路基邊坡新型加固技術研究及應用

楊 鑫

(廣東冠粵路橋有限公司，廣東 廣州 511450)

0 引 言

隨著基礎交通網的完善，公路工程的建設規模逐年擴大。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，容易出現表面侵蝕現象。邊坡坡面侵蝕會導致邊坡沖蝕、剝落、泥石流等淺層病害，同時邊坡淺層病害的發展到一定程度會影響到邊坡的整體穩定性，提升了邊坡風險等級，影響公路運營期間的行車安全性和舒適度。近年來，許多學者也通過理論推導、降雨試驗等方法研究了路基邊坡沖刷機理和新型防護技術，并提出一些有價值的研究成果，如張紅杰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；王桂堯統計分析了公路邊坡生態防護的植物種類及其植被組合，并結合植被根系保水固土機理、植被多樣性原理等，設計了一種適用于公路邊坡的新型土工柔性格框生態防護措施；郭鵬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技術，并開展了現場降雨沖刷試驗來驗證植其防護效果。但是，工程師在開展邊坡坡面防護設計時仍以經驗類比法為主，使得邊坡防護方案偏于保守。因此，研究路基邊坡新型加固技術具有十分重要的工程意義。

1 路基邊坡沖刷機理及加固現狀

1.1 公路邊坡沖刷機理

(1)降雨濺擊

路基邊坡坡面發生沖刷的實質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。降雨濺擊是路基邊坡坡面沖刷的最初形式，相關研究表明：雨滴平均降落速度是8～10 m/s，會對坡面土體產生較大沖擊力，導致土顆粒因濺擊而侵蝕。降雨濺擊坡面可分為三個階段：第一，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；第二，泥漿濺散階段。降雨時間持續增加，邊坡坡面土體結構被破壞，土顆粒間的空隙被水分充填。當坡面土體水分達到飽和程度，土呈泥漿狀，受雨滴沖擊后也會濺散；第三，層狀侵蝕階段。降雨歷時繼續增加，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，導致邊坡表層土顆粒不斷流失，屬于降雨濺擊最嚴重的階段。

(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，可用函數表示如

F=f(I,a,L,λ,n,d)

式中：I為降雨強度；a為邊坡坡角；L為邊坡坡長；λ為邊坡入滲率；n為坡面粗糙系數；d為土顆粒平均直徑。

1.2 邊坡坡面加固現狀

我國公路工程建設起步較晚，在邊坡加固技術方面的研究成果不完善。目前國內的路基邊坡坡面防護技術也大多數是從鐵路、水利等領域借鑒而來，但是在借鑒的過程中往往只考慮其工程效應，而對環境景觀效應的重視程度不夠，即圬工防護效果較好，但是與自然景觀協調性差，經濟性不高，造成了很大工程浪費。通過對在建和運營中的公路邊坡加固方式的調查可知，公路工程中常用的坡面加固措施主要有剛性防護、柔性防護和復合型防護三種類型，如表1所示。

表1 路基邊坡常見加固措施

2 植物聚丙烯纖維護坡技術

筆者結合多年工程經驗，提出一種植物聚丙烯纖維護坡技術用于邊坡坡面加固。該技術是將土體、聚丙烯纖維、草種、水、保水劑均勻的拌合在一起，然后通過專用噴播機將混合物噴射到預防護邊坡的一種高質量、現代化的新型防護技術。聚丙烯纖維護坡技術借鑒了液壓噴播植草技術，通過液壓噴播技術可以在很大程度上提高了坡面種植效率，能夠使播種、防護等多種工序一次性完成，不僅提高了坡面建植的速度和質量，還能夠克服不良自然條件的影響，滿足各種條件下坡面建植的需要。與此同時，在良好的保濕條件下，草種能迅速萌發。因此，植物聚丙烯纖維護坡技術不僅能夠起到防護坡面的作用，還能美化自然環境、維持生態相對平衡。

2.1 植物聚丙烯纖維護坡技術加固機理

在植物聚丙烯纖維護坡技術中，由于噴播的混合物中添加了聚丙烯纖維，在噴播初期就能夠滿足強度上的需求，到噴播后期混合物中的植物根系會對坡面土體起到加筋作用，植物聚丙烯纖維的作用會發生改變。植物聚丙烯纖維護坡技術的加固機理主要體現在緩沖作用、聯結作用、加筋作用。

緩沖作用：土體中加入聚丙烯纖維后，一方面能夠避免在噴射過程中因為槍口的壓力過高而致噴射混合物過實現象；另一方面，能夠在噴射混合物中留有一定的空隙，為植物的生長發育提供了良好的條件，間接提高了坡面的淺層穩定性。

