路基边坡新型加固技术研究及应用

杨 鑫

(广东冠粤路桥有限公司，广东 广州 511450)

0 引 言

随着基础交通网的完善，公路工程的建设规模逐年扩大。裸露的边坡坡面在强降雨、气候变化、冻融作用等因素干扰下，容易出现表面侵蚀现象。边坡坡面侵蚀会导致边坡冲蚀、剥落、泥石流等浅层病害，同时边坡浅层病害的发展到一定程度会影响到边坡的整体稳定性，提升了边坡风险等级，影响公路运营期间的行车安全性和舒适度。近年来，许多学者也通过理论推导、降雨试验等方法研究了路基边坡冲刷机理和新型防护技术，并提出一些有价值的研究成果，如张红杰基于水流运动波动理论，建立边坡土颗粒在水中的受力模型，研究了降雨强度和降雨历时对边坡坡面冲刷的影响，并计算出边坡冲刷临界坡度；王桂尧统计分析了公路边坡生态防护的植物种类及其植被组合，并结合植被根系保水固土机理、植被多样性原理等，设计了一种适用于公路边坡的新型土工柔性格框生态防护措施；郭鹏为了解决路堑边坡冲蚀、剥蚀等病害，提出了一种新型植物纤维防护技术，并开展了现场降雨冲刷试验来验证植其防护效果。但是，工程师在开展边坡坡面防护设计时仍以经验类比法为主，使得边坡防护方案偏于保守。因此，研究路基边坡新型加固技术具有十分重要的工程意义。

1 路基边坡冲刷机理及加固现状

1.1 公路边坡冲刷机理

(1)降雨溅击

路基边坡坡面发生冲刷的实质就是坡面土体小于水流搬移力时，坡面水流将土颗粒剥离，而水流搬移力主要源于降雨溅击。降雨溅击是路基边坡坡面冲刷的最初形式，相关研究表明：雨滴平均降落速度是8～10 m/s，会对坡面土体产生较大冲击力，导致土颗粒因溅击而侵蚀。降雨溅击坡面可分为三个阶段：第一，干土溅散阶段。降雨初期，雨滴溅击到干燥坡面，土颗粒未能及时吸取雨水，而是被雨滴溅散；第二，泥浆溅散阶段。降雨时间持续增加，边坡坡面土体结构被破坏，土颗粒间的空隙被水分充填。当坡面土体水分达到饱和程度，土呈泥浆状，受雨滴冲击后也会溅散；第三，层状侵蚀阶段。降雨历时继续增加，坡面表层的泥浆将阻塞土孔隙，减小其渗透性，雨水以径流方式在坡面漫流，导致边坡表层土颗粒不断流失，属于降雨溅击最严重的阶段。

(2)坡面冲刷影响因子

路基边坡坡面冲刷受到多因素的综合影响，可用函数表示如

F=f(I,a,L,λ,n,d)

式中：I为降雨强度；a为边坡坡角；L为边坡坡长；λ为边坡入渗率；n为坡面粗糙系数；d为土颗粒平均直径。

1.2 边坡坡面加固现状

我国公路工程建设起步较晚，在边坡加固技术方面的研究成果不完善。目前国内的路基边坡坡面防护技术也大多数是从铁路、水利等领域借鉴而来，但是在借鉴的过程中往往只考虑其工程效应，而对环境景观效应的重视程度不够，即圬工防护效果较好，但是与自然景观协调性差，经济性不高，造成了很大工程浪费。通过对在建和运营中的公路边坡加固方式的调查可知，公路工程中常用的坡面加固措施主要有刚性防护、柔性防护和复合型防护三种类型，如表1所示。

表1 路基边坡常见加固措施

2 植物聚丙烯纤维护坡技术

笔者结合多年工程经验，提出一种植物聚丙烯纤维护坡技术用于边坡坡面加固。该技术是将土体、聚丙烯纤维、草种、水、保水剂均匀的拌合在一起，然后通过专用喷播机将混合物喷射到预防护边坡的一种高质量、现代化的新型防护技术。聚丙烯纤维护坡技术借鉴了液压喷播植草技术，通过液压喷播技术可以在很大程度上提高了坡面种植效率，能够使播种、防护等多种工序一次性完成，不仅提高了坡面建植的速度和质量，还能够克服不良自然条件的影响，满足各种条件下坡面建植的需要。与此同时，在良好的保湿条件下，草种能迅速萌发。因此，植物聚丙烯纤维护坡技术不仅能够起到防护坡面的作用，还能美化自然环境、维持生态相对平衡。

2.1 植物聚丙烯纤维护坡技术加固机理

在植物聚丙烯纤维护坡技术中，由于喷播的混合物中添加了聚丙烯纤维，在喷播初期就能够满足强度上的需求，到喷播后期混合物中的植物根系会对坡面土体起到加筋作用，植物聚丙烯纤维的作用会发生改变。植物聚丙烯纤维护坡技术的加固机理主要体现在缓冲作用、联结作用、加筋作用。

缓冲作用：土体中加入聚丙烯纤维后，一方面能够避免在喷射过程中因为枪口的压力过高而致喷射混合物过实现象；另一方面，能够在喷射混合物中留有一定的空隙，为植物的生长发育提供了良好的条件，间接提高了坡面的浅层稳定性。

联结作用：聚丙烯纤维的能够提高喷射混合物之间的联结作用，充分发挥聚丙烯纤维的抗拉强度，降低或消除喷播混合物发生开裂的可能性。

加筋作用：聚丙烯纤维在可以使坡面喷播混合物在其延伸范围内成为加筋复合材料。由前文试验结果可知，聚丙烯纤维的加筋效应能明显地提高坡面土体的粘聚力，同时聚丙烯纤维的张拉会对坡面土体的侧向变形产生约束作用，进而提高坡面土的抗剪强度。

