呂梁地區(qū)紅黏土邊坡病害影響因素分析

郭風(fēng)俊,李慶樓

(1.山西省高速公路集團(tuán)有限責(zé)任公司,山西 太原 030031;2.河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院,天津 300401)

0 引 言

紅黏土在我國分布廣泛,因其縮脹性、裂隙性,在邊坡工程應(yīng)用中存在災(zāi)害隱患[1]。紅黏土邊坡整體失穩(wěn)的問題相對(duì)較少,淺層破壞如崩塌和溜塌等現(xiàn)象卻極為常見[2],紅黏土邊坡病害的影響因素已經(jīng)成為邊坡工程研究的重點(diǎn)。譚羅榮等[3]論證出吸濕速率對(duì)紅黏土脹縮特性的影響規(guī)律。李鵬等[4]通過工程調(diào)研對(duì)貴州高速公路紅黏土邊坡破壞特征進(jìn)行了分析,提出了紅黏土邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法;覃錫利等[5]對(duì)紅黏土的特性進(jìn)行了分析,提出了紅黏土的改良方法;朱偉振[6]針對(duì)干濕循環(huán)作用下的紅黏土裂隙發(fā)育規(guī)律及強(qiáng)度劣化機(jī)理進(jìn)行了研究;陳榮亞[7]對(duì)荷載與干濕循環(huán)耦合作用下紅黏土的變形特性及裂隙演化規(guī)律展開了研究;王敏[8]針對(duì)紅黏土邊坡病害的成因進(jìn)行了分析,并提出了相應(yīng)的處治措施。研究對(duì)呂梁地區(qū)紅黏土邊坡病害的主要影響因素進(jìn)行了系統(tǒng)分析,并探討了相應(yīng)的處治措施,旨在為呂梁地區(qū)紅黏土邊坡的病害防治工作提供實(shí)用建議。

1 工程概況

在呂梁環(huán)城高速公路沿線,紅黏土邊坡廣泛分布。紅色黏土層質(zhì)地黏重,吸水膨脹后水分難以下滲,加之所處地形部位坡度較大,每屆降雨會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的水土流失、邊坡失穩(wěn),對(duì)道路的通行安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。呂梁環(huán)城高速紅黏土典型病害情況如圖1所示。

圖1 呂梁環(huán)城高速紅黏土典型病害

2 紅黏土邊坡病害影響因素選取

紅黏土邊坡病害的形成是一個(gè)復(fù)雜的過程,涉及多種因素的相互作用。這些因素可以歸納為內(nèi)部因素和外部因素兩大類。內(nèi)部因素包括地形地貌、地質(zhì)巖性等,該因素對(duì)邊坡的穩(wěn)定性起著決定作用,地形地貌影響著邊坡的形態(tài)和坡面特征,如坡度、坡高、坡形等,這些因素直接關(guān)系到邊坡的穩(wěn)定性。地質(zhì)巖性則決定了土壤的性質(zhì),包括土壤的組成、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度等,這些性質(zhì)直接影響著土壤的穩(wěn)定性和抗滑能力。外部因素包括降雨、坡面防護(hù)措施、工程活動(dòng)擾動(dòng)等,它們是造成紅黏土邊坡病害的直接因素。降雨是引起紅黏土邊坡病害的重要因素之一,它可以通過滲透作用改變土壤的含水量和飽和度,降低土壤的強(qiáng)度和穩(wěn)定性,從而誘發(fā)邊坡滑坡和崩塌等病害。坡面防護(hù)措施是防止邊坡病害發(fā)生的重要手段,合理的防護(hù)措施可以有效地提高邊坡的穩(wěn)定性,減少病害的發(fā)生。然而,不當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施可能會(huì)加劇邊坡的病害,如過度開挖、不合理排水等。工程活動(dòng)擾動(dòng),如爆破、挖掘等,會(huì)改變邊坡的應(yīng)力狀態(tài)和穩(wěn)定性,進(jìn)一步加劇邊坡病害的發(fā)生。綜合實(shí)際情況,可以得出造成紅黏土邊坡失穩(wěn)的內(nèi)部因素主要為邊坡的坡度、坡高和土體性質(zhì),外部因素主要為降雨和防護(hù)方式。

