路基邊坡坡面沖刷機理與加固材料研究

作者簡介：

唐松竹（1984—），工程師，主要從事道路與橋梁技術(shù)研究和施工管理工作。

為了提高公路路基建設(shè)水平，文章從干土濺散、泥漿濺散、層狀侵蝕等方面分析了路基邊坡沖刷機理，提出一種新型纖維加筋土固坡技術(shù)。以抗剪強度和滲透系數(shù)為評價指標(biāo)，開展室內(nèi)剪切試驗、變水頭試驗、電鏡掃描試驗，研究了加固土抗沖刷性能，并依托某公路路基邊坡，探討了降雨對加固土徑流強度和產(chǎn)沙量的影響規(guī)律及加固土對邊坡整體穩(wěn)定性的提升效果。研究成果可為類似路基邊坡坡面防護(hù)提供理論指導(dǎo)。

路基邊坡;沖刷機理;加固材料;抗沖刷性能

U416.1+4A050154

0 引言

隨著基礎(chǔ)交通網(wǎng)的完善，公路工程的建設(shè)規(guī)模逐年擴大，每年形成的邊坡面積可達(dá)2～3億m2。裸露的邊坡坡面在強降雨、氣候變化、凍融作用等因素干擾下，容易出現(xiàn)表面侵蝕現(xiàn)象。邊坡坡面侵蝕會導(dǎo)致邊坡沖蝕、剝落、泥石流等淺層病害，同時邊坡淺層病害發(fā)展到一定程度會影響到邊坡的整體穩(wěn)定性，加大了邊坡風(fēng)險等級，影響公路運營期間的行車安全性和舒適度。

近年來，許多學(xué)者也通過理論推導(dǎo)、降雨試驗等方法研究了路基邊坡沖刷機理和生態(tài)防護(hù)技術(shù)，并提出一些有價值的研究成果。如鄧百洪等[1]基于水流運動波動理論，建立邊坡土顆粒在水中的受力模型，研究了降雨強度和降雨歷時對邊坡坡面沖刷的影響，并計算出邊坡沖刷臨界坡度;尹學(xué)博[2]統(tǒng)計分析了公路邊坡生態(tài)防護(hù)的植物種類及其植被組合，并結(jié)合植被根系保水固土機理、植被多樣性原理等，設(shè)計了一種適用于公路邊坡的新型土工柔性格框生態(tài)防護(hù)措施;王桂堯等[3]為了解決路塹邊坡沖蝕、剝蝕等病害，提出了一種新型植物纖維防護(hù)技術(shù)，并開展了現(xiàn)場降雨沖刷試驗來驗證其防護(hù)效果。但是，工程師們在開展邊坡坡面防護(hù)設(shè)計時仍以經(jīng)驗類比法為主，使得邊坡防護(hù)方案偏于保守。因此，研究路基邊坡坡面沖刷機理和新型加固措施具有十分重要的工程意義。

1 公路邊坡坡面沖刷機理及加固現(xiàn)狀

1.1 邊坡坡面沖刷機理

1.1.1 降雨濺擊

路基邊坡坡面發(fā)生沖刷的實質(zhì)就是坡面土體小于水流搬移力時，坡面水流將土顆粒剝離，而水流搬移力主要源于降雨濺擊[4]。

降雨濺擊是路基邊坡坡面沖刷的最初形式。相關(guān)研究表明，雨滴平均降落速度達(dá)8～10 m/s，會對坡面土體產(chǎn)生較大沖擊力，導(dǎo)致土顆粒因濺擊而侵蝕。降雨濺擊坡面可分為三個階段：

（1）干土濺散階段，降雨初期，雨滴濺擊到干燥坡面，土顆粒未能及時吸取雨水，而是被雨滴濺散。

（2）泥漿濺散階段，降雨時間持續(xù)增加，邊坡坡面土體結(jié)構(gòu)被破壞，土顆粒間的空隙被水分充填。當(dāng)坡面土體水分達(dá)到飽和程度，土呈泥漿狀，受雨滴沖擊后也會濺散。

