炭質(zhì)巖邊坡植被混凝土護(hù)坡技術(shù)分析

徐龍旺 管東銀 駱俊暉

炭質(zhì)巖具有軟化性、膨脹性、環(huán)境敏感性、崩解性等工程特性。文章以河池至百色高速公路工程為例，闡述了炭質(zhì)巖邊坡破壞模式，提出了植被混凝土護(hù)坡綠化技術(shù)，并采用有限元強(qiáng)度折減法分析了該炭質(zhì)巖生態(tài)護(hù)坡加固前后的穩(wěn)定性。

炭質(zhì)巖;破壞模式;穩(wěn)定性;植被混凝土;邊坡綠化

U416.1+4-A-01-001-3

0?引言

炭質(zhì)巖是一種含大量分散炭化有機(jī)質(zhì)的巖石，具有軟化性、膨脹性、環(huán)境敏感性、崩解性等特殊工程特性，因此炭質(zhì)巖邊坡的破壞模式與傳統(tǒng)邊坡不盡相同[1]。

邊坡生態(tài)護(hù)坡技術(shù)需要同時(shí)兼顧“穩(wěn)定”及“綠化”兩個(gè)方面，同時(shí)還要考慮經(jīng)濟(jì)性與合理性。傳統(tǒng)邊坡生態(tài)護(hù)坡方式有[2]：噴錨+客土噴播、格構(gòu)梁+生態(tài)袋等。然而，炭質(zhì)巖邊坡開挖暴露后，巖體具有強(qiáng)烈的風(fēng)化崩解、遇水軟化的特征，需要及時(shí)對(duì)炭質(zhì)巖邊坡進(jìn)行封閉，以防止雨水沖刷及濕空氣入侵，同時(shí)，炭質(zhì)巖具有pH酸性物質(zhì)，應(yīng)選取合適的耐酸性植被進(jìn)行綠化。

炭質(zhì)巖屬于軟弱巖，具有蠕變特性。由于炭質(zhì)巖有較強(qiáng)烈的風(fēng)化崩解性、遇水軟化性，因此炭質(zhì)巖邊坡穩(wěn)定性差，易導(dǎo)致滑坡崩塌等地質(zhì)災(zāi)害。由于炭質(zhì)巖含有酸性物質(zhì)，較難種植草木，采用傳統(tǒng)的噴射混凝土支護(hù)不能取得綠化的效果。對(duì)此，采用一定摻量的水泥、基質(zhì)土與黃花槐種子（即植被混凝土）均勻混合噴射到工程坡面上，形成一層10 cm的人工基質(zhì)，穩(wěn)定地附著在坡面上，植物能在此基質(zhì)正常生長(zhǎng)，可以3個(gè)月內(nèi)出芽，6個(gè)月覆蓋率達(dá)80%，不僅能綠化，還能對(duì)邊坡起到固坡作用[3]。

1?依托工程

河池至百色高速公路是《國(guó)家高速公路網(wǎng)規(guī)劃》中的“第十七條橫線”汕頭至昆明高速公路中重要的一段，同時(shí)也是《廣西高速公路網(wǎng)規(guī)劃》中規(guī)劃的“四縱六橫”高速公路主骨架網(wǎng)中的“賀州（靈峰）至隆林（板壩）高速公路（橫3）”中的一段。

1.1?炭質(zhì)巖邊坡工程地質(zhì)背景及巖性

河百路地處云貴高原臺(tái)地東部邊緣，總體地勢(shì)西北高、東南低。路線大致呈北東～南西走向，沿線地形起伏較大，地形復(fù)雜，沿線最高點(diǎn)海拔高程為912.0 m（岜翁隧道K27+400左側(cè)山頂），最低點(diǎn)海拔高程約為279.0 m（刁江河漫灘）。主要地貌類型有剝蝕低山丘陵地貌、巖溶峰叢洼地地貌兩種，部分地段為河流峽谷及河流階地堆積地貌。

1.2?炭質(zhì)巖邊坡地質(zhì)構(gòu)造

河百路路基位于岜向屯下部的山坡山腳沖溝位置，屬剝蝕低山丘陵地貌。覆蓋層為黃、褐、灰色粉質(zhì)黏土，軟～可塑狀，土質(zhì)不均勻，干強(qiáng)度及韌性中等，局部含礫石、碎石，厚度為3.00～5.50 m;以下為石炭系下統(tǒng)（C1）強(qiáng)-中風(fēng)化頁(yè)巖，黑灰色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，頁(yè)理狀構(gòu)造，巖質(zhì)軟，遇水易軟化，裂隙發(fā)育，巖芯呈碎塊狀、砂狀，局部夾中風(fēng)化灰?guī)r。巖層整體產(chǎn)狀為46°∠23°，屬切層順向，對(duì)邊坡穩(wěn)定不利。邊坡目前自然穩(wěn)定，若受外界開挖擾動(dòng)，則極易誘發(fā)覆蓋層順巖土界面的淺層滑動(dòng)，對(duì)邊坡頂部造成安全威脅，同時(shí)炭質(zhì)巖邊坡植被覆蓋不均勻，含炭質(zhì)巖處的邊坡寸草不生，綠化效果極差。

