陳子敬

(青海省公路建設(shè)管理局，青海 西寧 810001)

1 引言

鹽漬土是指含鹽量超過(guò)一定數(shù)量的土，廣義理解為包括鹽土和堿土在內(nèi)，以及不同鹽化、堿化土的統(tǒng)稱。在鹽漬土地區(qū)路基設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮兩個(gè)因素：① 毛細(xì)水的作用；② 鹽漬土路基次生鹽漬化。在這種情況下，提出采用設(shè)置隔斷層或抬高路基的填筑方法，毛細(xì)水隔斷層通常采用天然級(jí)配礫石土做路基填料，同時(shí)也可以起到增加路基基底強(qiáng)度的作用。

中國(guó)對(duì)鹽漬土地區(qū)路基水鹽遷移與隔斷層設(shè)置的研究較少，且研究?jī)?nèi)容局限于路基填土、級(jí)配石料等的毛細(xì)現(xiàn)象。但新惠針對(duì)隔斷層厚度的設(shè)置問(wèn)題，通過(guò)室內(nèi)模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證級(jí)配礫石在不同的自然狀態(tài)下毛細(xì)水的上升高度差異；薛明等針對(duì)鹽漬土路基，考慮鹽分在土體中遷移的途徑，提出相應(yīng)的隔斷措施，同時(shí)基于具體工程試驗(yàn)段進(jìn)行效果檢驗(yàn)；趙中黨提出了隔斷層的厚度計(jì)算方法：卡規(guī)法與公式計(jì)算法。這兩種方法充分考慮到采用天然級(jí)配卵礫石作為隔斷層；張立華等針對(duì)路基土體毛細(xì)水上升進(jìn)而引起土體內(nèi)水分和鹽分遷移的問(wèn)題，提出提高路基及設(shè)置隔離層的方法，有效保護(hù)了路基和路面不受土體內(nèi)部因素影響；堪文武、董蘭鳳針對(duì)路基土體的鹽漬化和次生鹽漬化問(wèn)題，提出提高路基高度，設(shè)置隔斷層等方法來(lái)進(jìn)行處置。

綜上所述，對(duì)于鹽漬土路基設(shè)置礫石隔斷層的研究，眾多學(xué)者得到了很多的理論方法并進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用。但是，在礫石隔斷層厚度的設(shè)計(jì)研究中，雖然個(gè)別學(xué)者提出了一定的計(jì)算方法，但這些方法在邊坡穩(wěn)定性分析方面并沒(méi)有得到相應(yīng)的模擬驗(yàn)證；其次，隔斷層材料的種類較多，主要有天然級(jí)配卵石，風(fēng)積沙土，瀝青類材料，石灰水泥土等，而且影響隔斷層設(shè)置厚度的因素眾多，包括：路基填土的土壤類型、土壤物理參數(shù)，含鹽量，地下水位，礫石隔斷層應(yīng)用的天然級(jí)配卵礫石土的配合比，寒區(qū)路基土體的最大凍結(jié)深度(或最大蒸發(fā)深度)等。因此隔斷層的厚度設(shè)計(jì)至關(guān)重要，隔斷層設(shè)置過(guò)薄，起不到隔斷毛細(xì)水、阻止水分和鹽分遷移的作用，設(shè)置過(guò)厚則會(huì)造成施工成本過(guò)高以及施工材料的浪費(fèi)。該文采用數(shù)值模擬的方法，通過(guò)仿真軟件，建立不同礫石隔斷層的路基模型，計(jì)算出適用于該地區(qū)的礫石隔斷層厚度。首先，選取青海省察(爾汗行委)-格(爾木)高速公路部分路段進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)定該路段鹽漬土的類型及其物理參數(shù)。然后建立路基模型，通過(guò)使用Slide軟件進(jìn)行路基邊坡穩(wěn)定性分析比較，得出礫石隔斷層厚度對(duì)鹽漬土路基邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律。

2 工程背景

對(duì)格爾木市的氣候資料(2001—2015)進(jìn)行調(diào)查，數(shù)據(jù)均來(lái)自中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)。

