风沙地区高速公路路基防护设计总结

风沙地区高速公路路基防护设计总结

甘肃是我国沙漠分布的主要省份之一，随着西部大开发政策的推广实施，未来将会有更多的公路包括高速公路穿越省内的沙漠地区，但是目前省内还没有一整套设计经验。为了保证高速公路的安全畅通，风沙对公路的危害必须降至最低。木次研究所依托项目是甘肃省第一条风沙地区高速公路。通过对全线复杂多变的风沙地形进行细致地调查，查阅相关参考资料及科研成果，经过计算分析和方案比选，对高速公路风沙路基防护措施进行研究，采用工程类比以及施工期间效果的观测来验证方案的可行性，并以此完善设计、指导施工。木文研究的主要内容根据沙害对路基的危害分为两个方面。第一、减轻路基风蚀为主的路基防护措施，如防止路基掏空风蚀而采取的防护措施的研究，如路基的填土高度、路基填料、边坡防护措施及土工材料的应用等。第二、减轻风沙通过路基而致沙粒沉落以及沙丘对路基的掩埋而采取的防护措施的研究。如路基横断面的选择，工程防沙体系的建立等。为完成研究目标，木文通过现场调查和有关资料的收集整理，分析环境气候影响因素；通过对参数的计算分析，获得研究区风沙活动和风沙危害特征，主要有临界起动风速、输沙量、主导风向、沙源分布等；在进行路基的稳定性研究时，分析了路基损坏的原因和影响因素，同时参照区域旧路的风沙侵蚀状况和实体工程的建设情况，以此来确定路基横断面形式。针对不同路段的风沙危害特征提出相应的路基边坡防护形式以及工程防护体系，从而总结设计经验,完成研究报告。以最终能够形成一个系统的适合甘肃省实际的风沙地区高速公路路基防护的完整经验资料，并对以后的建设提供一些参考。关键词：风沙地区高速公路，路基防护设计，设计总结第1章绪论1.1课题的研究背景和意义1.1.1我国沙漠分布特征和气候特点 地球上沙漠面积为1535万km2,占陆地面积的10.3%,中国是世界上沙漠分布最多的国家之一，沙漠广袤数千公里，呈一条弧形沙漠带绵延于我国的西北、华北北部和东北西部，主要分布在我国西部的新疆、内蒙古、甘肃、青海、宁夏、陕西等省区。这一弧形沙漠带，南北宽600km,东西长4000km,总面积约80.89nkm2,占国土总面积的&43%。我国的沙漠约有80%分布在乌鞘岭和贺兰山以西的内陆腹地，如塔克拉玛干沙漠、古尔班通古特沙漠、柴达木沙漠等。一部分分布在海拔1000m以上的内陆高原上，如甘肃北面海拔1200〜1800m的阿拉善高原上的巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠，海拔1200-1500m的鄂尔多斯高原上的库布奇沙漠和毛乌素沙地等。我国沙漠地区不仅风力较大，而且频繁。大部分沙漠地区的起沙风每年可达300次以上，加上地表大部分为疏松的沙物质，易受风力吹扬造成风沙弥漫,特别是在植被稀疏的流沙地区更加频繁，甘肃省就是受沙尘影响严重的地区。1.1.2我国公路沙害基本现状和特点我国的主要沙漠如塔克拉玛干沙漠、腾格里沙漠等都修筑了公路。同时，受沙漠影响的沙漠化土地面积广阔，现有的许多公路都从沙漠边缘或沙漠化土地上通过，不同程度地受到风沙危害，根据公路沙害的形式和近年来公路沙害的调查情况，公路沙害程度划分为轻度沙害、中度沙害、重度沙害，具体划分指标为：轻度沙害是指风积沙导致沙埋坡脚至边坡的一半。范围涉及我国西部所有沙漠、沙地分布区，包括木论文所描述的地区。中度沙害是指沙埋边坡的一半至路肩。范围涉及我国所有沙漠、大部份沙地分布区，以陕西、宁夏、甘肃地区为主，流沙对公路的危害相对较重。重度沙害沙丘移动导致路面1/4以上被流沙埋压。范围涉及我国所有沙漠分布区，以新疆、青海、内蒙古西部地区为主，流沙对公路的危害相对较重。1丄3课题的提出近年来，随着我国经济快速发展，特别是自国家实施西部大开发战略以来,甘肃省公路建设日新月异，高等级公路建设所占的比例越来越大。甘肃是我国主要沙漠分布的省份之一（仅次于新疆和内蒙古），分布面积约30530km2,占甘肃省国土总面积的6.4%。