沙土路基邊坡力學(xué)穩(wěn)定性改善及其效應(yīng)

代詩(shī)宇

（招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400067）

在沙土路基條件下的公路建設(shè)中，路基工程性質(zhì)對(duì)項(xiàng)目質(zhì)量往往起著決定性作用，主導(dǎo)著結(jié)構(gòu)沉降及穩(wěn)定性?？紤]到沙土路基需要面對(duì)復(fù)雜外部環(huán)境，不僅應(yīng)當(dāng)考慮到路基壓實(shí)問題，同時(shí)還應(yīng)充分重視項(xiàng)目施工及運(yùn)營(yíng)環(huán)節(jié)中對(duì)沙害的預(yù)防治理。天然風(fēng)積沙具有取材方便、經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)勢(shì)，特別是在沙漠地區(qū)的公路、鐵路修筑中發(fā)揮著重要作用。但沙粒間的黏聚性較差且不易被壓實(shí)，因此就很難達(dá)到施工標(biāo)準(zhǔn)的要求[1]。此外，對(duì)于部分存在特殊地質(zhì)條件的地區(qū)而言，沙害可能還會(huì)引發(fā)其他質(zhì)量、安全風(fēng)險(xiǎn)。由此可見，沙土路基邊坡的防護(hù)及其穩(wěn)定性評(píng)價(jià)就顯得尤為必要。

1 沙土路基邊坡的穩(wěn)定性分析

作為影響公路穩(wěn)定性、耐久性的重要環(huán)節(jié)，路基防護(hù)具有突出的意義，需要重點(diǎn)關(guān)注沙土路基填筑所用材料的性質(zhì)[2]?？傮w來(lái)看，為了確保沙土路基預(yù)期功能的實(shí)現(xiàn)，主要可從以下兩個(gè)方面入手：

第一，確保路基邊坡具有足夠穩(wěn)定性。受制于邊坡截面形狀、坡比要求等因素的限制，沙土路基邊坡應(yīng)當(dāng)滿足以下要點(diǎn)：一方面需要充分結(jié)合建設(shè)地的地形地勢(shì)、地質(zhì)條件等因素而展開，判斷風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，以此為基礎(chǔ)綜合選定最佳的邊坡形式；另一方面應(yīng)綜合優(yōu)化邊坡的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)配備相應(yīng)的工藝方案、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，提升防護(hù)方案整體的科學(xué)性與經(jīng)濟(jì)性。

第二，沙土路基穩(wěn)定同時(shí)還需要考慮到環(huán)境作用以及防護(hù)方案的影響。實(shí)踐表明，惡劣環(huán)境及不當(dāng)防護(hù)都會(huì)顯著促進(jìn)風(fēng)蝕、沙埋現(xiàn)象的發(fā)生。若未能采取有效果的措施，那么路面結(jié)構(gòu)就很容易出現(xiàn)塌陷、開裂，進(jìn)而對(duì)正常行車帶來(lái)不便。

我國(guó)不同地區(qū)的沙土條件存在一定差異，同時(shí)不同等級(jí)公路在設(shè)計(jì)要求上也不盡相同。因此，在設(shè)計(jì)沙土路基防護(hù)方案時(shí)，就需要綜合考慮到不同因素的影響，基于勘察報(bào)告因地制宜地做出間距經(jīng)濟(jì)性、科學(xué)性的設(shè)計(jì)。

2 沙土路基邊坡直接剪切試驗(yàn)研究

本文以我國(guó)某公路工程為例展開分析，該項(xiàng)目地處我國(guó)西北某沙漠，其路基防護(hù)形式選擇為坡面粘土包邊種植灌木防護(hù)：在坡面位置以20～50cm 為標(biāo)準(zhǔn)覆蓋粘土包邊，并且在其上種植沙篙、油篙等適應(yīng)性較強(qiáng)的植被，不僅能夠起到穩(wěn)固邊坡的作用，同時(shí)還能夠構(gòu)筑綠色生態(tài)景觀。受到干旱氣候、鹽堿土體的影響，即便在原有邊坡上附加一定黏土，土壤肥力仍難以滿足植被生長(zhǎng)需要，需要額外施肥促進(jìn)植被生長(zhǎng)。

實(shí)踐表明[3,4]，風(fēng)積沙土體的承載力對(duì)于邊坡穩(wěn)定性存在決定性作用。由于風(fēng)積沙顆粒存在粒徑小、級(jí)配差等特點(diǎn)，因此其在工程中表現(xiàn)出不同于一般土體的特點(diǎn)。同時(shí)，在灌木生長(zhǎng)過程中撒布草木灰也具有一定的促進(jìn)效果，所以對(duì)不同草木灰摻量下的邊坡穩(wěn)定性開展研究具有突出現(xiàn)實(shí)意義。