聯結作用：聚丙烯纖維的能夠提高噴射混合物之間的聯結作用，充分發揮聚丙烯纖維的抗拉強度，降低或消除噴播混合物發生開裂的可能性。

加筋作用：聚丙烯纖維在可以使坡面噴播混合物在其延伸范圍內成為加筋復合材料。由前文試驗結果可知，聚丙烯纖維的加筋效應能明顯地提高坡面土體的粘聚力，同時聚丙烯纖維的張拉會對坡面土體的側向變形產生約束作用，進而提高坡面土的抗剪強度。

2.2 護坡方案設計

(1)邊坡坡頂和坡面防護設計

路基邊坡坡頂和坡面防護是通過設置一定厚度的聚丙烯纖維加筋土來作為防滲材料，減小雨水對土體的侵蝕。

結合相關研究成果，筆者建議邊坡坡頂的聚丙烯纖維加筋土厚度設置為15～20 cm，坡面聚丙烯纖維加筋土厚度應當設置為10 cm。此外，由于聚丙烯纖維加筋土的入滲性能相對較差，為了將坡頂的積水順利排出，參考《公路工程技術標準》和《公路排水設計規范》中的路肩排水設計方法，將坡頂的聚丙烯纖維加筋土防護布設一個3%的橫向坡度，便于坡頂積水的排出，減少雨水的下滲量，從而更好的保護邊坡坡頂。

(2)草種的選擇和用量

草種的選擇要綜合考慮當地的氣候條件、成活率、覆蓋率等各種因素，比如干旱缺水、氣溫較低地區，植被的覆蓋率較低，成活率也不高，應選擇耐旱耐寒的植物。

在聚丙烯纖維加筋土中應當加入合適的草種用量。草種用量(g/m2)要根據設計播期望成株數(株/m2)、坡度、土質、年降雨量、施工季節等因素綜合，計算公式如下

式中：C1為坡度修正率；C2為土質修正率；C3為坡向修正率；C4年降水量修正率；C5施工季節修正率；C6草種的發芽率，一般要大于90%。C1～C6修正率的取值要根據邊坡的坡度、土質、坡向、年降水量、施工季節、發芽率等因素來確定，具體取值范圍可參考表2。

表2 草種用量各影響因素修正率取值范圍

3 路基邊坡加固效果評價

3.1 坡面徑流和產沙分析

為了評價聚丙烯纖維加筋土在邊坡坡面防護中的應用效果，依托某公路路基邊坡開展現場降雨沖刷試驗。該路基邊坡填料砂礫土，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；降雨設備采用自制人工降雨模擬器，降雨強度20 mm/h，降雨歷時60 min。

邊坡沖刷試驗開始后每隔5 min采集一個沖刷水樣，測定各降雨時段內坡面的徑流強度和產沙強度，得到了邊坡破面加固前后的徑流強度和產沙強度，如圖1所示。

圖1 邊坡坡面徑流和產沙強度

由圖1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，由于聚丙烯纖維加筋土滲透性較小，故非加固土的徑流強度大于非加固土。同時，非加固土邊坡產沙強度明顯大于加固土邊坡，前者產沙強度峰值達到了4 kg/min，后者產沙強度僅在0～15 min有小幅提高，峰值僅0.027 kg/min。這表明聚丙烯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 邊坡加固前后穩定性

(1)計算理論

《公路路基設計規范》(JTG D30-2015)的3.7.5條規定路基邊坡穩定性計算宜采用簡化Bishop法。簡化Bishop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。計算公式如

式中：Wi為第i條條塊的重力，kPa；bi為第i條條塊的寬度，m；ci為滑面粘聚力，kPa；φi為滑面內摩擦角，°；αi為圓弧底面傾角，°；ui為孔隙水壓力，kPa

(2)邊坡加固前后安全系數

擬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，計算理論為簡化畢肖普法，計算工況分為天然狀態和降雨兩種，邊坡安全系數計算結果見表3。

表3 邊坡加固前后安全系數

計算結果表明：未加固路基邊坡的潛在滑動面靠近坡表，天然狀態下的安全系數滿足規范要求，但是在降雨入滲后，由于坡體抗剪強度參數降低及容重的增加，安全系數僅為1.14，需要進行加固處治。聚丙烯纖維加筋土處治后，路基邊坡的最危險滑動面位置向內擴展，天然狀態和降雨工況下邊坡安全系數分別提高了9.8%、7.7%。綜上，聚丙烯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定性。

4 結 語

在分析路基邊坡坡面沖刷機理的基礎上，提出一種植物聚丙烯纖維護坡技術，并從抗沖刷性能和穩定性研究了其加固效果，主要得到以下幾方面結論：(1)降雨濺擊是路基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)植物聚丙烯纖維加固機理主要體現在緩沖作用、聯結作用、加筋作用；(3)隨著降雨歷時增加，加固土邊坡的徑流強度大于非加固土，且產沙量極小，抗雨水侵蝕效果非常明顯；(4)植物聚丙烯纖維加筋土用于路基邊坡坡面加固會使潛在滑動面向坡體內擴展，并提高邊坡的整體穩定性。