（3）層狀侵蝕階段，降雨歷時繼續(xù)增加，坡面表層的泥漿將阻塞土孔隙，減小其滲透性，雨水以徑流方式在坡面漫流，導(dǎo)致邊坡表層土顆粒不斷流失，屬于降雨濺擊最嚴(yán)重的階段。

1.1.2 坡面沖刷影響因子

路基邊坡坡面沖刷受到多因素的綜合影響，可用函數(shù)表示，見式（1）：

F=（I，α，L，λ，n，d）（1）

式中：I——降雨強度;

α——邊坡坡角;

L——邊坡坡長;

λ——坡面單寬入滲率;

n——坡面粗糙系數(shù);

d——土顆粒平均直徑。

1.2 邊坡坡面加固現(xiàn)狀

通過對在建和運營中的公路邊坡坡面防護(hù)方式的調(diào)查可知，公路工程中常用的坡面防護(hù)措施主要有剛性防護(hù)、柔性防護(hù)和復(fù)合型防護(hù)三種類型，如表1所示。

我國公路工程建設(shè)起步較晚，在邊坡防護(hù)技術(shù)方面的研究成果還不完善。目前國內(nèi)的路基邊坡坡面防護(hù)技術(shù)也大多數(shù)是從鐵路、水利等領(lǐng)域借鑒而來，但是在借鑒的過程中往往只考慮其工程效應(yīng)，而對環(huán)境景觀效應(yīng)的重視程度不夠，即圬工防護(hù)效果較好，但是與自然景觀協(xié)調(diào)性差，經(jīng)濟性不高，造成了很大的工程浪費，故選擇經(jīng)濟、合理且與自然景觀協(xié)調(diào)的邊坡生態(tài)防護(hù)技術(shù)已成為工程人員需解決的重要問題[5]。

2 加固材料抗侵蝕性能試驗

筆者結(jié)合多年工程經(jīng)驗，提出一種新型纖維加筋土坡面防護(hù)技術(shù)，即將一定含量的黃麻纖維摻入土中改良其物理力學(xué)性能，并將加筋土在坡面碾壓密實，以減小強降雨對坡面的侵蝕。由于土壤是路基邊坡坡面沖刷變形的物質(zhì)基礎(chǔ)，其本身的滲透性、水穩(wěn)性直接決定邊坡坡面的抗沖刷能力，故以加筋土的抗剪強度和滲透系數(shù)為評價指標(biāo)，開展室內(nèi)剪切試驗和變水頭試驗來研究黃麻纖維加筋土的抗沖刷性能。

2.1 試驗材料

試驗所用土體應(yīng)風(fēng)干后碾碎過2 mm篩子，用激光粒度分布儀對土樣的粒徑分布進(jìn)行測定，得到了土體的顆粒級配曲線，如圖1所示。試驗結(jié)果表明，該土樣粒徑<1 mm的顆粒占比為100%，<0.075 mm的顆粒占比為88.7%，<0.005 mm的顆粒占比為12.9%，<0.002 mm的顆粒占比為4.55%，屬于細(xì)粒土且以粉粒為主。纖維采用彈性高、抗拉能力強、吸水性小的黃麻纖維。

2.2 加固材料抗剪強度

在土樣干密度、含水率等參數(shù)不變的情況下，纖維長度取6 mm、9 mm、12 mm、15 mm、19 mm，纖維含量取0.1%、0.3%、0.5%、0.7%，得到了不同配合比下黃麻纖維加筋土抗剪強度指標(biāo)變化規(guī)律，如圖2所示。

試驗結(jié)果表明：隨著纖維長度和纖維含量的增加，黃麻纖維加筋土粘聚力和內(nèi)摩擦角也逐漸提高。同一纖維長度下，纖維含量<0.3%或纖維長度<15 mm時，加筋土的抗剪強度增加幅度較明顯，且纖維含量和纖維長度對加筋土粘聚力的影響要大于內(nèi)摩擦角。黃麻纖維加筋土最終的粘聚力增長率可以達(dá)到171.6%，而內(nèi)摩擦角增長率僅為13.3%。主要