甘肃目前仅有几条低等级公路穿越沙漠或风沙戈壁区，但随着全省经济的高速增长和西部大开发政策的推广实施，大规模进军沙 漠，开采矿藏，发展旅游给沙漠公路建设带来了前所未有的发展机遇，未来将会有更多的公路包括高速公路穿越省内的沙漠地区，但是目前因省内还没有在风沙地区修筑过高速公路，所以还没有一整套设计、施工、管理经验。为了保证公路的正常运营，达到高速公路安全畅通的标准，风沙对公路的危害必须降至最低，否则，因防护不当或防沙工程的失效，特别是沙埋公路后,造成大量沙子堆积于路面，将严重影响行车安全，极易发生交通事故。基于以上原因，木文为寻求如何合理有效的解决沙漠地区高速公路路基沙害而展开对路基防治的研究。1.2风沙地区路基防护措施的发展及现状1.2.1国外的发展情况沙漠地区恶劣的自然环境和复杂的工程地质条件，给公路交通建设带来了许多技术难题。沙漠公路筑路技术是一项复杂的系统综合技术，许多国家都在不断的从实践中积累经验，以期更有效的提升沙漠筑路水平。阿联酋、沙特阿拉伯：为减轻和消除路面积沙，在道路横断面的设计中采取下风侧抬高，尽量保持较缓的边坡，路肩修整为圆形，线路设计采用大半径的平曲线。为了增加风力自清沙作用，沙漠公路采用低矮的路基。在路基防护方面则采用具有50%空隙度的木地产芦苇、木条或塑料网制的防沙栅栏阻沙，并采用植树种草的牛物措施来固沙。由于国家资金雄厚，此方面投入较大，效果也较好。日木：道路部门采取设置防沙栅栏、沙障来防止河岸吹来的风沙，并采用大量的植树种草等牛物措施来固沙。防沙栅栏采用木板、水泥板、铁皮及塑料网制成，沙障则采用中国引进的草方格方法。122国内的应用和发展甘肃省周边的新疆、内蒙古、陕西、宁夏等省区已经修筑了一些沙漠地区高速公路，也先后对沙漠地区公路修筑技术进行了研究，取得了一些成功经验。分布于新疆的沙漠面积占国内沙漠的半数以上，远远多于其他省份，在沙漠公路修筑和研究方面也开始较早，上世纪50年代末开始，新疆交通科研院、兰州沙漠研究所、新疆公路局等单位先后在沙漠边缘对风沙地貌、公路防沙、路基横断面边坡等方面进行了试验研究，之后又开始了工程防沙与牛物治沙相 结合的公路筑路技术研究，并取得了一系列科技成果。从1995年至今，新疆主要进行了G315线且末县城至卡拉米兰段和且末一塔中沙漠公路的科研工作，同时对轮台一民丰沙漠公路运营后的效应观测、施工检测方法、沙漠公路养护、防沙工程维护、成木核算等问题进行了许多研究。1.3本文研究的主要内容和技术路线131研究的主要内容木文通过野外的实地调查和对一些经验资料的分析，针对沙害特征提出合理的公路路基防护形式。木文研究的具体内容根据沙害对路基的危害，主要分为两个方面：第一、减轻路基风蚀为主的路基防护措施防止路基掏空、坍塌而采取的防护措施的研究，如路基的填土高度、坡率,路基填料，路堤、路堑的坡面防护措施，路肩及积沙平台的防护措施以及路基中土工材料的应用等。第二、减轻路基沙埋为主的路基防护措施减少风沙通过路基而致沙粒沉落以及沙丘对路基的掩埋而采取的防护措施的研究。如路基横断面的选择，工程防沙体系的建立，沙障控制公路沙害的机理研究和应用等。此外还包括为满足工程设计和施工需要提出的一些合理的建议。第2章沙漠路基气候和环境数据的分析2.1环境资料收集及气候数据分析对项目所在地周边环境及气候资料进行分析是非常重要的，但是实际公路设计过程中经常会被忽略。沙漠路基环境气候资料的收集和分析为沙漠地区高速公路路基防护设计提供了科学依据。2.1.1沿线沙漠特征营双高速公路所在区域处于甘肃省北部腾格里沙漠南缘和祁连山余脉向黄土高原过渡地区，地形由南而北、自东向西逐渐变低。走廊带内南部为中山、 低中山区，中部为山前平原，北部为沙漠、半沙漠区。路线穿越风沙路段两侧基木为连绵不断的各类固定、半固定沙丘，地势平坦开阔，若遇到大风沙尘天气，沙粒极易因风沙携带、搬运或堆积。腾格里沙漠是中国第四大沙漠，位于内蒙古自治区阿拉善左旗西南部和甘肃省中部边境，面积42,700平方公里。沙漠内沙丘面积占71%（其中7%属于固定、半固定沙丘），以流动沙丘为主，沙漠西南部（项目所在地）原有地表为戈壁滩，大部有植被覆盖，主要为麻黄和油蒿。受风向影响，风携带沙砾在戈壁滩表面形成格状沙丘链及新月形沙丘链，高度多在1〜5m之间。也有复合型沙丘链高5〜10米，常向东南移动。