沙漠地区公路路基边坡设计及其稳定性研究报告简本文档格式.docx
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交通编号
项目来源
单位编号
合同号
200131881207
分类号
TU
项目起止年限
2001年8月
2003年12月
第一完成单位
项目负责人
折学森
报告撰写人
胡保存
周志军
项目主要
参加人员
长安大学折学森
陕西省交通厅胡保存
长安大学周志军
陕西省公路局杨健
榆靖高速公路管理处魏俊奇
长安大学程淑贞
内蒙古自治区公路局刘永祥
长安大学王晓谋
榆林公路局设计室马润前
榆靖高速公路管理处赵雄
榆林市交通局高军
榆蒙高速公路项目办胡海波
长安大学张志友
主题词
沙漠公路路基边坡设计稳定性
关键词
沙漠公路路基边坡工程调查沉降机理失稳形式
设计原则技术指标典型断面
报告摘要
本课题在国内外资料调研及工程调查的基础上，总结了不同地区不同等级沙漠公路路基边坡的设计原则及防护措施。
结合依托工程不同填方高度及坡比的试验段，对沙漠公路路基边坡压实、边坡防护、边坡稳定性、路基沉降及回弹模量进行了现场试验和工后观测，试验和验证了不同施工工艺、不同坡比情况下风积沙路基边坡在不同风沙环境下的力学稳定性特点及边坡防护措施。
针对西部各沙漠特点，选择有代表性的风积沙在室内开展了大比尺模拟路基边坡稳定性试验，提出了风积沙路基沉降机理及计算方法、边坡失稳破坏形式及其影响因素。
同时针对采用不同级配风积沙作为路基填料的情况，通过配制多种级配试样进行较系统的试验，得出风积沙有关的物理力学性质的具体参数及其统计规律。
在室内外试验基础上，开展了风积沙路基边坡稳定性的计算理论和方法的研究，提出了符合沙漠路基特点的实用理论和方法，并结合实体工程进行了计算分析。
在上述研究工作基础上，提出了沙漠地区路基边坡设计原则、技术指标以及有关的典型边坡设计断面图表和具体参数。
Abstract
Basedontheinvestigationofengineeringanddataathomeandabroad,thissubjectsummarizessubgradeslopedesignprinciplesandprotectionmethodsofdifferentgradedeserthighwaysindifferentareas.Inviewoftestsectionswithdifferentdepthsoffillingandratesofgrade,subgradeslopecompaction,protectionandstability,subgradesettlementandreboundmodulusindeserthavebeentestedandobservedinfield,thecharactersofmechanicalstabilityandprotectionmeasuresofsubgradeslopewithdifferentconstructiontechniquesandgraderateshavebeentestedandverifiedindifferentsanddriftenvironment.Accordingtothecharactersofdesertsinwest,throughlargescaleindoormodeltestofsubgradeslopestabilitywithtypicalsand,thispaperputsforwardsubgradesettlementtheoremandcomputationmethod,analyzesthepatternsofslopestabilityfailureandfactorsinfluencingit.Atthesametime,inaccordancewiththeuseofwind-blownsandofdifferentgradinginsubgrade,specificparametersandstatisticallawsofphysicalandmechanicalcharactershavebeenobtainedthroughsynthetictestsofvariousgradingsample.Onthebasisofindoorandfieldtests,throughstudiesoncomputationtheoryandmethodofwind-blownsandsubgradeslopestability,thepaperputsforwardpracticaltheoriesandmethods,whichhavebeenputinuseinengineering.Atlast,thispaperadvancesprinciplesandtechnicaltargets,typicaldesignsectiontablesandspecificparametersofsubgradeslope.
