風(fēng)積沙填筑路基的邊坡穩(wěn)定性與工程防護(hù)措施研究

方明

（中國(guó)水利水電第八工程局有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410000）

0 引言

近年來，伴隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，沙漠地區(qū)的高級(jí)公路不斷涌現(xiàn)。風(fēng)積沙作為沙漠公路常用的筑路材料，具有綜合性的特點(diǎn)，在沙漠修建公路的過程中，需要對(duì)其特點(diǎn)進(jìn)行綜合的把握，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)積沙填筑質(zhì)量的有效控制。與此同時(shí)，還要通過防護(hù)措施的使用，增強(qiáng)公路工程的質(zhì)量。因此，對(duì)此項(xiàng)課題進(jìn)行研究，其意義十分重大。

1 工程項(xiàng)目概況

本工程位于中東地區(qū)，設(shè)計(jì)時(shí)速為100km/h，路基標(biāo)準(zhǔn)橫斷面主要有兩種形式，分別為整體式路基斷面和分離式路基斷面。其中整體式路基的適用路段全長(zhǎng)39.75km，其路基寬度為26.2m，其斷面形式較多，分別為硬路肩、土路肩、車行道和中央分隔帶。而分離式路基斷面適用路段全長(zhǎng)14.32km，路基寬度為12.8m，路基填筑材料為風(fēng)積沙，在路堤填筑高度不超過5m 時(shí)，邊坡坡度比為1:3，當(dāng)路堤填筑高度超過5m 時(shí)，邊坡坡度比采用1:2.5。當(dāng)填方高度超過8m 時(shí)，需要在8m 的位置進(jìn)行變坡，同時(shí)將邊坡平臺(tái)設(shè)置到各級(jí)之間，平臺(tái)的寬度為2m，坡比為3%。

2 風(fēng)積沙路設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性分析方法

2.1 風(fēng)積沙路基設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目所在區(qū)域會(huì)受到自然環(huán)境因素的嚴(yán)重影響，具體表現(xiàn)為大風(fēng)天氣較多，在查閱文獻(xiàn)資料后得知，西北風(fēng)是主要風(fēng)向。

大風(fēng)會(huì)攜帶大量砂礫經(jīng)過公路，導(dǎo)致風(fēng)蝕和風(fēng)積現(xiàn)象的發(fā)生，此類現(xiàn)象的出現(xiàn)，會(huì)威脅公路和車輛安全。在考慮上述問題，在設(shè)計(jì)施工階段，需要采取有效的措施，降低路段路線和主方向之間的相角度。

2.2 風(fēng)積沙路基穩(wěn)定性分析方法

路基沉陷、邊坡滑塌、碎落和崩塌是路基常見的病害，除此之外，在行車荷載的作用和自然災(zāi)害的雙重作用下，路基同樣會(huì)受損。但就風(fēng)積沙填筑路基而言，分析填方路段路基邊坡失穩(wěn)滑動(dòng)體的抗滑穩(wěn)定性即可。

基于失穩(wěn)土體的滑動(dòng)面特征，可以將巖土質(zhì)路基邊坡的穩(wěn)定性分析方法分為三類：①直線；②曲線；③折線。結(jié)合上文可知，風(fēng)積沙擁有多種特點(diǎn)，將其作為路基邊坡材料，會(huì)導(dǎo)致邊坡的黏性和穩(wěn)定性下降，通常情況下，邊坡穩(wěn)定性僅能依靠?jī)?nèi)部摩擦力實(shí)現(xiàn)，我們可以將邊坡滑動(dòng)面視為直線滑動(dòng)面。對(duì)失穩(wěn)滑動(dòng)體沿滑動(dòng)面上的下滑力T 和抗滑力R 進(jìn)行分析，并基于靜力平衡的原理，取得下滑力和抗滑力之間的比值系數(shù)，即可計(jì)算路基邊坡的穩(wěn)定性。其中比值系數(shù)K 的計(jì)算公式為：K=R/T。在K=1 時(shí)，下滑力和抗滑力相同，此時(shí)邊坡的狀態(tài)為平衡狀態(tài)；在K＜1 時(shí)，表示抗滑力低于下滑力，此時(shí)，邊坡會(huì)進(jìn)入失穩(wěn)狀態(tài)；如果K＞1，表示下滑力低于抗滑力，邊坡穩(wěn)定性較強(qiáng)。通常情況下，為確保公路工程項(xiàng)目的質(zhì)量，在分析路基邊坡穩(wěn)定性時(shí)將K 的取值設(shè)置為1.25 即可。

