蘇成林

(交通運(yùn)輸部公路科學(xué)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(wěn)定、軟巖巖體的性質(zhì)和邊坡巖面與客土間的化學(xué)物理作用，與我們的工程建設(shè)息息相關(guān)。軟巖邊坡的固化與否，直接影響邊坡的水損害和穩(wěn)定性。公路軟巖邊坡都沒有專門為環(huán)境和生態(tài)保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)劃，漿砌片石和混凝土等護(hù)坡在邊坡支護(hù)中較為常見，此類護(hù)坡方式主要以穩(wěn)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(huì)有少量的綠化植物設(shè)計(jì)，但這些植物往往是一些草皮或爬藤植物，沒有對(duì)整個(gè)邊坡綠化進(jìn)行考慮，且美觀上顯得單調(diào)。軟巖邊坡上缺乏小灌木群等植物，當(dāng)軟巖遇到大量雨水沖刷時(shí)，軟巖坡面上的土壤、破碎的砂礫和親水性物質(zhì)將會(huì)隨著雨水流走，導(dǎo)致邊坡滑塌失穩(wěn)[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(huì)污染和破壞農(nóng)田水利設(shè)施，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，給國民經(jīng)濟(jì)造成巨大損失。固化劑處理軟巖邊坡坡面防護(hù)技術(shù)的研究，能為軟巖邊坡提供經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行的坡面防護(hù)方案。固化劑技術(shù)是一項(xiàng)防災(zāi)減災(zāi)、生態(tài)環(huán)保的坡面防護(hù)技術(shù)，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義?；谝陨显?，為減少或防止軟巖邊坡災(zāi)害，確保道路的安全與穩(wěn)定，保持生態(tài)平衡和景觀效果，并降低工程造價(jià)和后期養(yǎng)護(hù)費(fèi)用，解決生態(tài)防護(hù)處治軟巖邊坡技術(shù)和材料所帶來的問題迫在眉睫。

1 聚合物固化劑技術(shù)

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(zhì)，施工簡便的綠色環(huán)保液體[9]。SEAL-100R固化劑技術(shù)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(jìn)行客土(高次團(tuán)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(wěn)固地在邊坡上正常生長，成功地將軟巖處治與植物防護(hù)結(jié)合起來，達(dá)到了軟巖防護(hù)與生態(tài)環(huán)保的雙重效果。 SEAL-100R能與水泥基發(fā)生物理和化學(xué)反應(yīng)，在水泥基內(nèi)形成不溶的凝膠體延長水泥基的抗碳化能力，對(duì)其結(jié)構(gòu)從內(nèi)外到外部進(jìn)行整體防水、密封和保護(hù)， 提高水泥基密度并增加其表面耐磨性、耐酸性和化學(xué)穩(wěn)定性，增強(qiáng)水泥基防風(fēng)化能力和使用壽命，并可封閉水泥砂漿與混凝土毛細(xì)孔道和裂紋功能，由于其優(yōu)良的特性，已被廣泛應(yīng)用于建筑行業(yè)中不同的領(lǐng)域[10]。主要用于街道，公路水泥混凝土路面、橋梁、停車場、機(jī)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(xiàng)目中展現(xiàn)出很大的優(yōu)越性，但在軟巖邊坡防護(hù)工程中屬首次應(yīng)用。

2 軟巖邊坡實(shí)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(shè)置隧道穿越昌基嶺，經(jīng)昌基村、白雞母崗、內(nèi)垟、水井丘、門樓厝、梅家宅，在矴步頭轉(zhuǎn)向東南方向沿溪至工程終點(diǎn)X709(老58省道)彭溪鎮(zhèn)矴步腳橋東[3]。

2.2 SEAL-100R水泥基處治軟巖邊坡的設(shè)計(jì)方案

主要研究對(duì)象為軟巖坡體的防護(hù)，故擬對(duì)該項(xiàng)目的第3級(jí)邊坡進(jìn)行SEAL-100R水泥基固化劑處治?，F(xiàn)設(shè)計(jì)變更為：對(duì)K6+476.1～K6+597.3段路塹左側(cè)第1級(jí)、第2級(jí)、第3級(jí)邊坡防護(hù)形式調(diào)整。其中：取消第1級(jí)系統(tǒng)錨桿，增設(shè)第3級(jí)系統(tǒng)錨桿，在其中兩段路第3級(jí)分別采用SEAL-100R水泥基固化劑處理+高次團(tuán)粒+系統(tǒng)錨桿和高次團(tuán)粒+系統(tǒng)錨桿。具體見平面布置圖1。

