沙土路基边坡力学稳定性改善及其效应

代诗宇

（招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067）

在沙土路基条件下的公路建设中，路基工程性质对项目质量往往起着决定性作用，主导着结构沉降及稳定性。考虑到沙土路基需要面对复杂外部环境，不仅应当考虑到路基压实问题，同时还应充分重视项目施工及运营环节中对沙害的预防治理。天然风积沙具有取材方便、经济性好的优势，特别是在沙漠地区的公路、铁路修筑中发挥着重要作用。但沙粒间的黏聚性较差且不易被压实，因此就很难达到施工标准的要求[1]。此外，对于部分存在特殊地质条件的地区而言，沙害可能还会引发其他质量、安全风险。由此可见，沙土路基边坡的防护及其稳定性评价就显得尤为必要。

1 沙土路基边坡的稳定性分析

作为影响公路稳定性、耐久性的重要环节，路基防护具有突出的意义，需要重点关注沙土路基填筑所用材料的性质[2]。总体来看，为了确保沙土路基预期功能的实现，主要可从以下两个方面入手：

第一，确保路基边坡具有足够稳定性。受制于边坡截面形状、坡比要求等因素的限制，沙土路基边坡应当满足以下要点：一方面需要充分结合建设地的地形地势、地质条件等因素而展开，判断风沙运动的趋势，以此为基础综合选定最佳的边坡形式；另一方面应综合优化边坡的结构设计，同时配备相应的工艺方案、技术标准，提升防护方案整体的科学性与经济性。

第二，沙土路基稳定同时还需要考虑到环境作用以及防护方案的影响。实践表明，恶劣环境及不当防护都会显著促进风蚀、沙埋现象的发生。若未能采取有效果的措施，那么路面结构就很容易出现塌陷、开裂，进而对正常行车带来不便。

我国不同地区的沙土条件存在一定差异，同时不同等级公路在设计要求上也不尽相同。因此，在设计沙土路基防护方案时，就需要综合考虑到不同因素的影响，基于勘察报告因地制宜地做出间距经济性、科学性的设计。

2 沙土路基边坡直接剪切试验研究

本文以我国某公路工程为例展开分析，该项目地处我国西北某沙漠，其路基防护形式选择为坡面粘土包边种植灌木防护：在坡面位置以20～50cm 为标准覆盖粘土包边，并且在其上种植沙篙、油篙等适应性较强的植被，不仅能够起到稳固边坡的作用，同时还能够构筑绿色生态景观。受到干旱气候、盐碱土体的影响，即便在原有边坡上附加一定黏土，土壤肥力仍难以满足植被生长需要，需要额外施肥促进植被生长。

实践表明[3,4]，风积沙土体的承载力对于边坡稳定性存在决定性作用。由于风积沙颗粒存在粒径小、级配差等特点，因此其在工程中表现出不同于一般土体的特点。同时，在灌木生长过程中撒布草木灰也具有一定的促进效果，所以对不同草木灰掺量下的边坡稳定性开展研究具有突出现实意义。

本研究以坡顶、坡中以及坡底三个不同位置的沙土作为试验对象，按照不同草木灰掺量进行处理并通过剪切试验测定其强度，结合试验现象判断沙土所发生的强度变化。

2.1 直接剪切试验方案

本研究选用应变控制式直剪仪进行检测，借助该仪器上下盒的相对移动来对土体施加剪切作用。测得剪切面破坏时土体的剪切应力即为该试样的抗剪强度。为了评价不同草木灰掺量下试件的抗剪强度，对于不同试件掺加按照不同比例掺加草木灰。对坡顶、坡中以及坡底位置取得的沙土分别按照0%、5%、10%、15%、20%的比例掺加草木灰，共得到75 个试件。对同一试件以相同试验条件分别进行三次直接剪切试验。

2.2 直接剪切试验结果及其分析

2.2.1 剪切应力-剪切位移曲线

对沙土直接剪切试验得到的数据进行整理分析，即可得出在不同的草木灰掺量及垂向应力条件下沙土的剪切应力-剪切位移曲线。以垂向应力为50kPa 条件下的曲线为例，如图1 所示。

图1 50kPa 下的剪切应力- 剪切位移曲线

根据图1 中曲线可以发现，不同草木灰掺量下沙土的曲线均大致呈现为抛物线形式，且其在早期的变化趋势基本相同。尤其是在前5mm 的剪切位移范围中，不同草木灰掺量下沙土的曲线几乎重合，这也表明在该阶段下材料为受到剪切作用几乎不受剪切应力的影响，随后表现为抛物线形变化，在最大剪切应力位置存在短暂停滞，随后曲线下降。此外，研究还发现在更高的垂向应力条件下，沙土的变化曲线更陡，且其最大抗剪强度也有所上升。但需要注意的是，对不同垂向应力而言，当草木灰掺量处于5%～15%范围内时，天然沙土的最大抗剪强度均大于经草木灰处理后的混合沙土。