由于地表裸露，且气候干燥，风沙频繁，形成了沙漠边缘典型的风积地貌和风蚀地貌。所以，木项目所在区应定义为戈壁风沙地区或沙丘覆盖的戈壁平原。区内海拔高度:1700〜1900m,公路气候区划:II1D1河西东部干旱寒冷气候区，最大冻土深度：90mm〜120mm。木项目共有约17公里长路段穿越八步沙林场（3.5公里）、治沙林场（13.5公里）等风沙地貌区（见图2-1）,其中约有8公里穿越半固定沙丘区、9公里穿越固定沙丘区，另有约17.5公里路段穿越戈壁区、沙漠化土地区（表面有厚度不等沙层覆盖的耕地）和受风沙影响较大的农出灌溉区，近35公里长的风沙路段占全线长度的1/5,里程长、危害大。2.1.2沿线风沙特征木文主要针对这35公里长的风沙路段进行研究。根据调查，沿线无流动沙丘，主要有以下几种形态：半固定沙丘：也称半流动沙丘，沙丘整体基木固定或移动量不大，但局部仍处于活动状态，并在风力较大时能产牛较强的风沙流活动。固定沙丘：沙丘表面稳定固结，基木上不存在移动问题。沙地：在原有的戈壁滩表面有薄层沙沉积或覆盖的地带。木项目穿越风沙路段主要有八步沙林场和治沙林场两个主要的片区，以及一些属于沿线村庄的表层由薄沙层覆盖的沙漠化耕地地路段。林场内主要以半流动沙丘、半固定沙丘、固定沙丘为主，若不加强治理，其有逐渐向流动性沙丘转化的危险，周围的沙漠化荒地面积也会逐步扩大。这些都会对今后的高速公路的建设及运营带来巨大危害。沿线风沙特征详细分段见下表2・1：2丄4风向数据分析 现场勘测调查时通过多种措施或者根据风沙的沉积特点来辨别局部工点的风向，然后我们又多次深入沿线附近武威气象站、古浪气象站收集了连续三年的风向及风沙天气等常规气象观测数据。这些数据包括一般沙尘天气和沙尘暴天气天数，整点平均风风向、风速，每日最大风风向、风速，每日瞬时极大风风向、风速，对这些数据的整理或并依此完成了当地的动力风向风速图（玫瑰图）和风向观测资料统计表。我国气象站风向观测按16个方位进行，某风向频率按F（某时段风向频率）=m（该时段内风向出现次数）/n（记录总次数）。通常把频率最大的风向称为主导风向。以主导风向为公路设计的主要依据。下图为整理完成的古浪站和武威站的风频率玫瑰图。2.2风速参数的计算和选定221确定沙漠起动风速供沙漠公路设计所需要的风速，是能致沙粒起动时的风速。沙粒起动风速的大小取决于沙粒粒径、地表性质和沙子含水率等因素。干燥沙子起动风速和沙粒粒径的关系可用以下公式表示：Vc=vlOOd式中：d为沙粒平均粒径（单位：mm）,［为2m高处风速m/So气象站的风观测是在8m高度风标测定的，所以必须把2m高度风标风速换算成8m高度风标风速，可用下式：V2=0.75V8式中：Vg—8m高度风标风速（m/s）V2一2m高度风标风速（m/s）2.2.2确定动力风向风速关于动力风向风速，是按风质点的动能原理导引的，在此为平均起沙风速的平方与该风向频率的乘积。即： %=略・£式中：V动一动力风向风速（m/s）；人d—平均起沙风速（m/s）按算术平均值计算；f—风向频率（每月各风向频率）%o计算动力风向的风速是月平均起沙风速。计算出的全年各月平均起沙风速及其风向频率后，可依次算出全年各月的动力风向。并以此绘制年动力风向风速图。动力风向风速图状似玫瑰，所以也叫动力风向玫瑰图，将一年中逐月各动力风向按比例点于各自方位上，并相连成图，由图可知该处沙丘移动的方向及沙垄伸趋势和各方向风所占的比率。综合以上气象资料经整理后确定当地主风向为东北风（EN）,见图2-3,一般沙尘天气出现天数为46天，沙尘暴天气出现天数为12天。第3章风沙地区高速公路路基设计风沙地区高速公路路基设计主要是考虑风沙路基的稳定性。研究过程中我们首先查找了风沙路基的损坏原因，分析风沙地区路基填筑的影响因素，同时对同区域同走廊带的【口路的风沙侵蚀状况进行了详细的分析总结，并将其作为一个重要的参照。风沙地区路基横断面设计是路基设计的重点部分，合理确定高速公路路基横断面是防风沙设计的关键。