砾石隔断层对寒区盐渍土路基边坡稳定性的影响

陈子敬

(青海省公路建设管理局，青海 西宁 810001)

1 引言

盐渍土是指含盐量超过一定数量的土，广义理解为包括盐土和碱土在内，以及不同盐化、碱化土的统称。在盐渍土地区路基设计时应考虑两个因素：① 毛细水的作用；② 盐渍土路基次生盐渍化。在这种情况下，提出采用设置隔断层或抬高路基的填筑方法，毛细水隔断层通常采用天然级配砾石土做路基填料，同时也可以起到增加路基基底强度的作用。

中国对盐渍土地区路基水盐迁移与隔断层设置的研究较少，且研究内容局限于路基填土、级配石料等的毛细现象。但新惠针对隔断层厚度的设置问题，通过室内模拟试验，验证级配砾石在不同的自然状态下毛细水的上升高度差异；薛明等针对盐渍土路基，考虑盐分在土体中迁移的途径，提出相应的隔断措施，同时基于具体工程试验段进行效果检验；赵中党提出了隔断层的厚度计算方法：卡规法与公式计算法。这两种方法充分考虑到采用天然级配卵砾石作为隔断层；张立华等针对路基土体毛细水上升进而引起土体内水分和盐分迁移的问题，提出提高路基及设置隔离层的方法，有效保护了路基和路面不受土体内部因素影响；堪文武、董兰凤针对路基土体的盐渍化和次生盐渍化问题，提出提高路基高度，设置隔断层等方法来进行处置。

综上所述，对于盐渍土路基设置砾石隔断层的研究，众多学者得到了很多的理论方法并进行了实践应用。但是，在砾石隔断层厚度的设计研究中，虽然个别学者提出了一定的计算方法，但这些方法在边坡稳定性分析方面并没有得到相应的模拟验证；其次，隔断层材料的种类较多，主要有天然级配卵石，风积沙土，沥青类材料，石灰水泥土等，而且影响隔断层设置厚度的因素众多，包括：路基填土的土壤类型、土壤物理参数，含盐量，地下水位，砾石隔断层应用的天然级配卵砾石土的配合比，寒区路基土体的最大冻结深度(或最大蒸发深度)等。因此隔断层的厚度设计至关重要，隔断层设置过薄，起不到隔断毛细水、阻止水分和盐分迁移的作用，设置过厚则会造成施工成本过高以及施工材料的浪费。该文采用数值模拟的方法，通过仿真软件，建立不同砾石隔断层的路基模型，计算出适用于该地区的砾石隔断层厚度。首先，选取青海省察(尔汗行委)-格(尔木)高速公路部分路段进行试验，测定该路段盐渍土的类型及其物理参数。然后建立路基模型，通过使用Slide软件进行路基边坡稳定性分析比较，得出砾石隔断层厚度对盐渍土路基边坡稳定性的影响规律。

2 工程背景

对格尔木市的气候资料(2001—2015)进行调查，数据均来自中国气象科学数据共享服务网。

格尔木位于青海省西蒙古族藏族自治州境南部，格尔木市区位于柴达木盆地中南部格尔木冲击平原，平均海拔2 780 m。格尔木辖区属大陆高原气候，少雨、多风、干旱，冬季漫长寒冷，夏季凉爽短促。该文基于察格高速公路试验段项目进行的路基边坡数值模拟，察格高速公路在国防战略方面具有非常重要的意义。它连接北京-拉萨、连云港-霍尔果斯，同时试验工程依托的G3 011柳园-格尔木高速公路也是《国家高速公路网》的重要地段。察格高速公路全长80.052 km，设计速度100 km/h，路基宽度26 m，双向四车道，路面采用沥青混凝土结构形式。

2.1 降水量与蒸发量分析

格尔木市1971—2000年的月平均降水量和月平均蒸发量对比如图1所示。

图1 格尔木月平均降水量与月平均蒸发量

由图1可知：格尔木年平均降水量为42.2 mm，年平均蒸发量为2 504 mm。降水主要集中在5—9月，占全年总降水量的87.4%。

根据干燥指数计算公式：

(1)

式中：r为干旱指数；E0为年蒸发量(mm)；P为年降水量(mm)。

可以算得格尔木干燥指数r≈59.3，即蒸发量约为降水量的59.3倍，由此可以看出格尔木的气候极度干旱。

2.2 气温分析

如图2所示，该地区月平均气温7月份最高，达到23 ℃，6、7、8月份月平均气温均在15 ℃以上，12月份气温最低，低至-9.2 ℃，11月至来年3月份月平均气温在0 ℃以下。最高气温与最低气温温差达到32.2 ℃，气温四季变化明显，总体符合正弦函数曲线变化规律。