2.2.2 草木灰对沙土粘聚力、内摩擦角的影响

基于上述对抗剪强度的试验研究，即可得出不同坡位、草木灰掺量下混合沙土的内摩擦角、粘聚力，如表1所示。草木灰能够显著提升沙土试件的抗剪强度，且草木灰掺量对试件内摩擦角、粘聚力产生的作用，如图2、图3 所示。

图3 草木灰掺量对试件粘聚力的影响

表1 不同坡位、草木灰掺量下的抗剪强度

图2 为不同草木灰掺量下不同坡位沙土试件内摩擦角所对应的变化趋势。根据图2 可以发现，当坡顶沙土试件的草木灰掺量处于0%～5%的范围内时，草木灰掺量越大内摩擦角越小，且在掺量为5%达到最小值，随后则呈现出不断上升的趋势。随后，在掺量为15%～20%的范围间内摩擦角出现下降段。而对坡中位置取得的沙土试件，当草木灰掺量处于0%～10%的范围内时，内摩擦角呈现出持续下降的趋势，其降幅约为9.7%。在10%～20%的草木灰掺量下，内摩擦角表现为略微的上升，在掺量为20%时达到最峰值，且峰值略微该与未掺加草木灰时沙土试件的内摩擦角。对坡底位置取得的沙土试件，其变化曲线类似于波浪形，当草木灰掺量处于0%～20%的范围内时，内摩擦角首先增加随后下降，且未掺加草木灰时沙土试件的内摩擦角为峰值。

图2 草木灰掺量对试件内摩擦角的影响

图3 为不同草木灰掺量下不同坡位沙土试件粘聚力所对应的变化趋势。根据图2 可以发现，对坡顶位置取得的沙土试件而言，其粘聚力表现为先增后减的变化趋势，且当草木灰掺量处于5%～10%的范围内时曲线线形较陡，这也表明在该阶段下粘聚力增长较为显著。当草木灰掺量达到12%附近时，沙土试件的粘聚力达到峰值，此后则表现为逐步减缓的趋势。而坡中位置的沙土试件，其粘聚力变化趋势与坡顶沙土试件较为类似，大致为先增后减的曲线。但由于沙土试件选取的坡位不同，因此其干密度更大，粘聚力峰值出现的位置大约在草木灰掺量为15%处。对于坡底位置沙土试件的研究发现，其粘聚力变化趋势较其他位置存在显著差异，当草木灰掺量处于0%～20%的范围内时，曲线下先减后增，且在草木灰掺量为10%时达到最小值，此后则表现出不断上升的趋势，曲线大致表现为“V”型分布。

导致坡底位置沙土试件的粘聚力变化趋势较坡中、坡顶不同的主要原因在于：粘聚力受到颗粒间胶结强度的影响较为显著，而在边坡土体结构中大颗粒主要分布于底层，因此坡中、坡底位置的沙土干密度较大，因此就需要掺加更多草木灰来达到粘聚力峰值。根据曲线分布可以发现，坡中位置沙土试件出现粘聚力峰值所对应的草木灰掺量较坡顶更大。同时坡中及坡顶位置沙土试件的粘聚力最小值出现在不掺加草木灰时，而对坡底位置沙土试件而言则出现在草木灰掺量为10%处。

2.2.3 草木灰对抗剪强度的影响

试验测得天然沙土试件的抗剪强度-垂向应力关系曲线如图4 所示。

根据图4 可以发现，对于天然沙土，坡顶、坡中及坡底位置取得试件的抗剪强度均表现出较为相似的变化曲线，随垂向应力的提升而逐渐上升，但坡中位置的抗剪强度较坡顶及坡底更高。总体来看，垂向应力-抗剪强度关系曲线大致可看为直线，这与库伦理论之间有良好的契合性。

图4 天然沙土试件的抗剪强度- 垂向应力关系

当垂向应力分别为50kPa、100kPa 及200kPa 时，在天然沙土中掺加草木有助于改善坡顶位置沙土试件的抗剪强度，当草木灰掺量为15%这一增强效果最为突出。在垂向应力为300kPa 的条件下，天然草木灰的抗剪强度优于混合草木灰，导致这一现象的主要原因在于沙土内压力水平过高导致密实度较为接近，因此其他因素的影响被削弱。当垂向应力分别为50kPa 和100kPa 时，在天然沙土中掺加草木有助于改善坡中位置沙土试件的抗剪强度，当草木灰掺量为20%这一增强效果最为突出。在垂向应力为300kPa 的条件下，不同草木灰掺量下的混合沙土抗剪强度较为接近，在不同垂向应力条件下20%的草木灰掺量均能得到最大抗剪强度。

3 结论

本文结合某工程实例，通过试验分析了草木灰掺量对沙土边坡稳定性的影响。研究结果发现草木灰的掺入能够在一定程度上改善沙土抗剪强度，且在掺量15%、垂直应力200kPa 的条件下能够得到最大的改善效果。