坑道工程口部陡劈坡植被恢復客土穩定性分析

馬棟良，白彥光，楊大峰，劉國權，陳昌兵，查呂應

(1.軍事科學院 國防工程研究院，河南 洛陽 471023； 2.河南省特種防護材料重點實驗室，河南 洛陽 471023)

坑道工程口部施工過程中，原有植被遭到破壞，形成的陡劈坡在光學、熱紅外、雷達等多個波段與周圍背景形成顯著對比，這是坑道工程口部陡劈坡被發現的根本原因，也是偵查設備探測的客觀基礎[1]。有資料顯示，坑道工程口部陡劈坡的可見光識別概率為0.79，合成孔徑雷達識別概率為0.40，熱紅外成像識別概率為0.57[2]。因此，對坑道工程口部陡劈坡進行植被恢復，消除或減弱陡劈坡與周圍背景的差別是工程偽裝研究的方向之一。坑道工程口部陡劈坡可以采用客土噴播植草和生長孔種植灌木的復合技術達到恢復植被的目的。對于植被恢復系統來說，植被和客土層(基質土)的關系有如毛與皮的關系，植被生長于客土層上，客土層的穩定是保持植被存活的關鍵。因此，我們對不同時期陡劈坡上客土的穩定性進行了分析，旨在為陡劈坡植被恢復施工提供指導。

1 陡劈坡客土層穩定性影響因素分析

陡劈坡坡度大，客土層容易流失、滑落，從施工期到運行期，植被恢復體系各構成要素隨時間不斷發生變化，影響客土層穩定的外部因素及破壞形式也在變化。根據影響因素和主要破壞形式的變化，客土穩定從時間上分為施工期、施工完成后至植被長成前和植被長成后的運行期三個階段。

施工期。施工期包括從客土噴射施工到客土脫水硬化這一段時間，時間跨度為數日。要保證客土噴層能夠附著在巖體表面不脫落。影響客土穩定的內部因素是客土配比、結構措施、施工工藝等[3]，外部因素主要是降雨，破壞形式主要為重力作用下客土從巖體表面滑落和雨水沖刷兩種。

施工完成后至植被長成前階段，時間跨度為數月。此時客土已經硬化，植被在逐步生長，覆蓋度逐步提高，而植被在生長的同時自身質量加大，作用于客土層的下滑荷載逐步增大。這一時期影響客土穩定的主要因素是降雨[4]，破壞形式包括雨水沖刷和客土層浸水軟化強度降低引起的滑落。由于采用不間斷滴灌養護，客土層保持濕潤，不存在干濕交替的循環，客土層風化瀉溜引起客土表層流失可不考慮。

植被長成后的運行期。運行期時間跨度大，一般為數年到數十年，影響客土層穩定的因素多樣且復雜，主要影響因素和破壞形式為：①降雨。降雨對客土層造成沖刷破壞，使土體流失。②凍融與風化。在非結冰季節植被系統不間斷地滴灌養護，客土層保持濕潤，不存在干濕交替的循環，客土層風化瀉溜引起客土表層流失可不考慮，但在結冰季節，滴灌停止，客土層可能存在干濕交替循環引起客土表層風化而產生瀉溜流失；凍融使客土層結構破壞、變疏松從而降低了客土層強度，且客土層與巖體表面間可能局部形成冰核，冰核消融后會使客土層與巖體表面間的黏聚力降低或完全喪失。③作用于客土層的荷載增加。隨著植被生長，植被本身、墜落物及次生生物等的質量增加，作用于客土層的下滑荷載逐步增大；降水時，植株上會附著雨雪，客土層表面的植被墜落物會吸收和滯留一部分水分，客土層本身的含水量也會增大，這些都增大了客土層的下滑荷載；較高的灌木在風的作用下將風引起的動荷載傳遞給邊坡，增大了客土層的不穩定性。④客土層強度變化。隨著植被根系的生長，根系密度增大，根對土的加筋作用顯著提高，宏觀表現為客土層的黏聚力增大，增強了客土層的整體性，有利于保持客土層不流失；而客土層吸水、凍融、短時期內的干濕循環等作用，又使客土層與巖體表面間的黏聚力和摩擦力降低，對客土層整體穩定不利。

