周正軍 許文年 劉大翔 蔡顯楊

（三峽大學(xué)三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 宜昌 443002）

基礎(chǔ)建設(shè)過程中形成了大量裸露巖質(zhì)邊坡,邊坡表層植被遭工程活動(dòng)破壞后很難自行恢復(fù).植被混凝土護(hù)坡技術(shù)[1]采用特定的混凝土配方和種子配方對(duì)巖質(zhì)邊坡進(jìn)行防護(hù)和綠化,兼顧了邊坡防護(hù)工程效應(yīng)和生態(tài)效應(yīng),得到了較為廣泛的應(yīng)用.在護(hù)坡修復(fù)過程中,護(hù)坡基材是植被生長(zhǎng)的載體,也是植被混凝土護(hù)坡的主要功能構(gòu)件之一,其力學(xué)穩(wěn)定性是邊坡生態(tài)修復(fù)的前提和必然保證.

1 施工初期基材穩(wěn)定性影響因素及措施

植被混凝土是把水泥、土、有機(jī)質(zhì)、添加劑、混合植綠種子按特定比例,加一定量的水充分?jǐn)嚢韬笮纬傻幕旌衔颷1].其與一般混凝土在骨料的粘結(jié)方式和要求標(biāo)準(zhǔn)不同,而與水泥土在組成成分和力學(xué)性質(zhì)的影響因素方面有相似之處[2].植被混凝土的特點(diǎn)是:為滿足植物生長(zhǎng),在水泥土中添加了一些特殊的成分.因此,施工初期基材的穩(wěn)定性主要與邊坡狀況、基材成分配比以及掛網(wǎng)和錨釘?shù)倪x擇和布置有關(guān).本文考慮基材層穩(wěn)定、基材與掛網(wǎng)的接觸穩(wěn)定和基材層與坡面接觸穩(wěn)定.

1.1 邊坡狀況

待修復(fù)的巖質(zhì)邊坡坡面必須是安全穩(wěn)定的,具體要求為:無(wú)滑坡崩塌等現(xiàn)象；坡面上無(wú)較大的孤石、浮石；邊坡坡度符合設(shè)計(jì)要求.如邊坡坡面未達(dá)到要求,應(yīng)進(jìn)行整修處理.

1.2 基材成分配比

植被混凝土基材是以壤土為介質(zhì),摻入適當(dāng)比例的有機(jī)質(zhì)、水泥、保水劑和綠化添加劑（三峽大學(xué)專利產(chǎn)品）加水混合而成.其自身需要滿足植物生長(zhǎng)對(duì)水、肥、氣的需要,同時(shí)也要有足夠的自穩(wěn)強(qiáng)度.

有機(jī)質(zhì)在綠化修復(fù)過程中通過自身的分解為植被前期的生長(zhǎng)提供持續(xù)肥料,但也制約著植被混凝土的強(qiáng)度.儲(chǔ)誠(chéng)富等[3]通過對(duì)水泥土進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),有機(jī)質(zhì)含量對(duì)試驗(yàn)土強(qiáng)度影響最大.郭宏峰[4],徐超等[5]通過研究表明,有機(jī)質(zhì)含量的增大,抑制了水泥水化產(chǎn)物的生成,同時(shí)還分解部分水化產(chǎn)物,使其生成總量下降,固結(jié)體孔隙度增大,強(qiáng)度相應(yīng)降低.當(dāng)有機(jī)質(zhì)的含量超過6%時(shí),水泥土的強(qiáng)度隨齡期的增長(zhǎng)很緩慢,當(dāng)含量達(dá)15%時(shí),水泥的水化反應(yīng)幾乎停止.雖然有機(jī)質(zhì)的加入能提高植被混凝土的肥力和松散度,改善植物生長(zhǎng)的環(huán)境,但降低了土體的強(qiáng)度.目前,實(shí)際工程中為滿足基材自身穩(wěn)定,基材有機(jī)質(zhì)摻量不能超過6%.