本研究以坡頂、坡中以及坡底三個(gè)不同位置的沙土作為試驗(yàn)對(duì)象，按照不同草木灰摻量進(jìn)行處理并通過剪切試驗(yàn)測(cè)定其強(qiáng)度，結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)象判斷沙土所發(fā)生的強(qiáng)度變化。

2.1 直接剪切試驗(yàn)方案

本研究選用應(yīng)變控制式直剪儀進(jìn)行檢測(cè)，借助該儀器上下盒的相對(duì)移動(dòng)來(lái)對(duì)土體施加剪切作用。測(cè)得剪切面破壞時(shí)土體的剪切應(yīng)力即為該試樣的抗剪強(qiáng)度。為了評(píng)價(jià)不同草木灰摻量下試件的抗剪強(qiáng)度，對(duì)于不同試件摻加按照不同比例摻加草木灰。對(duì)坡頂、坡中以及坡底位置取得的沙土分別按照0%、5%、10%、15%、20%的比例摻加草木灰，共得到75 個(gè)試件。對(duì)同一試件以相同試驗(yàn)條件分別進(jìn)行三次直接剪切試驗(yàn)。

2.2 直接剪切試驗(yàn)結(jié)果及其分析

2.2.1 剪切應(yīng)力-剪切位移曲線

對(duì)沙土直接剪切試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，即可得出在不同的草木灰摻量及垂向應(yīng)力條件下沙土的剪切應(yīng)力-剪切位移曲線。以垂向應(yīng)力為50kPa 條件下的曲線為例，如圖1 所示。

圖1 50kPa 下的剪切應(yīng)力- 剪切位移曲線

根據(jù)圖1 中曲線可以發(fā)現(xiàn)，不同草木灰摻量下沙土的曲線均大致呈現(xiàn)為拋物線形式，且其在早期的變化趨勢(shì)基本相同。尤其是在前5mm 的剪切位移范圍中，不同草木灰摻量下沙土的曲線幾乎重合，這也表明在該階段下材料為受到剪切作用幾乎不受剪切應(yīng)力的影響，隨后表現(xiàn)為拋物線形變化，在最大剪切應(yīng)力位置存在短暫停滯，隨后曲線下降。此外，研究還發(fā)現(xiàn)在更高的垂向應(yīng)力條件下，沙土的變化曲線更陡，且其最大抗剪強(qiáng)度也有所上升。但需要注意的是，對(duì)不同垂向應(yīng)力而言，當(dāng)草木灰摻量處于5%～15%范圍內(nèi)時(shí)，天然沙土的最大抗剪強(qiáng)度均大于經(jīng)草木灰處理后的混合沙土。

2.2.2 草木灰對(duì)沙土粘聚力、內(nèi)摩擦角的影響

基于上述對(duì)抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)研究，即可得出不同坡位、草木灰摻量下混合沙土的內(nèi)摩擦角、粘聚力，如表1所示。草木灰能夠顯著提升沙土試件的抗剪強(qiáng)度，且草木灰摻量對(duì)試件內(nèi)摩擦角、粘聚力產(chǎn)生的作用，如圖2、圖3 所示。

圖3 草木灰摻量對(duì)試件粘聚力的影響

表1 不同坡位、草木灰摻量下的抗剪強(qiáng)度

圖2 為不同草木灰摻量下不同坡位沙土試件內(nèi)摩擦角所對(duì)應(yīng)的變化趨勢(shì)。根據(jù)圖2 可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)坡頂沙土試件的草木灰摻量處于0%～5%的范圍內(nèi)時(shí)，草木灰摻量越大內(nèi)摩擦角越小，且在摻量為5%達(dá)到最小值，隨后則呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢(shì)。隨后，在摻量為15%～20%的范圍間內(nèi)摩擦角出現(xiàn)下降段。而對(duì)坡中位置取得的沙土試件，當(dāng)草木灰摻量處于0%～10%的范圍內(nèi)時(shí)，內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)出持續(xù)下降的趨勢(shì)，其降幅約為9.7%。在10%～20%的草木灰摻量下，內(nèi)摩擦角表現(xiàn)為略微的上升，在摻量為20%時(shí)達(dá)到最峰值，且峰值略微該與未摻加草木灰時(shí)沙土試件的內(nèi)摩擦角。對(duì)坡底位置取得的沙土試件，其變化曲線類似于波浪形，當(dāng)草木灰摻量處于0%～20%的范圍內(nèi)時(shí)，內(nèi)摩擦角首先增加隨后下降，且未摻加草木灰時(shí)沙土試件的內(nèi)摩擦角為峰值。

