作者簡(jiǎn)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(jī)理，提出一種新型纖維加筋土固坡技術(shù)。以抗剪強(qiáng)度和滲透系數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，開(kāi)展室內(nèi)剪切試驗(yàn)、變水頭試驗(yàn)、電鏡掃描試驗(yàn)，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(duì)加固土徑流強(qiáng)度和產(chǎn)沙量的影響規(guī)律及加固土對(duì)邊坡整體穩(wěn)定性的提升效果。研究成果可為類(lèi)似路基邊坡坡面防護(hù)提供理論指導(dǎo)。

路基邊坡;沖刷機(jī)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(kuò)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(qiáng)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(huì)導(dǎo)致邊坡沖蝕、剝落、泥石流等淺層病害，同時(shí)邊坡淺層病害發(fā)展到一定程度會(huì)影響到邊坡的整體穩(wěn)定性，加大了邊坡風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，影響公路運(yùn)營(yíng)期間的行車(chē)安全性和舒適度。

近年來(lái)，許多學(xué)者也通過(guò)理論推導(dǎo)、降雨試驗(yàn)等方法研究了路基邊坡沖刷機(jī)理和生態(tài)防護(hù)技術(shù)，并提出一些有價(jià)值的研究成果。如鄧百洪等[1]基于水流運(yùn)動(dòng)波動(dòng)理論，建立邊坡土顆粒在水中的受力模型，研究了降雨強(qiáng)度和降雨歷時(shí)對(duì)邊坡坡面沖刷的影響，并計(jì)算出邊坡沖刷臨界坡度;尹學(xué)博[2]統(tǒng)計(jì)分析了公路邊坡生態(tài)防護(hù)的植物種類(lèi)及其植被組合，并結(jié)合植被根系保水固土機(jī)理、植被多樣性原理等，設(shè)計(jì)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(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)降雨沖刷試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證其防護(hù)效果。但是，工程師們?cè)陂_(kāi)展邊坡坡面防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)仍以經(jīng)驗(yàn)類(lèi)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(jī)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(jī)理及加固現(xiàn)狀

1.1 邊坡坡面沖刷機(jī)理

1.1.1 降雨濺擊

路基邊坡坡面發(fā)生沖刷的實(shí)質(zhì)就是坡面土體小于水流搬移力時(shí)，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(huì)對(duì)坡面土體產(chǎn)生較大沖擊力，導(dǎo)致土顆粒因?yàn)R擊而侵蝕。降雨濺擊坡面可分為三個(gè)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(shí)吸取雨水，而是被雨滴濺散。

（2）泥漿濺散階段，降雨時(shí)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(huì)濺散。

（3）層狀侵蝕階段，降雨歷時(shí)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(jiàn)式（1）：

F=（I，α，L，λ，n，d）（1）

式中：I——降雨強(qiáng)度;

α——邊坡坡角;

L——邊坡坡長(zhǎng);

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(guò)對(duì)在建和運(yùn)營(yíng)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(lèi)型，如表1所示。

我國(guó)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(guó)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(lái)，但是在借鑒的過(guò)程中往往只考慮其工程效應(yīng)，而對(duì)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(jì)性不高，造成了很大的工程浪費(fèi)，故選擇經(jīng)濟(jì)、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(wèn)題[5]。

2 加固材料抗侵蝕性能試驗(yàn)

筆者結(jié)合多年工程經(jīng)驗(yàn)，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(shí)，以減小強(qiáng)降雨對(duì)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(qiáng)度和滲透系數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，開(kāi)展室內(nèi)剪切試驗(yàn)和變水頭試驗(yàn)來(lái)研究黃麻纖維加筋土的抗沖刷性能。

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用土體應(yīng)風(fēng)干后碾碎過(guò)2 mm篩子，用激光粒度分布儀對(duì)土樣的粒徑分布進(jìn)行測(cè)定，得到了土體的顆粒級(jí)配曲線(xiàn)，如圖1所示。試驗(yàn)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(qiáng)、吸水性小的黃麻纖維。

