隔斷層厚度對(duì)鹽漬土路基邊坡穩(wěn)定性的影響研究

張 昊

（中國(guó)市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，四川 成都610081）

0 引 言

在高寒地區(qū)建設(shè)公路路基工程時(shí)，常需面臨鹽漬土體密布的問(wèn)題。鹽漬土體有著含鹽量高的典型特征。堿化土和鹽化土等，也屬于鹽漬土體。在鹽漬土體分布廣泛的地區(qū)進(jìn)行路基工程施工時(shí)，需要重點(diǎn)做好兩種現(xiàn)象的預(yù)防措施。一是鹽漬土體有可能會(huì)發(fā)生次生鹽漬現(xiàn)象，二是毛細(xì)水對(duì)路基施工產(chǎn)生的不良影響。為了有效解決上述問(wèn)題，可以采取抬高路基的方法，但這種方法有諸多包括施工難度和造價(jià)等方面的缺陷。另一種方法是設(shè)置隔斷層。級(jí)配礫石層是常見(jiàn)的隔斷層材料，可以有效隔斷毛細(xì)水，并能在一定程度上提升鹽漬土路基邊坡的整體穩(wěn)定性，得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。

我國(guó)的諸多專家、學(xué)者針對(duì)級(jí)配礫石隔斷層設(shè)置、對(duì)應(yīng)的鹽漬土體鹽分遷移和毛細(xì)水上升方向的深入研究相對(duì)薄弱。但新惠等[3]搭建了室內(nèi)模擬試驗(yàn)，針對(duì)鹽漬土體級(jí)配礫石隔斷層厚度設(shè)置問(wèn)題展開(kāi)了研究，得出了多種自然模擬條件下毛細(xì)水上升的變化規(guī)律。趙中黨等[4]針對(duì)級(jí)配礫石鹽漬土體隔斷層問(wèn)題展開(kāi)研究，得出了公式計(jì)算和卡規(guī)法兩類合理隔斷層厚度計(jì)算方法。薛明等[5]依托實(shí)體施工工程項(xiàng)目，針對(duì)鹽分在鹽漬土體的遷移行為，總結(jié)了多種隔斷施工方案，可有效提高施工效率和質(zhì)量。張立華等[6]研究了避免高寒地區(qū)路基路面受鹽漬土體不良影響的方法，綜合利用了隔斷層設(shè)置和路基抬升兩種方案，可以實(shí)現(xiàn)隔斷毛細(xì)水上升，并能一定程度上限制鹽分遷移。針對(duì)利用隔斷層設(shè)置和路基抬升方案來(lái)規(guī)避鹽漬土體鹽分遷移和毛細(xì)水上升問(wèn)題的研究已有較多成果。

總而言之，針對(duì)將級(jí)配礫石隔斷層應(yīng)用于解決高寒區(qū)鹽漬土體對(duì)路基邊坡穩(wěn)定性影響方面，已有諸多理論驗(yàn)證和工程實(shí)踐。然而，在礫石隔斷層厚度的確定和研究驗(yàn)證方面，目前主要停留在專業(yè)學(xué)者提出的一些實(shí)驗(yàn)室計(jì)算方案上，在實(shí)際工程推廣過(guò)程中無(wú)法實(shí)現(xiàn)完全地驗(yàn)證。這是工程特點(diǎn)所限。另外，除了級(jí)配礫石外，瀝青基材質(zhì)、石灰土、水泥土、砂土等，都可作為隔斷層施工原材料。這對(duì)隔斷層厚度的計(jì)算和驗(yàn)證又提出了更高的要求，需要考慮到更多方面的問(wèn)題，包括地下水位高度、鹽漬土體的最大蒸發(fā)深度、鹽漬土體指標(biāo)、鹽漬土體種類、間隔層材料的施工配比和含鹽量等。由此可以發(fā)現(xiàn)，隔斷層厚度的計(jì)算有著很大的難度，過(guò)厚的隔斷層可引起原材料浪費(fèi)和工程造價(jià)成本提高等，而過(guò)薄的隔斷層厚度又無(wú)法完全阻止毛細(xì)水上升、阻隔鹽分遷移。

因此，本文將隔斷層厚度計(jì)算落實(shí)到有限元軟件模擬驗(yàn)證方面。模擬試驗(yàn)利用有限元建模軟件，搭建了多種厚度隔斷層的數(shù)據(jù)模型，通過(guò)對(duì)比優(yōu)選出最佳或合理厚度的隔斷層。有限元模型中的多項(xiàng)參數(shù)取自青海省某鹽漬土體分布區(qū)公路建設(shè)工程實(shí)地檢測(cè)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)模擬模型模擬了級(jí)配礫石隔斷層，搭建完成后進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，對(duì)比各組不同隔斷層厚度對(duì)應(yīng)的鹽漬土路基邊坡穩(wěn)定性，最終得出鹽漬土邊坡穩(wěn)定性變化規(guī)律。