2?炭質(zhì)巖邊坡綠化護(hù)坡技術(shù)

邊坡綠化護(hù)坡技術(shù)首先需要考慮邊坡穩(wěn)定性，根據(jù)巖體特點(diǎn)以及邊坡破壞模式采取相應(yīng)支護(hù)形式，隨后是植物選型、基質(zhì)配比及綠化效果分析。

2.1?炭質(zhì)巖邊坡的破壞模式

炭質(zhì)巖邊坡破壞模式主要分為沿巖土界面順向滑動(dòng)以及巖體崩解引起的塌方兩種。其機(jī)理主要都是由炭質(zhì)巖自身的物理力學(xué)性質(zhì)引起的[4]。

順向滑動(dòng)主要是邊坡開挖后上部松散覆蓋層沿巖土界面產(chǎn)生的滑動(dòng)變形，這是因?yàn)檫吰麻_挖過(guò)程中，地下水在徑流過(guò)程中，由于巖土層透水性差和炭質(zhì)巖遇水崩解、軟化的特點(diǎn)，在交界面形成軟弱夾層，在自身荷載和外力作用下沿巖土界面向下滑動(dòng)。這種類型的破壞，滑動(dòng)影響范圍往往很大，遠(yuǎn)者可達(dá)數(shù)百米。

塌方多發(fā)生坡面表層巖體破壞，多為邊坡開挖后坡面巖體因自身遇水崩解、軟化，支撐結(jié)構(gòu)變化而產(chǎn)生巖體剝落、塌方等災(zāi)害，影響現(xiàn)場(chǎng)施工和運(yùn)營(yíng)。

為了使炭質(zhì)巖邊坡安全穩(wěn)定，必須對(duì)邊坡進(jìn)行護(hù)坡作業(yè)。

2.2?炭質(zhì)巖邊坡綠化

項(xiàng)目開始時(shí)邊坡采用噴射混凝土護(hù)坡，但由于噴射混凝土之前，炭質(zhì)巖表面發(fā)生崩解，泥化使其產(chǎn)生一層薄薄的泥膜，混凝土與巖體不能充分結(jié)合成整體，使混凝土層產(chǎn)生裂縫，整體位移，支護(hù)效果不佳[5]。

邊坡綠化技術(shù)通過(guò)植被種植的方式，來(lái)達(dá)到對(duì)邊坡的有效防護(hù)，起到穩(wěn)定邊坡的作用。植物根系深入到巖土中，形成錨固作用，固土護(hù)坡，減輕降雨和地面徑流對(duì)坡面的侵蝕，隨著時(shí)間增長(zhǎng)，根系進(jìn)一步生長(zhǎng)，錨固作用還會(huì)加強(qiáng)。大量的植被覆蓋可以有效地?cái)r截雨水，降低雨水對(duì)邊坡的沖擊力，保持水土，降低滑坡、泥石流等次生災(zāi)害的發(fā)生。邊坡的綠化技術(shù)還可以有效地緊縛周圍巖體以提高邊坡的穩(wěn)定性[6]。

炭質(zhì)巖風(fēng)化崩解快，早期需要進(jìn)行支護(hù)防止其塌方。炭質(zhì)巖pH值較低，呈酸性，植物難于生長(zhǎng)，必須覆蓋一層客土。傳統(tǒng)的客土噴播或格構(gòu)梁+生態(tài)袋均有其局限性，根系不能很好地深入巖體中，而只是懸在巖石的上面，施工覆蓋層將隨著養(yǎng)分的消失而逐漸枯死、剝落，后期需要大量養(yǎng)護(hù)投入。

通過(guò)基質(zhì)+適量的混凝土+鄉(xiāng)土草灌喬種配置的植被混凝土在巖質(zhì)邊坡和支護(hù)中能夠?yàn)橹参锾峁┝己玫纳姝h(huán)境，從而解決巖石邊坡植物無(wú)法生長(zhǎng)的問(wèn)題。為了確保炭質(zhì)巖邊坡四季常綠，采用草灌喬種子按一定比例配置，主要有耐酸性的黃花槐、狗牙根等。不同時(shí)期靠不同植被綠化支護(hù)，前期靠草綠化并起錨固作用，而后隨著灌喬生長(zhǎng)最終形成喬灌草多種植物生長(zhǎng)的生態(tài)群落。

