張俊峰,肖 田,李清華,孫吉書

(1.中交一公局第六工程有限公司,天津 300451;2.天津市政工程設(shè)計(jì)研究院,天津 300384;3.河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院,天津 300401)

公路路基邊坡的穩(wěn)定是保障公路安全運(yùn)營的基礎(chǔ),一旦公路邊坡發(fā)生破壞,將會(huì)嚴(yán)重威脅車輛的通行安全,甚至可能造成巨大的人身或財(cái)產(chǎn)損失。由于公路邊坡暴露在自然環(huán)境之中,會(huì)受到各種外部力量的作用。水毀就是最為常見的公路邊坡破壞形式之一,每年都需要大量的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用進(jìn)行水毀公路的修復(fù)。公路邊坡的水毀主要是受到自上而下的雨水沖刷或者沿著路線方向的縱向洪水沖刷,以及受到洪水浸泡而造成的邊坡失穩(wěn)等方面[1,2]。楊矯等[3]研究了雨水滲透力作用及下滲深度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。馬雪妍[4]應(yīng)用Geo-studio軟件的Seep/W模塊和Slope/W模塊,分析了降雨作用及水庫水位升降對(duì)于堤壩邊坡滲流場及其穩(wěn)定性的影響規(guī)律,得出了水位上升時(shí)邊坡穩(wěn)定性的影響因素排序,有利于避免滑坡的危險(xiǎn)。李清華等[5]通過有限元模擬計(jì)算,研究了洪水水位變化對(duì)公路路基邊坡的滲流場及穩(wěn)定性的影響,有利于保障公路邊坡在洪水水位變化過程中的穩(wěn)定性。吳泉澳[6]、張永剛[7]應(yīng)用FLAC3D軟件建立水庫邊坡的有限元模型,建模分析了水庫水位急速變化對(duì)庫岸邊坡穩(wěn)定狀態(tài)的影響因素與作用規(guī)律,有利于明確水庫水位急速變化這種特殊情況下的水庫邊坡穩(wěn)定機(jī)理。對(duì)于公路邊坡的水毀危害而言,雨水自上而下的沖刷造成的邊坡土體流失是其主要因素之一,也是最為常見的水毀病害。但是,目前的文獻(xiàn)大多通過有限元模擬分析的方法進(jìn)行研究,而基于實(shí)際試驗(yàn)的沖刷研究成果較少。津石高速公路是天津市濱海新區(qū)至河北省石家莊市之間的一條直接高速通道,對(duì)于促進(jìn)京津冀交通一體化具有重要的作用。津石高速公路天津西段工程全部位于蓄滯洪區(qū)之內(nèi),其路基邊坡受到雨水沖刷和洪水作用等水毀危害的可能性較大。結(jié)合津石高速公路天津西段工程的建設(shè),根據(jù)實(shí)際工程情況,建立高速公路的模擬路基模型,試驗(yàn)分析路基邊坡沖刷深度的影響因素及其作用規(guī)律,有利于提高公路邊坡沖刷防護(hù)設(shè)計(jì)的科學(xué)性與針對(duì)性。

1 試驗(yàn)方案

1.1 模擬路基設(shè)計(jì)

根據(jù)公路邊坡的一般設(shè)計(jì)形式,邊坡坡度取最為常見的1∶1.5,根據(jù)重力相似的原則,邊坡的高度設(shè)為0.8 m,坡頂路面長設(shè)為1.0 m,寬為0.6 m。

1.2 試驗(yàn)參數(shù)

(1)土體參數(shù)

模擬路基試驗(yàn)采用黏性土,土體壓實(shí)度分別取85%、90%和95%,土體不同壓實(shí)度時(shí)的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)土體的技術(shù)參數(shù)

(2)水流速度

根據(jù)雨水沖刷的一般情況和實(shí)驗(yàn)控制結(jié)果,試驗(yàn)控制的水流速度為三種,分別為:0.16 m/s、0.35 m/s和0.50 m/s。

(3)觀測位置及沖刷深度的選取

對(duì)于公路邊坡的模擬實(shí)驗(yàn),分別觀測了模擬路基邊坡坡腳、坡中和坡頂3個(gè)典型位置的沖刷深度,取3個(gè)位置的最大沖刷深度作為試驗(yàn)的沖刷深度代表值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 沖刷時(shí)間對(duì)沖刷深度的影響

根據(jù)選定的試驗(yàn)方案,進(jìn)行模擬路基的沖刷試驗(yàn),限于試驗(yàn)條件,本試驗(yàn)的總沖刷時(shí)間選定為10 min。試驗(yàn)測得不同水流速度、土體壓實(shí)度的情況下,不同沖刷時(shí)間時(shí)模擬路基邊坡的沖刷深度代表值,試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 不同沖刷時(shí)間的試驗(yàn)結(jié)果