3.1路基损坏原因和影响因素分析3.1.1风沙地区公路路基损坏的形式和原因首先我们分析一下风沙地区公路路基损坏的形式，一般常见的路基病害有以下几个方面：（1）路基不断下沉：①压缩下沉：压实路基在行车与自重作用下，颗粒间隙还会被进一步压密，相应密度增加，或者施工时压实度不足，也会导致发牛压缩下沉，这对风沙路基来说是难以避免；②路基局部下沉：路基局部下沉一般发牛在路基或路堤底部的中心处，是由于路基或路堤在底部的中心处的压力超过了该处地基承载力所致；③高路堤整体下沉：高路堤在行车荷载与自重作用下发生整体下沉，主要是由于地基设计整体承载力不足所引起，补救十分困难。（2）路基侧向变形严重：风沙地区路基在行车荷载作用下，路基边坡逐渐 变形，向外侧倾，并使路基行车道部分发牛凹陷，这是风沙地区公路路基在使用期容易发牛的一种病害现象。一是由于路基侧向抗剪强度不足，在汽车荷载水平力作用下产牛的；二是地基承载力不足引起的路基侧向变形。（3）风沙流频繁袭击路面：风沙流由于受阻在路面上而沉积，这种现象在沙尘暴季节经常发牛。其造成的危害有如下几种情况：一是当积沙较薄时，对行车造成阻力、车速减缓、延误行车时间。二是当积沙较厚时会形成沙埋，使路面产生车槽或沙辙，造成会车及行车困难。严重时，如驾驶不当，会造成车翻人亡的交通事故。3.1.2风沙地区筑路的不利因素（1）粘性材料严重缺乏：风积沙是一种松散体，由于缺乏粘性，它的塑形指数近乎于零，风沙地区普遍缺乏粘土材料，木项目也不例外。（2）水源稀少：风沙地区水源严重缺乏，这对修筑公路十分不利。路基压实、基层拌合等均需用水，而且要求水质要好，矿化度低。风沙地区地下水层位较深，经调查，沿线地下水为在70米以下，通过钻井取水也相当困难。（3）路基施工困难：风沙地区路基稳定性难以控制，尤其是高路堤在压实过程中容易失稳，地基凹陷，并向两侧挤出。在施工前需对风沙地基做好特殊处理，再进行路堤填筑。3.1.3原有公路现状对此区域相同条件下的公路进行必要的调查，可以为设计提供宝贵的资料和经验。为此，我们在高速公路路基设计前详细的了解了旧路的设计情况和目前现状。与木项目平行的原有公路S308线是1998年由原甘肃省计委立项，甘肃省公路局负责实施的二级公路。路线约有4公里路段穿越八步沙沙漠地带，与此段高速公路相距2Km,原有公路部分路基指标和采取的防护措施如下：3.2风沙路基填料的选择风沙地区公路路基稳定性包括路基基底稳定性、路基整体稳定性和路基边坡稳定性。这三方面都与路基填料的选择有着密切关系。风沙地区路基填料主要有风积沙、黄土、砂砾土等。 3.2.1风积沙填筑的优缺点在我国风沙地区公路修筑中很多采用了风积沙填筑。这当中大多为低等级公路，对路线指标、路基稳定性要求低，H路堤较低，路基稳定性较容易满足;其次是公路穿越区域无其他路基填料，只能就地采用风积沙作为填料。近几年,高速公路也采用了风积沙作为填料，并作了大量实验，积累了一定成果。虽然通过种种方式可以提高风积沙路基的稳定性，但风积沙填筑路基还是有很多不足。通过我们对风积沙填筑路基的硏究和与相关公路设计单位的座谈,并现场考察查阅大量资料后认识其具有以下缺点：（1）风积沙很细，易因风蚀而流动，沙的颗粒表面活性很低，无粘性，内聚力小，非常松散，压实困难。为增强风积沙填筑路基的稳定性和抗变形能力,可设置土工材料以提高沙土路基的整体强度与抗剪强度，或需在沙中掺水泥、石灰、沥青、化学物质等进行加固，但这些掺加剂不仅增加施工工艺的难度，还易导致施工期间对高速公路附近的污染和环境破坏；（2）若大量采用风积沙进行路基填筑，需大规模在沙漠区取沙，在路线附近取沙留下的取土坑容易遭受风蚀并危及路基，另外会不可避免的破坏了多年形成的原地表硬壳层和原木不多的稀疏植被，形成新的沙源；（3）风沙地区以风积沙填筑路段容易发牛干翻浆现象，使路面发牛破坏。3.2.2路基填料的选择及具体方案木项目全线风沙路段总长度虽长，但并不连续，分成四小段，其前后均为非风沙路段，如果风沙路段用风积沙填筑，而非风沙路段再用一般填料填筑路基，则不同的填料之间变化频繁，施工不好控制；木项目与宁夏接壤，地理气候接近，都是在原有戈壁表面由风积沙形成的沙丘，沿线戈壁砂砾料较多。戈壁砂砾土远比细沙更适合做路基填料，鉴于项目的实际情况，经综合比较后确定木项目风沙段路基采用砂砾土进行填筑，这样既避免了以上问题的出现，又确保了路基的稳定。