2.2 加固材料抗剪強(qiáng)度

在土樣干密度、含水率等參數(shù)不變的情況下，纖維長(zhǎng)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(qiáng)度指標(biāo)變化規(guī)律，如圖2所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著纖維長(zhǎng)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(zhǎng)度下，纖維含量<0.3%或纖維長(zhǎng)度<15 mm時(shí)，加筋土的抗剪強(qiáng)度增加幅度較明顯，且纖維含量和纖維長(zhǎng)度對(duì)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(zhǎng)率可以達(dá)到171.6%，而內(nèi)摩擦角增長(zhǎng)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(duì)位移，使得土顆粒和纖維的接觸點(diǎn)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(guò)變水頭試驗(yàn)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(yàn)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(jí)。同時(shí)，加筋土的滲透系數(shù)會(huì)隨著纖維含量的增加而增大，這是因?yàn)榧咏钔林械睦w維與土顆粒之間孔隙較大，能夠?yàn)樗峁└酀B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(duì)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(qiáng)，以達(dá)到良好的加固效果。

綜上，纖維含量為0.3%、纖維長(zhǎng)度為15 mm時(shí)，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(píng)價(jià)

為了評(píng)價(jià)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(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)降雨沖刷試驗(yàn)。該路基邊坡填料為砂礫土，高8 m，坡度分別為1∶1.5，同時(shí)選擇相同邊坡高度和坡度的裸坡作為空白對(duì)照;纖維加筋土抹面厚度為10 cm，纖維長(zhǎng)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(qiáng)度為20 mm/h，降雨歷時(shí)60 min。

3.1 坡面徑流和產(chǎn)沙分析

邊坡沖刷試驗(yàn)開(kāi)始后每隔5 min采集一個(gè)沖刷水樣，測(cè)定各降雨時(shí)段內(nèi)坡面的徑流強(qiáng)度和產(chǎn)沙強(qiáng)度，得到了邊坡坡面加固前后的徑流強(qiáng)度和產(chǎn)沙強(qiáng)度，如圖5所示。

由圖5（a）可知：隨著降雨歷時(shí)的增加，加固土邊坡與非加固土邊坡的坡面徑流強(qiáng)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(guò)，使得徑流強(qiáng)度增加幅度大。坡面沖刷時(shí)間超過(guò)15 min后，水流下滲作用減弱，徑流強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢。同時(shí)，由于黃麻纖維加筋土滲透性較小，故非加固土的徑流強(qiáng)度大于加固土。

由圖5（b）可知：非加固土邊坡產(chǎn)沙強(qiáng)度明顯大于加固土邊坡，前者產(chǎn)沙強(qiáng)度峰值達(dá)到了4 kg/min，后者產(chǎn)沙強(qiáng)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(shí)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(jì)算理論

《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30-2015）的3.7.5條要求路基邊坡安全性計(jì)算宜采用簡(jiǎn)化畢肖普法。簡(jiǎn)化畢肖普法屬于剛體極限平衡法，它將滑坡體劃分成n個(gè)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(jì)算時(shí)以滑動(dòng)圓弧的圓心為力矩中心點(diǎn)，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(lái)計(jì)算加固土邊坡和非加固土邊坡的安全系數(shù)，計(jì)算理論為簡(jiǎn)化畢肖普法，計(jì)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(dòng)面和安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表2所示。

計(jì)算結(jié)果表明：未加固路基邊坡的潛在滑動(dòng)面靠近坡表，天然狀態(tài)下的安全系數(shù)滿(mǎn)足規(guī)范要求，但是在降雨入滲后，由于坡體抗剪強(qiáng)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(xiǎn)滑動(dòng)面位置向內(nèi)擴(kuò)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(yǔ)

本文在分析路基邊坡坡面沖刷機(jī)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(gè)階段。

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

（3）隨著降雨歷時(shí)增加，加固土的徑流強(qiáng)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(huì)使?jié)撛诨瑒?dòng)面向坡體內(nèi)擴(kuò)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(yàn)研究[J].公路與汽運(yùn)，2019（1）：88-92.

[2]尹學(xué)博.高速公路邊坡沖刷機(jī)理分析及室內(nèi)模擬試驗(yàn)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(yàn)研究[J].中外公路，2014，34（5）：41-43.

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

[5]蘇 偉，馮 楊.全風(fēng)化花崗巖邊坡沖刷機(jī)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(jī)理初探[J].解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào)（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.