0引言
“十五”期间及后期，我国将在沙漠地区修建的不同等级公路里程数以万计，但目前在沙漠公路建设方面，开展的研究工作尚不深入，有关的设计施工技术规范、规程及标准亟待制定或补充完善。
沙漠地区公路路基主要采用风积沙材料填筑。
路基边坡的设计一方面要考虑其力学稳定性，另一方面还要考虑其防沙害、水毁冲刷的稳定性。
因此，沙漠公路路基边坡设计中，既要合理设计坡比，还要采用合理可靠的防护措施。
我国各沙漠地区风积沙特性差异明显，风沙环境及气候条件也显著不同，同时不同等级沙漠公路对路基边坡稳定性的技术要求也不同。
为此，针对不同地区不同等级沙漠公路，如何对路基边坡作出安全可靠和较经济的设计，尚需作深入研究。
1项目研究概况
1.1国内外研究概况
以往公路等级较低，路线主要以沿地爬为主，路基边坡设计及其稳定性并不是突出的技术问题。
由于道路等级的提高，对公路平纵曲线技术水平要求相应提高，公路沿线高填深挖现象必将大量出现。
这时，不同形态沙漠区的路基边坡如何在确保整体力学稳定性和防沙害稳定性的基础上进行坡比设计和稳定性评价，就成为公路建设中的重要技术问题。
1.2总体研究目标
本项目总体研究目标包括如下两个方面：
1）提出沙漠地区公路路基边坡设计原则、技术指标，稳定性的理论分析方法以及适用条件；
2）为制定沙漠公路路基边坡设计的规范及标准提供有关的技术依据和试验参数。
1.3技术路线
在国内外资料调研基础上，与内蒙、新疆有关沙漠路基研究项目的课题组合作，对沙漠地区已建公路路况、边坡稳定性、风沙环境和风积沙特性的影响等因素开展较全面的调查和统计分析。
结合依托工程，对十一处不同填方高度及坡比的试验段路基边坡压实、稳定性及防护措施进行现场试验和工后观测。
同时，针对西部沙漠公路路基特点，选择有代表性的风积沙试样，在室内开展大比尺模拟路基边坡稳定性及其力学参数的试验研究。
在室内外试验资料整理分析基础上，开展风积沙路基边坡稳定性的计算理论和方法的研究，并对依托工程试验段路基边坡稳定性进行验算和评价。
最后提出项目研究成果及报告。
2主要开展的研究工作及关键技术
2.1主要开展的研究工作
1）工程调查
课题组与新疆、内蒙有关沙漠路基研究项目课题组合作，对沙漠地区二十余条已建公路路基边坡稳定性及其防护措施进行了系统地调研和测试。
工程调查照片详见分报告一。
2）现场试验
课题组对依托工程十一处试验段进行了详细地试验及工后观测。
其中回弹模量检测时，每个断面从路中至路肩等间距测定三个点，路肩测点距边缘1.5～2.0m左右，两个半幅合计，每个断面共6个测点，用于比较不同坡比及填方高度情况下的边坡整体稳定性。
图2-1给出了现场试验过程中回弹模量检测照片。
3）风积沙物理力学性质试验
课题组对原始风积沙进行筛分，按拟定比例配制成多种级配沙样，系统地试验研究了不同级配风积沙的物理力学性质。
图2-2给出了试验过程中一组照片。
（a）重型标准击实试验照片（b）风积沙压缩试验照片
图2-2风积沙物理力学性质试验照片
4）室内大型模拟路基边坡试验
课题组在室内对不同施工工艺、不同压实度及不同坡比情况下风积沙路基边坡的力学稳定性进行了模拟试验，取得了大量在现场无法得出的有关试验结果。
图2-3给出了模拟试验过程中部分照片。
（a）模拟试验正视图（b）测量滑动面形状
图2-3模拟路基边坡破坏试验照片
5）风积沙路基边坡稳定性的理论研究
课题组对填料为均质时路基边坡稳定性和考虑路面材料及压实度分区时的路基边坡稳定性进行比较分析，提出适合风积沙路基边坡稳定性的计算理论、方法及计算参数。
6）撰写研究成果报告
课题组在对已建公路详细的工程调查，室内外试验，资料整理及理论分析基础上，撰写了八个分报告、一个总报告、一个研究工作报告及一个经济效益分析报告，并编制了沙漠地区公路路基边坡设计与施工技术指南。
