土工合成材料在邊坡工程中的加固及修復(fù)★

周星宇 李 錚 馮云鵬 王 辰

(石家莊鐵道大學(xué)，河北 石家莊 050043)

我國(guó)特殊的氣候條件和地質(zhì)環(huán)境，大規(guī)模降水、地震及人類活動(dòng)等導(dǎo)致洪澇災(zāi)害、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害和邊坡垮塌事件頻發(fā)、路基沉降及地面塌陷等工程病害難以治理，給工程實(shí)踐帶來(lái)巨大困難。因此針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出以加筋土技術(shù)為主要設(shè)計(jì)理念，聯(lián)合多類別土工合成材料共同使用的方法對(duì)工程實(shí)踐進(jìn)行加固及生態(tài)修復(fù)。

1 土工合成材料的概況

土工合成材料是指工程建設(shè)中與土、巖石或其他材料接觸的聚合物材料，包括土工織物、土工膜、土工復(fù)合材料、土工特種材料。其經(jīng)濟(jì)高效，施工簡(jiǎn)單、造型美觀，具有反濾、排水、防滲、加筋和防護(hù)等多種功能。土工膜可以減小或阻止水的滲透和流水侵蝕，在水利工程中主要用于大壩與渠道防滲、河道與渠道防護(hù)，例如南水北調(diào)工程。多孔型土工網(wǎng)提供排水路徑用于大壩的排水，土工織物由纖維編織而成，其過(guò)濾作用有效阻止土顆粒的流失。土工格柵具有極高的抗拉強(qiáng)度能有效減少軟土地基的沉降，防止軟土地基和路堤的整體破壞。通過(guò)加筋還可以修建更陡一些的邊坡以及修復(fù)已破壞的邊坡。土工網(wǎng)墊的存在可以有效保護(hù)草籽和邊坡土不被侵蝕，防止水土流失，還可作為風(fēng)蝕防護(hù)層保護(hù)以粉砂細(xì)砂填筑的邊坡。

2 加筋土擋土墻的發(fā)展

據(jù)科學(xué)考證，數(shù)千年前人們就在土中加入蘆葦來(lái)建造房屋，用木排修筑道路。漢書中也記載著長(zhǎng)城的修筑材料中含有砂、礫石、紅柳和蘆葦。在水利工程中，荷蘭人曾使用大量的柳枝來(lái)加固堤壩，防止沖刷。隨著金屬材料的大量使用，天然的筋材逐漸被金屬所代替，20世紀(jì)初，美國(guó)利用金屬構(gòu)件分層加固了一座土壩的下游邊坡。到20世紀(jì)60年代，法國(guó)著名的工程師亨利·維達(dá)爾在試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，混入有機(jī)纖維材料的土體，強(qiáng)度明顯改善，提出了較為系統(tǒng)的加筋土理論。加筋擋土墻是一種柔性支擋結(jié)構(gòu)，由墻面板、基礎(chǔ)、拉筋和填料組成，具有一定的適應(yīng)變形的能力，對(duì)地基承載力要求低，適用于軟土地基，多用于支擋填土工程。具有施工便捷，工期短，價(jià)格低廉，便于制作等優(yōu)點(diǎn)。主要依靠拉筋與土體之間的摩擦作用、粘結(jié)力來(lái)平衡土體對(duì)墻面板的壓力。與重力式擋墻相比，自重小，經(jīng)濟(jì)效率高。自20世紀(jì)70年代引入我國(guó)起，已將該技術(shù)廣泛的運(yùn)用到公路、鐵路、林業(yè)、城建、水利等方面。加筋技術(shù)用于邊坡工程中，墻面板可以用土工網(wǎng)墊與植被來(lái)代替，不僅起到了防護(hù)坡面、防止拉筋間填土被側(cè)向擠出的作用，還可以綠化環(huán)境，改善空氣質(zhì)量。

3 國(guó)內(nèi)邊坡治理的相關(guān)背景

山區(qū)丘陵地帶的工程建設(shè)中，邊坡治理最為重要，尤其是在地質(zhì)地貌情況復(fù)雜多變的山區(qū)，邊坡失穩(wěn)破壞是誘發(fā)其他地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)鍵因素，變形破壞是一個(gè)由量變到質(zhì)變的過(guò)程，總是由緩慢的、局部的變形逐步發(fā)展演化成快速的、整體的破壞。