由于路基會(huì)在行車荷載的作用下受損，因此在分析階段，需要對(duì)行車荷載進(jìn)行換算，將其視為路基巖土層厚度，并將其計(jì)入到滑動(dòng)土體之中。在實(shí)際換算階段，需要將荷載的最不利布置條件作為依據(jù)，同時(shí)依據(jù)公式BLh0γ=NQ；換算土體的重量由BLh0γ 表示；而車荷載的大小則由NQ 表示，可以將上述式子簡(jiǎn)化成h0=NQ/BLγ；在這個(gè)式子中，路基邊坡巖土層厚度由h0表示，這里的巖土層厚度，是行車荷載換算后的結(jié)果；車輛荷載的前后輪軸距由L 表示；單車荷載重量由Q 表示；路基橫斷面上并列行駛的車輛數(shù)由N 表示；路基填料的厚度由γ 表示；荷載橫向分布寬度由B 表示，在計(jì)算過程中需要依據(jù)公式B=Nb+（n-1）m+d。在這個(gè)公式中，后輪輪距由b 表示；相鄰兩車后輪中心間距由m 表示；輪胎著地高度由d 表示。如果路基邊坡較高，行車荷載所造成的影響相對(duì)較小，因此，換算高度可以在路基全寬上近似分布，通過這種方式，對(duì)滑動(dòng)體的重力計(jì)算方式進(jìn)行簡(jiǎn)化。

考慮到沙土具有非常強(qiáng)的滲水能力，但保水性、黏性相對(duì)較差，因此，可以將邊坡滑動(dòng)面視為直線滑動(dòng)面。在計(jì)算過程中，可將黏結(jié)力取值設(shè)為0，同時(shí)，假設(shè)路基按照均值填土，此時(shí)，可以用公式；對(duì)邊坡穩(wěn)定系數(shù)K 進(jìn)行表示。路基填土計(jì)算內(nèi)摩擦角由φ 表示；邊坡坡腳由β 表示。事實(shí)上，路基土的填筑方式為封層填筑，因此，不同層在填料和重量上存在顯著的差異。研究人員通過實(shí)驗(yàn)的方式，使用比較均值和非均值方法，對(duì)路基邊坡穩(wěn)定系數(shù)K 進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明，兩種方法在結(jié)果上趨于一致，并且上述公式的計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確和安全。因此，在實(shí)際分析階段，將均值路基填料作為依據(jù)，對(duì)路基穩(wěn)定性進(jìn)行分析，可以取得良好的效果，同時(shí)這種方法還具有操作簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)。

在計(jì)算時(shí)，會(huì)得到有關(guān)風(fēng)積沙內(nèi)摩擦角的經(jīng)驗(yàn)回歸公式：φ=ak+b；在這個(gè)公式中，風(fēng)積沙路基填土的計(jì)算內(nèi)摩擦角由φ 表示，而實(shí)際平均路基壓實(shí)度則由k 表示[1]。

3 公路工程項(xiàng)目路段邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 公路工程項(xiàng)目路段風(fēng)積沙填料壓實(shí)度

結(jié)合上文可知，本公路工程項(xiàng)目將風(fēng)積沙作為路基填料，如何控制風(fēng)積沙的質(zhì)量，成為設(shè)計(jì)施工單位需要考慮的問題。風(fēng)積沙作為一種沙性土，其內(nèi)部所含的粗顆粒數(shù)量較多，因此，路基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性較高，除粗顆粒之外，還含有一定量的細(xì)顆粒，賦予了路基粘結(jié)性，導(dǎo)致路基松散程度下降，在遇到水后，風(fēng)積沙材料會(huì)快速干涸，且不會(huì)遇水膨脹，容易被壓實(shí)，因此，將其作為路基填筑材料具有一定的優(yōu)勢(shì)。但與其他材料相比，風(fēng)積沙難以被控制，如果控制不當(dāng)，就會(huì)對(duì)公路性能產(chǎn)生不利影響。要求施工單位在施工階段，選擇合理的施工方式，加強(qiáng)施工質(zhì)量控制尤為關(guān)鍵。比如：施工單位可以使用20t 以上的壓路機(jī)，通過分層碾壓的方式，將填料壓實(shí)，其中，壓實(shí)厚度的確定，需要依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)試驗(yàn)結(jié)果。一般情況下，路基基底壓實(shí)度應(yīng)超過90%，并通過分層填筑的方式施工，在填筑時(shí)，必須確保填筑的均勻程度。在取土過程中，應(yīng)采取縱向調(diào)配利用挖土的方式[2]。

3.2 公路工程項(xiàng)目典型路段的穩(wěn)定性分析

在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段，為促進(jìn)風(fēng)積沙填挖路基穩(wěn)定性的提升，設(shè)計(jì)人員所設(shè)計(jì)的路基邊坡坡比較緩，導(dǎo)致填挖工程量加大，后依據(jù)當(dāng)?shù)卣块T的意見，路基邊坡比進(jìn)行了重新調(diào)整。最終調(diào)整結(jié)果如下：①在填方高度不超過5m 時(shí)，邊坡比為1:3；②在填方高度超過5m 時(shí)，邊坡比為1:2.5；③挖方邊坡坡比為1:4。

