路基稳定性与路基高度关系分析

2023-09-22 理论教育版权反馈

【摘要】：继续增加路基高度，从公式看出，若忽略黏聚力，边坡稳定性与路基高度已无关系。表3-2 沙漠地区路基边坡稳定性分析若坡度继续放缓、ω值继续变小，而稳定系数K会逐渐增大。

路基沉陷、路基边坡滑坍是公路上常见的破坏现象，尤其是风沙地区路基土塑性较差，抗剪能力弱，在路基较高或路基边坡坡度不合适时，便会产生路基稳定性破坏，而路基稳定性对于公路能否正常使用起着重要作用。以下将对这方面进行讨论，同时，并进行路基边坡稳定性验算，根据验算结果、以往的工程经验及调查结果，设想在满足路基稳定性的条件下给出路基合理填土高度下能够减轻公路病害的合理边坡，并试图从稳定性方面探讨路基的填土高度。

3.2.3.1 沙漠路基土的物理、力学性质

了解路基土的一些物理及力学性质对于路基填土高度及边坡坡度十分重要。沙区路基多采用沙土填筑。沙土松散无黏性，具有明显的非塑性性质。大多数情况下沙土的塑性指数几乎为零。由于它的非塑性，使得它成型较为困难，而且，成型后的路基抗剪性能也较差。虽然沙土无塑性，但渗水性能良好，毛细水上升高度很小，且有较大摩擦系数，因此采用沙土修筑的路基，具有很好的水稳定性。

沙土的平均比重一般为沙漠土的容重，较一般黏土高，在同一层沙粒中，从上至下，随深度的增加，其容重值有所减小，这是由于沙漠在形成时的筛选作用所致。大颗粒沉在下面，孔隙率较大，容重减小；反之，最上层颗粒最细，孔隙率最小，容重相对增加，压实后沙土的最大密度可达1.8～2.1 g／cm3，容重18～21 kg／m3，是天然状态下的1.2～1.4倍。内蒙古地区，沙土的容重为2.66 g／cm3，密度在1.55～1.72 t／m3之间，孔隙比在0.62～0.79之间。沙土的摩擦角一般随其粒度变细而逐渐降低。有关资料显示，砾沙、粗沙、中沙的内摩擦角为32.0°～40.0°；细沙、粉沙的摩擦角为28.0°～36.0°。松散沙的摩擦角与自然休止角相近，密沙的摩擦角要比自然休止角大，饱和沙土比同样密度的干沙摩擦角值低1°～2°。沙漠地区沙土的内摩擦角在35.0°～39.5°之间，自然休止角在30°左右，这些可以为路基边坡设计提供依据。沙土的黏聚力c十分小，边坡稳定性验算时常忽略不计，取值为零。

根据新疆塔克拉玛干沙漠有关试验资料，沙土的内摩擦角在31°～36°之间。

3.2.3.2 稳定性验算

由于沙土具有较大的内摩擦角φ和较小的黏聚力c，边坡滑坍时，破裂面近似平面，如图3-7a所示，因此，在稳定性分析时采用直线破裂面法。验算时，假定滑动面通过坡脚，为一直线滑动面，按下式计算得出沿此滑动面下滑的稳定系数K：

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图3-7 沙基边坡稳定性验算

式中 F——抗滑力（k N）；

T——下滑力（k N）；

G——作用在滑动面上的土体重及车

轮荷载（k N）；

ω——滑动面对于水平面的倾斜角（°）；

c——填料的黏聚力（kPa）；

φ——填料的内摩擦角（°）；

l——滑动面的长度（m）。

由于沙漠土黏聚力c十分小，可以忽略不计，不考虑黏聚力的影响，即取c＝0，则上式为K＝路基处于极限平衡状态；K＜1，边坡不稳定；K＞1，边坡稳定。

为减少验算的复杂性及验算过程，在验算过程中将采用极限方式：认为边坡在最外侧失稳，如图3-7b所示，即AB面。观察公式，很显然，取AB面为滑动面时，滑动面对于水平面的倾斜角ω最大，因此，稳定系数K最小。不难理解，若此时稳定性满足要求，则AC、A D等面均满足（即路基边坡稳定性良好），这是因为，相对A B面，AC、A D等面坡角均较小（可以看出ω逐渐变小），而同一种路基土，其内摩擦角φ为定值，则稳定系数K逐渐增大，即稳定性逐步提高。在计算时，为安全起见，取路基土内摩擦角φ＝35.0°，这样所得的稳定系数K具有较高的安全度、可信度。采用同一高度，不同坡度逐一验算，当边坡坡度m＝1∶1.5时，ω＝33.68°，则

调查中发现许多路线（如G111、S306、S204、G303等）路基边坡均采用1∶1.5，而且采用这一坡度除了较好地减轻路基风蚀及路面沙埋外，路基边坡稳定性也未发现异常。实际中因路基压实φ有所提高，且路基土并不是单纯的沙土，因此，φ是一个大于35°的值。但从验算结果来看，稳定系数K是一个较小的数值，考虑到沙土塑性较差，抗剪性能亦差，因此，建议沙漠地区路基边坡坡角不宜太大，坡度不宜陡于1∶1.5。

当边坡坡度m＝1∶2.0，此时ω＝26.57°，则

当边坡坡度m＝1∶2.5，此时ω＝21.80°，则

当边坡坡度m＝1∶3.0，此时ω＝18.43°，则

当边坡坡度m＝1∶3.5，此时ω＝15.95°，则

当边坡坡度m＝1∶4.0，此时ω＝14.04°，则

将以上数据集中，列入表3-2中。

表3-2 沙漠地区路基边坡稳定性分析

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若坡度继续放缓、ω值继续变小，而稳定系数K会逐渐增大。因此，路基边坡稳定性无须再验算，已经满足要求。继续增加路基高度，从公式看出，若忽略黏聚力，边坡稳定性与路基高度已无关系。因此，不必再在其他高度下继续验算路基边坡稳定性。

