不同膨脹土路堤邊坡穩定性對比計算分析與評價
——以荊門地區某高速公路為例

湖北襄荊高速公路有限責任公司 肖 林

長江大學城市建設學院 任 俊

不同膨脹土路堤邊坡穩定性對比計算分析與評價
——以荊門地區某高速公路為例

湖北襄荊高速公路有限責任公司 肖 林

長江大學城市建設學院 任 俊

在膨脹土地區，無論是路塹還是路堤，都容易發生變形和破壞。對于膨脹土地區的公路路基，大氣物理風化作用引起的濕脹干縮效應使得路基土極易崩解，抗剪強度衰減導致邊坡溜塌、滑坡以及路基的不均勻下沉、翻漿、冒泥等現象的出現，降低了路基的強度和穩定性，造成路基失穩，影響行車安全。近年來，隨著我國高等級公路的興建，不少地區遇到了膨脹土帶來的問題，許多新建公路在施工中就開始出現各種變形病害，膨脹土地區邊坡穩定性已成為當前公路建設中一個重要的研究課題。本文，筆者對膨脹土路堤穩定性進行了分析與評價，以期對讀者有所參考。

一、計算模式

1.滑動面模式。

（1）關于膨脹土路堤的整體穩定性。路堤的整體穩定性計算，一般可以采用圓弧穩定性分析方法。

（2）關于膨脹土路堤邊坡的表層穩定性。在膨脹土路堤完工的初期，其表層和內部土的強度基本上是一致的。但在經過幾年的氣候變化以及風化作用后，由于濕脹干縮的反復作用，表層中產生很多裂隙，雨水沿著不斷發育的裂隙深入，致使土塊崩解、軟化、膨脹并使其密度變小，導致發生大量的邊坡淺層溜滑，這是膨脹土地區最普遍的路基病害之一?，F場調查表明，表層軟化的深度因各地區氣候和土質的不同而異，一般約1.0～1.5m。邊坡表面的淺層溜滑就是沿著這種軟化表層的底部發生的。

2.汽車荷載的換算。路基除承受自重作用外，還同時承受行車荷載的作用。在邊坡穩定性驗算時，需要按照車輛最不利情況進行排列，采用與設計標準車相應的加重車進行布置，將車輛的設計荷載換算成相當于土層的厚度h0，此厚度h0稱為車輛荷載的當量高度或換算高度。驗算時，將當量高度的土體連同滑動土體一并進行力的計算。當量高度h0的計算公式如下。

式中，h0為當量高度，單位是m；N為橫向分布的車輛數，單車道N＝1，雙車道N＝2；Q為每一輛加重車的重量，單位是kN；Φ為路基填料的重度，單位是kN/m3；L為汽車前后軸輪胎總距，單位是m，汽-10，汽-15，L＝4.2m，汽-20重車，L＝5.6m；B為橫向分布車輛輪胎最外緣之間總距，單位是m。B按下式計算。

式中，b為每一車輛的輪胎外緣之間的距離，單位是m；d為相鄰兩車車輪胎之間的凈距，單位是m；N的含義同式（1）。

荷載分布寬度可以分布在行車道寬度范圍內，考慮實際行車有可能橫向偏移或車輛停放在路肩上，也可以認為h0厚的當量土層分布在整個路基寬度上。在以下的計算中，取汽車荷載q=20kPa。

路堤邊坡穩定性計算參數見表1。進行中膨脹土邊坡的表層穩定性分析時，C值取其浸水飽和剪切試驗C值的80%，Φ值不變。進行浸水路堤計算時，各土層的內摩擦系數fb=0.75f。其中，f為標準擊實土的內摩擦系數，黏聚力Cb=0.5C，C為標準擊實土的黏聚力。

二、膨脹土路堤邊坡表層穩定性分析

1.弱膨脹土路堤邊坡。為了考察弱膨脹土路堤邊坡穩定性，筆者以荊門地區某高速公路為例進行分析，采用直線滑動面，計算中通過調整坡高、坡比及風化層厚度，模擬計算不同坡高、坡比條件下邊坡穩定系數。計算結果見表2。

從表2可以看到，坡比及風化層厚度是影響邊坡表層穩定性的兩大關鍵指標，坡高對邊坡是否形成淺層滑動的影響并不十分明顯。除坡高2m坡腳支襯作用較為明顯、穩定系數較大外，隨著坡高的增大，穩定系數變化較為平緩。這就暗示在相同表層軟化深度和坡比下，淺層滑動一旦形成，可在任何坡高的情況下發生，這一結論與現場調查的結果是一致的。