2.2关键技术
1）风积沙路基边坡设计及其稳定性研究的强度参数测定
不同深度范围内路基填料按相应规定的压实度分层填筑，不同压实度的风积沙对应的内摩擦角ϕ不同。
因此，如何测定不同压实度风积沙的内摩擦角成为沙漠公路路基边坡设计及其稳定性研究的关键技术之一。
课题组对不同级配风积沙进行多次试验，得出了不同级配风积沙在不同压实度时对应的内摩擦角，回归公式为
，其中
为实际路基的平均压实度值，参数
、
与颗粒级配及计算压实度
的压实标准有关。
图2-4给出了直剪仪器改装前后对比图。
图2-4直剪仪器剪切盒改装前后的对比图
2）风积沙路基边坡失稳破坏形式的确定
（a）均布应力加载方式（b）局部集中应力加载方式
图2-5模拟路基顶面加载方式示意图
关于风积沙路基边坡在荷载作用下的破坏形式，以往研究较少，或者说几乎为零。
课题组在模拟路基顶面按均布应力和局部集中应力进行加载试验，图2-5给出了模拟路基顶面加载方式示意图。
试验结果表明，风积沙路基边坡稳定性分析应主要考虑路基在均布应力作用下的边坡失稳破坏形式。
（3）风积沙路基沉降机理及其计算方法
由于风积沙为散粒体，路基顶部一定深度范围内土体在车辆荷载反复振动作用下趋于密实，路基顶面产生沉降变形，沉降变形△S计算公式为
2.1
式中：
ki——压缩层内第i分层的压实度。
式2.1中，压缩层厚度可根据振动荷载在模拟路基中传播函数计算确定。
（4）风积沙路基边坡力学稳定性特点及分析方法
从力学的角度来考虑，风积沙路基可能的失稳破坏方式有三种，如图2-6所示。
通过对三种失稳形式进行比较分析，图2-6（a）为风积沙路基边坡最易发生的失稳破坏形式。
（a）直线型边坡失稳（b）路堤连同地基失稳（c）产生凹陷推挤变形
图2-6风积沙路基边坡可能的失稳破坏形式
3项目研究的主要内容
3.1沙漠地区公路路基边坡设计及其稳定性影响因素
1）沙漠地区公路等级及其技术标准
对于二级以上沙漠公路，路线的平纵曲线技术要求高，沿线也就必然会大量出现高填深挖现象，路基边坡设计也就不能完全适合当地风沙环境。
2）公路沿线沙漠地基的地质结构和水文地质特征
不同沙漠之间地基的地质结构和水文地质特征有明显差异，根据工程调查，即使同一沙漠地区，公路沿线地质结构及水文地质特征变化也很大。
3）风积沙颗粒级配及密实度
风积沙路基边坡的力学稳定性主要与路基边缘外填料的抗剪强度有关。
对于风积沙材料，影响抗剪强度的主要因素为内摩擦角。
试验结果表明，风积沙的颗粒级配及密实度是影响其内摩擦角大小的主要因素，含水量的影响较小。
4）风积沙路基边坡坡比设计
按照风积沙填料的自然休止角概念，风积沙路基边坡的坡比只要小于自然休止角即可。
由于风积沙填料经分层压实后形成路基，密实沙体的内摩擦角较松散沙体大，因此边坡还可更陡一些。
以上仅是考虑坡比对路基边坡力学稳定性的影响，事实上，沙漠公路路基边坡坡比设计还必须考虑其对边坡坡面防沙害稳定性的影响，即如何保证风沙流能够顺利穿越路基断面，防止边坡发生沙埋、风蚀病害。
5）风积沙路基边坡的排水防洪措施
有些沙漠地区降雨虽少，但较集中，在公路建设中及工后由于忽视路基的排水将造成雨水对路基冲刷破坏，照片详见分报告二、三。
6）风沙环境对路基边坡稳定性的影响
由于沙漠（沙地）地区特殊的自然环境以及路基填筑材料—风积沙的无粘聚性，公路路基边坡容易出现沙埋、风蚀等常见病害。
7）沙漠地区公路路基边坡常用防护措施对边坡稳定性的影响
工程调查中，路基边坡遭受风蚀病害较少，沙埋病害较多。
因此，实际工程中应重视路基两侧防护，防止路基发生沙埋病害，确保路基边坡防沙害稳定性，保证公路的正常运营。
3.2沙漠地区公路路基边坡设计与施工
1）风积沙的物理力学性质
