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，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地東部邊緣，總體地勢西北高、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)化頁巖，黑灰色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，頁理狀構(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，對邊坡穩(wěn)定不利。邊坡目前自然穩(wěn)定，若受外界開挖擾動，則極易誘發(fā)覆蓋層順巖土界面的淺層滑動，對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)生的滑動變形，這是因?yàn)檫吰麻_挖過程中，地下水在徑流過程中，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。這種類型的破壞，滑動影響范圍往往很大，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)場施工和運(yùn)營。

為了使炭質(zhì)巖邊坡安全穩(wěn)定，必須對邊坡進(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)通過植被種植的方式，來達(dá)到對邊坡的有效防護(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坡面的侵蝕，隨著時(shí)間增長，根系進(jìn)一步生長，錨固作用還會加強(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，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法生長的問題。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，而后隨著灌喬生長最終形成喬灌草多種植物生長的生態(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基質(zhì)，是植物出苗的載體，也是植物生長發(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，會形成植物生長的基層，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，為植物生長提供附著點(diǎn)，不阻礙植被生長，同時(shí)對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：對坡面進(jìn)行平整，清掃坡面的碎石和雜物，對于施工機(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，對坡面起護(hù)坡作用，并為植物生長提供附著點(diǎn)和養(yǎng)分。

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

通過在炭質(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單、有效地確定邊坡安全系數(shù)和滑動面。強(qiáng)度折減法通過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面，就可以通過計(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，混凝土厚度為10 cm，根系為50 cm。在植被生長過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

（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。

（2）按照有無殘積土覆蓋層，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.降雨入滲對炭質(zhì)頁巖邊坡穩(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]鄧勝強(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.