沙土路基邊坡力學穩定性改善及其效應

代詩宇

（招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400067）

在沙土路基條件下的公路建設中，路基工程性質對項目質量往往起著決定性作用，主導著結構沉降及穩定性。考慮到沙土路基需要面對復雜外部環境，不僅應當考慮到路基壓實問題，同時還應充分重視項目施工及運營環節中對沙害的預防治理。天然風積沙具有取材方便、經濟性好的優勢，特別是在沙漠地區的公路、鐵路修筑中發揮著重要作用。但沙粒間的黏聚性較差且不易被壓實，因此就很難達到施工標準的要求[1]。此外，對于部分存在特殊地質條件的地區而言，沙害可能還會引發其他質量、安全風險。由此可見，沙土路基邊坡的防護及其穩定性評價就顯得尤為必要。

1 沙土路基邊坡的穩定性分析

作為影響公路穩定性、耐久性的重要環節，路基防護具有突出的意義，需要重點關注沙土路基填筑所用材料的性質[2]。總體來看，為了確保沙土路基預期功能的實現，主要可從以下兩個方面入手：

第一，確保路基邊坡具有足夠穩定性。受制于邊坡截面形狀、坡比要求等因素的限制，沙土路基邊坡應當滿足以下要點：一方面需要充分結合建設地的地形地勢、地質條件等因素而展開，判斷風沙運動的趨勢，以此為基礎綜合選定最佳的邊坡形式；另一方面應綜合優化邊坡的結構設計，同時配備相應的工藝方案、技術標準，提升防護方案整體的科學性與經濟性。

第二，沙土路基穩定同時還需要考慮到環境作用以及防護方案的影響。實踐表明，惡劣環境及不當防護都會顯著促進風蝕、沙埋現象的發生。若未能采取有效果的措施，那么路面結構就很容易出現塌陷、開裂，進而對正常行車帶來不便。

我國不同地區的沙土條件存在一定差異，同時不同等級公路在設計要求上也不盡相同。因此，在設計沙土路基防護方案時，就需要綜合考慮到不同因素的影響，基于勘察報告因地制宜地做出間距經濟性、科學性的設計。

2 沙土路基邊坡直接剪切試驗研究

本文以我國某公路工程為例展開分析，該項目地處我國西北某沙漠，其路基防護形式選擇為坡面粘土包邊種植灌木防護：在坡面位置以20～50cm 為標準覆蓋粘土包邊，并且在其上種植沙篙、油篙等適應性較強的植被，不僅能夠起到穩固邊坡的作用，同時還能夠構筑綠色生態景觀。受到干旱氣候、鹽堿土體的影響，即便在原有邊坡上附加一定黏土，土壤肥力仍難以滿足植被生長需要，需要額外施肥促進植被生長。

實踐表明[3,4]，風積沙土體的承載力對于邊坡穩定性存在決定性作用。由于風積沙顆粒存在粒徑小、級配差等特點，因此其在工程中表現出不同于一般土體的特點。同時，在灌木生長過程中撒布草木灰也具有一定的促進效果，所以對不同草木灰摻量下的邊坡穩定性開展研究具有突出現實意義。

本研究以坡頂、坡中以及坡底三個不同位置的沙土作為試驗對象，按照不同草木灰摻量進行處理并通過剪切試驗測定其強度，結合試驗現象判斷沙土所發生的強度變化。

2.1 直接剪切試驗方案

本研究選用應變控制式直剪儀進行檢測，借助該儀器上下盒的相對移動來對土體施加剪切作用。測得剪切面破壞時土體的剪切應力即為該試樣的抗剪強度。為了評價不同草木灰摻量下試件的抗剪強度，對于不同試件摻加按照不同比例摻加草木灰。對坡頂、坡中以及坡底位置取得的沙土分別按照0%、5%、10%、15%、20%的比例摻加草木灰，共得到75 個試件。對同一試件以相同試驗條件分別進行三次直接剪切試驗。

2.2 直接剪切試驗結果及其分析

2.2.1 剪切應力-剪切位移曲線

對沙土直接剪切試驗得到的數據進行整理分析，即可得出在不同的草木灰摻量及垂向應力條件下沙土的剪切應力-剪切位移曲線。以垂向應力為50kPa 條件下的曲線為例，如圖1 所示。

圖1 50kPa 下的剪切應力- 剪切位移曲線

根據圖1 中曲線可以發現，不同草木灰摻量下沙土的曲線均大致呈現為拋物線形式，且其在早期的變化趨勢基本相同。尤其是在前5mm 的剪切位移范圍中，不同草木灰摻量下沙土的曲線幾乎重合，這也表明在該階段下材料為受到剪切作用幾乎不受剪切應力的影響，隨后表現為拋物線形變化，在最大剪切應力位置存在短暫停滯，隨后曲線下降。此外，研究還發現在更高的垂向應力條件下，沙土的變化曲線更陡，且其最大抗剪強度也有所上升。但需要注意的是，對不同垂向應力而言，當草木灰摻量處于5%～15%范圍內時，天然沙土的最大抗剪強度均大于經草木灰處理后的混合沙土。