綜上所述，客土層的破壞形式主要為雨水沖刷和重力作用下的滑落，影響因素主要有降水、荷載變化、客土層與巖體表面間結合的力學性質弱化等。

2 計算參數取值

植被恢復系統施工前坑道工程口部陡劈坡已是穩定邊坡，故在研究客土層穩定性時不需要再考慮陡劈坡本身的穩定問題。

2.1 植被恢復系統參數設計

植被恢復系統如圖1所示，其相關設計參數確定如下。

(1)基質土：厚度200 mm，土質為適合耕植的土壤(屬粉質黏土、黏土)添加適量綠化基材、纖維等。

(2)植被生長孔：直徑100 mm，深度400 mm，垂直坡面施工，在坡面上間距500 mm×500 mm。

(3)鋼筋、錨桿：錨桿長度500 mm，鉆孔直徑50 mm；鋼筋為HRB335，直徑14 mm。采用M30砂漿錨固，錨桿下傾角10°，在坡面上間距1 000 mm×1 000 mm。

(4)鋼絲網：14#機編鋼絲網，網孔60 mm×60 mm。

(5)陡劈坡坡度：65°～90°。

(6)草種：狗牙根、黑麥草和高羊茅。

(7)灌木種：臭椿、刺槐和火炬樹。

(8)植被養護條件：滴灌。

圖1 植被恢復系統構造示意(單位：mm)

2.2 客土層重力穩定性分析條件

客土層重力穩定性分析按荷載、植被系統、構造措施的最不利組合確定。根據植被恢復系統參數，綜合考慮影響客土層穩定的主要因素，確定各計算參數如下。

(1)荷載。客土層厚度200 mm，飽水重度20 kN/m3；植被及墜落物綜合荷載1.2 kN/m2；雪荷載按50年一遇考慮，0.6 kN/m2，由于植被形成的復雜表面和風的作用，即使在垂直坡面上的植株上也會有積雪，所以不能按坡面在平面上的投影面積計算雪荷載，應按植株在平面的投影面積和坡面在平面上的投影面積的較大值計算雪荷載，陡劈坡上生長的灌木植株在水平面的投影寬度取300 mm。組合荷載為客土層自身重度、植被及墜落物綜合荷載和作用于坡面的雪荷載之和。

(2)鋼筋短錨。鋼筋為HRB335，直徑14 mm，長度500 mm，抗拉強度設計值300 MPa。陡劈坡巖體按軟巖考慮，錨桿軸向拉力設計值取鋼筋拉力設計值、錨固段注漿體從鉆孔拔出力和鋼筋從注漿體中拔出力三者中最小者[5]。注漿體從鉆孔拔出力T1的計算式為

T1=l·π·D·frbk/Km

(1)

式中：l為錨固段長度；D為鉆孔直徑；frbk為注漿體與鉆孔極限黏結強度標準值；Km為錨固體抗拔安全系數。

鋼筋從注漿體中拔出力T2計算公式為

T2=l·π·d·fb/Kb

(2)

式中：l為錨固段長度；d為鋼筋直徑；fb為鋼筋與錨固砂漿間的黏結強度設計值；Kb為鋼筋抗拔安全系數。

根據規范，M30砂漿注漿體與鉆孔極限黏結強度標準值frbk可取360 kPa，鋼筋與錨固砂漿間的黏結強度設計值可取2.4 MPa，錨固體抗拔安全系數Km和鋼筋抗拔安全系數Kb取2.2[5]。計算結果為：鋼筋抗拉力設計值為46.18 kN，錨固段注漿體從鉆孔拔出力T1為12.85 kN，鋼筋從注漿體中拔出力T2為23.99 kN，則錨桿軸向拉力設計值取12.85 kN。

當坡度大于70°時，錨桿軸向與坡面間夾角大于80°，客土層近于垂直懸掛在錨桿上，對錨桿的拔出效應接近于0，這時控制客土層穩定的是掛于鋼筋錨桿上的鋼絲網的抗拉強度。鋼絲網鋼絲直徑為2 mm，懸掛點受力的鋼絲至少有兩根，鋼絲抗拉強度設計值取200 MPa，則鋼絲網對客土層的拉力值為1.26 kN。

(3)灌木。在客土層有下滑趨勢并有一定位移時，通過根土接觸面的摩擦力把土的下滑力轉換成對根的拉力，同時根隨土體位移產生向下的彎折偏轉角度θ，如圖2所示。根據黏性土變形與強度變異之間的關系可以推算出偏轉角度θ的值，在土體處于失穩臨界狀態時θ取10°。

灌木根在生長孔中的作用類似于錨桿，其破壞形式有三種：①帶土從巖石孔中拔出破壞；②根系從土中拔出；③根系被拔斷。產生三種破壞類型的力大小不同，取其中最小者為灌木根錨的軸向拉力設計值。土體與生長孔孔壁極限黏結強度(摩擦力與黏聚力之合力)取30 kPa，灌木根抗拉強度可達到30 MPa以上，但根的數量和直徑隨機性很大，無法直接計算灌木根的抗拉力值，根據經驗灌木根的抗拉力值可以等效為灌木主干的抗拉力值，主干直徑取20 mm，抗拉強度設計值取9 MPa[6]。參照注漿體從鉆孔拔出力的計算方法計算土體從生長孔中拔出的力為0.75 kN，根據經驗灌木根從土中拔出的力為1.0 kN，灌木根抗拉力為2.83 kN，則灌木根錨軸向拉力設計值取0.75 kN。