施工單位通過試驗(yàn)的方式，得到了風(fēng)積沙內(nèi)摩擦角經(jīng)驗(yàn)回歸公式，φ=1.399k-91.877；在這個(gè)公式中，風(fēng)積沙路基填土計(jì)算內(nèi)摩擦角由φ 表示；實(shí)際平均路基壓實(shí)度由k 表示。依據(jù)該公式，對(duì)不同壓實(shí)度條件下風(fēng)積沙填筑路基的最大坡度比進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如下所述：

（1）壓實(shí)密度為 90%，內(nèi)摩擦角度 34.032°，最大坡角值27.354°，坡腳最大正切值0.539°，底邊歸一化值1.804，最大坡比為1:1.849；

（2）壓實(shí)密度為 91%，內(nèi)摩擦角度 35.421°，最大坡角值29.454°，坡腳最大正切值0.559°，底邊歸一化值1.754，最大坡比為1:1.754；

（3）壓實(shí)密度為92%，內(nèi)摩擦角度 36.722°，最大坡角值29.934°，坡腳最大正切值0.589°，底邊歸一化值1.654，最大坡比為1:1.654；

（4）壓實(shí)密度為93%，內(nèi)摩擦角度 38.232°，最大坡角值32.454°，坡腳最大正切值0.639°，底邊歸一化值1.586，最大坡比為1:1.586；

（5）壓實(shí)密度為94%，內(nèi)摩擦角度 39.032°，最大坡角值33.154°，坡腳最大正切值0.659°，底邊歸一化值1.509，最大坡比為1:1.509；

（6）壓實(shí)密度為95%，內(nèi)摩擦角度 41.152°，最大坡角值33.554°，坡腳最大正切值0.659°，底邊歸一化值1.474，最大坡比為1:1.474；

（7）壓實(shí)密度為96%，內(nèi)摩擦角度 41.832°，最大坡角值36.354°，坡腳最大正切值0.739°，底邊歸一化值1.357，最大坡比為1:1.357；

（8）壓實(shí)密度為97%，內(nèi)摩擦角度 43.812°，最大坡角值37.514°，坡腳最大正切值0.769°，底邊歸一化值1.304，最大坡比為1:1.304；

（9）壓實(shí)密度為98%，內(nèi)摩擦角度 45.232°，最大坡角值38.884°，坡腳最大正切值0.809°，底邊歸一化值1.234，最大坡比為1:1.234；

（10）壓實(shí)密度為99%，內(nèi)摩擦角度46.612°，最大坡角值40.254°，坡腳最大正切值0.849°，底邊歸一化值1.181，最大坡比為1:1.181；

（11）壓實(shí)密度為100%，內(nèi)摩擦角度48.023°，最大坡角值41.644°，坡腳最大正切值0.889°，底邊歸一化值1.125，最大坡比為1:1.125。

值得注意的是，上述計(jì)算結(jié)果的得出，所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)為kmin=1.25，且項(xiàng)目全線邊坡比，都與穩(wěn)定性要求相符合[3]。

4 工程防護(hù)措施

4.1 路基加固和防護(hù)工程設(shè)計(jì)

公路工程項(xiàng)目將風(fēng)積沙作為主要填筑材料，考慮到風(fēng)積沙的特性，施工單位需要采取措施對(duì)邊坡上的沙粒進(jìn)行穩(wěn)定，避免公路施工質(zhì)量被風(fēng)蝕和沙害所影響?；诠こ添?xiàng)目的實(shí)際情況和常用固沙措施，施工單位所采用的防護(hù)方式為沙柳網(wǎng)格防護(hù)。而路堤邊坡則以緩坡式防護(hù)為主，其目的在于提升風(fēng)吹沙流動(dòng)的順暢性，邊坡的防火措施為網(wǎng)格植草。對(duì)于一些低洼地區(qū)而言，由于其容易積水，因此在處理過程中，施工單位選擇了M10 漿砌片石護(hù)坡作為防護(hù)措施。同時(shí)采用空心預(yù)制六棱塊和植草的方式，防護(hù)橋頭處，同時(shí)將寬度為5m 的積沙平臺(tái)設(shè)置到上風(fēng)向，而下風(fēng)向設(shè)置的積沙平臺(tái)，其寬度為4m，積沙平臺(tái)和邊溝同步設(shè)置。實(shí)踐結(jié)果表明，植草和應(yīng)用空心預(yù)制六棱塊等防護(hù)形式的運(yùn)用，如圖1 所示?？梢栽鰪?qiáng)積沙平臺(tái)、路塹邊坡平臺(tái)和路堤邊坡平臺(tái)的抗雨水沖刷能力。