圖2 草木灰摻量對(duì)試件內(nèi)摩擦角的影響

圖3 為不同草木灰摻量下不同坡位沙土試件粘聚力所對(duì)應(yīng)的變化趨勢(shì)。根據(jù)圖2 可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)坡頂位置取得的沙土試件而言，其粘聚力表現(xiàn)為先增后減的變化趨勢(shì)，且當(dāng)草木灰摻量處于5%～10%的范圍內(nèi)時(shí)曲線線形較陡，這也表明在該階段下粘聚力增長(zhǎng)較為顯著。當(dāng)草木灰摻量達(dá)到12%附近時(shí)，沙土試件的粘聚力達(dá)到峰值，此后則表現(xiàn)為逐步減緩的趨勢(shì)。而坡中位置的沙土試件，其粘聚力變化趨勢(shì)與坡頂沙土試件較為類似，大致為先增后減的曲線。但由于沙土試件選取的坡位不同，因此其干密度更大，粘聚力峰值出現(xiàn)的位置大約在草木灰摻量為15%處。對(duì)于坡底位置沙土試件的研究發(fā)現(xiàn)，其粘聚力變化趨勢(shì)較其他位置存在顯著差異，當(dāng)草木灰摻量處于0%～20%的范圍內(nèi)時(shí)，曲線下先減后增，且在草木灰摻量為10%時(shí)達(dá)到最小值，此后則表現(xiàn)出不斷上升的趨勢(shì)，曲線大致表現(xiàn)為“V”型分布。

導(dǎo)致坡底位置沙土試件的粘聚力變化趨勢(shì)較坡中、坡頂不同的主要原因在于：粘聚力受到顆粒間膠結(jié)強(qiáng)度的影響較為顯著，而在邊坡土體結(jié)構(gòu)中大顆粒主要分布于底層，因此坡中、坡底位置的沙土干密度較大，因此就需要摻加更多草木灰來(lái)達(dá)到粘聚力峰值。根據(jù)曲線分布可以發(fā)現(xiàn)，坡中位置沙土試件出現(xiàn)粘聚力峰值所對(duì)應(yīng)的草木灰摻量較坡頂更大。同時(shí)坡中及坡頂位置沙土試件的粘聚力最小值出現(xiàn)在不摻加草木灰時(shí)，而對(duì)坡底位置沙土試件而言則出現(xiàn)在草木灰摻量為10%處。

2.2.3 草木灰對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)測(cè)得天然沙土試件的抗剪強(qiáng)度-垂向應(yīng)力關(guān)系曲線如圖4 所示。

根據(jù)圖4 可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于天然沙土，坡頂、坡中及坡底位置取得試件的抗剪強(qiáng)度均表現(xiàn)出較為相似的變化曲線，隨垂向應(yīng)力的提升而逐漸上升，但坡中位置的抗剪強(qiáng)度較坡頂及坡底更高?？傮w來(lái)看，垂向應(yīng)力-抗剪強(qiáng)度關(guān)系曲線大致可看為直線，這與庫(kù)倫理論之間有良好的契合性。

圖4 天然沙土試件的抗剪強(qiáng)度- 垂向應(yīng)力關(guān)系

當(dāng)垂向應(yīng)力分別為50kPa、100kPa 及200kPa 時(shí)，在天然沙土中摻加草木有助于改善坡頂位置沙土試件的抗剪強(qiáng)度，當(dāng)草木灰摻量為15%這一增強(qiáng)效果最為突出。在垂向應(yīng)力為300kPa 的條件下，天然草木灰的抗剪強(qiáng)度優(yōu)于混合草木灰，導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要原因在于沙土內(nèi)壓力水平過高導(dǎo)致密實(shí)度較為接近，因此其他因素的影響被削弱。當(dāng)垂向應(yīng)力分別為50kPa 和100kPa 時(shí)，在天然沙土中摻加草木有助于改善坡中位置沙土試件的抗剪強(qiáng)度，當(dāng)草木灰摻量為20%這一增強(qiáng)效果最為突出。在垂向應(yīng)力為300kPa 的條件下，不同草木灰摻量下的混合沙土抗剪強(qiáng)度較為接近，在不同垂向應(yīng)力條件下20%的草木灰摻量均能得到最大抗剪強(qiáng)度。

3 結(jié)論

本文結(jié)合某工程實(shí)例，通過試驗(yàn)分析了草木灰摻量對(duì)沙土邊坡穩(wěn)定性的影響。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)草木灰的摻入能夠在一定程度上改善沙土抗剪強(qiáng)度，且在摻量15%、垂直應(yīng)力200kPa 的條件下能夠得到最大的改善效果。