课题组对原始级配风积沙进行筛分，按照拟定比例配制成不同级配的沙样，并进行相关试验。
图3-1给出了风积沙物理力学性质部分试验结果。
（a）三种室内试验的最大干密度比较（b）内摩擦角随压实度的变化关系
图3-1风积沙物理力学性质部分试验结果
2）风积沙路基边坡坡比设计
工程中对路基边坡坡比的设计主要是考虑边坡表面的稳定性，即从坡面受风蚀、沙埋影响的情况考虑的。
因此，较低填方路基边坡较缓些，而较高填方路基（大于5.0m）边坡较陡些。
挖方边坡也基本采用相近的坡比。
从力学稳定性考虑，沙漠地区公路路基边坡坡比设计可更陡些。
3）风积沙路基施工压实工艺
为保证路基填料压实度，特别是设计宽度范围内路基边缘处填料的压实度满足要求，施工前应根据路基填料的性质，选用合适的施工机械及施工工艺，并根据施工机械和施工工艺特点合理确定路基两侧需超填宽度。
路基两侧超填宽度一般为50～80cm。
4）风积沙路基压实度控制及检测技术
关于风积沙路基压实度控制标准及检测技术已作为一个独立的课题由西安公路研究所承担研究。
本项目主要是通过对现场试验段及以往课题研究资料整理分析，对风积沙路基压实度控制及检测技术作了进一步的探索。
（1）风积沙路基压实质量的控制指标
有人提出采用相对密度或固体体积率作为风积沙路基压实质量的控制指标，以克服室内干密度标准试验与现场状态不对应的情况。
由式3.1可见，压实度和固体体积率之间存在对应的关系，两个指标没有本质的区别，采用固体体积率反而增加了计算过程。
K=
3.1
（2）风积沙路基压实度的现场检测
对于风积沙路基压实度检测，课题组研制了一种静压式取土器，如图3-2所示。
试验结果表明，采用静压式取土器测试结果误差很小，而击打式取土器误差明显较大，并且比实际情况小1～2%。
图3-2静压式取土器
3.3风积沙路基边坡稳定性的计算理论、方法及计算参数
针对图2-7（a）边坡失稳破坏形式，建立了图3-3所示的两种模型进行理论分析和对比评价。
（a）均质填料路基（b）考虑路面材料性质及路基压实度分区时的情况
图3-3风积沙路基边坡可能滑动失稳的两种模型
1）填料为均质时的路基边坡稳定性分析
对图3-3（a）所示情况可作三点假定，路基边坡稳定性的安全系数K为
滑动面
与水平面的夹角α在0至β之间变化，当α=β时,安全系数最小。
因此，最小安全系数为
3.2
2）考虑路面材料性质及路基压实度分区时的路基边坡稳定性分析
对图3-3（b）所示情况可作五点假设，路基边坡稳定性的安全系数k为
3.3
采用上述两种模型对实体工程进行计算，计算过程中参数
由回归公式
代入实际路基平均压实度值计算得到，计算结果表明：
（1）当
时，安全系数K最小;
（2）当考虑路基上部及路面层的材料性质时，对安全系数的影响很小；
与均值填料情况相比，安全系数略有增大;
（3）随填方高度的增大，路基上部及路面层材料特性产生的影响愈来愈小。
（4）实体工程安全系数计算值表明，各试验段均属于稳定状态。
通过对实体工程一年以上时间的观测，各试验段路基边坡整体稳定性良好，使用正常。
可见，按照均质填料时的公式3.2评价路基稳定性是合理可行的。
3.4沙漠公路路基边坡坡比的设计原则、适用条件及技术要求
课题组通过系统地工程调查、大规模地现场试验、室内试验以及理论分析，较全面深入地研究了沙漠地区公路路基边坡设计及其稳定性的有关影响因素和规律，总结了不同地区不同等级沙漠公路特点，提出了沙漠地区公路路基边坡设计原则、技术要求、典型断面边坡设计图表及主要技术指标。
表3－1和表3－2分别给出了风积沙路堤和路堑边坡设计参数。
关于半填半挖路基边坡设计，无论是上风侧路基还是下风侧路基，均因挖方侧风速降低多，沙粒首先在挖方侧堆积，然后延伸至路面。