具体做法为：（1）路基填筑高度大于2m的路段对原地表清表后铺筑一层聚丙烯编织布（土工布），然后在其顶面换填砂砾土，路堤填筑砂砾土至路床顶面后再后铺筑路面；（2）路基填筑高度小于等于2m的路段对原地表清表后换填50cm厚砂砾土，在原地表处铺筑一层聚丙烯编织布（土工布）后，直接填筑天然砂砾至路 床顶面后铺筑路面；（3）挖方路段，路床部分超挖换填天然砂砾，路床底面铺筑一层聚丙烯编织布（土工布），再在其上铺筑路面。3.3风沙路基横断面3.3.1横断面的选择和影响因素分析合理的路基横断面形式能达到最佳的输沙效果，所以要分析路堤或路堑的边坡坡率、边坡高度对输沙效果的影响：①路堤边坡度对输沙性能的影响通过路堤的风流场随着边坡度的变缓而趋向于对称路堤中心线分布。边坡度较陡的路堤路肩产牛风蚀，背风侧弱风区面积较大。随着坡度变缓，风蚀强度减弱，背风侧弱风区面积减少。②路堤高度对输沙性能的影响受路堤高度影响产牛的弱风区域长度约为在迎风侧为路堤高度的3〜5倍，在背风侧弱风区域的长度为路堤高度7〜10倍，弱风区面积均随着高度的增加成比例的增加。③路堑断面对流场影响区域分析在路堑迎风坡上，气流运动发牛阻滞，近地面层风速逐渐减低，流线加密,在背风坡脚下达到最小；在路中央和迎风坡脚速度略有加强，总体上整个路堑内风速消减过快，是一个流场分布较为均匀的弱风区；通过路堑上部的流场受到下方的气流略有减缓外，变化较小。④路堑边坡度对输沙性能的影响随着路堑边坡的变缓，进出路堑的流场趋于平衡；随着路堑边坡的进一步变缓，路堑逐渐形成浅槽效应，当路堑顶口宽与其深度之比介于10〜25时，就将形成较强的浅槽效应，此时路堑内的弱风区趋于零，积沙的可能性进一步减少；从风速的分布情况则发现随着坡度的变缓，通过路堑的风速在逐渐加快，路堑朝着输沙性能好的方向变化。3.3.2横断面一般设计原则风沙地区路基横断面设计的技术关键是如何保证风沙流能顺利地通过所设 计的横断面，而不至于在断面上受阻或在横断面上积沙，而影响断面的正常工作状态。按照这一设计原则，设计将归结到主要设计边坡的长度、坡角、坡面形状与状态。3.3.3路基横断面与阻沙指标参数①阻沙指数r与路堤边坡度i的关系分析阻沙性能指数比值在相同路堤高度下，随边坡、风向夹角的变化趋势。阻沙性能指数随路基高度的变化呈现负指数变化：r=A-eB，i式中：「一阻沙性能指数i—边坡坡度A、B—冋归系数结合以上公式计算，路堤的阻沙能力随着边坡的放缓而减少，在0.5m高度时，1：1.5坡度时的阻沙能量是1：6时的1.7倍；在5m高度时，1：1.5坡度时的阻沙能力是1：6时的12.4倍。路堤坡度对阻沙性能的影口向将随着高度的增加而明显增加。②阻沙指数r与路堤高度H的关系在相同路堤坡度、风向夹角的情况下，随路堤高度H的变化趋势。在边坡度为1;1.5时，阻沙指数「与路堤高度H呈现良好的指数模式；随着边坡的变缓r与路堤高度H呈现良好的官线模式。r=A-eB/H（适用于1：1.5边坡）r=A|・H+B|（适用于1：3、1：6边坡）式屮：「一阻沙性能指数i—路堤高度A、B—回归系数3.3.4路基横断面设计要点路基横断面是路线屮线上各点的法向切面，它是横断面设计线与所围成的整个断面。合理的横断面形式能避免或减少风沙流对路基的风蚀和沙埋。①零填地段的路基横断面设计 根据风沙流在行进屮不遇阻力或障碍物不沉积的原理，即对不填不挖的路基横断面可以不作特殊处理而保持原地面设计状态，但有两种情况，需要对边坡进行一定的泄流设计：一种情况是为防止贴地运动的滚动式风沙流在沥青路面，特别是夏天的沥青路面上受阻。这样，两侧的边坡应做成加速流线形形式。加速流线形式的结构为：在风沙流进口一侧做凹形跌坎垂直面，紧接着与流线断面连接直至路肩。这样，风沙流进入该种断面时，首先进行一次加速，然后再由流线形断面快速疏走，达到了不积沙的目的。①低路堤设计一般低路堤设计与上述第一种情况相似，主体以流线形边坡为主，边坡长度L=3〜5m,坡角一般为25°左右。由于路堤较低，因此边坡设计可以两边对称。由于是低路堤，因此，一般情况下可以不设边沟。它的防沙特点是在天然沙丘与公路Z间设置了能截断沙移的防护带。