1 工程數(shù)據(jù)

為準(zhǔn)確掌握該公路建設(shè)工程所處鹽漬土體分布區(qū)的氣象資料，調(diào)查并分析了2000年以來(lái)至2019年青海省該地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)。該工程所在地處于柴達(dá)木盆地，平均海拔為2 810 m，屬于夏季短冬季長(zhǎng)氣候，夏季涼爽、冬季嚴(yán)寒，降水少，干旱嚴(yán)重，風(fēng)力較大，是典型的高原氣候。該鹽漬土體分布區(qū)公路建設(shè)工程可為本文研究模擬內(nèi)容提供合適的數(shù)據(jù)依托。該公路全長(zhǎng)79 482 m，雙向4車道，路基整體寬度為28 m，設(shè)計(jì)車速為100 km/h，公路面層為AC瀝青混凝土結(jié)構(gòu)形式。

1.1 降雨與蒸發(fā)情況

該公路建設(shè)工程所處鹽漬土體分布區(qū)2000—2019年的每月平均降雨與蒸發(fā)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖1。

圖1 月平均降雨及蒸發(fā)數(shù)據(jù)

該地區(qū)的月平均蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于月平均降雨量，尤其是在5—8月，這一現(xiàn)象達(dá)到頂峰。年平均蒸發(fā)量達(dá)到2 641 mm，而年降雨量?jī)H為43.6 mm。其中，5—9月的降雨量占全部年平均降雨量的88.4%。

為判斷該地區(qū)的干旱程度，可通過(guò)計(jì)算得到該地區(qū)的干燥指數(shù)k。

干燥指數(shù)k=年蒸發(fā)量Z/年降水量J計(jì)算可得到干燥指數(shù)為60.57，即年降水量?jī)H為年蒸發(fā)量的1/60，屬于極為干旱地區(qū)。

1.2 氣溫情況

該公路建設(shè)工程所處鹽漬土體分布區(qū)的氣溫統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)圖2，平均最高氣溫和最低氣溫最高值均處于7月，分別為32℃和13℃。該月平均氣溫為22.5℃。平均氣溫能達(dá)到15℃以上的月份為6—8月。該地區(qū)在12月是全年最低氣溫，為-9.3℃，月平均溫度處于0℃以下的月份為11—3月。全年的最高溫與最低溫之間的最大差值為33.1℃，有著典型的季節(jié)更迭特征。

圖2 月平均氣溫?cái)?shù)據(jù)

1.3 地溫情況

同樣，對(duì)該公路建設(shè)工程所處鹽漬土體分布區(qū)2000—2019年的每月平均地溫進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析的深度為0~40 cm，結(jié)果見(jiàn)圖3。將其與當(dāng)?shù)卦缕骄鶜鉁刈兓闆r對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)兩者變化趨勢(shì)基本一致，總體上月平均地溫高于對(duì)應(yīng)的月平均氣溫。隨著深度的增加，地溫整體走低。橫向?qū)Ρ雀魃疃鹊販刈兓龋梢园l(fā)現(xiàn)深度越大，各月份間的地溫變化幅度趨于緩和，并且與氣溫的相關(guān)性更小。

圖3 月平均地溫?cái)?shù)據(jù)

2 試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

2.1 土樣理化試驗(yàn)

該公路建設(shè)工程試驗(yàn)段全長(zhǎng)45 795 m，沿線共選取了25個(gè)采樣檢測(cè)點(diǎn)。在采樣點(diǎn)取路基土土樣，做室內(nèi)土樣檢測(cè)試驗(yàn)。室內(nèi)土樣檢測(cè)試驗(yàn)主要針對(duì)鹽漬土樣中的含鹽類別及其對(duì)應(yīng)的含鹽量進(jìn)行檢測(cè)。試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)的鹽漬土體含鹽類型主要為和Cl-兩種。其中，過(guò)鹽漬土占比高達(dá)44.8%，強(qiáng)鹽、中鹽和非鹽類土的占比見(jiàn)圖4。

圖4 鹽漬土樣含鹽量

取試驗(yàn)土樣中含鹽量最高的過(guò)鹽漬土為樣本，按照規(guī)范試驗(yàn)方法，對(duì)其物理參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。對(duì)鹽漬土樣中的鹽分含量進(jìn)行化學(xué)參數(shù)檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 鹽漬土樣物理參數(shù)

表2 鹽漬土樣化學(xué)參數(shù)

2.2 土樣直剪試驗(yàn)

根據(jù)土工試驗(yàn)規(guī)程的規(guī)范要求，選擇含水率為6.5%、壓實(shí)度為95%的鹽漬土體制樣，用保鮮膜將制好的土樣包裹好，防止其中水分含量變化。置于恒溫箱中，后續(xù)進(jìn)行直剪試驗(yàn)。按規(guī)范控制統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的試樣尺寸和剪切速率，可以得到各含水率條件下土樣對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度情況。

