路基边坡坡面冲刷机理与加固材料研究

作者简介：

唐松竹（1984—），工程师，主要从事道路与桥梁技术研究和施工管理工作。

为了提高公路路基建设水平，文章从干土溅散、泥浆溅散、层状侵蚀等方面分析了路基边坡冲刷机理，提出一种新型纤维加筋土固坡技术。以抗剪强度和渗透系数为评价指标，开展室内剪切试验、变水头试验、电镜扫描试验，研究了加固土抗冲刷性能，并依托某公路路基边坡，探讨了降雨对加固土径流强度和产沙量的影响规律及加固土对边坡整体稳定性的提升效果。研究成果可为类似路基边坡坡面防护提供理论指导。

路基边坡;冲刷机理;加固材料;抗冲刷性能

U416.1+4A050154

0 引言

随着基础交通网的完善，公路工程的建设规模逐年扩大，每年形成的边坡面积可达2～3亿m2。裸露的边坡坡面在强降雨、气候变化、冻融作用等因素干扰下，容易出现表面侵蚀现象。边坡坡面侵蚀会导致边坡冲蚀、剥落、泥石流等浅层病害，同时边坡浅层病害发展到一定程度会影响到边坡的整体稳定性，加大了边坡风险等级，影响公路运营期间的行车安全性和舒适度。

近年来，许多学者也通过理论推导、降雨试验等方法研究了路基边坡冲刷机理和生态防护技术，并提出一些有价值的研究成果。如邓百洪等[1]基于水流运动波动理论，建立边坡土颗粒在水中的受力模型，研究了降雨强度和降雨历时对边坡坡面冲刷的影响，并计算出边坡冲刷临界坡度;尹学博[2]统计分析了公路边坡生态防护的植物种类及其植被组合，并结合植被根系保水固土机理、植被多样性原理等，设计了一种适用于公路边坡的新型土工柔性格框生态防护措施;王桂尧等[3]为了解决路堑边坡冲蚀、剥蚀等病害，提出了一种新型植物纤维防护技术，并开展了现场降雨冲刷试验来验证其防护效果。但是，工程师们在开展边坡坡面防护设计时仍以经验类比法为主，使得边坡防护方案偏于保守。因此，研究路基边坡坡面冲刷机理和新型加固措施具有十分重要的工程意义。

1 公路边坡坡面冲刷机理及加固现状

1.1 边坡坡面冲刷机理

1.1.1 降雨溅击

路基边坡坡面发生冲刷的实质就是坡面土体小于水流搬移力时，坡面水流将土颗粒剥离，而水流搬移力主要源于降雨溅击[4]。

降雨溅击是路基边坡坡面冲刷的最初形式。相关研究表明，雨滴平均降落速度达8～10 m/s，会对坡面土体产生较大冲击力，导致土颗粒因溅击而侵蚀。降雨溅击坡面可分为三个阶段：

（1）干土溅散阶段，降雨初期，雨滴溅击到干燥坡面，土颗粒未能及时吸取雨水，而是被雨滴溅散。

（2）泥浆溅散阶段，降雨时间持续增加，边坡坡面土体结构被破坏，土颗粒间的空隙被水分充填。当坡面土体水分达到饱和程度，土呈泥浆状，受雨滴冲击后也会溅散。

（3）层状侵蚀阶段，降雨历时继续增加，坡面表层的泥浆将阻塞土孔隙，减小其渗透性，雨水以径流方式在坡面漫流，导致边坡表层土颗粒不断流失，属于降雨溅击最严重的阶段。

1.1.2 坡面冲刷影响因子

路基边坡坡面冲刷受到多因素的综合影响，可用函数表示，见式（1）：

F=（I，α，L，λ，n，d）（1）

式中：I——降雨强度;

α——边坡坡角;

L——边坡坡长;

λ——坡面单宽入渗率;

n——坡面粗糙系数;

d——土颗粒平均直径。

1.2 边坡坡面加固现状

通过对在建和运营中的公路边坡坡面防护方式的调查可知，公路工程中常用的坡面防护措施主要有刚性防护、柔性防护和复合型防护三种类型，如表1所示。

我国公路工程建设起步较晚，在边坡防护技术方面的研究成果还不完善。目前国内的路基边坡坡面防护技术也大多数是从铁路、水利等领域借鉴而来，但是在借鉴的过程中往往只考虑其工程效应，而对环境景观效应的重视程度不够，即圬工防护效果较好，但是与自然景觀协调性差，经济性不高，造成了很大的工程浪费，故选择经济、合理且与自然景观协调的边坡生态防护技术已成为工程人员需解决的重要问题[5]。