2.3?植被混凝土

噴射植被混凝土是一項(xiàng)新型的混合材料，在為植被提供生長(zhǎng)的自然條件的同時(shí)起到一定的護(hù)坡作用。其是由多種功能材料組成的植物生長(zhǎng)基質(zhì)，是植物出苗的載體，也是植物生長(zhǎng)發(fā)育的肥源和水分的直接供體。將膠結(jié)材料、植生基材、添加劑與植物種子均勻混合噴射到邊坡坡面，會(huì)形成植物生長(zhǎng)的基層，該基層需要有一定強(qiáng)度、不龜裂、抗沖刷、能穩(wěn)定附著在坡面上，為植物生長(zhǎng)提供附著點(diǎn)，不阻礙植被生長(zhǎng)，同時(shí)對(duì)邊坡起到一定的支護(hù)作用。其綠化施工流程如圖1所示[7]。

修整坡面：對(duì)坡面進(jìn)行平整，清掃坡面的碎石和雜物，對(duì)于施工機(jī)械留下的油污要清理干凈。

修砌排水溝：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，合理修砌排水溝，保證大降雨時(shí)排水的順暢。

打錨桿、掛網(wǎng)：鋪設(shè)坡面結(jié)構(gòu)網(wǎng)與在巖體上打入錨桿結(jié)合成整體，可以保證在植物生長(zhǎng)前的坡體穩(wěn)定。

噴射植被混凝土：在炭質(zhì)巖表面覆蓋一定厚度的植被混凝土（將膠結(jié)材料、植生基材、添加劑與植物種子均勻混合），可以減輕炭質(zhì)巖的崩解，對(duì)坡面起護(hù)坡作用，并為植物生長(zhǎng)提供附著點(diǎn)和養(yǎng)分。

養(yǎng)護(hù)：蓋上無(wú)紡布，維持濕度，適當(dāng)進(jìn)行澆水，防止缺水，避免植物不能生長(zhǎng)。

通過(guò)在炭質(zhì)巖表面覆蓋植被混凝土，邊坡綠化取得良好的效果，1年綠，2年密，3年林，有效固結(jié)水土，錨固巖體。

3?炭質(zhì)巖生態(tài)護(hù)坡穩(wěn)定性研究

3.1?強(qiáng)度折減法

有限元強(qiáng)度折減法在邊坡工程中已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用，大量算例證明該方法能夠簡(jiǎn)單、有效地確定邊坡安全系數(shù)和滑動(dòng)面。強(qiáng)度折減法通過(guò)不斷降低邊坡巖土體抗剪切強(qiáng)度使其達(dá)到極限破壞狀態(tài)，從而得到邊坡的強(qiáng)度儲(chǔ)備安全系數(shù)FOS。極限平衡法中給出的穩(wěn)定安全系數(shù)在概念上是一致的。強(qiáng)度折減法的優(yōu)點(diǎn)在于不需要事先假定滑動(dòng)面，就可以通過(guò)計(jì)算獲得邊坡的抗滑穩(wěn)定系數(shù)和邊坡各單元的應(yīng)力和位移情況[8-9]。

折減后的抗減強(qiáng)度參數(shù)可分別表達(dá)為：

c′=cF（1）

tanφ′=tanφF （2）

式中，c和c′為巖土體折減前后的粘聚力;φ 和φ′是巖土體折減前后的內(nèi)摩擦角;F是強(qiáng)度折減系數(shù)[10]。

在計(jì)算過(guò)程中，當(dāng)達(dá)到臨界破環(huán)時(shí)的強(qiáng)度折減系數(shù)就是邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)。目前判斷邊坡達(dá)到臨界破環(huán)的標(biāo)準(zhǔn)主要有以下有幾種：

（1）以坡頂、坡腳特征點(diǎn)的位移的變化作為邊坡失穩(wěn)的依據(jù);

（2）把廣義塑性應(yīng)變或者等效塑性應(yīng)變從坡腳到坡頂貫通作為邊坡破壞的標(biāo)志;

