碳纖維—三維植被網在路基邊坡防護中的應用

黃 寅

1 概述

近年來,隨著我國經濟建設的蓬勃發展,高等級公路的修建,特別是高速公路的建設得到飛速發展。由于高速公路路基較寬,挖填較大,特別是在江蘇南部丘陵地區的高速公路,高填深挖較多,路基的不穩定因素較多,所以路基邊坡防護越來越受到工程研究人員重視,對于路基邊坡防護的投入也越來越大。

路基邊坡坡面防護措施主要有：灌漿、液壓噴播植草、鋼筋混凝土骨架加鋼筋錨固護坡及片石護面墻。隨著新型實用專利“一種用于邊坡穩固的碳纖維網”(注冊專利號：200820175300.3)的出現[1],高速公路路基邊坡防護措施又出現一種新選擇：碳纖維—三維植被網護坡。它不但具有骨架護坡的加筋加固效果,同時滿足人們對環境和景觀的高要求。目前,碳纖維—三維植被網護坡已在蘇南地區多條高速公路路基防護工程中得到不同程度的試驗和運用,均取得了良好的社會、經濟和工程效益,碳纖維—三維植被網作為一種新型的邊坡防護材料,其應用正在不斷推廣。

2 路基邊坡防護的主要措施

2.1 工程防護

工程防護適用于草木不易生長的、坡度較陡的路基坡面上。一般采用框格、抹面和噴漿。坡面護墻、護坡等框格防護用鋼筋混凝土、漿砌片石等材料在邊坡上形成骨架,并將此骨架錨固在路基之中,從而提高了邊坡表面粗糙度系數,減緩了水流速度,起到了保護坡面、穩定坡面的效果。框格可做成各種造型,除對路基邊坡有一定的防護作用外,還對整個道路起到較好的美化效果[2]。

2.2 植被防護

工程實踐中植被防護一般采用鋪草皮,種植灌木或景觀樹木等形式。植物覆蓋對地表徑流和水土沖刷有極大減緩作用,植被根系能與土層密切結合,根與根相連,盤根錯節,使地表層土壤形成不同深度牢固的穩定層,從而有效的穩定土層,阻擋沖刷和坍塌。實際工程施工中應根據當地氣候、土質、含水量等因素,選用易于成活,便于養護,經濟的植物類種。植被護坡最主要的是加強對植被的養護管理,保證成活率。在保證路基邊坡穩定的前提下,植物防護還能起到美化環境,提高行車視覺效果的作用[2]。

2.3 常用防護方法的比較

常用防護方法的比較見表1。

3 碳纖維—三維植被網的特點、造價、效果、社會效益

3.1 碳纖維網的特點

碳纖維網用到的碳纖維主要是由碳元素組成的一種特種纖維,碳纖維具有一般碳素材料的特性,如耐高溫、耐摩擦、導電、導熱及耐腐蝕等。但與一般碳素材料不同的是,其外形有顯著的各向異性、柔軟、可加工成各種織物,沿纖維軸方向表現出很高的強度。碳纖維比重小,因此有很高的比強度。碳纖維網是一種用碳纖維絲編織而成的,可以用于公路或鐵路邊坡壁的碎石護屏或用于保護巖土表層,在使用中需要根據坡壁的形狀和鋪設面積將多個碳纖維網連接于一起形成一個整體的防護網[1](見圖1)。

表1 幾種防護方法的比較

3.2 碳纖維—三維植被網的特點

1)作為護坡基礎采用了新型碳纖維材料制成的纖維網強度極高,大大提高了防護網的強度和抗腐蝕能力;各個網間采用線連接方式,連接部位各網格受力均勻,連接強度高,能有效將各個網連成一個整體,使連接過程變得規范且顯著提高工效,能有效穩固路基邊坡。2)碳纖維網的上覆植被能有效降低雨滴的沖擊能量。植被表面凸凹不平,可使風和水流在其表層產生小漩渦,起到緩沖消能作用;降低流速,從而有效地抵御雨水的沖刷,同時植被在邊坡表層土中起著加筋加固的作用,從而有效的防止表層土層的滑移。3)由于碳纖維網網格較為稀疏,從而保證了上覆植物根系與土壤結合,有利于植被生長和形成,幫助植物根系增強抵抗水土流失能力,這樣能有效地保護坡面不受風、雨、洪水的侵蝕。