2 加固材料抗侵蚀性能试验

笔者结合多年工程经验，提出一种新型纤维加筋土坡面防护技术，即将一定含量的黄麻纤维掺入土中改良其物理力学性能，并将加筋土在坡面碾压密实，以减小强降雨对坡面的侵蚀。由于土壤是路基边坡坡面冲刷变形的物质基础，其本身的渗透性、水稳性直接决定边坡坡面的抗冲刷能力，故以加筋土的抗剪强度和渗透系数为评价指标，开展室内剪切试验和变水头试验来研究黄麻纤维加筋土的抗冲刷性能。

2.1 试验材料

试验所用土体应风干后碾碎过2 mm筛子，用激光粒度分布仪对土样的粒径分布进行测定，得到了土体的颗粒级配曲线，如图1所示。试验结果表明，该土样粒径<1 mm的颗粒占比为100%，<0.075 mm的颗粒占比为88.7%，<0.005 mm的颗粒占比为12.9%，<0.002 mm的颗粒占比为4.55%，属于细粒土且以粉粒为主。纤维采用弹性高、抗拉能力强、吸水性小的黄麻纤维。

2.2 加固材料抗剪强度

在土样干密度、含水率等参数不变的情况下，纤维长度取6 mm、9 mm、12 mm、15 mm、19 mm，纤维含量取0.1%、0.3%、0.5%、0.7%，得到了不同配合比下黄麻纤维加筋土抗剪强度指标变化规律，如图2所示。

试验结果表明：随着纤维长度和纤维含量的增加，黄麻纤维加筋土粘聚力和内摩擦角也逐渐提高。同一纤维长度下，纤维含量<0.3%或纤维长度<15 mm时，加筋土的抗剪强度增加幅度较明显，且纤维含量和纤维长度对加筋土粘聚力的影响要大于内摩擦角。黄麻纤维加筋土最终的粘聚力增长率可以达到171.6%，而内摩擦角增长率仅为13.3%。主要

原因在于：由于纤维和土体弹性模量不同（抵抗变形能力不同），则两者在外力作用下容易产生相对位移，使得土颗粒和纤维的接触点出现摩擦力和咬合力，从而提高土体的抗剪性能。

2.3 加固材料崩解系数

土體渗透性与边坡坡面的抗冲刷性密切相关，一般土颗粒的渗透系数越大，坡面的抗冲刷能力越弱，反之亦然[6]。通过变水头试验得到了不同配合比下纤维加筋土渗透系数变化规律，如图3所示。

试验结果表明：黄麻纤维加筋土的渗透性较弱，渗透系数基本在10-6数量级。同时，加筋土的渗透系数会随着纤维含量的增加而增大，这是因为加筋土中的纤维与土颗粒之间孔隙较大，能够为水提供更多渗流路径，起到了一种引流作用，纤维掺量越高，土体渗水效果越好。

2.4 加固材料微观分析

采用扫描电镜对土体的微观空隙进行观察，并将显微图片二值化处理，得到土体加固前后的孔隙数量变化规律，如图4所示。

图4表明：黄麻纤维的“织网”效应使得颗粒间排列更紧密，孔隙面积和大中孔隙数量明显减少，孔隙比降低，而加固土的孔隙减少，导致土体渗透性降低，水稳性增强，以达到良好的加固效果。

综上，纤维含量为0.3%、纤维长度为15 mm时，黄麻纤维加筋土的抗冲刷性能达到最佳。

3 加固材料在坡面防护中的应用效果评价

为了评价黄麻纤维加筋土在边坡坡面防护中的应用效果，依托某公路填方路基边坡开展现场降雨冲刷试验。该路基边坡填料为砂砾土，高8 m，坡度分别为1∶1.5，同时选择相同边坡高度和坡度的裸坡作为空白对照;纤维加筋土抹面厚度为10 cm，纤维长度和掺量按最佳配合比;降雨设备采用自制人工降雨模拟器，降雨强度为20 mm/h，降雨历时60 min。

