基于聚合物固化劑技術的軟巖邊坡穩定性研究

蘇成林

(交通運輸部公路科學研究院，北京 100088)

0 引言

軟巖邊坡工程很多方面值得深入研究[1-4]，如邊坡的穩定、軟巖巖體的性質和邊坡巖面與客土間的化學物理作用，與我們的工程建設息息相關。軟巖邊坡的固化與否，直接影響邊坡的水損害和穩定性。公路軟巖邊坡都沒有專門為環境和生態保護設計規劃，漿砌片石和混凝土等護坡在邊坡支護中較為常見，此類護坡方式主要以穩固邊坡類為主，大面積的混凝土或片石覆蓋使植物無法正常生長[5-6]。一些軟巖邊坡會有少量的綠化植物設計，但這些植物往往是一些草皮或爬藤植物，沒有對整個邊坡綠化進行考慮，且美觀上顯得單調。軟巖邊坡上缺乏小灌木群等植物，當軟巖遇到大量雨水沖刷時，軟巖坡面上的土壤、破碎的砂礫和親水性物質將會隨著雨水流走，導致邊坡滑塌失穩[7-8]。泥沙的流失使道路交通受阻，給人們安全出行帶來極大不便，并且會污染和破壞農田水利設施，嚴重時還會導致泥石流等地質災害的發生，給國民經濟造成巨大損失。固化劑處理軟巖邊坡坡面防護技術的研究，能為軟巖邊坡提供經濟合理、技術可行的坡面防護方案。固化劑技術是一項防災減災、生態環保的坡面防護技術，具有重大的現實意義。基于以上原因，為減少或防止軟巖邊坡災害，確保道路的安全與穩定，保持生態平衡和景觀效果，并降低工程造價和后期養護費用，解決生態防護處治軟巖邊坡技術和材料所帶來的問題迫在眉睫。

1 聚合物固化劑技術

作者采用SEAL-100R材料作為聚合物，美國某公司常青牌中的SEAL-100R是一種不透明白色，不含有石油基、無臭、不含有毒性物質，施工簡便的綠色環保液體[9]。SEAL-100R固化劑技術其過程是：先將SEAL-100R水泥基作為固化劑噴涂在軟巖邊坡上，然后再進行客土(高次團粒)噴播，利用其固化層密水性和客土中高分子吸水保水性，使植物能夠長期穩固地在邊坡上正常生長，成功地將軟巖處治與植物防護結合起來，達到了軟巖防護與生態環保的雙重效果。 SEAL-100R能與水泥基發生物理和化學反應，在水泥基內形成不溶的凝膠體延長水泥基的抗碳化能力，對其結構從內外到外部進行整體防水、密封和保護， 提高水泥基密度并增加其表面耐磨性、耐酸性和化學穩定性，增強水泥基防風化能力和使用壽命，并可封閉水泥砂漿與混凝土毛細孔道和裂紋功能，由于其優良的特性，已被廣泛應用于建筑行業中不同的領域[10]。主要用于街道，公路水泥混凝土路面、橋梁、停車場、機場道面、水壩、人行道、車道、地下室、隧道，特別是近年來在新建路橋和舊混凝土維修等項目中展現出很大的優越性，但在軟巖邊坡防護工程中屬首次應用。

2 軟巖邊坡實例分析

2.1 依托工程介紹

2.1.1工程概況

工程路線起于竹嵐腳，向西南方向跨越彭溪，設置隧道穿越昌基嶺，經昌基村、白雞母崗、內垟、水井丘、門樓厝、梅家宅，在矴步頭轉向東南方向沿溪至工程終點X709(老58省道)彭溪鎮矴步腳橋東[3]。

2.2 SEAL-100R水泥基處治軟巖邊坡的設計方案

主要研究對象為軟巖坡體的防護，故擬對該項目的第3級邊坡進行SEAL-100R水泥基固化劑處治。現設計變更為：對K6+476.1～K6+597.3段路塹左側第1級、第2級、第3級邊坡防護形式調整。其中：取消第1級系統錨桿，增設第3級系統錨桿，在其中兩段路第3級分別采用SEAL-100R水泥基固化劑處理+高次團粒+系統錨桿和高次團粒+系統錨桿。具體見平面布置圖1。

圖1 K6+520工程地質橫斷面圖

2.3 軟巖邊坡穩定性計算分析

以邊坡穩定性分析軟件為研究工具，利用Rocscience Slide軟件對未設置固化劑層邊坡和設置固化劑層的邊坡穩定性進行剛體極限平衡分析[11-13]。在進行極限平衡分析時,可以在指定范圍內自動搜索最危險的滑移面,同時支持多種常用的極限平衡算法,如Bishop simplified,Ordinary/fellenius， Spencer， Gle/morgenstern-price 法等。該邊坡工程主要是考慮雨水入滲時的情況，選取邊坡特征剖面為研究對象。運用Rocscience Slide軟件對設置固化劑層和未設置固化劑層的邊坡進行穩定性計算分析，輸入邊坡和不同材料的參數，軟件自動搜索出最危險的滑動面參數，計算出安全系數，并對計算出的安全系數進行分析。