2.2.2 草木灰對沙土粘聚力、內摩擦角的影響

基于上述對抗剪強度的試驗研究，即可得出不同坡位、草木灰摻量下混合沙土的內摩擦角、粘聚力，如表1所示。草木灰能夠顯著提升沙土試件的抗剪強度，且草木灰摻量對試件內摩擦角、粘聚力產生的作用，如圖2、圖3 所示。

圖3 草木灰摻量對試件粘聚力的影響

表1 不同坡位、草木灰摻量下的抗剪強度

圖2 為不同草木灰摻量下不同坡位沙土試件內摩擦角所對應的變化趨勢。根據圖2 可以發現，當坡頂沙土試件的草木灰摻量處于0%～5%的范圍內時，草木灰摻量越大內摩擦角越小，且在摻量為5%達到最小值，隨后則呈現出不斷上升的趨勢。隨后，在摻量為15%～20%的范圍間內摩擦角出現下降段。而對坡中位置取得的沙土試件，當草木灰摻量處于0%～10%的范圍內時，內摩擦角呈現出持續下降的趨勢，其降幅約為9.7%。在10%～20%的草木灰摻量下，內摩擦角表現為略微的上升，在摻量為20%時達到最峰值，且峰值略微該與未摻加草木灰時沙土試件的內摩擦角。對坡底位置取得的沙土試件，其變化曲線類似于波浪形，當草木灰摻量處于0%～20%的范圍內時，內摩擦角首先增加隨后下降，且未摻加草木灰時沙土試件的內摩擦角為峰值。

圖2 草木灰摻量對試件內摩擦角的影響

圖3 為不同草木灰摻量下不同坡位沙土試件粘聚力所對應的變化趨勢。根據圖2 可以發現，對坡頂位置取得的沙土試件而言，其粘聚力表現為先增后減的變化趨勢，且當草木灰摻量處于5%～10%的范圍內時曲線線形較陡，這也表明在該階段下粘聚力增長較為顯著。當草木灰摻量達到12%附近時，沙土試件的粘聚力達到峰值，此后則表現為逐步減緩的趨勢。而坡中位置的沙土試件，其粘聚力變化趨勢與坡頂沙土試件較為類似，大致為先增后減的曲線。但由于沙土試件選取的坡位不同，因此其干密度更大，粘聚力峰值出現的位置大約在草木灰摻量為15%處。對于坡底位置沙土試件的研究發現，其粘聚力變化趨勢較其他位置存在顯著差異，當草木灰摻量處于0%～20%的范圍內時，曲線下先減后增，且在草木灰摻量為10%時達到最小值，此后則表現出不斷上升的趨勢，曲線大致表現為“V”型分布。

導致坡底位置沙土試件的粘聚力變化趨勢較坡中、坡頂不同的主要原因在于：粘聚力受到顆粒間膠結強度的影響較為顯著，而在邊坡土體結構中大顆粒主要分布于底層，因此坡中、坡底位置的沙土干密度較大，因此就需要摻加更多草木灰來達到粘聚力峰值。根據曲線分布可以發現，坡中位置沙土試件出現粘聚力峰值所對應的草木灰摻量較坡頂更大。同時坡中及坡頂位置沙土試件的粘聚力最小值出現在不摻加草木灰時，而對坡底位置沙土試件而言則出現在草木灰摻量為10%處。

2.2.3 草木灰對抗剪強度的影響

試驗測得天然沙土試件的抗剪強度-垂向應力關系曲線如圖4 所示。

根據圖4 可以發現，對于天然沙土，坡頂、坡中及坡底位置取得試件的抗剪強度均表現出較為相似的變化曲線，隨垂向應力的提升而逐漸上升，但坡中位置的抗剪強度較坡頂及坡底更高。總體來看，垂向應力-抗剪強度關系曲線大致可看為直線，這與庫倫理論之間有良好的契合性。

圖4 天然沙土試件的抗剪強度- 垂向應力關系

當垂向應力分別為50kPa、100kPa 及200kPa 時，在天然沙土中摻加草木有助于改善坡頂位置沙土試件的抗剪強度，當草木灰摻量為15%這一增強效果最為突出。在垂向應力為300kPa 的條件下，天然草木灰的抗剪強度優于混合草木灰，導致這一現象的主要原因在于沙土內壓力水平過高導致密實度較為接近，因此其他因素的影響被削弱。當垂向應力分別為50kPa 和100kPa 時，在天然沙土中摻加草木有助于改善坡中位置沙土試件的抗剪強度，當草木灰摻量為20%這一增強效果最為突出。在垂向應力為300kPa 的條件下，不同草木灰摻量下的混合沙土抗剪強度較為接近，在不同垂向應力條件下20%的草木灰摻量均能得到最大抗剪強度。

3 結論

本文結合某工程實例，通過試驗分析了草木灰摻量對沙土邊坡穩定性的影響。研究結果發現草木灰的摻入能夠在一定程度上改善沙土抗剪強度，且在摻量15%、垂直應力200kPa 的條件下能夠得到最大的改善效果。