风积沙填筑路基的边坡稳定性与工程防护措施研究

方明

（中国水利水电第八工程局有限公司，湖南长沙 410000）

0 引言

近年来，伴随着我国社会经济的高速发展，沙漠地区的高级公路不断涌现。风积沙作为沙漠公路常用的筑路材料，具有综合性的特点，在沙漠修建公路的过程中，需要对其特点进行综合的把握，从而实现对风积沙填筑质量的有效控制。与此同时，还要通过防护措施的使用，增强公路工程的质量。因此，对此项课题进行研究，其意义十分重大。

1 工程项目概况

本工程位于中东地区，设计时速为100km/h，路基标准横断面主要有两种形式，分别为整体式路基断面和分离式路基断面。其中整体式路基的适用路段全长39.75km，其路基宽度为26.2m，其断面形式较多，分别为硬路肩、土路肩、车行道和中央分隔带。而分离式路基断面适用路段全长14.32km，路基宽度为12.8m，路基填筑材料为风积沙，在路堤填筑高度不超过5m 时，边坡坡度比为1:3，当路堤填筑高度超过5m 时，边坡坡度比采用1:2.5。当填方高度超过8m 时，需要在8m 的位置进行变坡，同时将边坡平台设置到各级之间，平台的宽度为2m，坡比为3%。

2 风积沙路设计和稳定性分析方法

2.1 风积沙路基设计

本项目所在区域会受到自然环境因素的严重影响，具体表现为大风天气较多，在查阅文献资料后得知，西北风是主要风向。

大风会携带大量砂砾经过公路，导致风蚀和风积现象的发生，此类现象的出现，会威胁公路和车辆安全。在考虑上述问题，在设计施工阶段，需要采取有效的措施，降低路段路线和主方向之间的相角度。

2.2 风积沙路基稳定性分析方法

路基沉陷、边坡滑塌、碎落和崩塌是路基常见的病害，除此之外，在行车荷载的作用和自然灾害的双重作用下，路基同样会受损。但就风积沙填筑路基而言，分析填方路段路基边坡失稳滑动体的抗滑稳定性即可。

基于失稳土体的滑动面特征，可以将岩土质路基边坡的稳定性分析方法分为三类：①直线；②曲线；③折线。结合上文可知，风积沙拥有多种特点，将其作为路基边坡材料，会导致边坡的黏性和稳定性下降，通常情况下，边坡稳定性仅能依靠内部摩擦力实现，我们可以将边坡滑动面视为直线滑动面。对失稳滑动体沿滑动面上的下滑力T 和抗滑力R 进行分析，并基于静力平衡的原理，取得下滑力和抗滑力之间的比值系数，即可计算路基边坡的稳定性。其中比值系数K 的计算公式为：K=R/T。在K=1 时，下滑力和抗滑力相同，此时边坡的状态为平衡状态；在K＜1 时，表示抗滑力低于下滑力，此时，边坡会进入失稳状态；如果K＞1，表示下滑力低于抗滑力，边坡稳定性较强。通常情况下，为确保公路工程项目的质量，在分析路基边坡稳定性时将K 的取值设置为1.25 即可。

由于路基会在行车荷载的作用下受损，因此在分析阶段，需要对行车荷载进行换算，将其视为路基岩土层厚度，并将其计入到滑动土体之中。在实际换算阶段，需要将荷载的最不利布置条件作为依据，同时依据公式BLh0γ=NQ；换算土体的重量由BLh0γ 表示；而车荷载的大小则由NQ 表示，可以将上述式子简化成h0=NQ/BLγ；在这个式子中，路基边坡岩土层厚度由h0表示，这里的岩土层厚度，是行车荷载换算后的结果；车辆荷载的前后轮轴距由L 表示；单车荷载重量由Q 表示；路基横断面上并列行驶的车辆数由N 表示；路基填料的厚度由γ 表示；荷载横向分布宽度由B 表示，在计算过程中需要依据公式B=Nb+（n-1）m+d。在这个公式中，后轮轮距由b 表示；相邻两车后轮中心间距由m 表示；轮胎着地高度由d 表示。如果路基边坡较高，行车荷载所造成的影响相对较小，因此，换算高度可以在路基全宽上近似分布，通过这种方式，对滑动体的重力计算方式进行简化。

