基于模擬路基試驗的公路邊坡沖刷深度影響因素

張俊峰,肖 田,李清華,孫吉書

(1.中交一公局第六工程有限公司,天津 300451;2.天津市政工程設計研究院,天津 300384;3.河北工業大學土木與交通學院,天津 300401)

公路路基邊坡的穩定是保障公路安全運營的基礎,一旦公路邊坡發生破壞,將會嚴重威脅車輛的通行安全,甚至可能造成巨大的人身或財產損失。由于公路邊坡暴露在自然環境之中,會受到各種外部力量的作用。水毀就是最為常見的公路邊坡破壞形式之一,每年都需要大量的養護費用進行水毀公路的修復。公路邊坡的水毀主要是受到自上而下的雨水沖刷或者沿著路線方向的縱向洪水沖刷,以及受到洪水浸泡而造成的邊坡失穩等方面[1,2]。楊矯等[3]研究了雨水滲透力作用及下滲深度對邊坡穩定性的影響。馬雪妍[4]應用Geo-studio軟件的Seep/W模塊和Slope/W模塊,分析了降雨作用及水庫水位升降對于堤壩邊坡滲流場及其穩定性的影響規律,得出了水位上升時邊坡穩定性的影響因素排序,有利于避免滑坡的危險。李清華等[5]通過有限元模擬計算,研究了洪水水位變化對公路路基邊坡的滲流場及穩定性的影響,有利于保障公路邊坡在洪水水位變化過程中的穩定性。吳泉澳[6]、張永剛[7]應用FLAC3D軟件建立水庫邊坡的有限元模型,建模分析了水庫水位急速變化對庫岸邊坡穩定狀態的影響因素與作用規律,有利于明確水庫水位急速變化這種特殊情況下的水庫邊坡穩定機理。對于公路邊坡的水毀危害而言,雨水自上而下的沖刷造成的邊坡土體流失是其主要因素之一,也是最為常見的水毀病害。但是,目前的文獻大多通過有限元模擬分析的方法進行研究,而基于實際試驗的沖刷研究成果較少。津石高速公路是天津市濱海新區至河北省石家莊市之間的一條直接高速通道,對于促進京津冀交通一體化具有重要的作用。津石高速公路天津西段工程全部位于蓄滯洪區之內,其路基邊坡受到雨水沖刷和洪水作用等水毀危害的可能性較大。結合津石高速公路天津西段工程的建設,根據實際工程情況,建立高速公路的模擬路基模型,試驗分析路基邊坡沖刷深度的影響因素及其作用規律,有利于提高公路邊坡沖刷防護設計的科學性與針對性。

1 試驗方案

1.1 模擬路基設計

根據公路邊坡的一般設計形式,邊坡坡度取最為常見的1∶1.5,根據重力相似的原則,邊坡的高度設為0.8 m,坡頂路面長設為1.0 m,寬為0.6 m。

1.2 試驗參數

(1)土體參數

模擬路基試驗采用黏性土,土體壓實度分別取85%、90%和95%,土體不同壓實度時的技術參數如表1所示。

表1 試驗土體的技術參數

(2)水流速度

根據雨水沖刷的一般情況和實驗控制結果,試驗控制的水流速度為三種,分別為:0.16 m/s、0.35 m/s和0.50 m/s。

(3)觀測位置及沖刷深度的選取

對于公路邊坡的模擬實驗,分別觀測了模擬路基邊坡坡腳、坡中和坡頂3個典型位置的沖刷深度,取3個位置的最大沖刷深度作為試驗的沖刷深度代表值。

2 試驗結果與分析

2.1 沖刷時間對沖刷深度的影響

根據選定的試驗方案,進行模擬路基的沖刷試驗,限于試驗條件,本試驗的總沖刷時間選定為10 min。試驗測得不同水流速度、土體壓實度的情況下,不同沖刷時間時模擬路基邊坡的沖刷深度代表值,試驗結果如表2所示。

表2 不同沖刷時間的試驗結果

從表2的模擬路基沖刷試驗結果可以看出,隨著沖刷時間的增長,路基邊坡土體顆粒流失會逐步增大,相應地沖刷深度隨著沖刷時間而顯著增大。為了能夠直觀反映不同沖刷時段的沖刷深度分布情況,以流速0.35 m/s為例,做出邊坡沖涮深度隨沖刷時間的變化曲線,如圖1所示。