因此，路基边坡设计时适当放缓边坡，并将坡顶修成流线形，其中在挖方坡脚设积沙平台，宽度不小于2.0m。
表3－1路堤边坡设计参数
路基高度h（m）
h≤1.0
1.0＜h≤5.0
5.0＜h≤15.0
h＞15.0
边坡推荐值
缓坡式
1：
4.0～1：
10.0
一般式
1.5～1：
2.0
8.0
平均坡率可按1：
1.75设计，地基以上3.0～6.0m高范围内可按1：
1.75～1.2.0设计，其余可按1：
1.75设计。
2.0～1：
2.5设计，边坡形式采用折线型。
地基以上6.0m高范围内可按1：
2.5～1：
3.0设计，其余可按1：
1.75～1.2.0设计。
适用条件
适用于平坦或缓起伏的流动沙地，路线与主导风向交角为45～90°
的路段，且路侧无防护措施或只有少量防护措施情况。
适用于风沙流活动基本退化，植被较好的固定沙丘地区，且路基施工结束后路侧植被保持较好的完整性。
适用于起伏较大的流动沙丘，路侧无防护措施或有少量防护措施情况。
1、适用于起伏较大的流动沙地，路侧设有相应的防护措施。
2、适用于固定沙地，路线于主导风向平行的流沙路段。
适用于地形起伏较大，植被较好的固定沙丘地区，路侧设有相应的防护措施。
表3－2路堑边坡设计参数
边坡类型
风积沙边坡
黄土边坡
路基深度h（m）
h＞1.0
h≤20
20＜h≤40
敞开式
10
0.5～1：
1.0
一坡到顶
1.0～1：
每10.0m设置一个台阶，台阶宽2.0～4.0m
预留积沙平台宽度（m）
－
2～4
适用于流沙地区，路基与主导风向交角为45～90°
的路段，其路侧无防护措施或只有少量防护措施情况。
路侧设有相应防护措施的流沙路段；
固定沙地地区；
路线与主导风向平行的流沙路段。
路线与主导风向平行的流沙地段。
4主要研究成果
1）课题组通过对陕西、内蒙、新疆等省区二十余条已建沙漠公路路基边坡稳定性及其防护措施进行调研和测试，首次系统地总结出不同地区不同等级沙漠公路路基边坡的设计原则、防护措施及其影响因素。
2）课题组对风积沙进行筛分，按照拟定的比例配制成不同级配的沙样，首次通过较系统的试验得出了不同级配风积沙物理力学性质的具体参数及其统计规律。
3）根据国内外首次大型风积沙模拟路基边坡破坏试验结果，并结合国内外资料调研及工程调查有关资料，总结出沙漠地区公路路基边坡可能失稳破坏形式，并对失稳形式进行比较分析，提出风积沙路基边坡最易发生的破坏形式。
4）针对风积沙路基边坡稳定性问题，课题组首次对填料为均质时路基边坡稳定性和考虑路面材料性质及路基压实度分区时路基边坡稳定性进行分析和比较，提出风积沙路基边坡稳定性的计算理论、方法及计算参数。
5）课题组通过三条沙漠公路依托工程十一处试验段试验及工后观测，首次试验及验证了不同施工工艺、不同坡比情况下风积沙路基边坡在不同风沙环境下力学稳定性特点及边坡防护措施。
6）课题组根据工程调查及国内外资料调研结果，总结了沙漠地区公路路基边坡常用防护措施对边坡设计及其稳定性的影响。
工程调查表明，路基边坡遭受风蚀病害较少，沙埋病害较多。
一般而言，风蚀病害对路基边坡的力学稳定性不利，沙埋病害对路基边坡的力学稳定性相对有利。
7）在对沙漠地区公路路基边坡设计及其稳定性研究的基础上，课题组从保证路基边坡整体力学稳定性及防沙害、水毁等方面提出了沙漠地区公路路基边坡设计原则，适用条件及技术要求，并编制了相应的设计与施工技术指南。
附件1
鉴定资料总目录
1项目合同
2项目可行性研究报告及专家评审意见
3项目研究大纲
4研究工作报告
5研究成果总报告（单行）
6研究成果八个分报告（单行）
7设计与施工技术指南
8效益分析报告
9成果查新报告
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