圖2 灌木根彎折示意(單位：mm)

(4)客土層與巖體表面間的黏聚力和摩擦角。施工期和施工完成后至植被長成前，土與巖體表面黏聚力為10 kPa，土與巖體表面摩擦角為15°；運行期客土層力學性質降低，土與巖體表面黏聚力為5 kPa；土與巖體表面摩擦角取10°。

3 客土層重力穩定性分析計算

客土層重力作用下的穩定性分析可簡化為斜面上的極限平衡問題[7]，下面根據極限平衡分析法對客土層重力條件下的穩定性進行分析計算。

3.1 計算公式

客土層重力作用下的穩定性分析可簡化為斜面上的極限平衡問題，抗滑穩定安全系數計算公式為

K=抗滑力/下滑力

(3)

根據已知條件，式(3)可具體表示為[8]

(4)

式中：W為計算范圍內的組合荷載；Tbi為第i根錨桿軸向拉力設計值；Tw為第j個生長孔灌木根錨軸向拉力設計值；n為計算范圍內的錨桿總數；m為計算范圍內的灌木生長孔總數；C為土與巖體表面的黏聚力；φ為土與巖體表面的摩擦角；α為陡劈坡傾角；β2為錨桿與水平面間的夾角；θ為灌木根彎折偏轉角度；A為計算范圍內的坡面面積。

在進行施工期和施工完成后至植被長成前兩個階段客土層穩定性計算時，由于植被還沒有完全長成，因此計算時可不考慮灌木根錨的作用，故式(4)可簡化為

cos (α+β2)]/(W·sinα)

(5)

3.2 施工期和施工完成后至植被長成前客土層穩定性計算

人工陡劈坡坡面比較平整，可取1 m2的巖石邊坡進行客土層穩定性計算，則計算范圍內錨桿總數n=1，陡劈坡傾角α取65°、70°、75°、80°、85°、90°。根據式(5)分別計算不同傾角的抗滑穩定安全系數，結果見表1。

表1 施工期和施工完成后至植被長成前客土層穩定性計算結果

邊坡安全等級為三級的永久邊坡一般工況下邊坡穩定安全系數應該不小于1.25[5]。從表1計算結果看，在施工期和施工完成后至植被長成前，抗滑穩定安全系數均大于1.25，說明植被恢復系統設計合理，不會出現客土層滑落。

3.3 運行期客土層穩定性計算

計算條件與施工期和施工完成后至植被長成前客土層穩定性計算相同，計算范圍內灌木生長孔總數m=1。根據式(4)計算不同傾角的抗滑穩定安全系數，結果見表2。

由表2計算結果看，在沒有灌木根的抗滑作用時，當坡度大于75°時安全系數小于1.25，不能滿足穩定性要求；當有灌木根的抗滑作用時，所有計算工況安全系數均大于1.25，滿足穩定性要求。可以看出，灌木根的作用顯著提高了安全系數的值。

表2 運行期客土層穩定性計算結果

4 陡劈坡客土層穩定性試驗

試驗選取坡度為80°～90°的巖石邊坡為對象，植被恢復系統的設計參數按照2.1部分確定。試驗過程如圖3所示。

圖3 陡劈坡客土穩定性試驗過程

經過2年時間，客土穩定性經過了施工期、施工完成后至植被長成前和植被長成后的運行期三個階段檢驗，充分說明了計算分析結果的正確性，為陡劈坡植被恢復設計提供了參考。

5 結 論

(1)根據計算結果，陡劈坡上客土在施工期和施工完成后至植被長成前穩定性相對較好，主要原因：一是施工過程中使用了錨桿、鐵絲網等加固措施；二是基質土中添加了黏結劑等，增大了土與巖體表面的黏聚力和摩擦角。

(2)運行期客土層穩定性分析分為無灌木根作用和有灌木根作用兩種情況，其中有灌木根作用情況下安全系數大于無灌木根作用情況下的安全系數，因此植被恢復時應提高植被覆蓋度以增加客土的穩定性。

(3)施工期和施工完成后至植被長成前的安全系數大于運行期，主要原因是隨著時間增加，基質土中的黏結劑逐步失效，土與巖體表面的黏聚力和摩擦角均減小，對穩定性造成了不利影響，因此植被恢復系統設計過程中應高度重視這一變化。

(4)通過客土穩定性試驗證明了本計算分析方法的科學性，為巖石陡劈坡植被恢復設計和施工提供了指導。