圖1 沖刷深度隨沖刷時間的變化曲線

從圖1中的試驗結果可知,不同土體壓實度情況下,路基邊坡的沖刷深度隨著沖刷時間而增大,并且在沖刷前4 min,沖刷深度的增長速度最快,這主要是土體顆粒的“薄弱”部分首先隨著沖刷而流失的原因造成的,如邊坡表面的覆土等;土體顆粒的“薄弱”部分被沖走之后,剩余部分土體相對更加穩定,雖然沖刷深度會隨著沖刷時間而持續增大,但是4 min之后,沖刷深度隨著沖刷時間而增大的速度會明顯小于4 min之前。

2.2 土體壓實度對沖刷深度的影響

相對而言,土體的壓實度越大,土體顆粒之間的聯結就越緊密,路基土體的強度和穩定性一般就會越好。為了探討和明確土體壓實度對沖刷深度的影響規律,進行了土體壓實度分別取85%、90%和95%時的邊坡沖刷試驗,以沖刷時間為10 min時的最大沖刷深度為例,繪出沖刷深度隨著壓實度的變化曲線,如圖2所示。

圖2 沖刷深度隨壓實度的變化曲線

從圖2中的沖刷試驗結果可以看出,三種水流速度情況下,沖刷深度與壓實度之間具有相似的規律。即:隨著土體壓實度的增大,路基邊坡的沖刷深度顯著降低。土體壓實度從85%提升至90%和95%,三種水流速度(0.16 m/s、0.35 m/s和0.50 m/s)情況下的邊坡沖刷深度分別降低了10.7%、12.1%、9.1%和17.8%、21.2%、18.2%。可見,增大路基土體的壓實度可以有效提高路基邊坡的抗沖刷能力,這也是公路路基邊坡預防沖刷水毀最為簡單直接的方法。另外,從圖2中可以看出,邊坡沖刷深度與土體壓實度近似具有線性相關關系,應用最小二乘法,歸納出邊坡沖刷深度與土體壓實度之間的相關關系為

D=k·R+c

(1)

式中:D為邊坡沖刷深度,mm;R為土體壓實度,%;k和c為回歸參數,由試驗確定。

2.3 水流速度對沖刷深度的影響

水流的沖刷是造成公路邊坡水毀的直接原因,仍以沖刷時間為10 min時的最大沖刷深度為例,繪出沖刷深度隨著水流速度的變化曲線如圖3所示。

圖3 沖刷深度隨水流速度的變化曲線

從圖3中的試驗結果可看出,隨著水流速度的增加,邊坡的沖刷深度迅速增大。這主要是水流速度的增加,使得水流對土體顆粒的沖刷能量顯著增大的原因造成的。當水流速度從0.15 m/s提高至0.36 m/s和0.50 m/s,三種體壓實度(85%、90%、95%)情況下的邊坡沖刷深度分別提高了17.8%、16.0%、13.1%和57.1%、60.0%、56.5%。分析表2和圖4中的試驗結果可知,沖刷深度和水流速度之間近似具有指數相關關系,歸納得出沖刷深度和水流速度之間的關系式為

D=a·ebv

(2)

式中:D為邊坡沖刷深度,mm;v為水流速度,m/s;a,b為回歸參數,由試驗確定。

3 結 論

(1)隨著沖刷時間的增長,路基邊坡土體顆粒流失會逐步增大,沖刷深度隨著沖刷時間而現在增大;并且在沖刷前期,變速速度更快。

(2)邊坡的沖刷深度隨著壓實度的增大而降低,兩者之間近似具有線性相關關系;土體壓實度從85%提升90%和95%,三種水流速度情況下的邊坡沖刷深度分別降低了10.7%、12.1%、9.1%和17.8%、21.2%、18.2%,增大壓實度可以有效提高邊坡的抗沖刷能力。

(3)邊坡的沖刷深度隨著水流速度的增加而迅速增大,兩者之間近似具有指數相關關系。