3.1 坡面径流和产沙分析

边坡冲刷试验开始后每隔5 min采集一个冲刷水样，测定各降雨时段内坡面的径流强度和产沙强度，得到了边坡坡面加固前后的径流强度和产沙强度，如图5所示。

由图5（a）可知：随着降雨历时的增加，加固土边坡与非加固土边坡的坡面径流强度不断提高，但提高速率逐渐变缓。即在坡面冲刷初始阶段（0～15 min），雨水下渗作用明显，坡面未被侵蚀，水流通道少，雨水主要以径流的形式在坡面经过，使得径流强度增加幅度大。坡面冲刷时间超过15 min后，水流下渗作用减弱，径流强度增长缓慢。同时，由于黄麻纤维加筋土渗透性较小，故非加固土的径流强度大于加固土。

由图5（b）可知：非加固土边坡产沙强度明显大于加固土边坡，前者产沙强度峰值达到了4 kg/min，后者产沙强度仅在0～15 min有小幅提高，峰值仅为0.027 kg/min。这表明黄麻纤维加筋土用于路基边坡坡面加固时的抗雨水侵蚀效果非常明显。

3.2 边坡加固前后的稳定性分析

3.2.1 计算理论

《公路路基设计规范》（JTG D30-2015）的3.7.5条要求路基边坡安全性计算宜采用简化毕肖普法。简化毕肖普法属于刚体极限平衡法，它将滑坡体划分成n个宽度相同的垂直条块，并假设各条块间只存在水平条间力，竖向条间力等于0，且滑体力矩平衡。计算时以滑动圆弧的圆心为力矩中心点，得到抗滑力矩与下滑力矩的比值即为边坡安全系数[7]，如式（2）所示：

Ti=∑ni=1[（Wi-uibi）tanφi+cibi]/mαi

∑ni=1Wisinαi（2）

式中：Wi——第i条条块的重力，kPa;

bi——第i条条块的宽度，m;

ci——滑面粘聚力，kPa;

φi——滑面内摩擦角，°;

αi——圆弧底面倾角，°;

ui——孔隙水压力，kPa。

3.2.2 边坡加固前后的安全系数

采用理正岩土软件来计算加固土边坡和非加固土边坡的安全系数，计算理论为简化毕肖普法，计算工况分为天然状态和降雨（降雨参数同上）两种。边坡潜在滑动面和安全系数计算结果如表2所示。

计算结果表明：未加固路基边坡的潜在滑动面靠近坡表，天然状态下的安全系数满足规范要求，但是在降雨入渗后，由于坡体抗剪强度参数降低及容重的增加，安全系数仅为1.15，需要进行加固处治。黄麻纤维加筋土处治后，路基边坡的最危险滑动面位置向内扩展，天然状态和降雨工况下边坡安全系数分别提高了9.9%、7.8%。

综上，黄麻纤维加筋土用于路基边坡的坡面加固是可行的，能明显提高坡面的抗冲刷性能和稳定性。

4 结语

本文在分析路基边坡坡面冲刷机理的基础上，提出一种新型纤维加筋土护坡技术，并研究了其抗冲刷性能和应用效果，主要得到以下结论：

（1）降雨溅击是坡面冲刷的最初形式，主要包括干土溅散、泥浆溅散、层状侵蚀三个阶段。

（2）纤维加固土的抗剪强度和渗透性相对于未加固土有明显的改善，纤维含量为0.3%、纤维长度为15 mm时，其抗冲刷性能达到最佳。

（3）随着降雨历时增加，加固土的径流强度大于非加固土，且产沙量极小，抗雨水侵蚀效果非常明显。

（4）纤维加筋土用于路基边坡坡面加固会使潜在滑动面向坡体内扩展，并提高边坡的整体稳定性。

[1]邓百洪，赵 旭，龙志东.花岗岩残积土边坡冲刷模拟试验研究[J].公路与汽运，2019（1）：88-92.

[2]尹学博.高速公路边坡冲刷机理分析及室内模拟试验研究[J].公路交通科技（应用技术版），2017，13（1）：83-85，130.

[3]王桂尧，钟 峥.两种新型生态防护方法模拟边坡冲刷的试验研究[J].中外公路，2014，34（5）：41-43.

[4]卢 浩.黄土公路边坡冲刷机理及草泥防护适应性试验研究[D].西安：长安大学，2014.

[5]苏 伟，冯 杨.全风化花岗岩边坡冲刷机理及工程防护措施[J].公路工程，2012，37（6）：146-149.

[6]李志刚，王春辉.公路边坡冲刷机理初探[J].解放军理工大学学报（自然科学版），2003（3）：43-45.

[7]汪益敏.路基边坡坡面冲刷特性与加固材料性能研究[D].广州：华南理工大学，2003.