考虑到沙土具有非常强的渗水能力，但保水性、黏性相对较差，因此，可以将边坡滑动面视为直线滑动面。在计算过程中，可将黏结力取值设为0，同时，假设路基按照均值填土，此时，可以用公式；对边坡稳定系数K 进行表示。路基填土计算内摩擦角由φ 表示；边坡坡脚由β 表示。事实上，路基土的填筑方式为封层填筑，因此，不同层在填料和重量上存在显著的差异。研究人员通过实验的方式，使用比较均值和非均值方法，对路基边坡稳定系数K 进行计算，结果表明，两种方法在结果上趋于一致，并且上述公式的计算结果更为准确和安全。因此，在实际分析阶段，将均值路基填料作为依据，对路基稳定性进行分析，可以取得良好的效果，同时这种方法还具有操作简单的优势。

在计算时，会得到有关风积沙内摩擦角的经验回归公式：φ=ak+b；在这个公式中，风积沙路基填土的计算内摩擦角由φ 表示，而实际平均路基压实度则由k 表示[1]。

3 公路工程项目路段边坡稳定性分析

3.1 公路工程项目路段风积沙填料压实度

结合上文可知，本公路工程项目将风积沙作为路基填料，如何控制风积沙的质量，成为设计施工单位需要考虑的问题。风积沙作为一种沙性土，其内部所含的粗颗粒数量较多，因此，路基的强度和稳定性较高，除粗颗粒之外，还含有一定量的细颗粒，赋予了路基粘结性，导致路基松散程度下降，在遇到水后，风积沙材料会快速干涸，且不会遇水膨胀，容易被压实，因此，将其作为路基填筑材料具有一定的优势。但与其他材料相比，风积沙难以被控制，如果控制不当，就会对公路性能产生不利影响。要求施工单位在施工阶段，选择合理的施工方式，加强施工质量控制尤为关键。比如：施工单位可以使用20t 以上的压路机，通过分层碾压的方式，将填料压实，其中，压实厚度的确定，需要依据现场压实试验结果。一般情况下，路基基底压实度应超过90%，并通过分层填筑的方式施工，在填筑时，必须确保填筑的均匀程度。在取土过程中，应采取纵向调配利用挖土的方式[2]。

3.2 公路工程项目典型路段的稳定性分析

在项目设计阶段，为促进风积沙填挖路基稳定性的提升，设计人员所设计的路基边坡坡比较缓，导致填挖工程量加大，后依据当地政府部门的意见，路基边坡比进行了重新调整。最终调整结果如下：①在填方高度不超过5m 时，边坡比为1:3；②在填方高度超过5m 时，边坡比为1:2.5；③挖方边坡坡比为1:4。

施工单位通过试验的方式，得到了风积沙内摩擦角经验回归公式，φ=1.399k-91.877；在这个公式中，风积沙路基填土计算内摩擦角由φ 表示；实际平均路基压实度由k 表示。依据该公式，对不同压实度条件下风积沙填筑路基的最大坡度比进行计算，结果如下所述：

