kN/m3；L為汽車前后軸輪胎總距，單位是m，汽-10，汽-15，L＝4.2m，汽-20重車，L＝5.6m；B為橫向分布車輛輪胎最外緣之間總距，單位是m。B按下式計(jì)算。

式中，b為每一車輛的輪胎外緣之間的距離，單位是m；d為相鄰兩車車輪胎之間的凈距，單位是m；N的含義同式（1）。

荷載分布寬度可以分布在行車道寬度范圍內(nèi)，考慮實(shí)際行車有可能橫向偏移或車輛停放在路肩上，也可以認(rèn)為h0厚的當(dāng)量土層分布在整個(gè)路基寬度上。在以下的計(jì)算中，取汽車荷載q=20kPa。

路堤邊坡穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)見表1。進(jìn)行中膨脹土邊坡的表層穩(wěn)定性分析時(shí)，C值取其浸水飽和剪切試驗(yàn)C值的80%，Φ值不變。進(jìn)行浸水路堤計(jì)算時(shí)，各土層的內(nèi)摩擦系數(shù)fb=0.75f。其中，f為標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)土的內(nèi)摩擦系數(shù)，黏聚力Cb=0.5C，C為標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)土的黏聚力。

二、膨脹土路堤邊坡表層穩(wěn)定性分析

1.弱膨脹土路堤邊坡。為了考察弱膨脹土路堤邊坡穩(wěn)定性，筆者以荊門地區(qū)某高速公路為例進(jìn)行分析，采用直線滑動(dòng)面，計(jì)算中通過調(diào)整坡高、坡比及風(fēng)化層厚度，模擬計(jì)算不同坡高、坡比條件下邊坡穩(wěn)定系數(shù)。計(jì)算結(jié)果見表2。

從表2可以看到，坡比及風(fēng)化層厚度是影響邊坡表層穩(wěn)定性的兩大關(guān)鍵指標(biāo)，坡高對(duì)邊坡是否形成淺層滑動(dòng)的影響并不十分明顯。除坡高2m坡腳支襯作用較為明顯、穩(wěn)定系數(shù)較大外，隨著坡高的增大，穩(wěn)定系數(shù)變化較為平緩。這就暗示在相同表層軟化深度和坡比下，淺層滑動(dòng)一旦形成，可在任何坡高的情況下發(fā)生，這一結(jié)論與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的結(jié)果是一致的。

表 1 路堤邊坡穩(wěn)定分析強(qiáng)度參數(shù)

表 2 弱膨脹土路堤表層穩(wěn)定性分析成果

在同一坡度和坡比下，表層軟化深度越大，穩(wěn)定系數(shù)越小。這就意味著，坡高、坡比一定時(shí)，表層軟化深度越深，表層穩(wěn)定性就越差。初期穩(wěn)定的膨脹土邊坡隨著時(shí)間的推移，在大氣的風(fēng)化作用下，經(jīng)反復(fù)干濕循環(huán)，表層軟化深度不斷增大，穩(wěn)定系數(shù)逐步變小，這就是最終失穩(wěn)的原因。其他條件相同時(shí)，邊坡越陡，表層穩(wěn)定性就越差。

從以上的分析可以看出，對(duì)于某一特定的土質(zhì)邊坡，在某地區(qū)氣候的影響深度是一定的。因此，坡比往往是決定邊坡穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。

有關(guān)研究資料表明，荊門地區(qū)大氣影響深度約在1.5～2.0m。根據(jù)這一深度可以得到本地區(qū)弱膨脹土路堤穩(wěn)定坡度為1∶n=1∶1.5。當(dāng)坡高小于3.0m時(shí)，邊坡可適當(dāng)加陡。

2.中膨脹土路堤邊坡。為了考察中膨脹土路堤的穩(wěn)定性，本文，筆者采用直線滑動(dòng)面，計(jì)算中通過調(diào)整坡高、坡比及風(fēng)化層厚度，來模擬計(jì)算不同坡高、坡比條件下邊坡穩(wěn)定系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見表3。