3 影響因素分析

為分析造成呂梁環(huán)城高速紅黏土病害的成因,對(duì)呂梁環(huán)城高速紅黏土邊坡展開調(diào)研,并對(duì)影響因素進(jìn)行分析。

3.1 坡度對(duì)紅黏土邊坡病害的影響分析

紅黏土的顯著脹縮特性常導(dǎo)致其邊坡表面出現(xiàn)剝落、沖蝕和溜塌等淺層病害。為了探究這些病害與邊坡坡度之間的關(guān)聯(lián),對(duì)呂梁地區(qū)發(fā)生病害的紅黏土邊坡的坡度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表1。

表1 呂梁環(huán)城高速紅黏土病害邊坡坡度統(tǒng)計(jì)

表1的統(tǒng)計(jì)分析顯示,坡度在1∶0.5～1∶1.25范圍內(nèi)的紅黏土邊坡容易發(fā)生病害。由于1∶0.5坡度邊坡在實(shí)際工程中較為少見,故不針對(duì)該坡度的紅黏土邊坡進(jìn)行分析。坡度超過1∶1的紅黏土邊坡病害率最高,占調(diào)研病害邊坡總數(shù)的89.7%。1∶0.75坡度的紅黏土邊坡病害數(shù)量最多,占所有病害邊坡的62.1%,表現(xiàn)為表面大量網(wǎng)狀裂縫和剝落現(xiàn)象。通過調(diào)查數(shù)據(jù)可以得到隨著坡度的增大,紅黏土的脹縮特性和重力作用更易導(dǎo)致剝落等病害的發(fā)生。

3.2 邊坡坡高對(duì)紅黏土邊坡病害的影響分析

在《巖土工程手冊(cè)》中,土質(zhì)邊坡的坡高超過10 m被歸類為高邊坡。為了探究紅黏土不良地質(zhì)條件下邊坡病害與坡高的相關(guān)性,對(duì)調(diào)研紅黏土病害邊坡的坡高范圍進(jìn)行統(tǒng)計(jì),具體數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 呂梁環(huán)城高速紅黏土病害邊坡坡高統(tǒng)計(jì)

由表2可知,發(fā)生病害的邊坡坡高集中在8 m以上,這一高度范圍的邊坡數(shù)量占總統(tǒng)計(jì)數(shù)量的96.6%,其中坡高8～10 m紅黏土邊坡的病害主要為剝落與沖蝕,坡高>10 m的紅黏土邊坡病害主要為溜塌與滑坡。隨著紅黏土邊坡坡高的增加,病害形式越發(fā)嚴(yán)重。

3.3 土體性質(zhì)對(duì)紅黏土邊坡病害的影響分析

紅黏土作為一種在濕熱環(huán)境中由碳酸鹽類巖石經(jīng)歷風(fēng)化作用而形成的高塑性黏土,廣泛分布于中國南方地區(qū),山西省也有分布。紅黏土的液限介于42%～73%,天然含水率介于30%～60%,飽和度大多超過90%。紅黏土遇水易膨脹,失水易收縮,其自由膨脹率可高達(dá)69%。上述的紅黏土特性導(dǎo)致其在水分增加時(shí)吸水膨脹,在干燥時(shí)失水收縮。這種體積變化容易造成土體裂隙,裂隙的發(fā)展會(huì)降低邊坡的穩(wěn)定性,進(jìn)而引發(fā)病害。

3.4 降雨對(duì)紅黏土邊坡病害的影響分析

為了深入分析紅黏土邊坡穩(wěn)定性與降雨量之間的關(guān)系。搜集并整理了湖南、廣西等省份近5年內(nèi)的平均降雨量情況。如圖2所示。

圖2 6個(gè)省份近5年平均降雨量

圖2的數(shù)據(jù)分析顯示,在6個(gè)紅黏土廣泛分布的省份中,江西省的年平均降雨量最高,達(dá)到1 800 mm。而山西省的年平均降雨量最低,僅為650 mm。其中,年降雨量超過1 000 mm的省份占總數(shù)的66.7%。盡管這些地區(qū)之間的降雨量存在顯著差異,紅黏土邊坡仍然普遍發(fā)生病害。這一現(xiàn)象表明紅黏土邊坡的穩(wěn)定性對(duì)水分條件非常敏感,即使是少量的水分也可能引發(fā)邊坡病害。