2.3 地温分析

对格尔木2001—2015年地下0、10、20、40 cm地温进行调查分析，各月地温变化如图3所示。

由图3可以看出：该地区地温和气温的变化呈现周期性的规律，且气温略低于地温，从图3中可以看出：不同深度的地温其变化幅度随深度的增加逐渐减小，峰值的出现也随深度的增加而滞后。在张彧的研究中发现，该地区地下深度40 cm开始存在土体冻结的现象。

图2 格尔木年平均气温

图3 格尔木地温变化

3 试验分析

3.1 土样特性

以察格高速公路为依托，试验路段全长47.928 km，线路选取27个试验点。通过室内试验对盐渍土的含盐量，含盐类型等进行统计，根据含盐类型，该地区沿线以高氯盐渍土和亚硫酸盐渍土为主，根据含盐量分类，试验路段强盐渍土含量约占40.6%，图4为盐渍土的分布特征图。

图4 试验线路盐渍土分布特征图

选取该地区具有代表性的高氯盐渍土为试验土样，根据规范GBT 50123-1999《土工试验方法标准》，分别进行了相对密度、液限与塑限、最大干密度与最优含水量、颗粒分析及易溶盐化学试验等基础试验。结果表明：试验土样属于饱和度为75%～96%的非饱和低塑限黏土，其物理特征参数及化学成分见表1、2。

表1 盐渍土的物理特性参数

表2 盐渍土中不同盐分的含量

3.2 直剪试验

根据JTG E40-2007《公路土工试验规程》，在室温条件下，对选出的试验土样在96%的压实度、最优含水量下，进行环刀制样。为了保证含水量和温度始终处于一个稳定的值，将制好的土样用保鲜膜包住。然后将数字应变控制的直接剪切设备放置在步入式低温恒温室中进行直接剪切试验，所有直剪试验均采用0.02 mm/min的剪切速率进行，剪切试样尺寸为内径61.8 mm，高度20 mm，测出其室温条件下不同含水量对应的抗剪强度参数值。

试验土样在96%压实度、最优含水量和室温条件下其剪切应力-应变曲线如图5所示，峰值剪切强度与垂直应力的关系如图6所示，通过线性回归获得Mohr-Coulomb破坏标准，从而获得土样的黏聚力和内摩擦角。

图5 HC土样剪切应力-应变曲线

图6 峰值剪切强度与垂直应力的关系

4 设置隔断层的路基边坡稳定性分析

由于使用该土样填筑的路基，其滑动面的形状与位置并不确定，手工计算分析和使用Slope软件进行分析时均将滑动面默认为从坡脚开始，这样的分析方法对采用多种土分层填筑的路基边坡稳定性分析时无法准确找到最危险滑动面的位置。所以现在的工程设计计算中多采用Slide软件进行辅助计算。该文将使用Slide软件对设置砾石隔断层的盐渍土路基边坡进行分析。

以土样填筑的路基为例，在路基底部分别设置20、30、40、60、80 cm厚的砾石隔断层时，路基边坡稳定性变化如图7所示。填料的工程性质如表3所示。

表3 填料的工程性质

由图7可以看出:在路基底部设置砾石隔断层时，随着隔断层厚度的增加路基边坡整体稳定性都有明显下降，当隔断层厚度大于20 cm后危险滑动面转移到了坡脚隔断层表面，随着隔断层厚度的增加，危险滑动面保持不变，最小稳定系数K值保持在1.679左右。此时路基边坡稳定性依然可以达到设计要求。在工程设计中当需要设置砾石隔断层时，需对坡脚处的稳定性着重分析，根据实际情况对坡脚进行加固防止坡脚表面出现剥落。

5 结论

确定寒区盐渍土路基在铺设不同厚度砾石隔断层的条件下，盐分迁移对路基稳定性的影响。首先，测定寒区盐渍土的类型及其物理参数；其次，针对在路基底部铺设不同厚度的砾石隔断层的盐渍土路基工程，通过使用Slide软件进行路基边坡稳定性分析，得出砾石隔断层厚度对盐渍土路基边坡稳定性的影响，得到如下结论：

图7 路基边坡稳定性变化

(1) 盐渍土路基中盐分的迁移受到水分、温差的综合影响。在路基底部设置砾石隔断层时，能增大其空隙率，有效降低水盐迁移。

(2) 随着隔断层厚度的增加路基边坡整体稳定性都有明显下降，当隔断层厚度大于20 cm后危险滑动面转移到了坡脚隔断层表面，随着隔断层厚度的增加，危险滑动面保持不变。

(3) 在工程设计中当需要设置砾石隔断层时，需要对坡脚处的稳定性着重分析，根据实际情况对坡脚进行加固防止坡脚表面出现剥落。