2.2 护坡方案设计

(1)边坡坡顶和坡面防护设计

路基边坡坡顶和坡面防护是通过设置一定厚度的聚丙烯纤维加筋土来作为防渗材料，减小雨水对土体的侵蚀。

结合相关研究成果，笔者建议边坡坡顶的聚丙烯纤维加筋土厚度设置为15～20 cm，坡面聚丙烯纤维加筋土厚度应当设置为10 cm。此外，由于聚丙烯纤维加筋土的入渗性能相对较差，为了将坡顶的积水顺利排出，参考《公路工程技术标准》和《公路排水设计规范》中的路肩排水设计方法，将坡顶的聚丙烯纤维加筋土防护布设一个3%的横向坡度，便于坡顶积水的排出，减少雨水的下渗量，从而更好的保护边坡坡顶。

(2)草种的选择和用量

草种的选择要综合考虑当地的气候条件、成活率、覆盖率等各种因素，比如干旱缺水、气温较低地区，植被的覆盖率较低，成活率也不高，应选择耐旱耐寒的植物。

在聚丙烯纤维加筋土中应当加入合适的草种用量。草种用量(g/m2)要根据设计播期望成株数(株/m2)、坡度、土质、年降雨量、施工季节等因素综合，计算公式如下

式中：C1为坡度修正率；C2为土质修正率；C3为坡向修正率；C4年降水量修正率；C5施工季节修正率；C6草种的发芽率，一般要大于90%。C1～C6修正率的取值要根据边坡的坡度、土质、坡向、年降水量、施工季节、发芽率等因素来确定，具体取值范围可参考表2。

表2 草种用量各影响因素修正率取值范围

3 路基边坡加固效果评价

3.1 坡面径流和产沙分析

为了评价聚丙烯纤维加筋土在边坡坡面防护中的应用效果，依托某公路路基边坡开展现场降雨冲刷试验。该路基边坡填料砂砾土，高8 m，坡度分别为1∶1.5，同时选择相同边坡高度和坡度的裸坡作为空白对照；纤维加筋土抹面厚度为10 cm，纤维长度和掺量按最佳配合比；降雨设备采用自制人工降雨模拟器，降雨强度20 mm/h，降雨历时60 min。

边坡冲刷试验开始后每隔5 min采集一个冲刷水样，测定各降雨时段内坡面的径流强度和产沙强度，得到了边坡破面加固前后的径流强度和产沙强度，如图1所示。

图1 边坡坡面径流和产沙强度

由图1可知：随着降雨历时的增加，加固土边坡与非加固土边坡的坡面径流强度不断提高，但提高速率逐渐变缓。即在坡面冲刷初始阶段(0～15 min)，雨水下渗作用明显，坡面未被侵蚀，水流通道少，雨水主要以径流的形式在坡面经过，使得径流强度增加幅度大。坡面冲刷时间超过15 min后，水流下渗作用减弱，径流强度增长缓慢。同时，由于聚丙烯纤维加筋土渗透性较小，故非加固土的径流强度大于非加固土。同时，非加固土边坡产沙强度明显大于加固土边坡，前者产沙强度峰值达到了4 kg/min，后者产沙强度仅在0～15 min有小幅提高，峰值仅0.027 kg/min。这表明聚丙烯纤维加筋土用于路基边坡坡面加固时的抗雨水侵蚀效果非常明显。

3.2 边坡加固前后稳定性

(1)计算理论

《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)的3.7.5条规定路基边坡稳定性计算宜采用简化Bishop法。简化Bishop法属于刚体极限平衡法，它将滑坡体划分成n个宽度相同的垂直条块，并假设各条块间只存在水平条间力、竖向条间力等于0，且滑体力矩平衡。计算公式如

式中：Wi为第i条条块的重力，kPa；bi为第i条条块的宽度，m；ci为滑面粘聚力，kPa；φi为滑面内摩擦角，°；αi为圆弧底面倾角，°；ui为孔隙水压力，kPa

(2)边坡加固前后安全系数

拟采用理正岩土软件来计算加固土边坡和非加固土边坡的安全系数，计算理论为简化毕肖普法，计算工况分为天然状态和降雨两种，边坡安全系数计算结果见表3。

表3 边坡加固前后安全系数

计算结果表明：未加固路基边坡的潜在滑动面靠近坡表，天然状态下的安全系数满足规范要求，但是在降雨入渗后，由于坡体抗剪强度参数降低及容重的增加，安全系数仅为1.14，需要进行加固处治。聚丙烯纤维加筋土处治后，路基边坡的最危险滑动面位置向内扩展，天然状态和降雨工况下边坡安全系数分别提高了9.8%、7.7%。综上，聚丙烯纤维加筋土用于路基边坡的坡面加固是可行的，能明显提高坡面的抗冲刷性能和稳定性。

4 结 语

在分析路基边坡坡面冲刷机理的基础上，提出一种植物聚丙烯纤维护坡技术，并从抗冲刷性能和稳定性研究了其加固效果，主要得到以下几方面结论：(1)降雨溅击是路基坡面冲刷的最初形式，主要包括干土溅散、泥浆溅散、层状侵蚀三个阶段；(2)植物聚丙烯纤维加固机理主要体现在缓冲作用、联结作用、加筋作用；(3)随着降雨历时增加，加固土边坡的径流强度大于非加固土，且产沙量极小，抗雨水侵蚀效果非常明显；(4)植物聚丙烯纤维加筋土用于路基边坡坡面加固会使潜在滑动面向坡体内扩展，并提高边坡的整体稳定性。