3.3 碳纖維—三維植被網的工程造價

碳纖維—三維植被網防護投資小,見效快,效果好,只需作適當的季節修剪工作。工程實踐表明：其工程造價僅為同等面積鋼筋混凝土骨架植被護坡的45%。

3.4 碳纖維—三維植被網的工程效果

植物根系與碳纖維網交織,形成致密的覆蓋層,對路基邊坡形成連續和長期的保護,使坡面不受日曬雨淋而自然侵蝕剝落,減緩雨水沖擊和水流沖刷;同時植物扎根較深,固土蓄水,調節土體溫度,保持水土,使邊坡不致受環境的影響而產生裂縫或坍塌。

3.5 碳纖維—三維植被網的社會效益

植被的種植恢復了道路沿線的自然生態,保護了自然環境;改善道路周圍環境的溫度和濕度;吸收機動車排放的尾氣和大氣中的灰塵,達到凈化空氣的目的;吸收和減弱行車噪聲,減少行車對周圍生活環境的影響;減小太陽輻射和美化沿途環境;給沿線居民、道路交通參與者心情舒暢的感覺,形成人為工程與自然環境和諧相處的氛圍;有利于行車的安全。

4 碳纖維—三維植被網植物物種的選擇

1)根系發達,枝葉茂密,生長快,綠期長,能迅速覆蓋地表;2)生根性強,成活率高,并能吸收深層水分和養分,有效固土;3)對土質要求不高,適應氣候能力強,耐寒冷、耐高溫、耐干旱等;4)價格經濟,養護容易,病蟲害少。

5 碳纖維—三維植被網的施工工藝流程及要點

5.1 工藝流程

碳纖維—三維植被網施工工藝流程：路基邊坡整理成型→鋪設表土→開挖碳纖維網固定溝槽→覆網→錨固碳纖維網→覆土→植被種植(移植)→再覆土→覆蓋保護網→灑水養護→后期管理[4]。

5.2 施工要點

1)施工前做好充分準備,確定施工器械、人員配備,覆蓋所需土方、植被;2)對路基邊坡進行修整,使之盡可能平整;3)在坡頂開挖溝槽,按實際確定尺寸,寬不小于 10 cm,深不低于10 cm[5];4)緊貼坡面自上而下將碳纖維網展開,按碳纖維網連接施工工藝將其連成大面積網,頂端固定于溝槽內,并用鋼制地釘釘入路基進行錨固;5)種植或移植所需植物;6)回填細砂質營養土,并在表面附上植物保護網,澆水養護;7)當植被生長成型或其根系已穿過碳纖維網格,即可撤去上覆的保護網,以后定期養護植被[6]。

6 結語

碳纖維—三維植被網所具有的耐腐、高強、美觀的特性,解決了現有的金屬質邊坡防護網易于被雨水腐蝕、使用壽命短、工程維護成本高、形制呆板等的問題,滿足了路基邊坡坡面的保護和加固的要求,保證了路基不因雨水沖刷和氣候變化而破壞,而且兼顧了道路景觀和環境和諧相處,在實際工程中已成功運用,具有廣闊的市場應用前景。

[1] 黃 寅.一種用于邊坡穩固的碳纖維網：中華人民共和國,200820175300.3[P].2009-10-21.

[2] JTJ 019-98,公路土工合成材料應用技術規范[S].

[3] 王翠華.高等級公路景觀美化與環境保護[Z].北京：交通信息科技研究所,1993.

[4] 李俊喜.三維植被網在粉性土路堤邊坡防護中的應用[J].路基工程,2006(3)：109-110.

[5] 張 磊,林 輝.玻璃纖維防護網在高速公路路基邊坡防護中的應用[J].公路交通科技,2007(2)：51-52.

[6] 邱國鋒,王孟霞.三維植被網護坡在高速公路邊坡中的試驗[J].重慶交通學院學報,2002,21(1)：74-76.