水泥是膠凝材料,其強(qiáng)度遠(yuǎn)大于原狀土.植被混凝土中加入水泥能提高土體無(wú)側(cè)限抗壓度[1],同樣也會(huì)增強(qiáng)其致密性.朱伶俐[6],李建化[7]通過對(duì)綠色多孔混凝土的研究表明,水泥通過膠結(jié)會(huì)減小混凝土的空隙和透水系數(shù).通常在植被混凝土孔隙率達(dá)25%～33%時(shí),通過大孔蓄容作用,混凝土體可以向底土疏導(dǎo)降水,蓄容塵土和有機(jī)物質(zhì),在根須通過時(shí)獲得養(yǎng)料,利于植物生長(zhǎng).因此,在利用植被混凝土技術(shù)進(jìn)行巖質(zhì)邊坡修復(fù)的過程中保證混凝土強(qiáng)度穩(wěn)定性的同時(shí)也要控制水泥的用量,以保證植被混凝土的空隙度,從而利于植物根系從基材中汲取水和養(yǎng)分,滿足自身生長(zhǎng)需求.

與水有關(guān)的組分對(duì)強(qiáng)度穩(wěn)定的影響.水在植被混凝土護(hù)坡中主要起兩個(gè)作用.一是保證土的流動(dòng)性以方便施工,另一方面為植物的生長(zhǎng)提供水分.加入水量需合適,過少則影響正常施工和土體的粘結(jié)強(qiáng)度；過多則由于孔隙水壓力的作用,土體的抗剪強(qiáng)度會(huì)降低.水分的選取很重要,要結(jié)合植綠邊坡的工況,所選綠化植物對(duì)水分需求等綜合考慮.

綠化添加劑是三峽大學(xué)專利產(chǎn)品,主要功能是改良護(hù)坡基材性能,對(duì)植被混凝土強(qiáng)度不產(chǎn)生大的影響卻能很好地促進(jìn)植物生長(zhǎng)[1].例如植被混凝土中因摻入水泥會(huì)使土體偏堿性,摻入添加劑可以降低土體的pH值,滿足植物正常生長(zhǎng)需求.

1.3 掛網(wǎng)的選擇和布置

在工程活動(dòng)中形成的巖石邊坡坡度大多在1∶0.75以上,護(hù)坡基材很難直接固定在坡面上,往往要借助掛網(wǎng)的作用.植被護(hù)坡常用的掛網(wǎng)是三圍植被固土網(wǎng),面層外觀凹凸不平,材質(zhì)疏松柔韌,留有較大空間可充填土壤及沙粒,并且具有延伸率低、強(qiáng)度高的特性,具備防止坡體下滑的作用.植物的根系可從整個(gè)植被網(wǎng)中舒適均衡地穿過.這樣植被、掛網(wǎng)和泥土3者形成一種牢固的復(fù)合力學(xué)體系,從而達(dá)到邊坡防護(hù)目的.

在坡面植物沒有成型時(shí),掛網(wǎng)與基材結(jié)合面穩(wěn)定性只考慮掛網(wǎng)和基質(zhì)的作用.掛網(wǎng)的加筋在一定程度上能改善基材接觸環(huán)境,也約束了其整體變形.植被混凝土可以承受一定的壓力和剪切力,但抗拉性能很差,因此掛網(wǎng)的網(wǎng)孔宜采用多邊形,可以減小應(yīng)力集中；掛網(wǎng)的網(wǎng)孔不易過大以避免柔性過大而失去穩(wěn)定；在考慮經(jīng)濟(jì)因素條件下適當(dāng)增加網(wǎng)絲的粗糙度和直徑以加大摩擦和接觸面；在考慮施工方施工方便條件下加大網(wǎng)面的粗糙度,利用網(wǎng)面的凹凸處理來(lái)增大網(wǎng)與基材的咬合力.

1.4 錨釘?shù)倪x擇和布置

基材最終固定在巖石坡面上才能發(fā)揮其載體作用.基材與邊坡結(jié)合面上有兩部分力的作用:錨釘?shù)腻^固作用和基材本身與巖石表面的吸附作用.植被護(hù)坡的前提是邊坡體自身是穩(wěn)定的,錨釘?shù)淖饔檬菍⒒墓潭ㄔ谄旅嫔?不考慮其參與工程防護(hù).基材與巖石坡面的吸附作用采用強(qiáng)度折減理論來(lái)考慮.

式中,cinter、φinter分別為接觸面的強(qiáng)度參數(shù),按（2）（3）式考慮,Rinter為接觸面強(qiáng)度折減系數(shù).