邊坡是滑坡災(zāi)害發(fā)生的主體，施工開挖對(duì)土體造成擾動(dòng)，改變了原位土體的應(yīng)力狀態(tài)，且應(yīng)力場(chǎng)穩(wěn)定具有滯后性，因此必須做好邊坡的勘察工作，如邊坡的調(diào)查測(cè)繪、邊坡巖土試驗(yàn)、監(jiān)測(cè)等。此外，防護(hù)技術(shù)一般采取工程防護(hù)與植物防護(hù)兩者結(jié)合，加固處理方法采取排水措施、刷方減重，且設(shè)置擋土墻。施工開挖和占用道路沿線也使部分區(qū)域地表裸露，該地區(qū)抵御侵蝕的能力被削弱，水土流失嚴(yán)重，不利于其自然環(huán)境的修復(fù)。針對(duì)上述情況，植被護(hù)坡技術(shù)就顯得尤為重要。植被護(hù)坡技術(shù)主要采取液壓噴播技術(shù)、三維網(wǎng)噴播植草技術(shù)、客土噴播技術(shù)等。

4 應(yīng)用現(xiàn)狀

4.1 傳統(tǒng)措施

漿砌塊石、混凝土砌塊等傳統(tǒng)護(hù)坡技術(shù)，自重大、剛度大、柔性差，容易產(chǎn)生大的脆性斷裂，對(duì)于變形的適應(yīng)能力低下，一方面，大量雨水沖刷坡面，造成土顆粒大量流失，掏蝕坡體，不利于邊坡穩(wěn)定；另一方面，大量石料的使用和開采會(huì)對(duì)山區(qū)的環(huán)境造成破壞，并且混凝土色調(diào)單一，視覺(jué)效果差。

4.2 土工格柵

土工格柵加筋土墊層廣泛應(yīng)用于工程的加固和防護(hù)，格柵與土的界面作用，減小周圍土體的應(yīng)力和位移。筋土之間的摩阻力和筋材對(duì)土體的被動(dòng)阻力能有效提高軟土地基的承載力，調(diào)節(jié)地基不均勻沉降[1]。具體的實(shí)施過(guò)程如下：按照已有的基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行放線、釘樁，將邊樁外引到用地紅線樁處固定。之后用水準(zhǔn)儀測(cè)量計(jì)算填挖交界線，注意釘樁撒線標(biāo)記，設(shè)樁固定。清除表層的不良土壤，在填筑及碾壓之前半填半挖，運(yùn)用振動(dòng)壓路機(jī)進(jìn)行碾壓，對(duì)于交界面應(yīng)碾壓超過(guò)2遍，在交界面碾壓成型后，清理干凈格柵的鋪設(shè)面。清理完成后，均勻平整鋪設(shè)土工格柵。完成之后48 h內(nèi)及時(shí)回填填料并壓實(shí)[2]。

4.3 三維土工網(wǎng)墊

三維土工網(wǎng)墊是一種三維結(jié)構(gòu)的用于植草固土的網(wǎng)墊，其材質(zhì)疏松柔韌，耐久性好且具有較大的容土空間。可充填土壤、沙礫、細(xì)石和植物根系，長(zhǎng)成后的草皮和網(wǎng)墊、土壤牢固的結(jié)合在一起，形成嵌鎖體系，用于保持水土、坡面防護(hù)。對(duì)于已破壞的邊坡，植物根系具有良好的固土作用，粗糙的網(wǎng)面，使風(fēng)和水流產(chǎn)生渦流，產(chǎn)生消能作用，促使攜帶物沉積于網(wǎng)墊中。應(yīng)用土工網(wǎng)墊植被護(hù)坡時(shí)，坡面應(yīng)平整，應(yīng)避免在高溫、大雨或寒冷季節(jié)施工且在坡頂、坡趾和坡中間進(jìn)行固定。

4.4 分析

土工格柵與三維土工網(wǎng)墊及其他合成材料使用依實(shí)際工程要求進(jìn)行搭配，一方面邊坡土體被加筋式擋土墻所加固，三維土工網(wǎng)墊鋪設(shè)于斜坡表面植以草種用于防護(hù)，另一方面在土體內(nèi)部布置塑料排水帶進(jìn)行排水、土工織物進(jìn)行反濾，具有及時(shí)減小降雨時(shí)的孔隙水壓力、減少土顆粒流失的功能。上述措施在一定程度上給工程建設(shè)提供方便，但是對(duì)于地質(zhì)環(huán)境惡劣，建筑物要求極高、不能滿足重要工程的要求時(shí)應(yīng)采取安全性更高的大型邊坡支擋結(jié)構(gòu)。加筋土擋墻雖然能適應(yīng)一定的變形，但是對(duì)于地震烈度極大的地區(qū)其抵御能力差，還需要進(jìn)一步設(shè)計(jì)和研究。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)分析我國(guó)山區(qū)及丘陵地帶的地形氣候等條件，對(duì)邊坡加固和生態(tài)修復(fù)方法做出總結(jié)，整理出土工格柵與三維土工網(wǎng)墊的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)，提供相關(guān)研究參考。

致謝：本文是在石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院呂鵬副教授、王賀博士指導(dǎo)下完成的，特此致謝。