原因在于：由于纖維和土體彈性模量不同（抵抗變形能力不同），則兩者在外力作用下容易產(chǎn)生相對位移，使得土顆粒和纖維的接觸點出現(xiàn)摩擦力和咬合力，從而提高土體的抗剪性能。

2.3 加固材料崩解系數(shù)

土體滲透性與邊坡坡面的抗沖刷性密切相關(guān)，一般土顆粒的滲透系數(shù)越大，坡面的抗沖刷能力越弱，反之亦然[6]。通過變水頭試驗得到了不同配合比下纖維加筋土滲透系數(shù)變化規(guī)律，如圖3所示。

試驗結(jié)果表明：黃麻纖維加筋土的滲透性較弱，滲透系數(shù)基本在10-6數(shù)量級。同時，加筋土的滲透系數(shù)會隨著纖維含量的增加而增大，這是因為加筋土中的纖維與土顆粒之間孔隙較大，能夠為水提供更多滲流路徑，起到了一種引流作用，纖維摻量越高，土體滲水效果越好。

2.4 加固材料微觀分析

采用掃描電鏡對土體的微觀空隙進(jìn)行觀察，并將顯微圖片二值化處理，得到土體加固前后的孔隙數(shù)量變化規(guī)律，如圖4所示。

圖4表明：黃麻纖維的“織網(wǎng)”效應(yīng)使得顆粒間排列更緊密，孔隙面積和大中孔隙數(shù)量明顯減少，孔隙比降低，而加固土的孔隙減少，導(dǎo)致土體滲透性降低，水穩(wěn)性增強，以達(dá)到良好的加固效果。

綜上，纖維含量為0.3%、纖維長度為15 mm時，黃麻纖維加筋土的抗沖刷性能達(dá)到最佳。

3 加固材料在坡面防護(hù)中的應(yīng)用效果評價

為了評價黃麻纖維加筋土在邊坡坡面防護(hù)中的應(yīng)用效果，依托某公路填方路基邊坡開展現(xiàn)場降雨沖刷試驗。該路基邊坡填料為砂礫土，高8 m，坡度分別為1∶1.5，同時選擇相同邊坡高度和坡度的裸坡作為空白對照;纖維加筋土抹面厚度為10 cm，纖維長度和摻量按最佳配合比;降雨設(shè)備采用自制人工降雨模擬器，降雨強度為20 mm/h，降雨歷時60 min。

3.1 坡面徑流和產(chǎn)沙分析

邊坡沖刷試驗開始后每隔5 min采集一個沖刷水樣，測定各降雨時段內(nèi)坡面的徑流強度和產(chǎn)沙強度，得到了邊坡坡面加固前后的徑流強度和產(chǎn)沙強度，如圖5所示。

由圖5（a）可知：隨著降雨歷時的增加，加固土邊坡與非加固土邊坡的坡面徑流強度不斷提高，但提高速率逐漸變緩。即在坡面沖刷初始階段（0～15 min），雨水下滲作用明顯，坡面未被侵蝕，水流通道少，雨水主要以徑流的形式在坡面經(jīng)過，使得徑流強度增加幅度大。坡面沖刷時間超過15 min后，水流下滲作用減弱，徑流強度增長緩慢。同時，由于黃麻纖維加筋土滲透性較小，故非加固土的徑流強度大于加固土。

由圖5（b）可知：非加固土邊坡產(chǎn)沙強度明顯大于加固土邊坡，前者產(chǎn)沙強度峰值達(dá)到了4 kg/min，后者產(chǎn)沙強度僅在0～15 min有小幅提高，峰值僅為0.027 kg/min。這表明黃麻纖維加筋土用于路基邊坡坡面加固時的抗雨水侵蝕效果非常明顯。