圖1 基材與坡面結(jié)合面受力情況

取單位寬度邊坡體進(jìn)行定性計(jì)算.下滑力為基材和掛網(wǎng)重力沿坡面方向分量；而抗滑力為錨釘錨固阻力和基材與坡面作用力 f.假設(shè)單位寬度內(nèi)沿著坡軸線布置的錨釘數(shù)目為n；錨釘提供沿坡面的力為T.G為基材加上掛網(wǎng)的重量；α為邊坡坡度；f為基質(zhì)與邊坡面層的作用.

基材的穩(wěn)定系數(shù)表現(xiàn)為抗滑力Ff與滑動(dòng)力Fs的比值.

根據(jù)工程實(shí)際計(jì)算得到的下滑力可以反算出錨釘沿坡面布置的密度關(guān)系式（只考慮接觸面破壞）,在給定錨釘材料情況下有關(guān)系式,式中,n為單位寬度沿坡長(zhǎng)布置的錨釘數(shù).

錨釘支護(hù)時(shí),錨固力一般取錨釘抗拔力和抗拉力間的較小值,應(yīng)合理選擇錨釘?shù)牟牧?、外觀形狀和布置方式.基材固定在坡面上靠錨桿、水泥粘結(jié)力和植物根系作用,在植被未成型時(shí)要合理選取錨桿的密度和布置方式以保證基材的穩(wěn)定.

2 植被成型后基材穩(wěn)定性

2.1 植物地上部分作用

植物覆蓋達(dá)到一定程度后,可以通過地上部分的降雨截留作用對(duì)坡面基材進(jìn)行防護(hù).實(shí)踐證明[8],當(dāng)坡面植被覆蓋度達(dá)到75%以上時(shí),植物通過莖、葉的作用降低坡面徑流作用,減小降雨對(duì)坡面基材的侵蝕,降低雨水的下滲速率,減小水分對(duì)基材強(qiáng)度的影響.

2.2 植物根系作用

考慮巖質(zhì)邊坡實(shí)際工況和植被混凝土護(hù)坡基材厚度,選用的護(hù)坡植物要有較強(qiáng)的抗逆性,根系發(fā)達(dá)擴(kuò)張性強(qiáng),以草本植物和小灌木為主.當(dāng)植被成型后,植被通過根系的力學(xué)效應(yīng)和水文效應(yīng)影響到護(hù)坡基材的穩(wěn)定.

通常植物根系能通過對(duì)基材土體的纏繞、網(wǎng)固顯著改善基質(zhì)的力學(xué)性質(zhì).研究[9-13]表明,細(xì)根系特別是草本植物根系能大幅度提高根-土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度,而對(duì)于有風(fēng)化節(jié)理的巖質(zhì)坡面,小灌木根系的錨固作用也很明顯.

沿坡面方向的根系作用可以用加筋理論來(lái)說(shuō)明.土體受壓發(fā)生變形時(shí),由于根系的彈性模量比土大,根系與土體會(huì)產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)的趨勢(shì),根系通過與土體接觸面間的摩擦作用來(lái)限制土體變形.此時(shí),含根土相當(dāng)于在無(wú)根土體在側(cè)向施加了一個(gè)附加圍壓Δ σ3作用.體現(xiàn)在摩爾-庫(kù)倫圓上就是附加的圍壓增強(qiáng)了土體抗剪能力.

垂直于坡面根系對(duì)土體的作用實(shí)質(zhì)上是根系在剪切區(qū)發(fā)生變形將自身的抗拉能力部分或全部轉(zhuǎn)化為土體的抗剪強(qiáng)度.根系處在土體剪切變形區(qū)域時(shí),根系會(huì)發(fā)生變形產(chǎn)生拉應(yīng)力,通過與土體的接觸實(shí)現(xiàn)應(yīng)力的轉(zhuǎn)化,受力如圖2所示.T通常小于根系的極限拉應(yīng)力,即根系抗拉作用對(duì)土體抗剪強(qiáng)度貢獻(xiàn)會(huì)有折減.θ為剪切區(qū)根系的剪切變形角；φ為土的內(nèi)摩擦角；T為根系極限抗拉能力；A1/A根、土面積比.