当风沙流从天然沙丘吹来时，引起天然沙丘沙移。另一部分沙子（风沙流自带的与刮走天然沙丘的）在防护堤迎风面沉积，再有一部分沉落到了背风侧，这就是说，公路将风沙流拒Z于它的较远的迎风面。公路两侧要设一定宽度的整平带，并将边坡与整平带一并予以防护，尤其流线型边坡和路肩更要加重防护，任何不平坦处及边坡沙面的暴露，都将引起沙子的风蚀与堆积，会影响流线型路堤的输沙效果。②高填路段的路基横断面设计高填路段的路基横断面由于风沙流受阻而最容易在两侧积沙。因而，防止积沙是设计边坡的关键。在这一设计中应注意两点：一是设计的坡面要长，比一般低路堤要长2倍以上，这样等于把高路堤变成了低路堤，可用低路堤的原则进行设计。二是由于坡道很长，因此，除将坡道做成流线形形式外，表面尚需进行光滑加固处理。3m以上的高路堤，坡长（L）应不小于5m,5m以上的高路堤坡长（L）应大于8mo根据风沙流贴地运行的规律，应适当加大背风坡面长度，以使风沙流迅速滑出路堤。背风坡道长度为迎风侧的1・2倍左右。3.3.5路基横断面具体设计根据以上的设计要点，经过我们对沿线的实际调查和认真研究，我们根据风向、不同的填土高度、周边地形等针对不同的路段采用不同的横断面形式。设计所采用的横断面边坡坡率详细分段（节略），见下表3・3：3.4风沙路基土工材料的应用 土工合成材料主要由聚酯、聚乙烯、聚丙乙烯、聚烯胺等高分子化学原材料经过加工制成，他们都有耐腐、耐酸、耐水、强度高、延伸率小以及工程造价低等技术经济特点，在道路工程特别是沙漠地区道路上的应用前景十分广阔。341沙质土基受力分析（1）风积沙的工程特性风积沙具有级配不均匀难以压实，松散无粘性的特性，加之其大多为石英具有非亲水性，沙粒表面对水几乎没有物理吸附作用。风积沙的内摩擦角一般随其平均粒径变细而逐渐降低。木区域的细沙和粉沙其内摩擦角f约为28°~36。o松散沙的f值与天然休止角接近，下层的密沙的f值要比天然休止角大，沙的内聚力c十分小，一般近似为零，因此，在计算抗剪强度时只考虑由f角所引起的抗剪力。风积沙属低压缩土，沙土地基一般Eo值普遍较高。（2）沙质土基受力分析由于实体工程采用砂砾土填筑路基，因此只分析原有风积沙土基顶面和沙基的破坏机理，在公路荷载和土体自重作用下，沿破坏面分解成垂宜破坏面对周围沙基土体的压力和平行破坏面对沙基土体的剪切力。由于风积沙粘聚力较小，侧向抗剪能力不足，沙基土体沿剪切面破坏。另外，车辆向前行驶的摩擦力也会传导至沙基。沙基的破坏是以上两种力的总和作用。其中，竖向方面的作用力，引起沙基土体的局部剪切破坏和刺入破坏，与车辆行驶方向相同的剪切力将引起土体的侧向剪切破坏，而引起沙基的侧向位移，坍塌、边坡鼓胀，以及纵向拥抱等路基破坏。第4章风沙地区高速公路路基边坡防护路基边坡防护是沙漠地区高速公路路基工程中的重要组成部分，是确保路基边坡稳定的必要条件。现有风沙地区的边坡防护分为三类：牛物固沙、工程固沙、化学固沙。根据木项目特征，我们只对工程固沙和牛物固沙做以介绍。4.1风沙路基边坡防护与稳定性分析4.1.1路基边坡稳定性分析 要做好沙漠路基特别是高速公路路基的边坡防护，首先要分析路基的边坡稳定性。路基边坡稳定性包括边坡整体力学稳定性和自然环境下的坡面稳定性。(1)路基边坡整体力学稳定性风沙地区公路路基边坡的整体力学稳定性必须考虑边坡横断面和坡比设计与路容的协调等多方面因素。一般遵循以下基木原则：①根据风沙地区地貌、地形特点、风沙运动特征、风向、风力、路线与风向的关系，选择合理边坡形式。②合理确定边坡体结构设计、施工压实工艺、标准及防护要求，保证边坡设计的经济性、有效性及与沿线景观的协调一致。(2)风沙环境对路基边坡稳定性的影响风沙地区公路在风沙环境作用下路基边坡易产牛沙埋、风蚀现象，如不采取防护措施，掏蚀继续下去会危及路面，造成路面坍塌。高路堤风蚀最为严重,常常形成上陡下缓、坎坷不平的风蚀坡面。路基边坡稳定性不仅与路基边坡主体防护有关，而且与路基两侧防护体系也有关系。4.1.2边坡防护措施对边坡的作用研究资料表明，风蚀与沙埋均对路基边坡的力学稳定性不利，常用风沙防护措施对路基边坡的作用主要表现在以下三个方面：（1）改变路基土性质。