表 1 路堤邊坡穩定分析強度參數

表 2 弱膨脹土路堤表層穩定性分析成果

在同一坡度和坡比下，表層軟化深度越大，穩定系數越小。這就意味著，坡高、坡比一定時，表層軟化深度越深，表層穩定性就越差。初期穩定的膨脹土邊坡隨著時間的推移，在大氣的風化作用下，經反復干濕循環，表層軟化深度不斷增大，穩定系數逐步變小，這就是最終失穩的原因。其他條件相同時，邊坡越陡，表層穩定性就越差。

從以上的分析可以看出，對于某一特定的土質邊坡，在某地區氣候的影響深度是一定的。因此，坡比往往是決定邊坡穩定的關鍵因素。

有關研究資料表明，荊門地區大氣影響深度約在1.5～2.0m。根據這一深度可以得到本地區弱膨脹土路堤穩定坡度為1∶n=1∶1.5。當坡高小于3.0m時，邊坡可適當加陡。

2.中膨脹土路堤邊坡。為了考察中膨脹土路堤的穩定性，本文，筆者采用直線滑動面，計算中通過調整坡高、坡比及風化層厚度，來模擬計算不同坡高、坡比條件下邊坡穩定系數，計算結果見表3。

表 3 中膨脹土路堤表層穩定性分析成果

從表3可得到與弱膨脹土路堤邊坡類似的結論。例如，采用中膨脹土填筑路堤時，即使坡比調至1∶2.0，由于大氣風化作用，表層風化深度達到1.5～2.0m時，邊坡將產生淺層滑動破壞。荊門地區膨脹土受大氣影響的深度約為1.5～2.0m，從邊坡穩定的角度來看，本線路不宜直接采用中膨脹土回填路堤，中膨脹土填筑路堤必須進行改性或包邊處理。

三、路堤邊坡整體穩定性分析

由于中膨脹土難以滿足路堤邊坡表層穩定要求，因此進行路堤邊坡整體穩定性分析時，將不考慮中膨脹土，而對中膨脹土改性土、包邊路堤邊坡及弱膨脹土路堤邊坡進行計算。

為了考察填料性質對邊坡穩定性的影響，假定路堤筑于一相對硬土層上，設基底土層C=14.4kPa，Φ=30°，γ=19.1kN/m3，對弱膨脹土路堤、石灰改性土路堤、粉煤灰改性土路堤及包邊路堤整體穩定性進行模擬計算。計算結果見表4。

表 4 弱膨脹土、改性土及包邊路堤邊坡整體穩定性分析成果

從表4可以看到，石灰改性土路堤、粉煤灰改性土路堤及中膨脹土包邊路堤在坡高5m時，坡比采用1∶1.75；在坡高8m時，坡比采用1∶2.0，具有較好的整體穩定性。弱膨脹土路堤在坡高5～8m坡比時，坡比采用1∶1.5，具有較好的整體穩定性。

四、浸水路堤整體穩定性分析

浸水條件下弱膨脹土路堤、改性土及包邊路堤整體穩定性分析結果見表5?；淄劣嬎銋礐=7.2kPa，Φ=22.57°，γ= 19.1kN/m3。

表 5 浸水條件下弱膨脹土、改性土及包邊路堤整體穩定性分析成果

分析計算成果可知，在一定坡比下，浸水石灰改性土、粉煤灰改性土路堤均有足夠的穩定性，但其穩定系數相比非浸水條件有較大幅度降低。浸水條件下，中膨脹土包邊路堤穩定系數較非浸水條件亦有較大幅度降低。

五、結論與建議

1.膨脹土邊坡滑動受淺層滑動破壞模式控制，直線滑動比圓弧滑動更易發生，因此用直線滑動來決定坡度是合理的。

2.表層風化層深度是決定膨脹土邊坡穩定性的關鍵因素，因此，防風化、減少干濕循環對于邊坡穩定具有重要意義。

3.荊門地區大氣層影響深度約為1.5～2m，由此可確定弱膨脹土路堤邊坡穩定坡比應在1∶1.5～1∶1.75。

4.由于大氣的風化作用和干濕循環，中膨脹土邊坡極易產生淺層滑動破壞，因此中膨脹土不宜直接填筑路堤。中膨脹土用于填筑路堤時，必須對其進行適當處理，如改性或包邊等。

5.中膨脹土經石灰或粉煤灰改性后填筑路堤，能夠提高路堤邊坡的穩定性及浸水穩定性。

6.中膨脹土包邊路堤在非浸水條件下，包邊內膨脹土如能避免大氣作用及干濕循環，保持填筑時的密度及含水量，其路堤邊坡具有良好的穩定性。例如，在常水位下，膨脹土吸水軟化，易在包邊層與膨脹土之間形成軟弱面，包邊層易沿此軟弱面形成淺層滑面，故在常水位以下及干濕循環強烈地段應慎用中膨脹土包邊路堤。