2.3.1建立模型

根據SEAL-100R水泥基固化劑的特點,固化劑噴涂后，固化劑層與軟巖巖體緊密地連接在一起，將固化劑層和巖體看成一個整體，相當于改變了軟巖坡面的防水性能、巖面強度和疏水性能。分析中所采用的模型與實際工程中一致,建立的模型如圖2所示。

圖2 邊坡模型

圖2所建立的分析單元為實體邊坡設計的結構形式，層號①為強風化晶(玻)屑凝灰巖:淺灰色,灰黃色，軟弱，破碎，巖芯呈碎塊狀，碎石狀，節理裂隙很發育，不)屑凝灰結構,塊狀構造，節理裂隙較發育,微張-規則的形狀，開口間隙，填充泥，表面粗糙，鐵和錳的質量渲染強烈，RQ= 0，厚度5～9 m，屬軟巖。層號②屬中風化晶(玻)屑凝灰巖:淺灰色,巖質較堅硬,晶(玻閉合，面平直，鐵錳質渲染，軸心夾角40～45°，2～3條/m，5～15°，3～5條/m,25°～35°，2～3條/m，RQD=46.7%，層厚10～12 m，屬次堅石。本邊坡錨桿按2 m×2 m的間距布置,直徑25 mm,長9 m,最大容許應力為360 MPa。

2.3.2計算條件

考慮雨水入滲時軟巖土體重度增大，內摩擦角、黏黏聚力降低的情況[14]。因邊坡巖質中風化層層理明顯、面平直，故假定滑動面形式為圓弧滑動面。圓弧條分法是目前廣泛采用的邊坡穩定分析方法， 為了使邊坡穩定安全系數的結果更加精確，選擇了4種計算方式同時運算，有簡化畢肖普法(Bishop simplified), 常規費倫紐斯法(Ordinary/fellenius)，斯賓塞法(Spencer)，摩根斯坦-普瑞斯法(Gle/morgenstern-price)，將此4種結果進行相互比較驗證分析，最終得出邊坡穩定安全系數。其中，邊坡設計采用簡化畢肖普法(Bishop simplified)，此種方法在工程計算中較常用，本研究最后安全系數的結果以Bishop法結果為準[15-18]。計算時,以3 m的步距在全局范圍內讓軟件自動搜索最危險滑面。強風化晶(玻)屑凝灰巖+SEAL-100R固化劑參數選取：固化劑噴涂后，固化劑層與軟巖巖體緊密的連接在一起，因固化劑層改善巖體坡面，能阻止雨水入滲時巖土體重度增大，內摩擦角、黏黏聚力降低，故選取強風化晶(玻)屑凝灰巖天然的抗剪強度指標作為地質參數(根據依托工程勘測設計單位提供的巖土體物理力學參數)，其他巖層的主要參數值見表1。

表1 材料參數

2.3.3計算結果與分析

(1)工況1： 未設置固化劑層的邊坡穩定性評價，如圖3所示。

圖3 無固化劑層時的安全系數

(2)工況2：設置固化劑層的邊坡穩定性評價，如圖4所示。

圖4 有固化劑層時的安全系數

(3)工況3：設置固化劑層但減少25%的錨桿的邊坡穩定性評價。

原邊坡錨桿按2 m ×2 m的間距布置,直徑25 mm,長9 m；現假定工況3將錨桿減少25%，錨桿按2.8 m × 2.8 m的間距布置,直徑25 mm,長9 m 布置。采用Slide軟件自動搜索最危險滑動面的安全系數，結果如圖5所示。

圖5 有固化劑層減少錨桿25%時的安全系數

從圖3可以看出，未設置固化劑時的最危險滑動面的安全系數為1.199；從圖4可以看出，設置固化劑時的最危險滑動面的安全系數為1.281；從圖5可以看出，設置固化劑層減少錨桿數量25%時的最危險滑動面的安全系數為1.238。本研究邊坡屬二級公路邊坡，設計初始參照《公路路基設計規范》(JTG D30—2004)的標準執行，經查閱，二級公路正常工況下的路塹邊坡安全系數為1.15～1.25。所以設置固化劑層后的邊坡，經穩定性驗算分析，可在原來基礎上減少25%錨桿數量。由于SEAL-100R水泥基固化劑+客土噴播技術在軟巖邊坡防護工程中屬首次應用，為了工程安全保險起見，本試驗邊坡最終按工況2實施。

表2 不同計算方法時安全系數

從表2可以看出：軟巖邊坡設置固化劑層后，極大的提高了邊坡的安全系數。當考慮雨水入滲時，未設置固化劑層的軟巖邊坡坡體因雨水導致土體重度增大，內摩擦角、黏黏聚力降低；設置固化劑層后能改善軟巖坡面的性質，從而阻止了軟巖坡體的水損壞和穩定性。軟巖邊坡在有滲水影響時，設置固化劑層的安全系數比未設置固化劑層的安全系數有很大的提高。