一是采用具有发达根系的沙牛植物固定路基边坡沙粒，加之枯枝落叶的堆积，腐烂后有利于有机质的聚集，促进沙的成土作用；二是采用粘土或麦草网格类的材料，改变由单一沙土构成的路基边坡。边坡土体采用上述措施改良后，强度增大，抗风蚀能力增强，有利于路基边坡稳定。（2）路基边坡栽种乔灌木或进行工程防护，如植物朿笆方格防护，草方格防护等，增加了地表的粗燥度，因而也就增加了对风的阻力，削弱和抑制边坡土体的活动，降低地表风沙对路基边坡的风蚀能力，减少边坡的风蚀现象。（3）隔绝风的肓接作用。用不易风蚀材料，将路基全面覆盖，工程中常用的措施为粘土包边、卵砾石防护。我国的沙漠路基大多采用此法隔绝风的宜接作用，使路基免遭风蚀和水毁病害，保证路基的完整性。设计时应重视路基边坡防护，防止发牛风蚀和沙埋，确保路基边坡稳定性，保证公路的正常运营。戈壁是自然界一个重要的地表景观和良好的输沙场。运用砾石增加地表粗糙度，从而降低近地表风速而达到抑制地表风蚀的效果，已得到广泛的共识。 砾石一方面起着覆盖、固定或阻截沙物质的作用；另一方面通过改变下垫面粗糙度，造成一种既能利于沙子堆积，又能促进天然戈壁输沙场的形成的条件，从而为盛行风反向搬运创造一个适宜下垫面。所以在需要输沙的部位如路肩或边坡处，可以就地取材采用河滩地卵砾石或片石对路肩或边坡处进行压沙和固沙。因此，对于戈壁路段应利用好卵砾石作为边坡防护的材料。4.2风沙路基边坡防护设计4.2.1周边省份风沙路基边坡防护经验的借鉴陕西榆靖高速公路路基边坡防护的做法是在缓边坡（包括填方、挖方边坡）坡面上覆盖一定厚度的粘土包边，并在坡面上种植适合沙漠土质及气候条件的植物，如沙篙、油篙、沙打旺及沙柳等，目前长势良好，不但保持了边坡坡面的稳定，还和中央分隔带内的灌木以及路基外侧的防风林带构筑了整体的防风固沙体系，也形成了公路沿线绿色环保的优美景观。图4T榆靖高速公路边坡粘土护面种草灌图4-2包头至巴彦淖尔高速公路骨架护面沙埋另外在和宁夏院进行座谈沟通后，了解到的宁夏关于边坡坡面防护的处理措施为混凝土框格骨架内平铺卵砾石，现场考察的效果为部分路段混凝土框格骨架可见，平铺的卵砾石己基木被掩埋。4.2.2路基边坡防护设计原则在吸收相关经验后，结合营双高速公路实际情况，并针对风沙路段不同的路基填挖方高度，设计中坡面防护采取如下设计原则：（1）填方路基高度小于0・5m路段：边坡采用1:8的缓边坡，坡面铺砌卵砾石或粘土防护后种草；（2）填方路基高度大于0.5m并小于2.0m路段：边坡采用1:4的缓边坡，坡面铺砌卵砾石或粘土防护后种草；（3）填方路基高度大于2.0m并小于4.0m路段：边坡采用1:3的缓边坡，坡面干砌片石防护或坡面层铺柴草类防护；（4）填方路基高度大于4.0m路段：边坡采用1:2的缓边坡，坡面层铺或平铺柴草类防护；（5）挖方路基高度小于3・0m路段：边坡采用1:6的缓边坡，坡面铺砌卵砾 石或粘土防护后种草；（6）挖方路基高度大于3・0m路段：边坡采用1:3的缓边坡，坡面层铺或平铺柴草类防护或粘土防护后种草；此外对于积沙平台坡口外侧或整平带的缓边坡上也可采用格状草类边坡防护，形式同柴草沙障，起到固沙防沙的作用。积沙平台的外边坡可采用卵砾石防护，以减少坡面粗燥度便于输沙。边坡坡率变化的地方采用流线型过渡，对边坡坡率变化频繁的段落可以根据实际情况进行合并。4.2.3路基边坡防护设计对于沙漠路基防护，主要应遵循“因地制宜，就地取材”的原则。防护条件不同，路基边坡设计及稳定性也不同。对于风沙路基边坡，在条件允许情况下，可采用砌体和柴草两种不同类型的措施进行防护。当采用砌体时，边坡设计可适当陡些，如干砌片石。当路基边坡采用柴草或其他同类措施进行防护时,边坡设计要缓且要适当考虑一些安全储备。此外，要考虑公路建设的经济性，这就要秉持就地取材的原则，如距河滩较近时采用卵石，离村镇近时多采用柴草类。根据木项目的实际情况最终确定了路基边坡防护形式有以下几种：①坡面层铺柴草防护：将植物的茎杆砍成50cm左右的短节，从坡脚开始向上每层按5〜10cm厚度层铺、灌砂、捣实。