上述防護(hù)措施的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下方面：①使土壤性質(zhì)得到了有效改善，有利于增強(qiáng)沙的成土作用；②沙柳網(wǎng)格草的種植，可以使土地粗糙度上升，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)風(fēng)蝕破壞的有效抵御；③有利于弱化風(fēng)對(duì)路基邊坡造成的影響。

4.2 路基、路面排水系統(tǒng)

在分析工程所在地的實(shí)際條件后，發(fā)現(xiàn)本項(xiàng)目不具備設(shè)置圬工排水溝的條件，針對(duì)排水不暢通的路段，需要采用開挖土質(zhì)排水溝的方式，將水引入到地勢(shì)低洼地帶。公路工程項(xiàng)目邊溝與積沙平臺(tái)同時(shí)設(shè)置，具體設(shè)置方式為對(duì)積沙平臺(tái)進(jìn)行下挖，深度為0.4m，然后通過預(yù)制空心六棱塊進(jìn)行加固?？紤]到挖方深度較淺，再加上破頂匯水量不大，因此，匯水對(duì)挖方破頂?shù)臎_刷可以忽略不計(jì)，故本項(xiàng)目無須設(shè)置截水溝。項(xiàng)目所采用的排水方式以集中排水為主，并通過急流槽和攔水埂的使用，增強(qiáng)排水效果。其中急流槽的所處位置是邊溝與天然溝渠相連處，其設(shè)置方式為使用M10 漿砌片石砌筑。在中央分隔帶，則采用高強(qiáng)度混凝土預(yù)制塊進(jìn)行封閉。同時(shí)采用齊平式路緣石，將超高段的積水引入到內(nèi)側(cè)經(jīng)急流槽排出即可[4]。

在填方的路段，采用的排水方式以集中式排水為主，通過急流槽和攔水埂的搭配使用達(dá)成目的。在挖方路段，需要以路面橫坡為起點(diǎn)，將水引入到邊溝，促使積水向橋梁和涵洞處排放。

4.3 總結(jié)

（1）為了降低風(fēng)沙通過對(duì)路基橫斷面坡腳的影響，并使路基橫斷面的阻沙性能指數(shù)下降，在設(shè)計(jì)路基橫斷面時(shí)，應(yīng)該以流線型設(shè)計(jì)為主。同時(shí)采用貼近圓弧處理的方式，對(duì)路基橫斷面坡腳和破頂折線邊坡處進(jìn)行處理，通過這些處理措施的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)減少紊流和弱風(fēng)區(qū)面積的目的，同時(shí)，還能控制路面積沙。

（2）在選線過程中，盡量避開容易受到流沙威脅的地段，如果無法規(guī)避，需要沿著沙漠河流兩岸和古河床布設(shè)線路，并通過固定和半固定的沙丘地帶。在路基設(shè)計(jì)階段，控制路基填方高度十分重要，通常情況下，路基填方高度應(yīng)該等同于沙丘頂面高度。

（3）在分析風(fēng)積沙填筑路基穩(wěn)定性的過程中，需要構(gòu)建分析模型，究其原因，主要是分析模型的構(gòu)建更具可行性和安全性，在分析后得知，項(xiàng)目全線的坡比均與穩(wěn)定性要求相符。

（4）路基防護(hù)措施運(yùn)用原則是穩(wěn)定路基、經(jīng)濟(jì)合理和美化環(huán)境。施工單位需要基于工程所在地的實(shí)際情況和地質(zhì)條件，對(duì)防護(hù)方式進(jìn)行明確。在確保防護(hù)效果和邊坡穩(wěn)定的前提條件下，選擇生態(tài)防護(hù)方式最佳，同時(shí)還要將工程防護(hù)方式作為輔助。

5 結(jié)論

綜上所述，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的背景下，為縮小地區(qū)間的經(jīng)濟(jì)發(fā)展差距，滿足人們交通出行的要求，國(guó)家在中東地區(qū)建設(shè)了大量的公路工程，與東南沿海地區(qū)相比，中東內(nèi)陸地區(qū)天氣較為干燥，風(fēng)沙較大，土壤類型以沙質(zhì)土壤為主，因此，在填筑路基時(shí)需要將風(fēng)積沙作為主要的材料，這種材料在存在優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也存在諸多的不足，要求施工單位在施工階段，采取有效的工程防護(hù)措施，通過路基加固和防護(hù)工程和路基路面排水系統(tǒng)的構(gòu)建，保護(hù)公路的工程的安全。