对于其他地区，如前文所提到的：砾沙、粗沙、中沙的内摩角φ为32.0°～40.0°；细沙、粉沙的φ值为28.0°～36.0°，则取路基填料的内摩擦角φ＝30.0°。边坡坡度m＝1∶1.5时，

可见，稳定性不满足要求，须放缓坡度。取边坡坡度m＝1∶2.0时，

这种情况下，认为坡度在1∶2.0或更缓，稳定性能才满足要求。

3.2.3.3 水文地质不良地区沙漠公路路基的最小填土高度

水文地质不良地区地下水位高，毛细作用发达，路基路面的破坏受毛细水影响极大。毛细水在道路面层下达到饱和时，冬季容易出现路基冻结与冻胀、冻裂，春天又融化及融陷，在车辆行驶作用下，容易出现道路翻浆，甚至路基沉陷，使道路破坏，导致路基失稳的情况十分突出。水文地质不良地区

当边坡坡度m＝1∶2.5，此时ω＝21.80°，则

当边坡坡度m＝1∶3.0，此时ω＝18.43°，则

当边坡坡度m＝1∶3.5，此时ω＝15.95°，则

当边坡坡度m＝1∶4.0，此时ω＝14.04°，则

将以上数据集中，列入表3-2中。

表3-2 沙漠地区路基边坡稳定性分析

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可见，稳定性不满足要求，须放缓坡度。取边坡坡度m＝1∶2.0时，

这种情况下，认为坡度在1∶2.0或更缓，稳定性能才满足要求。

3.2.3.3 水文地质不良地区沙漠公路路基的最小填土高度

水文地质不良地区地下水位高，毛细作用发达，路基路面的破坏受毛细水影响极大。毛细水在道路面层下达到饱和时，冬季容易出现路基冻结与冻胀、冻裂，春天又融化及融陷，在车辆行驶作用下，容易出现道路翻浆，甚至路基沉陷，使道路破坏，导致路基失稳的情况十分突出。水文地质不良地区的路基设计，必须考虑地下水的毛细作用。路基的最小填土高度，必须满足一定条件才能避免毛细水的影响，保证路基有足够的稳定性。考虑毛细水作用对路基稳定性方面的影响，一般给出路基最小填土高度。原铁道部第一勘察设计院提出：

H＝h 1＋h 2＋h 3＋h　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（3-2）

式中 H——最低路肩设计标高（m）；

h 1——冻前地下水位标高（m）；

h 2——毛细水上升高度（m）；

h 3——临界冻结深度（m）；

h——安全距离，毛细水顶部与冻结深之间的距离，一般取0.3～0.5 m。

一般地，毛细水上升高度与毛细管直径（或土粒粒径）成反比，上升速度与毛细管直径（或土粒粒径）成正比，土的粒径愈小阻力愈大，上升速度愈慢。因此，一般认为毛细水上升速度：细沙土为0.3～0.6 m；沙质黏土为1.4～1.7 m；粉沙与黏土结合层毛细水上升高度为1.2～1.6 m。建议水文地质不良地区路基填土高度可参照上述公式，在式（3-2）的基础上做出调整。其中一些具体数值要结合当地的实际情况试验得出。

3.2.3.4 路基填土高度与边坡坡度的关系

合理的路基边坡坡度，不仅能减轻路基边坡风蚀，保证路基稳定性良好，而且对于减少工程量、降低工程造价都是异常重要的。大体认为：边坡愈陡，路基中心与背风路肩的风速减弱率愈大；边坡愈缓就愈小。但路基边坡较陡时，路基边坡稳定性得不到保证，易造成边坡滑坍，而且贴地层气流在路基较陡时会发生明显的分离现象。而一个适应于风沙流活动特点和较为理想的路基横断面形式应具有良好的气流附体运动条件，即贴地层气流不分离、不产生涡旋的条件。因此，较为合理的路基边坡坡度显得十分重要。尽管从公式来看，路基边坡稳定性与路基高度已无关系，但实际中它依然受路基高度影响，注意到只有路基高度和边坡坡度较为协调时，公路病害程度明显较轻。根据工程经验、调查结果及理论计算，认为：

（1）低路堤边坡坡角应缓于1∶3.0，此时，路基高度应控制在1.5 m以内。这种路基多出现在固定、半固定沙丘地区。这种地区自然状况较好，较好的植被状况能减轻公路病害，此外，这种坡度也能较好地减轻路基的风蚀和路面沙理。流动、半固定沙丘区坡度应适度放缓。

（2）当路基高度高于2.5 m时，坡角可控制在20°～40°，以坡度1∶1.5～1∶2.0（26°34′～33°41′）为宜，且建议边坡坡面宜设成流线型，这种情况多出现在流动沙丘地区。给出这样的边坡及路基高度限制是考虑到流动沙丘地区的实际情况。首先，保证路基边坡稳定性满足要求，具有一定的安全性；其次，最大限度地减轻公路病害。调查中发现，把路肩与边坡相交的路基边坡削减成圆弧状的流线型路基，能消除从路肩就开始的贴地层气流分离，不产生涡流，能创造平滑的环境条件。流线型的边坡能保证风比较顺滑地流过表面，阻力很小，风速几乎没有变化。因此，动能基本没有损失，仍能沿流线断面继续前进。这样就能很好地减小路基的风蚀程度且能避免风沙流非堆积搬运通过路面，使风沙流顺利过路，避免路面沙埋。

路基稳定性与路基高度关系分析

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