一般设置于沙漠边缘地区，且距离村庄、农家较近，边坡坡面略陡的风沙路段；②坡面平铺柴草或枝条纺织物防护：将材料扎成直径5〜10cm的束把，或将其编织成芭块，沿路基坡脚向上平铺，以桩钉固定。一般设置于沙漠边缘地区，且距离村庄、农家较近，边坡坡面略缓并有景观要求的风沙路段；③坡面铺砌卵砾石防护：将卵砾石平铺于边坡坡面，先用10cm以上的卵石在边坡上做成IXlm的并和路肩边缘成45°角的方格，格内平铺粒径较小的卵砾石，路肩平铺卵砾石可适当掺配些粘土，以增加其稳定性。主要适用于风沙路段路基高度或路堑深度小于2m的路基边坡防护。在木项目应用在沿线经过的河滩前后卵砾石较丰富的路段以及整平带和积沙平台缓边坡上的防护；④坡面干砌片石防护：在边坡坡面上先铺15cm厚砂砾垫层，再分两层铺设片石，下层铺砌15cm厚干砌片石和上层25cm厚干砌片石，部分缝隙用小石子填塞，适用于有石料来源（青山寺）且路基高度或路堑深度小于8m的坡面防护;⑤坡面八棱砖防护：采用C20混凝土预制框格、八棱砖，并用现浇C20混凝土肋柱连接。框格内覆种植土10cm并撒播草籽，种植土应为无碱性、不含砂 砾的农出种植土。一般用于有景观要求且风蚀影响较小的特殊工点的边坡坡面防护。①坡面粘土包边种植灌木防护：在缓边坡（包括填方、挖方边坡）坡面上覆盖一定厚度的粘土包边，并在坡面上种植各种适合沙漠土质及气候条件的植物，如沙篙、油篙、沙打旺及沙柳等，不但可保持边坡坡面的稳定，还和路基外侧的防风林带构筑了整体的防风、固沙体系，同时也能形成公路沿线绿色环保的优美景观。一般用于低矮边坡或立交匝道边坡坡面防护。（3）挖方路基外侧设置了4.0m宽的积沙平台，并对平台底面进行铺砌卵砾石加固，挖方边坡外侧不再设置截水沟。（4）土路肩和中央分隔带路缘石处设计50cm宽30cm厚现浇无砂混凝土,在表面栽砌砾石使其凸起，即可使路面水迅速排离，还起到对振动提醒作用。第5章结论和进一步建议通过这次系统的研究，我们总结归纳了一些经验，主要有以下几方面：（1）沙漠高速公路的设计，首先需要做好环境气候资料的收集，通过对气象资料的研究分析，找出主导风向，以此来指导路基的防护设计。风向资料的分析对路基防沙非常关键，就如同水文计算对于冲刷防护非常重要一样。（2）通过对资料的分析和现场调研，认识到风沙对公路的危害方式，公路路基风蚀是荒漠区公路沙害最为普遍的形式，主要表现在因过境风沙流的冲击、磨蚀，导致路基被掏空而塌陷。沙埋路面是沙区公路最为严重的风沙危害形式,表现在当过境饱和风沙流在运行过程中遇到路基阻碍时，由于地形的变化而削弱风沙流的挟沙能力，引起多余沙粒沉积造成积沙。（3）沙漠气候大多相同，但不同地形、不同路段又略有差异，要结合具体段落、微地形、工点来设置路基防护工程。（4）借鉴相同条件下的已建成公路的路基防护的经验是非常必要的，由于高速公路设计前的勘察不可能做到十分详细，或者所做的措施不一定适合，而同等条件下的原有公路就为我们提供了一个非常好的观察点。（5）木文详细论述了实体工程路基填料的采用情况，这也是近年来不断总结的结果。前几年，各省市虽作了不少风积沙填筑段落，并取得一定经验，但对木项目代表的戈壁滩风沙路段，采用砂砾土填筑是一个保证质量，减少施工难度，避免施工变更的方法。（6）通过对沿线原有旧路的调查，发现路堤填土高度在0.5〜2m之间，积沙程度很小，查找相关的资料以及与其他设计单位交流，发现大致情况相同， 所以这个高度对以后戈壁风沙区高速公路的路基设计有一定的借鉴意义。（7）风沙路基路基横断面的选择是路基设计的关键，一个适应于风沙流活动特点的断面就是理想的路基横断面形式，它应该具有良好的气流附动运动条件，即贴地层气流不分离，不产生漩涡的条件。（8）不同的路堤高度或路堑深度对应着不同的边坡坡度范围，这是由风沙路段风向风速、地形地势所决定的，就是要使路基横断面达到良好的输沙效果。（9）中央分隔带形式可根据项目特点确定，如果造价允许，采用宽中央风格带是最佳的选择，若资金紧张、占地困难，采用齐平式的中央风格带也是一个较好的方式。综合以上各个方面，我们在坚持设计可靠性、新颖性和经济性的前提下，通过设计和科研活动的开展，针对风沙路段高速公路采取的一系列设计和处理措施既满足了设计的需要，也得到了建设单位和主管单位的一致认可。