圖1 K6+520工程地質(zhì)橫斷面圖

2.3 軟巖邊坡穩(wěn)定性計(jì)算分析

以邊坡穩(wěn)定性分析軟件為研究工具，利用Rocscience Slide軟件對(duì)未設(shè)置固化劑層邊坡和設(shè)置固化劑層的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行剛體極限平衡分析[11-13]。在進(jìn)行極限平衡分析時(shí),可以在指定范圍內(nèi)自動(dòng)搜索最危險(xiǎn)的滑移面,同時(shí)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(shí)的情況，選取邊坡特征剖面為研究對(duì)象。運(yùn)用Rocscience Slide軟件對(duì)設(shè)置固化劑層和未設(shè)置固化劑層的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算分析，輸入邊坡和不同材料的參數(shù)，軟件自動(dòng)搜索出最危險(xiǎn)的滑動(dòng)面參數(shù)，計(jì)算出安全系數(shù)，并對(duì)計(jì)算出的安全系數(shù)進(jìn)行分析。

2.3.1建立模型

根據(jù)SEAL-100R水泥基固化劑的特點(diǎn),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(gè)整體，相當(dāng)于改變了軟巖坡面的防水性能、巖面強(qiáng)度和疏水性能。分析中所采用的模型與實(shí)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(shí)體邊坡設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)形式，層號(hào)①為強(qiáng)風(fēng)化晶(玻)屑凝灰?guī)r:淺灰色,灰黃色，軟弱，破碎，巖芯呈碎塊狀，碎石狀，節(jié)理裂隙很發(fā)育，不)屑凝灰結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙較發(fā)育,微張-規(guī)則的形狀，開口間隙，填充泥，表面粗糙，鐵和錳的質(zhì)量渲染強(qiáng)烈，RQ= 0，厚度5～9 m，屬軟巖。層號(hào)②屬中風(fēng)化晶(玻)屑凝灰?guī)r:淺灰色,巖質(zhì)較堅(jiān)硬,晶(玻閉合，面平直，鐵錳質(zhì)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(jiān)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(yīng)力為360 MPa。

2.3.2計(jì)算條件

考慮雨水入滲時(shí)軟巖土體重度增大，內(nèi)摩擦角、黏黏聚力降低的情況[14]。因邊坡巖質(zhì)中風(fēng)化層層理明顯、面平直，故假定滑動(dòng)面形式為圓弧滑動(dòng)面。圓弧條分法是目前廣泛采用的邊坡穩(wěn)定分析方法， 為了使邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的結(jié)果更加精確，選擇了4種計(jì)算方式同時(shí)運(yùn)算，有簡化畢肖普法(Bishop simplified), 常規(guī)費(fèi)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(jié)果進(jìn)行相互比較驗(yàn)證分析，最終得出邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)。其中，邊坡設(shè)計(jì)采用簡化畢肖普法(Bishop simplified)，此種方法在工程計(jì)算中較常用，本研究最后安全系數(shù)的結(jié)果以Bishop法結(jié)果為準(zhǔn)[15-18]。計(jì)算時(shí),以3 m的步距在全局范圍內(nèi)讓軟件自動(dòng)搜索最危險(xiǎn)滑面。強(qiáng)風(fēng)化晶(玻)屑凝灰?guī)r+SEAL-100R固化劑參數(shù)選?。汗袒瘎﹪娡亢?，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(shí)巖土體重度增大，內(nèi)摩擦角、黏黏聚力降低，故選取強(qiáng)風(fēng)化晶(玻)屑凝灰?guī)r天然的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)作為地質(zhì)參數(shù)(根據(jù)依托工程勘測設(shè)計(jì)單位提供的巖土體物理力學(xué)參數(shù))，其他巖層的主要參數(shù)值見表1。

表1 材料參數(shù)

2.3.3計(jì)算結(jié)果與分析

(1)工況1： 未設(shè)置固化劑層的邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，如圖3所示。

圖3 無固化劑層時(shí)的安全系數(shù)

(2)工況2：設(shè)置固化劑層的邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，如圖4所示。

圖4 有固化劑層時(shí)的安全系數(shù)

(3)工況3：設(shè)置固化劑層但減少25%的錨桿的邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

原邊坡錨桿按2 m ×2 m的間距布置,直徑25 mm,長9 m；現(xiàn)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(dòng)搜索最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的安全系數(shù)，結(jié)果如圖5所示。