格爾木位于青海省西蒙古族藏族自治州境南部，格爾木市區(qū)位于柴達(dá)木盆地中南部格爾木沖擊平原，平均海拔2 780 m。格爾木轄區(qū)屬大陸高原氣候，少雨、多風(fēng)、干旱，冬季漫長(zhǎng)寒冷，夏季涼爽短促。該文基于察格高速公路試驗(yàn)段項(xiàng)目進(jìn)行的路基邊坡數(shù)值模擬，察格高速公路在國(guó)防戰(zhàn)略方面具有非常重要的意義。它連接北京-拉薩、連云港-霍爾果斯，同時(shí)試驗(yàn)工程依托的G3 011柳園-格爾木高速公路也是《國(guó)家高速公路網(wǎng)》的重要地段。察格高速公路全長(zhǎng)80.052 km，設(shè)計(jì)速度100 km/h，路基寬度26 m，雙向四車道，路面采用瀝青混凝土結(jié)構(gòu)形式。

2.1 降水量與蒸發(fā)量分析

格爾木市1971—2000年的月平均降水量和月平均蒸發(fā)量對(duì)比如圖1所示。

圖1 格爾木月平均降水量與月平均蒸發(fā)量

由圖1可知：格爾木年平均降水量為42.2 mm，年平均蒸發(fā)量為2 504 mm。降水主要集中在5—9月，占全年總降水量的87.4%。

根據(jù)干燥指數(shù)計(jì)算公式：

(1)

式中：r為干旱指數(shù)；E0為年蒸發(fā)量(mm)；P為年降水量(mm)。

可以算得格爾木干燥指數(shù)r≈59.3，即蒸發(fā)量約為降水量的59.3倍，由此可以看出格爾木的氣候極度干旱。

2.2 氣溫分析

如圖2所示，該地區(qū)月平均氣溫7月份最高，達(dá)到23 ℃，6、7、8月份月平均氣溫均在15 ℃以上，12月份氣溫最低，低至-9.2 ℃，11月至來(lái)年3月份月平均氣溫在0 ℃以下。最高氣溫與最低氣溫溫差達(dá)到32.2 ℃，氣溫四季變化明顯，總體符合正弦函數(shù)曲線變化規(guī)律。

2.3 地溫分析

對(duì)格爾木2001—2015年地下0、10、20、40 cm地溫進(jìn)行調(diào)查分析，各月地溫變化如圖3所示。

由圖3可以看出：該地區(qū)地溫和氣溫的變化呈現(xiàn)周期性的規(guī)律，且氣溫略低于地溫，從圖3中可以看出：不同深度的地溫其變化幅度隨深度的增加逐漸減小，峰值的出現(xiàn)也隨深度的增加而滯后。在張彧的研究中發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)地下深度40 cm開始存在土體凍結(jié)的現(xiàn)象。

圖2 格爾木年平均氣溫

圖3 格爾木地溫變化

3 試驗(yàn)分析

3.1 土樣特性

以察格高速公路為依托，試驗(yàn)路段全長(zhǎng)47.928 km，線路選取27個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)。通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)鹽漬土的含鹽量，含鹽類型等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，根據(jù)含鹽類型，該地區(qū)沿線以高氯鹽漬土和亞硫酸鹽漬土為主，根據(jù)含鹽量分類，試驗(yàn)路段強(qiáng)鹽漬土含量約占40.6%，圖4為鹽漬土的分布特征圖。

圖4 試驗(yàn)線路鹽漬土分布特征圖

選取該地區(qū)具有代表性的高氯鹽漬土為試驗(yàn)土樣，根據(jù)規(guī)范GBT 50123-1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，分別進(jìn)行了相對(duì)密度、液限與塑限、最大干密度與最優(yōu)含水量、顆粒分析及易溶鹽化學(xué)試驗(yàn)等基礎(chǔ)試驗(yàn)。結(jié)果表明：試驗(yàn)土樣屬于飽和度為75%～96%的非飽和低塑限黏土，其物理特征參數(shù)及化學(xué)成分見表1、2。

表1 鹽漬土的物理特性參數(shù)

表2 鹽漬土中不同鹽分的含量

3.2 直剪試驗(yàn)