（3）把有限元計(jì)算不收斂作為邊坡失穩(wěn)判據(jù)。

這里筆者選擇第3種，通過(guò)Midas軟件計(jì)算，當(dāng)計(jì)算不收斂時(shí)，即為失穩(wěn)狀態(tài)[11]。

3.2?炭質(zhì)巖生態(tài)護(hù)坡加固前后穩(wěn)定性分析

采用Midas gts[1]有限元軟件對(duì)河池至百色高速公路K16+300炭質(zhì)巖邊坡建立天然路塹邊坡三維模型（見圖2），模型長(zhǎng)200 m，寬80 m，高124 m。邊坡兩側(cè)為水平約束邊界，底部約束為底部支撐約束。

其中巖體參數(shù)如表1所示。

混凝土[11-12]的水泥摻入量應(yīng)適合植物根系生長(zhǎng)，混凝土厚度為10 cm，根系為50 cm。在植被生長(zhǎng)過(guò)程中邊坡表面巖體強(qiáng)度逐漸提高，能夠抵御雨水沖刷，根系錨固巖體，巖體參數(shù)發(fā)生改變，如表2和圖3所示。

圖3結(jié)果表明：對(duì)天然炭質(zhì)巖邊坡進(jìn)行植被混凝土綠化防護(hù)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)大幅提高，還可以抗沖刷，防止雨水滲入，保持水土平衡，起到加筋加固邊坡穩(wěn)定性以及護(hù)坡的作用[13]。

4?結(jié)語(yǔ)

（1）炭質(zhì)巖具有軟化性、膨脹性、環(huán)境敏感性、崩解性等工程特性，同時(shí)pH偏低，呈酸性，植物較難生長(zhǎng)。

（2）按照有無(wú)殘積土覆蓋層，炭質(zhì)巖邊坡破壞模式可分為兩類：沿巖土界面順向滑動(dòng)和巖體剝落崩解引起的塌方。

（3）植被混凝土護(hù)坡綠化是將一定摻量的水泥、生植土、混凝土添加劑、腐殖質(zhì)等與植綠種子均勻混合噴射到工程坡面，形成一層人工基質(zhì)。

（4）建立路塹邊坡三維模型，考慮水影響，可知植被混凝土護(hù)坡技術(shù)能在一定程度上防止滑坡，用根系發(fā)達(dá)的偏酸性植被能對(duì)炭質(zhì)巖邊坡起到加固作用。

[1]葉瓊瑤.炭質(zhì)巖的特殊工程性質(zhì)[J].西部交通科技，2017（4）：1-3.

[2]周翠英，鄧毅梅，譚祥韶，等.飽水軟巖力學(xué)性質(zhì)軟化的試驗(yàn)研究與應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24（1）：33-38.

[3]李?彪.降雨入滲對(duì)炭質(zhì)頁(yè)巖邊坡穩(wěn)定性的影響[J].西部交通科技，2015（8）：11-15.

[4]譚鳳靈，胡厚田.焦柳線炭質(zhì)板巖邊坡病害的研究[J].路基工程，1995（3）：26-29.

[5]陳?劍，陳?釗，張?娟.柳州北環(huán)高速公路炭質(zhì)巖邊坡綜合整治[J].中國(guó)水運(yùn)月刊，2008，8（9）：191-192.

[6]劉林潔，向喜瓊，喻?興，等.炭質(zhì)泥巖抗剪強(qiáng)度的飽水軟化特性及工程應(yīng)用研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2017，17（8）：244-247.

[7]鄧勝?gòu)?qiáng)，謝?東，唐正輝.炭質(zhì)巖邊坡破壞模式及處治措施研究[J].西部交通科技，2014（6）：10-12.

[8]李?振，陳宗浩，何林儒.炭質(zhì)頁(yè)巖邊坡聚合物固化劑治理試驗(yàn)研究[J].西部交通科技，2012（7）：15-18.

[9]柏立懂，李生汀，宋常軍.炭質(zhì)頁(yè)巖路塹邊坡滑坡機(jī)理分析及處治措施[J/OL].公路交通科技：應(yīng)用技術(shù)版，2017（3）.

[10]陳一統(tǒng).炭質(zhì)頁(yè)巖挖方邊坡處治實(shí)例[J].公路交通技術(shù)，2004（3）：23-24.

[11]盧小明.土工格室在某公路炭質(zhì)泥巖邊坡防護(hù)中的應(yīng)用[J].山西建筑，2008，34（34）：295-297.

[12]粟?嫻，黃華顯.土工膜+掛網(wǎng)客土噴播防護(hù)技術(shù)在炭質(zhì)頁(yè)巖邊坡處治中的應(yīng)用[J].公路與汽運(yùn)，2016（4）：115-118.

[13]王淑英，周富華，鐘守賓.寨任路炭質(zhì)泥巖邊坡穩(wěn)定性研究及防治措施[J].廣西交通科技，2003，28（2）：42-45.