圖2 根系在剪切區(qū)變形

實(shí)驗(yàn)研究表明根系的網(wǎng)絡(luò)和加筋作用大幅度提高了土體的抗剪強(qiáng)度,表現(xiàn)在根系的平行加筋和自身的抗拉作用上[9-11].特別地,根系在變形過程中都會(huì)經(jīng)歷彈性形變階段、塑性形變階段和強(qiáng)化階段,根系隨著邊坡修復(fù)過程的發(fā)展,防護(hù)系統(tǒng)抵抗土體滑動(dòng)的能力不斷增強(qiáng),即隨著坡面植物的繁衍基材層不單純依靠掛網(wǎng)和錨固構(gòu)件來(lái)維持自身的穩(wěn)定.另外,根系密集且毛細(xì)根分布較多的淺層土體具有較大的抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和抗變形能力,對(duì)防治邊坡表層水土流失、增強(qiáng)根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度、減緩與防治邊坡的滑移變形具有重要作用[10,12].當(dāng)植物在坡面上成型根系網(wǎng)絡(luò)整個(gè)基材層,那時(shí)基材穩(wěn)定性會(huì)更強(qiáng).

在坡面基巖存在風(fēng)化的情況下,植被特別是小灌木對(duì)基材層還有很好的錨固作用.一般情況下,灌木在基巖上錨固作用隨生物指標(biāo)的變大而增加,表明生物指標(biāo)越高,其力學(xué)作用越強(qiáng).但這并不說(shuō)明生物指標(biāo)越高越好,因?yàn)檫吰律细叽蟮闹参镉捎谧陨碇亓看?受風(fēng)面積大,將風(fēng)引起的動(dòng)荷載傳遞給邊坡,使邊坡失穩(wěn)的危險(xiǎn)性增加.所以,在對(duì)邊坡進(jìn)行生物防護(hù)時(shí),灌木應(yīng)選擇較低矮但根系發(fā)達(dá)易扎入基巖的品種,才能充分發(fā)揮積極作用.對(duì)巖石邊坡植被護(hù)坡工程而言,由于人為提供的基質(zhì)混合物厚度一般在5～10cm,灌木根系易于穿透而作用于基巖,與自然環(huán)境下類似,在工程設(shè)計(jì)中可結(jié)合灌木根系發(fā)育特征,充分考慮灌木根系與巖體相互作用的力學(xué)效應(yīng),發(fā)揮植物自身的工程潛能.

同時(shí),坡面植被成型后植物根系會(huì)穿插網(wǎng)孔,掛網(wǎng)、根系會(huì)與基材相互結(jié)合.此時(shí)基材與掛網(wǎng)接觸面上除網(wǎng)、土的相互作用之外,植物根系可以通過與土體的接觸、纏繞將根系作用范圍內(nèi)的土體以近似于錨索的形式錨固于掛網(wǎng)上.實(shí)質(zhì)是植物根系通過加筋作用,間接增大了掛網(wǎng)與基材的接觸面積,增強(qiáng)了基材的穩(wěn)定性.

3 結(jié)語(yǔ)與展望

巖質(zhì)邊坡植被護(hù)坡基材力學(xué)穩(wěn)定性與很多因素有關(guān).為達(dá)到護(hù)坡的最終效益,在實(shí)際設(shè)計(jì)與施工中需進(jìn)行全面考慮.

（1）噴混植綠前要保證坡面自身的穩(wěn)定,有必要進(jìn)行相關(guān)工程措施以達(dá)到最佳工程效果；

（2）基材各組分在一定程度上影響基材自身的強(qiáng)度,應(yīng)兼顧植被所需生長(zhǎng)條件合理?yè)奖龋?/p>

（3）掛網(wǎng)與基材間的接觸穩(wěn)定與掛網(wǎng)的網(wǎng)孔和網(wǎng)表面的粗糙度等各方面因素有關(guān),基材與巖石坡面的接觸穩(wěn)定性與錨釘?shù)拿芏扰c布置方式有關(guān),應(yīng)兼顧經(jīng)濟(jì)和施工條件合理考慮；

（4）理論上認(rèn)識(shí)植物的護(hù)坡作用,為實(shí)際工程中植物選種和播種密度提供技術(shù)參考；

（5）巖質(zhì)坡面植被護(hù)坡基材穩(wěn)定除了力學(xué)穩(wěn)定保證外,基材肥力的持續(xù)、群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定也影響到護(hù)坡效果；再者,在有根系、水共同作用時(shí)基材與巖石坡面間接觸穩(wěn)定關(guān)系還有待深入探討.

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