降雨對(duì)紅黏土邊坡的破壞是一個(gè)漸進(jìn)的過程,包括濺蝕、面蝕、沖溝形成,直至最終坍塌。在降雨量較小的山西地區(qū),紅黏土邊坡主要病害為剝落、沖蝕和溜塌,而在降雨量較大的貴州、湖南等地區(qū),還可能發(fā)生滑坡。

3.5 防護(hù)形式對(duì)紅黏土邊坡病害的影響分析

(1)植物防護(hù)對(duì)邊坡病害的影響分析。

紅黏土邊坡的病害發(fā)生與所采取的防護(hù)措施密切相關(guān),不同類型的防護(hù)措施對(duì)病害的影響顯著不同。首先,對(duì)植物防護(hù)措施對(duì)紅黏土邊坡病害的影響進(jìn)行了分析。

草本植物的防護(hù)特點(diǎn)在于其莖內(nèi)木質(zhì)部不發(fā)達(dá),根系以須根為主,主要分布在土體淺層,能夠加固邊坡的淺層土體。草本植物的低矮植株在靠近坡面的范圍內(nèi)能阻隔雨水,減少雨滴對(duì)坡面的濺蝕作用,從而降低雨水對(duì)坡面的沖蝕。

木本植物的防護(hù)特點(diǎn)在于其發(fā)達(dá)的木質(zhì)部和堅(jiān)固的植物結(jié)構(gòu)。根據(jù)根系在土中的分布深度,木本植物根系可分為淺根類和深根類。淺根類植物的主根不發(fā)達(dá),側(cè)根向周圍延伸,整體根系深度較淺;而深根類植物的主根發(fā)達(dá),能夠深入土體深部,起到錨固邊坡的作用。木本植物的茂密枝葉也能夠截留降雨,減少坡面的沖蝕。

綜合來看,植物根系能夠加固土體,減少溜塌等病害,維持邊坡的穩(wěn)定性;而地上的枝葉能夠減少?zèng)_刷,降低坡面沖蝕病害的發(fā)生。然而,在降雨量較大的情況下,雨水沖刷可能導(dǎo)致部分植物被沖走,使土體裸露,在干濕循環(huán)作用下可能引發(fā)邊坡土體的剝落和沖蝕。因此,僅依賴植物防護(hù)措施來減少邊坡病害的效果可能有限,需要結(jié)合其他工程措施以提高防護(hù)效果。

(2)工程防護(hù)對(duì)邊坡病害的影響分析。

在紅黏土邊坡工程中,應(yīng)用護(hù)面墻和漿砌片石等工程防護(hù)措施,能夠有效隔離邊坡土體與外界環(huán)境,減少土體含水率的變化,進(jìn)而降低干濕循環(huán)的影響。這些措施有助于減少土體內(nèi)部的脹縮作用,從而有效降低剝落、沖蝕、溜塌和滑坡等病害的發(fā)生。特別是在坡度較緩的情況下,這些措施能夠較好地維持邊坡的整體穩(wěn)定性。護(hù)面墻和漿砌片石的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分別為7.5 MPa和5 MPa,能夠?yàn)檫吰绿峁┹^強(qiáng)的防護(hù)效果。

然而,由于工程防護(hù)措施表面不易生長(zhǎng)植物,其在生態(tài)景觀方面的表現(xiàn)存在不足。因此,在減少邊坡病害時(shí),通常不單獨(dú)依賴工程防護(hù)措施,而是結(jié)合植物防護(hù)等其他措施,以實(shí)現(xiàn)既保護(hù)邊坡穩(wěn)定性又改善生態(tài)環(huán)境的雙重目標(biāo)。這種綜合性的防護(hù)策略在紅黏土邊坡的病害防治中具有重要意義,能夠兼顧邊坡的工程安全和生態(tài)美觀。