（1）压实密度为 90%，内摩擦角度 34.032°，最大坡角值27.354°，坡脚最大正切值0.539°，底边归一化值1.804，最大坡比为1:1.849；

（2）压实密度为 91%，内摩擦角度 35.421°，最大坡角值29.454°，坡脚最大正切值0.559°，底边归一化值1.754，最大坡比为1:1.754；

（3）压实密度为92%，内摩擦角度 36.722°，最大坡角值29.934°，坡脚最大正切值0.589°，底边归一化值1.654，最大坡比为1:1.654；

（4）压实密度为93%，内摩擦角度 38.232°，最大坡角值32.454°，坡脚最大正切值0.639°，底边归一化值1.586，最大坡比为1:1.586；

（5）压实密度为94%，内摩擦角度 39.032°，最大坡角值33.154°，坡脚最大正切值0.659°，底边归一化值1.509，最大坡比为1:1.509；

（6）压实密度为95%，内摩擦角度 41.152°，最大坡角值33.554°，坡脚最大正切值0.659°，底边归一化值1.474，最大坡比为1:1.474；

（7）压实密度为96%，内摩擦角度 41.832°，最大坡角值36.354°，坡脚最大正切值0.739°，底边归一化值1.357，最大坡比为1:1.357；

（8）压实密度为97%，内摩擦角度 43.812°，最大坡角值37.514°，坡脚最大正切值0.769°，底边归一化值1.304，最大坡比为1:1.304；

（9）压实密度为98%，内摩擦角度 45.232°，最大坡角值38.884°，坡脚最大正切值0.809°，底边归一化值1.234，最大坡比为1:1.234；

（10）压实密度为99%，内摩擦角度46.612°，最大坡角值40.254°，坡脚最大正切值0.849°，底边归一化值1.181，最大坡比为1:1.181；

（11）压实密度为100%，内摩擦角度48.023°，最大坡角值41.644°，坡脚最大正切值0.889°，底边归一化值1.125，最大坡比为1:1.125。

值得注意的是，上述计算结果的得出，所依据的标准为kmin=1.25，且项目全线边坡比，都与稳定性要求相符合[3]。

4 工程防护措施

4.1 路基加固和防护工程设计

公路工程项目将风积沙作为主要填筑材料，考虑到风积沙的特性，施工单位需要采取措施对边坡上的沙粒进行稳定，避免公路施工质量被风蚀和沙害所影响。基于工程项目的实际情况和常用固沙措施，施工单位所采用的防护方式为沙柳网格防护。而路堤边坡则以缓坡式防护为主，其目的在于提升风吹沙流动的顺畅性，边坡的防火措施为网格植草。对于一些低洼地区而言，由于其容易积水，因此在处理过程中，施工单位选择了M10 浆砌片石护坡作为防护措施。同时采用空心预制六棱块和植草的方式，防护桥头处，同时将宽度为5m 的积沙平台设置到上风向，而下风向设置的积沙平台，其宽度为4m，积沙平台和边沟同步设置。实践结果表明，植草和应用空心预制六棱块等防护形式的运用，如图1 所示。可以增强积沙平台、路堑边坡平台和路堤边坡平台的抗雨水冲刷能力。

上述防护措施的优点主要表现在以下方面：①使土壤性质得到了有效改善，有利于增强沙的成土作用；②沙柳网格草的种植，可以使土地粗糙度上升，能够实现对风蚀破坏的有效抵御；③有利于弱化风对路基边坡造成的影响。

4.2 路基、路面排水系统

在分析工程所在地的实际条件后，发现本项目不具备设置圬工排水沟的条件，针对排水不畅通的路段，需要采用开挖土质排水沟的方式，将水引入到地势低洼地带。公路工程项目边沟与积沙平台同时设置，具体设置方式为对积沙平台进行下挖，深度为0.4m，然后通过预制空心六棱块进行加固。考虑到挖方深度较浅，再加上破顶汇水量不大，因此，汇水对挖方破顶的冲刷可以忽略不计，故本项目无须设置截水沟。项目所采用的排水方式以集中排水为主，并通过急流槽和拦水埂的使用，增强排水效果。其中急流槽的所处位置是边沟与天然沟渠相连处，其设置方式为使用M10 浆砌片石砌筑。在中央分隔带，则采用高强度混凝土预制块进行封闭。同时采用齐平式路缘石，将超高段的积水引入到内侧经急流槽排出即可[4]。

在填方的路段，采用的排水方式以集中式排水为主，通过急流槽和拦水埂的搭配使用达成目的。在挖方路段，需要以路面横坡为起点，将水引入到边沟，促使积水向桥梁和涵洞处排放。

4.3 总结

（1）为了降低风沙通过对路基横断面坡脚的影响，并使路基横断面的阻沙性能指数下降，在设计路基横断面时，应该以流线型设计为主。同时采用贴近圆弧处理的方式，对路基横断面坡脚和破顶折线边坡处进行处理，通过这些处理措施的应用，实现减少紊流和弱风区面积的目的，同时，还能控制路面积沙。

（2）在选线过程中，尽量避开容易受到流沙威胁的地段，如果无法规避，需要沿着沙漠河流两岸和古河床布设线路，并通过固定和半固定的沙丘地带。在路基设计阶段，控制路基填方高度十分重要，通常情况下，路基填方高度应该等同于沙丘顶面高度。

（3）在分析风积沙填筑路基稳定性的过程中，需要构建分析模型，究其原因，主要是分析模型的构建更具可行性和安全性，在分析后得知，项目全线的坡比均与稳定性要求相符。

（4）路基防护措施运用原则是稳定路基、经济合理和美化环境。施工单位需要基于工程所在地的实际情况和地质条件，对防护方式进行明确。在确保防护效果和边坡稳定的前提条件下，选择生态防护方式最佳，同时还要将工程防护方式作为辅助。

5 结论

综上所述，在社会经济高速发展的背景下，为缩小地区间的经济发展差距，满足人们交通出行的要求，国家在中东地区建设了大量的公路工程，与东南沿海地区相比，中东内陆地区天气较为干燥，风沙较大，土壤类型以沙质土壤为主，因此，在填筑路基时需要将风积沙作为主要的材料，这种材料在存在优点的同时，也存在诸多的不足，要求施工单位在施工阶段，采取有效的工程防护措施，通过路基加固和防护工程和路基路面排水系统的构建，保护公路的工程的安全。