根據(jù)JTG E40-2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》，在室溫條件下，對(duì)選出的試驗(yàn)土樣在96%的壓實(shí)度、最優(yōu)含水量下，進(jìn)行環(huán)刀制樣。為了保證含水量和溫度始終處于一個(gè)穩(wěn)定的值，將制好的土樣用保鮮膜包住。然后將數(shù)字應(yīng)變控制的直接剪切設(shè)備放置在步入式低溫恒溫室中進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)，所有直剪試驗(yàn)均采用0.02 mm/min的剪切速率進(jìn)行，剪切試樣尺寸為內(nèi)徑61.8 mm，高度20 mm，測(cè)出其室溫條件下不同含水量對(duì)應(yīng)的抗剪強(qiáng)度參數(shù)值。

試驗(yàn)土樣在96%壓實(shí)度、最優(yōu)含水量和室溫條件下其剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示，峰值剪切強(qiáng)度與垂直應(yīng)力的關(guān)系如圖6所示，通過(guò)線性回歸獲得Mohr-Coulomb破壞標(biāo)準(zhǔn)，從而獲得土樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角。

圖5 HC土樣剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖6 峰值剪切強(qiáng)度與垂直應(yīng)力的關(guān)系

4 設(shè)置隔斷層的路基邊坡穩(wěn)定性分析

由于使用該土樣填筑的路基，其滑動(dòng)面的形狀與位置并不確定，手工計(jì)算分析和使用Slope軟件進(jìn)行分析時(shí)均將滑動(dòng)面默認(rèn)為從坡腳開始，這樣的分析方法對(duì)采用多種土分層填筑的路基邊坡穩(wěn)定性分析時(shí)無(wú)法準(zhǔn)確找到最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的位置。所以現(xiàn)在的工程設(shè)計(jì)計(jì)算中多采用Slide軟件進(jìn)行輔助計(jì)算。該文將使用Slide軟件對(duì)設(shè)置礫石隔斷層的鹽漬土路基邊坡進(jìn)行分析。

以土樣填筑的路基為例，在路基底部分別設(shè)置20、30、40、60、80 cm厚的礫石隔斷層時(shí)，路基邊坡穩(wěn)定性變化如圖7所示。填料的工程性質(zhì)如表3所示。

表3 填料的工程性質(zhì)

由圖7可以看出:在路基底部設(shè)置礫石隔斷層時(shí)，隨著隔斷層厚度的增加路基邊坡整體穩(wěn)定性都有明顯下降，當(dāng)隔斷層厚度大于20 cm后危險(xiǎn)滑動(dòng)面轉(zhuǎn)移到了坡腳隔斷層表面，隨著隔斷層厚度的增加，危險(xiǎn)滑動(dòng)面保持不變，最小穩(wěn)定系數(shù)K值保持在1.679左右。此時(shí)路基邊坡穩(wěn)定性依然可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在工程設(shè)計(jì)中當(dāng)需要設(shè)置礫石隔斷層時(shí)，需對(duì)坡腳處的穩(wěn)定性著重分析，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)坡腳進(jìn)行加固防止坡腳表面出現(xiàn)剝落。

5 結(jié)論

確定寒區(qū)鹽漬土路基在鋪設(shè)不同厚度礫石隔斷層的條件下，鹽分遷移對(duì)路基穩(wěn)定性的影響。首先，測(cè)定寒區(qū)鹽漬土的類型及其物理參數(shù)；其次，針對(duì)在路基底部鋪設(shè)不同厚度的礫石隔斷層的鹽漬土路基工程，通過(guò)使用Slide軟件進(jìn)行路基邊坡穩(wěn)定性分析，得出礫石隔斷層厚度對(duì)鹽漬土路基邊坡穩(wěn)定性的影響，得到如下結(jié)論：

圖7 路基邊坡穩(wěn)定性變化

(1) 鹽漬土路基中鹽分的遷移受到水分、溫差的綜合影響。在路基底部設(shè)置礫石隔斷層時(shí)，能增大其空隙率，有效降低水鹽遷移。

(2) 隨著隔斷層厚度的增加路基邊坡整體穩(wěn)定性都有明顯下降，當(dāng)隔斷層厚度大于20 cm后危險(xiǎn)滑動(dòng)面轉(zhuǎn)移到了坡腳隔斷層表面，隨著隔斷層厚度的增加，危險(xiǎn)滑動(dòng)面保持不變。

(3) 在工程設(shè)計(jì)中當(dāng)需要設(shè)置礫石隔斷層時(shí)，需要對(duì)坡腳處的穩(wěn)定性著重分析，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)坡腳進(jìn)行加固防止坡腳表面出現(xiàn)剝落。