(3)綜合防護(hù)對(duì)邊坡病害的影響分析。

邊坡綜合防護(hù)措施指的是根據(jù)具體的地質(zhì)條件和地形特點(diǎn),選擇并實(shí)施兩種或多種防護(hù)措施的組合,以適應(yīng)性地確保紅黏土邊坡的穩(wěn)定性。在坡度較緩的邊坡上,可以采取防護(hù)等級(jí)較低的措施,如植物防護(hù)。而在坡度較陡且坡高較大的邊坡上,則需要采取多種防護(hù)措施的組合,并按照邊坡的不同級(jí)別,從上到下逐級(jí)增加防護(hù)等級(jí),以增強(qiáng)防護(hù)效果。

我們可以看到,在綜合防護(hù)措施的實(shí)施中,一級(jí)邊坡,即易發(fā)生病害的邊坡,采用了防護(hù)等級(jí)較高的工程防護(hù)措施,以保障其穩(wěn)定性。二級(jí)邊坡則采用了土工網(wǎng)植草防護(hù),在保障穩(wěn)定的同時(shí),兼顧生態(tài)型。三級(jí)及以上的邊坡主要依靠植物防護(hù),憑借植物根系的錨固作用與莖葉的阻礙徑流作用對(duì)邊坡進(jìn)行保護(hù)。

這種基于邊坡分級(jí)的綜合防護(hù)策略相較于單一的工程防護(hù)或植物防護(hù),在一定程度上減少了邊坡病害的發(fā)生。然而,實(shí)踐中植物防護(hù)與工程防護(hù)之間的有效結(jié)合尚不足,限制了減少病害效果的發(fā)揮。因此,未來的研究應(yīng)當(dāng)著重于如何更有效地融合這兩種防護(hù)措施,以提升紅黏土邊坡的穩(wěn)定性和生態(tài)效益。

4 結(jié) 論

對(duì)呂梁地區(qū)紅黏土邊坡病害的主要影響因素進(jìn)行了系統(tǒng)分析,并探討了相應(yīng)的處治措施。結(jié)果表明, 紅黏土邊坡的穩(wěn)定性受到多種因素的影響,包括地形地貌、地質(zhì)巖性、坡度、坡高、降雨量以及防護(hù)措施等。內(nèi)部因素如地形地貌和地質(zhì)巖性對(duì)邊坡穩(wěn)定性起著決定性作用,外部因素如降雨量和防護(hù)措施則是直接影響邊坡穩(wěn)定性的因素。

紅黏土邊坡病害的形成是一個(gè)復(fù)雜的過程,涉及多種因素的相互作用。通過調(diào)研和分析,發(fā)現(xiàn)紅黏土邊坡病害的發(fā)生與坡度、坡高和土體性質(zhì)密切相關(guān)。坡度較大的邊坡更容易發(fā)生剝落、沖蝕、溜塌和滑坡等病害,而坡度較緩的邊坡則相對(duì)穩(wěn)定。此外,土體性質(zhì)也對(duì)邊坡穩(wěn)定性有顯著影響,紅黏土的高液限、高強(qiáng)度和高含水率特性使其在水分變化時(shí)容易發(fā)生體積變化,導(dǎo)致裂隙的產(chǎn)生,從而降低邊坡的穩(wěn)定性。

降雨量對(duì)紅黏土邊坡的穩(wěn)定性也有顯著影響。降雨量較大的地區(qū),紅黏土邊坡病害更為嚴(yán)重,而降雨量較小的地區(qū),病害相對(duì)較輕。此外,防護(hù)措施的選擇也對(duì)紅黏土邊坡病害的發(fā)生和發(fā)展有重要影響。植物防護(hù)和工程防護(hù)相結(jié)合的綜合防護(hù)措施,相較于單一的防護(hù)措施,能夠更有效地減少邊坡病害的發(fā)生。

在未來的工作中,應(yīng)繼續(xù)深入研究紅黏土邊坡病害的影響因素,探索更有效的處治措施,以提高紅黏土邊坡的穩(wěn)定性和生態(tài)效益。同時(shí),加強(qiáng)紅黏土邊坡病害的監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)建設(shè),為紅黏土邊坡工程的安全和可持續(xù)發(fā)展提供保障。