從表2的模擬路基沖刷試驗(yàn)結(jié)果可以看出,隨著沖刷時(shí)間的增長,路基邊坡土體顆粒流失會(huì)逐步增大,相應(yīng)地沖刷深度隨著沖刷時(shí)間而顯著增大。為了能夠直觀反映不同沖刷時(shí)段的沖刷深度分布情況,以流速0.35 m/s為例,做出邊坡沖涮深度隨沖刷時(shí)間的變化曲線,如圖1所示。

圖1 沖刷深度隨沖刷時(shí)間的變化曲線

從圖1中的試驗(yàn)結(jié)果可知,不同土體壓實(shí)度情況下,路基邊坡的沖刷深度隨著沖刷時(shí)間而增大,并且在沖刷前4 min,沖刷深度的增長速度最快,這主要是土體顆粒的“薄弱”部分首先隨著沖刷而流失的原因造成的,如邊坡表面的覆土等;土體顆粒的“薄弱”部分被沖走之后,剩余部分土體相對(duì)更加穩(wěn)定,雖然沖刷深度會(huì)隨著沖刷時(shí)間而持續(xù)增大,但是4 min之后,沖刷深度隨著沖刷時(shí)間而增大的速度會(huì)明顯小于4 min之前。

2.2 土體壓實(shí)度對(duì)沖刷深度的影響

相對(duì)而言,土體的壓實(shí)度越大,土體顆粒之間的聯(lián)結(jié)就越緊密,路基土體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性一般就會(huì)越好。為了探討和明確土體壓實(shí)度對(duì)沖刷深度的影響規(guī)律,進(jìn)行了土體壓實(shí)度分別取85%、90%和95%時(shí)的邊坡沖刷試驗(yàn),以沖刷時(shí)間為10 min時(shí)的最大沖刷深度為例,繪出沖刷深度隨著壓實(shí)度的變化曲線,如圖2所示。

圖2 沖刷深度隨壓實(shí)度的變化曲線

從圖2中的沖刷試驗(yàn)結(jié)果可以看出,三種水流速度情況下,沖刷深度與壓實(shí)度之間具有相似的規(guī)律。即:隨著土體壓實(shí)度的增大,路基邊坡的沖刷深度顯著降低。土體壓實(shí)度從85%提升至90%和95%,三種水流速度(0.16 m/s、0.35 m/s和0.50 m/s)情況下的邊坡沖刷深度分別降低了10.7%、12.1%、9.1%和17.8%、21.2%、18.2%?？梢?增大路基土體的壓實(shí)度可以有效提高路基邊坡的抗沖刷能力,這也是公路路基邊坡預(yù)防沖刷水毀最為簡單直接的方法。另外,從圖2中可以看出,邊坡沖刷深度與土體壓實(shí)度近似具有線性相關(guān)關(guān)系,應(yīng)用最小二乘法,歸納出邊坡沖刷深度與土體壓實(shí)度之間的相關(guān)關(guān)系為

D=k·R+c

(1)

式中:D為邊坡沖刷深度,mm;R為土體壓實(shí)度,%;k和c為回歸參數(shù),由試驗(yàn)確定。

2.3 水流速度對(duì)沖刷深度的影響

水流的沖刷是造成公路邊坡水毀的直接原因,仍以沖刷時(shí)間為10 min時(shí)的最大沖刷深度為例,繪出沖刷深度隨著水流速度的變化曲線如圖3所示。

圖3 沖刷深度隨水流速度的變化曲線

從圖3中的試驗(yàn)結(jié)果可看出,隨著水流速度的增加,邊坡的沖刷深度迅速增大。這主要是水流速度的增加,使得水流對(duì)土體顆粒的沖刷能量顯著增大的原因造成的。當(dāng)水流速度從0.15 m/s提高至0.36 m/s和0.50 m/s,三種體壓實(shí)度(85%、90%、95%)情況下的邊坡沖刷深度分別提高了17.8%、16.0%、13.1%和57.1%、60.0%、56.5%。分析表2和圖4中的試驗(yàn)結(jié)果可知,沖刷深度和水流速度之間近似具有指數(shù)相關(guān)關(guān)系,歸納得出沖刷深度和水流速度之間的關(guān)系式為

D=a·ebv

(2)

式中:D為邊坡沖刷深度,mm;v為水流速度,m/s;a,b為回歸參數(shù),由試驗(yàn)確定。

3 結(jié) 論

(1)隨著沖刷時(shí)間的增長,路基邊坡土體顆粒流失會(huì)逐步增大,沖刷深度隨著沖刷時(shí)間而現(xiàn)在增大;并且在沖刷前期,變速速度更快。

(2)邊坡的沖刷深度隨著壓實(shí)度的增大而降低,兩者之間近似具有線性相關(guān)關(guān)系;土體壓實(shí)度從85%提升90%和95%,三種水流速度情況下的邊坡沖刷深度分別降低了10.7%、12.1%、9.1%和17.8%、21.2%、18.2%,增大壓實(shí)度可以有效提高邊坡的抗沖刷能力。

(3)邊坡的沖刷深度隨著水流速度的增加而迅速增大,兩者之間近似具有指數(shù)相關(guān)關(guān)系。