3 固化與綠化效果觀測

通過施工監測(包括對軟巖邊坡滑動監測和對治理工程的監測)，在固化劑處理邊坡坡面施工過程中，如遇到工程技術安全問題，及時上報監理、業主和設計方，通過討論解決施工實際問題，完善設計施工圖紙，總結固化劑施工和設計經驗。

3.1 監測內容與要求

(1)監測內容

① 邊坡軟巖碎石脫落和滑塌對公路施工的危害觀測；

② 固化劑層和客土層穩定性觀測；

③ 邊坡綠化效果監測。

(2)監測要求

邊坡固化后對固化劑層外觀和穩定性監測；綠化效果從噴播后就開始定期觀察，觀測綠化植物前期、中期和后期的生長狀況和生長優勢，對后期進行觀測植物季節演替規律變化，另局部未達到綠化要求時應及時補噴或采取其他措施處理。

(3)監測范圍

主要對整個邊坡植被生長狀況的觀測，噴涂固化劑后植物生長狀況和未噴涂固化劑邊坡植物生長狀況的區別，判別植物在哪種生長環境下更有優勢，進而可以研究不同的固化劑種類及更適合植物生長的固化劑。

(4)觀測精度要求

① 固化劑施工后觀測：邊坡坡面固化施工后外觀完好、無損壞，膜層整體性好，固化劑層與客土層粘結緊密且穩定性好。

② 植被生長狀況觀測：前期比較植物在哪種環境下出苗快和灌木率高，中期比較植物生長速度快和茂盛程度好，后期比較植物與固化劑層的適用性，均應有照片為證。

3.2 SEAL-100R水泥基處治后邊坡觀測結果

(1)固化劑噴涂后外觀情況

噴涂后整體效果見圖6。

圖6 噴涂后整體效果

(2)客土噴播后綠化觀測情況

試驗邊坡于2014年5月24日所有坡面均已施工完成，作者對綠化施工后4，7，15，20 d，2個月和1年3個月后的試驗邊坡綠化效果進行觀測，效果見圖7。

圖7 邊坡綠化效果

固化劑層施工完后，以高羊茅、百喜草、狗牙根、紫花苜蓿、傘房決明、馬棘木蘭，夾竹桃混合客土進行噴播綠化。從上述綠化觀測效果圖可以看出：施工4 d后，首先是高羊茅、百喜草、狗牙根草本已長出，少部分紫花苜蓿長出兩葉；施工7 d后，草本植物已生長至3 cm左右，部分傘房決明、馬棘木蘭，夾竹桃灌木已長出兩葉；施工20 d后，大部分灌木和草種已發芽長出；兩個月后，高羊茅、百喜草、狗牙根、紫花苜蓿等草本已長至20～30 cm高，傘房決明、馬棘木蘭，夾竹桃等灌木已長至10～20 cm高，經固化劑處理的試驗坡的植物比未經固化劑處理的試驗坡的植物生長茂盛。原因為：有固化劑邊坡上的雨水和肥料水經客土層滲到固化劑上，固化劑層的不透水性和保水性及客土中高分子吸水保水性，將肥水和植物生長需的雨水存儲在固化劑層表面孔隙中和客土里高分子吸水材料中，當植物需水和養分時可直接汲取，所以植物生長較快。未設置固化劑層的邊坡。雨水和肥水經客土層直接滲到軟巖巖體內，當植物需要汲取養分時，養分都處于分散狀態，所以植物生長較慢。1年3個月后，經過一個季節的演替后，可以看出高羊茅、和紫花苜蓿已長至80～100 cm高，傘房決明、馬棘木蘭，夾竹桃已長至120～150 cm高，高羊茅、紫花苜蓿、傘房決明、馬棘木蘭和夾竹桃均生長較好，經SEAL-100R處治的邊坡綠化效果明顯優于其他邊坡，灌木生長完全。

4 結論

(1)SEAL-100R水泥基固化劑噴涂后，對固化效果進行觀測，SEAL-100R水泥基固化劑進行坡面防護后能有效防止雨水入滲、封閉軟巖表層空隙和節理、黏結軟巖表層松散顆粒；

(2)考慮滲水影響時，軟巖邊坡設置了固化劑層時最危險滑動面的安全系數比未設置固化劑時最危險滑動面的安全系數高。設置固化劑層后的邊坡，經穩定性驗算分析，可在原來基礎上減少25%錨桿數量。

(3)根據溫州某軟巖工程項目的試驗路段，選擇采用了先SEAL-100R水泥基固化劑處理后再進行客土噴播的技術，不僅可以實現軟巖邊坡綠化，還能降低成本且綠化效果比較明顯。