在含水率為6.5%、壓實(shí)度為95%、溫度為24℃條件下，土樣的應(yīng)力-應(yīng)變對(duì)應(yīng)情況見(jiàn)圖5。

圖5 鹽漬土樣應(yīng)力-應(yīng)變對(duì)應(yīng)情況

選擇鹽漬土樣最大剪切強(qiáng)度與對(duì)應(yīng)的垂直應(yīng)力數(shù)據(jù)繪制圖6所示的關(guān)系圖。利用線性擬合一次曲線得到M-C破壞標(biāo)準(zhǔn)，能夠得出鹽漬土體的內(nèi)摩擦角指標(biāo)、黏聚力指標(biāo)。

圖6 線性擬合一次曲線圖

3 有限元模擬分析

對(duì)照實(shí)際路基工程施工，無(wú)法準(zhǔn)確估算出路基邊坡滑動(dòng)面分布位置及其具體范圍。本文模擬過(guò)程中，在人工計(jì)算和軟件分析時(shí)，均選取路基邊坡坡腳作為滑動(dòng)面起始位置。采用該種方法進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)，需要注意僅適用于單層填筑土體邊坡的穩(wěn)定性分析。若是多類別土體填筑或多層填筑，則不能得到滑動(dòng)面分布位置及其具體范圍。本文進(jìn)行的有限元模擬分析，僅針對(duì)單層鹽漬土體一次填筑并設(shè)有一定厚度級(jí)配礫石隔斷層的路基邊坡穩(wěn)定性分析。

本文共模擬設(shè)有0 cm、20 cm、30 cm、40 cm、60 cm、80 cm的6種級(jí)配礫石隔斷層的路基邊坡。軟件設(shè)置的級(jí)配礫石和填筑鹽漬土體的特性數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 模擬特性數(shù)據(jù)

通過(guò)有限元模擬的6種隔斷層厚度對(duì)鹽漬土路基邊坡穩(wěn)定性的影響結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 有限元模擬結(jié)果

分析圖7可以明顯看出，最初未設(shè)置級(jí)配礫石隔斷層時(shí)，最小穩(wěn)定系數(shù)K為6.279；當(dāng)在鹽漬土體路基下部增設(shè)20 cm級(jí)配礫石隔斷層后，K下降到了4.920；當(dāng)隔斷層厚度繼續(xù)增加至30 cm后，K下降至1.679；隨后K值便保持穩(wěn)定。也就是說(shuō)，當(dāng)級(jí)配礫石隔斷層的厚度設(shè)置未超過(guò)30 cm前，最小穩(wěn)定系數(shù)K隨著隔斷層厚度的增加而降低；當(dāng)級(jí)配礫石隔斷層的厚度設(shè)置超過(guò)30 cm后，K值不再變化。模擬路基邊坡的危險(xiǎn)滑動(dòng)面位置觸及坡腳隔斷層處，不會(huì)再對(duì)危險(xiǎn)滑動(dòng)面產(chǎn)生明顯影響。由此可以總結(jié)出：在實(shí)際鹽漬土體路基邊坡施工過(guò)程中，為保持路基整體穩(wěn)定，若要在其底部增設(shè)級(jí)配礫石隔斷層，需要關(guān)注坡腳處的穩(wěn)定性，對(duì)其進(jìn)行重點(diǎn)加固處理。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文基于實(shí)體工程項(xiàng)目，在采樣檢測(cè)鹽漬土體理化性質(zhì)的基礎(chǔ)上，通過(guò)直剪試驗(yàn)得出了土體基本特性數(shù)據(jù)，利用有限元軟件模擬了5種厚度的級(jí)配礫石隔斷層和1組無(wú)隔斷層的鹽漬土體路基邊坡，對(duì)比了各厚度級(jí)配礫石隔斷層對(duì)路基邊坡穩(wěn)定性的影響結(jié)果，得出如下主要結(jié)論：

（1）該有限元模擬分析僅針對(duì)單層鹽漬土體一次填筑并設(shè)有一定厚度級(jí)配礫石隔斷層的路基邊坡穩(wěn)定性分析。

（2）當(dāng)級(jí)配礫石隔斷層厚度設(shè)置未超過(guò)30 cm時(shí)，最小穩(wěn)定系數(shù)K隨隔斷層厚度的增加而降低。

（3）當(dāng)隔斷層厚度設(shè)置超過(guò)30 cm后，K值不再變化。

（4）在實(shí)際鹽漬土體路基邊坡施工過(guò)程中，若要在其底部增設(shè)級(jí)配礫石隔斷層，需要對(duì)坡腳處進(jìn)行重點(diǎn)加固處理。