圖5 有固化劑層減少錨桿25%時(shí)的安全系數(shù)

從圖3可以看出，未設(shè)置固化劑時(shí)的最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的安全系數(shù)為1.199；從圖4可以看出，設(shè)置固化劑時(shí)的最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的安全系數(shù)為1.281；從圖5可以看出，設(shè)置固化劑層減少錨桿數(shù)量25%時(shí)的最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的安全系數(shù)為1.238。本研究邊坡屬二級(jí)公路邊坡，設(shè)計(jì)初始參照《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30—2004)的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，經(jīng)查閱，二級(jí)公路正常工況下的路塹邊坡安全系數(shù)為1.15～1.25。所以設(shè)置固化劑層后的邊坡，經(jīng)穩(wěn)定性驗(yàn)算分析，可在原來基礎(chǔ)上減少25%錨桿數(shù)量。由于SEAL-100R水泥基固化劑+客土噴播技術(shù)在軟巖邊坡防護(hù)工程中屬首次應(yīng)用，為了工程安全保險(xiǎn)起見，本試驗(yàn)邊坡最終按工況2實(shí)施。

表2 不同計(jì)算方法時(shí)安全系數(shù)

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

3 固化與綠化效果觀測

通過施工監(jiān)測(包括對(duì)軟巖邊坡滑動(dòng)監(jiān)測和對(duì)治理工程的監(jiān)測)，在固化劑處理邊坡坡面施工過程中，如遇到工程技術(shù)安全問題，及時(shí)上報(bào)監(jiān)理、業(yè)主和設(shè)計(jì)方，通過討論解決施工實(shí)際問題，完善設(shè)計(jì)施工圖紙，總結(jié)固化劑施工和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

3.1 監(jiān)測內(nèi)容與要求

(1)監(jiān)測內(nèi)容

① 邊坡軟巖碎石脫落和滑塌對(duì)公路施工的危害觀測；

② 固化劑層和客土層穩(wěn)定性觀測；

③ 邊坡綠化效果監(jiān)測。

(2)監(jiān)測要求

邊坡固化后對(duì)固化劑層外觀和穩(wěn)定性監(jiān)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(yōu)勢，對(duì)后期進(jìn)行觀測植物季節(jié)演替規(guī)律變化，另局部未達(dá)到綠化要求時(shí)應(yīng)及時(shí)補(bǔ)噴或采取其他措施處理。

(3)監(jiān)測范圍

主要對(duì)整個(gè)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(qū)別，判別植物在哪種生長環(huán)境下更有優(yōu)勢，進(jìn)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(jié)緊密且穩(wěn)定性好。

② 植被生長狀況觀測：前期比較植物在哪種環(huán)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(yīng)有照片為證。

3.2 SEAL-100R水泥基處治后邊坡觀測結(jié)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(yàn)邊坡于2014年5月24日所有坡面均已施工完成，作者對(duì)綠化施工后4，7，15，20 d，2個(gè)月和1年3個(gè)月后的試驗(yàn)邊坡綠化效果進(jìn)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(jìn)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(fā)芽長出；兩個(gè)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(jīng)固化劑處理的試驗(yàn)坡的植物比未經(jīng)固化劑處理的試驗(yàn)坡的植物生長茂盛。原因?yàn)椋河泄袒瘎┻吰律系挠晁头柿纤?jīng)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(chǔ)在固化劑層表面孔隙中和客土里高分子吸水材料中，當(dāng)植物需水和養(yǎng)分時(shí)可直接汲取，所以植物生長較快。未設(shè)置固化劑層的邊坡。雨水和肥水經(jīng)客土層直接滲到軟巖巖體內(nèi)，當(dāng)植物需要汲取養(yǎng)分時(shí)，養(yǎng)分都處于分散狀態(tài)，所以植物生長較慢。1年3個(gè)月后，經(jīng)過一個(gè)季節(jié)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(jīng)SEAL-100R處治的邊坡綠化效果明顯優(yōu)于其他邊坡，灌木生長完全。

4 結(jié)論

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

(2)考慮滲水影響時(shí)，軟巖邊坡設(shè)置了固化劑層時(shí)最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的安全系數(shù)比未設(shè)置固化劑時(shí)最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的安全系數(shù)高。設(shè)置固化劑層后的邊坡，經(jīng)穩(wěn)定性驗(yàn)算分析，可在原來基礎(chǔ)上減少25%錨桿數(shù)量。

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