3.2 邊坡加固前后的穩(wěn)定性分析

3.2.1 計算理論

《公路路基設(shè)計規(guī)范》（JTG D30-2015）的3.7.5條要求路基邊坡安全性計算宜采用簡化畢肖普法。簡化畢肖普法屬于剛體極限平衡法，它將滑坡體劃分成n個寬度相同的垂直條塊，并假設(shè)各條塊間只存在水平條間力，豎向條間力等于0，且滑體力矩平衡。計算時以滑動圓弧的圓心為力矩中心點，得到抗滑力矩與下滑力矩的比值即為邊坡安全系數(shù)[7]，如式（2）所示：

Ti=∑ni=1[（Wi-uibi）tanφi+cibi]/mαi

∑ni=1Wisinαi（2）

式中：Wi——第i條條塊的重力，kPa;

bi——第i條條塊的寬度，m;

ci——滑面粘聚力，kPa;

φi——滑面內(nèi)摩擦角，°;

αi——圓弧底面傾角，°;

ui——孔隙水壓力，kPa。

3.2.2 邊坡加固前后的安全系數(shù)

采用理正巖土軟件來計算加固土邊坡和非加固土邊坡的安全系數(shù)，計算理論為簡化畢肖普法，計算工況分為天然狀態(tài)和降雨（降雨參數(shù)同上）兩種。邊坡潛在滑動面和安全系數(shù)計算結(jié)果如表2所示。

計算結(jié)果表明：未加固路基邊坡的潛在滑動面靠近坡表，天然狀態(tài)下的安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，但是在降雨入滲后，由于坡體抗剪強度參數(shù)降低及容重的增加，安全系數(shù)僅為1.15，需要進(jìn)行加固處治。黃麻纖維加筋土處治后，路基邊坡的最危險滑動面位置向內(nèi)擴展，天然狀態(tài)和降雨工況下邊坡安全系數(shù)分別提高了9.9%、7.8%。

綜上，黃麻纖維加筋土用于路基邊坡的坡面加固是可行的，能明顯提高坡面的抗沖刷性能和穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

本文在分析路基邊坡坡面沖刷機理的基礎(chǔ)上，提出一種新型纖維加筋土護(hù)坡技術(shù)，并研究了其抗沖刷性能和應(yīng)用效果，主要得到以下結(jié)論：

（1）降雨濺擊是坡面沖刷的最初形式，主要包括干土濺散、泥漿濺散、層狀侵蝕三個階段。

（2）纖維加固土的抗剪強度和滲透性相對于未加固土有明顯的改善，纖維含量為0.3%、纖維長度為15 mm時，其抗沖刷性能達(dá)到最佳。

（3）隨著降雨歷時增加，加固土的徑流強度大于非加固土，且產(chǎn)沙量極小，抗雨水侵蝕效果非常明顯。

（4）纖維加筋土用于路基邊坡坡面加固會使?jié)撛诨瑒用嫦蚱麦w內(nèi)擴展，并提高邊坡的整體穩(wěn)定性。

[1]鄧百洪，趙 旭，龍志東.花崗巖殘積土邊坡沖刷模擬試驗研究[J].公路與汽運，2019（1）：88-92.

[2]尹學(xué)博.高速公路邊坡沖刷機理分析及室內(nèi)模擬試驗研究[J].公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2017，13（1）：83-85，130.

[3]王桂堯，鐘 崢.兩種新型生態(tài)防護(hù)方法模擬邊坡沖刷的試驗研究[J].中外公路，2014，34（5）：41-43.

[4]盧 浩.黃土公路邊坡沖刷機理及草泥防護(hù)適應(yīng)性試驗研究[D].西安：長安大學(xué)，2014.

[5]蘇 偉，馮 楊.全風(fēng)化花崗巖邊坡沖刷機理及工程防護(hù)措施[J].公路工程，2012，37（6）：146-149.

[6]李志剛，王春輝.公路邊坡沖刷機理初探[J].解放軍理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2003（3）：43-45.

[7]汪益敏.路基邊坡坡面沖刷特性與加固材料性能研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2003.