基于模拟路基试验的公路边坡冲刷深度影响因素

张俊峰,肖 田,李清华,孙吉书

(1.中交一公局第六工程有限公司,天津 300451;2.天津市政工程设计研究院,天津 300384;3.河北工业大学土木与交通学院,天津 300401)

公路路基边坡的稳定是保障公路安全运营的基础,一旦公路边坡发生破坏,将会严重威胁车辆的通行安全,甚至可能造成巨大的人身或财产损失。由于公路边坡暴露在自然环境之中,会受到各种外部力量的作用。水毁就是最为常见的公路边坡破坏形式之一,每年都需要大量的养护费用进行水毁公路的修复。公路边坡的水毁主要是受到自上而下的雨水冲刷或者沿着路线方向的纵向洪水冲刷,以及受到洪水浸泡而造成的边坡失稳等方面[1,2]。杨矫等[3]研究了雨水渗透力作用及下渗深度对边坡稳定性的影响。马雪妍[4]应用Geo-studio软件的Seep/W模块和Slope/W模块,分析了降雨作用及水库水位升降对于堤坝边坡渗流场及其稳定性的影响规律,得出了水位上升时边坡稳定性的影响因素排序,有利于避免滑坡的危险。李清华等[5]通过有限元模拟计算,研究了洪水水位变化对公路路基边坡的渗流场及稳定性的影响,有利于保障公路边坡在洪水水位变化过程中的稳定性。吴泉澳[6]、张永刚[7]应用FLAC3D软件建立水库边坡的有限元模型,建模分析了水库水位急速变化对库岸边坡稳定状态的影响因素与作用规律,有利于明确水库水位急速变化这种特殊情况下的水库边坡稳定机理。对于公路边坡的水毁危害而言,雨水自上而下的冲刷造成的边坡土体流失是其主要因素之一,也是最为常见的水毁病害。但是,目前的文献大多通过有限元模拟分析的方法进行研究,而基于实际试验的冲刷研究成果较少。津石高速公路是天津市滨海新区至河北省石家庄市之间的一条直接高速通道,对于促进京津冀交通一体化具有重要的作用。津石高速公路天津西段工程全部位于蓄滞洪区之内,其路基边坡受到雨水冲刷和洪水作用等水毁危害的可能性较大。结合津石高速公路天津西段工程的建设,根据实际工程情况,建立高速公路的模拟路基模型,试验分析路基边坡冲刷深度的影响因素及其作用规律,有利于提高公路边坡冲刷防护设计的科学性与针对性。

1 试验方案

1.1 模拟路基设计

根据公路边坡的一般设计形式,边坡坡度取最为常见的1∶1.5,根据重力相似的原则,边坡的高度设为0.8 m,坡顶路面长设为1.0 m,宽为0.6 m。

1.2 试验参数

(1)土体参数

模拟路基试验采用黏性土,土体压实度分别取85%、90%和95%,土体不同压实度时的技术参数如表1所示。

表1 试验土体的技术参数

(2)水流速度

根据雨水冲刷的一般情况和实验控制结果,试验控制的水流速度为三种,分别为:0.16 m/s、0.35 m/s和0.50 m/s。

(3)观测位置及冲刷深度的选取

对于公路边坡的模拟实验,分别观测了模拟路基边坡坡脚、坡中和坡顶3个典型位置的冲刷深度,取3个位置的最大冲刷深度作为试验的冲刷深度代表值。

2 试验结果与分析

2.1 冲刷时间对冲刷深度的影响

根据选定的试验方案,进行模拟路基的冲刷试验,限于试验条件,本试验的总冲刷时间选定为10 min。试验测得不同水流速度、土体压实度的情况下,不同冲刷时间时模拟路基边坡的冲刷深度代表值,试验结果如表2所示。