表 3 中膨脹土路堤表層穩(wěn)定性分析成果

從表3可得到與弱膨脹土路堤邊坡類似的結(jié)論。例如，采用中膨脹土填筑路堤時(shí)，即使坡比調(diào)至1∶2.0，由于大氣風(fēng)化作用，表層風(fēng)化深度達(dá)到1.5～2.0m時(shí)，邊坡將產(chǎn)生淺層滑動(dòng)破壞。荊門地區(qū)膨脹土受大氣影響的深度約為1.5～2.0m，從邊坡穩(wěn)定的角度來看，本線路不宜直接采用中膨脹土回填路堤，中膨脹土填筑路堤必須進(jìn)行改性或包邊處理。

三、路堤邊坡整體穩(wěn)定性分析

由于中膨脹土難以滿足路堤邊坡表層穩(wěn)定要求，因此進(jìn)行路堤邊坡整體穩(wěn)定性分析時(shí)，將不考慮中膨脹土，而對(duì)中膨脹土改性土、包邊路堤邊坡及弱膨脹土路堤邊坡進(jìn)行計(jì)算。

為了考察填料性質(zhì)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，假定路堤筑于一相對(duì)硬土層上，設(shè)基底土層C=14.4kPa，Φ=30°，γ=19.1kN/m3，對(duì)弱膨脹土路堤、石灰改性土路堤、粉煤灰改性土路堤及包邊路堤整體穩(wěn)定性進(jìn)行模擬計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見表4。

表 4 弱膨脹土、改性土及包邊路堤邊坡整體穩(wěn)定性分析成果

從表4可以看到，石灰改性土路堤、粉煤灰改性土路堤及中膨脹土包邊路堤在坡高5m時(shí)，坡比采用1∶1.75；在坡高8m時(shí)，坡比采用1∶2.0，具有較好的整體穩(wěn)定性。弱膨脹土路堤在坡高5～8m坡比時(shí)，坡比采用1∶1.5，具有較好的整體穩(wěn)定性。

四、浸水路堤整體穩(wěn)定性分析

浸水條件下弱膨脹土路堤、改性土及包邊路堤整體穩(wěn)定性分析結(jié)果見表5?；淄劣?jì)算參數(shù)C=7.2kPa，Φ=22.57°，γ= 19.1kN/m3。

表 5 浸水條件下弱膨脹土、改性土及包邊路堤整體穩(wěn)定性分析成果

分析計(jì)算成果可知，在一定坡比下，浸水石灰改性土、粉煤灰改性土路堤均有足夠的穩(wěn)定性，但其穩(wěn)定系數(shù)相比非浸水條件有較大幅度降低。浸水條件下，中膨脹土包邊路堤穩(wěn)定系數(shù)較非浸水條件亦有較大幅度降低。

五、結(jié)論與建議

1.膨脹土邊坡滑動(dòng)受淺層滑動(dòng)破壞模式控制，直線滑動(dòng)比圓弧滑動(dòng)更易發(fā)生，因此用直線滑動(dòng)來決定坡度是合理的。

2.表層風(fēng)化層深度是決定膨脹土邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，因此，防風(fēng)化、減少干濕循環(huán)對(duì)于邊坡穩(wěn)定具有重要意義。

3.荊門地區(qū)大氣層影響深度約為1.5～2m，由此可確定弱膨脹土路堤邊坡穩(wěn)定坡比應(yīng)在1∶1.5～1∶1.75。

4.由于大氣的風(fēng)化作用和干濕循環(huán)，中膨脹土邊坡極易產(chǎn)生淺層滑動(dòng)破壞，因此中膨脹土不宜直接填筑路堤。中膨脹土用于填筑路堤時(shí)，必須對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)處理，如改性或包邊等。

5.中膨脹土經(jīng)石灰或粉煤灰改性后填筑路堤，能夠提高路堤邊坡的穩(wěn)定性及浸水穩(wěn)定性。

6.中膨脹土包邊路堤在非浸水條件下，包邊內(nèi)膨脹土如能避免大氣作用及干濕循環(huán)，保持填筑時(shí)的密度及含水量，其路堤邊坡具有良好的穩(wěn)定性。例如，在常水位下，膨脹土吸水軟化，易在包邊層與膨脹土之間形成軟弱面，包邊層易沿此軟弱面形成淺層滑面，故在常水位以下及干濕循環(huán)強(qiáng)烈地段應(yīng)慎用中膨脹土包邊路堤。