表2 不同冲刷时间的试验结果

从表2的模拟路基冲刷试验结果可以看出,随着冲刷时间的增长,路基边坡土体颗粒流失会逐步增大,相应地冲刷深度随着冲刷时间而显著增大。为了能够直观反映不同冲刷时段的冲刷深度分布情况,以流速0.35 m/s为例,做出边坡冲涮深度随冲刷时间的变化曲线,如图1所示。

图1 冲刷深度随冲刷时间的变化曲线

从图1中的试验结果可知,不同土体压实度情况下,路基边坡的冲刷深度随着冲刷时间而增大,并且在冲刷前4 min,冲刷深度的增长速度最快,这主要是土体颗粒的“薄弱”部分首先随着冲刷而流失的原因造成的,如边坡表面的覆土等;土体颗粒的“薄弱”部分被冲走之后,剩余部分土体相对更加稳定,虽然冲刷深度会随着冲刷时间而持续增大,但是4 min之后,冲刷深度随着冲刷时间而增大的速度会明显小于4 min之前。

2.2 土体压实度对冲刷深度的影响

相对而言,土体的压实度越大,土体颗粒之间的联结就越紧密,路基土体的强度和稳定性一般就会越好。为了探讨和明确土体压实度对冲刷深度的影响规律,进行了土体压实度分别取85%、90%和95%时的边坡冲刷试验,以冲刷时间为10 min时的最大冲刷深度为例,绘出冲刷深度随着压实度的变化曲线,如图2所示。

图2 冲刷深度随压实度的变化曲线

从图2中的冲刷试验结果可以看出,三种水流速度情况下,冲刷深度与压实度之间具有相似的规律。即:随着土体压实度的增大,路基边坡的冲刷深度显著降低。土体压实度从85%提升至90%和95%,三种水流速度(0.16 m/s、0.35 m/s和0.50 m/s)情况下的边坡冲刷深度分别降低了10.7%、12.1%、9.1%和17.8%、21.2%、18.2%。可见,增大路基土体的压实度可以有效提高路基边坡的抗冲刷能力,这也是公路路基边坡预防冲刷水毁最为简单直接的方法。另外,从图2中可以看出,边坡冲刷深度与土体压实度近似具有线性相关关系,应用最小二乘法,归纳出边坡冲刷深度与土体压实度之间的相关关系为

D=k·R+c

(1)

式中:D为边坡冲刷深度,mm;R为土体压实度,%;k和c为回归参数,由试验确定。

2.3 水流速度对冲刷深度的影响

水流的冲刷是造成公路边坡水毁的直接原因,仍以冲刷时间为10 min时的最大冲刷深度为例,绘出冲刷深度随着水流速度的变化曲线如图3所示。

图3 冲刷深度随水流速度的变化曲线

从图3中的试验结果可看出,随着水流速度的增加,边坡的冲刷深度迅速增大。这主要是水流速度的增加,使得水流对土体颗粒的冲刷能量显著增大的原因造成的。当水流速度从0.15 m/s提高至0.36 m/s和0.50 m/s,三种体压实度(85%、90%、95%)情况下的边坡冲刷深度分别提高了17.8%、16.0%、13.1%和57.1%、60.0%、56.5%。分析表2和图4中的试验结果可知,冲刷深度和水流速度之间近似具有指数相关关系,归纳得出冲刷深度和水流速度之间的关系式为

D=a·ebv

(2)

式中:D为边坡冲刷深度,mm;v为水流速度,m/s;a,b为回归参数,由试验确定。

3 结 论

(1)随着冲刷时间的增长,路基边坡土体颗粒流失会逐步增大,冲刷深度随着冲刷时间而现在增大;并且在冲刷前期,变速速度更快。

(2)边坡的冲刷深度随着压实度的增大而降低,两者之间近似具有线性相关关系;土体压实度从85%提升90%和95%,三种水流速度情况下的边坡冲刷深度分别降低了10.7%、12.1%、9.1%和17.8%、21.2%、18.2%,增大压实度可以有效提高边坡的抗冲刷能力。

(3)边坡的冲刷深度随着水流速度的增加而迅速增大,两者之间近似具有指数相关关系。