岩质边坡植被混凝土护坡基材力学稳定性探讨

2010-10-22周正军许文年刘大翔蔡显杨

三峡大学学报(自然科学版) 2010年3期

周正军许文年刘大翔蔡显杨

（三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室,湖北宜昌 443002）

基础建设过程中形成了大量裸露岩质边坡,边坡表层植被遭工程活动破坏后很难自行恢复.植被混凝土护坡技术[1]采用特定的混凝土配方和种子配方对岩质边坡进行防护和绿化,兼顾了边坡防护工程效应和生态效应,得到了较为广泛的应用.在护坡修复过程中,护坡基材是植被生长的载体,也是植被混凝土护坡的主要功能构件之一,其力学稳定性是边坡生态修复的前提和必然保证.

1 施工初期基材稳定性影响因素及措施

植被混凝土是把水泥、土、有机质、添加剂、混合植绿种子按特定比例,加一定量的水充分搅拌后形成的混合物[1].其与一般混凝土在骨料的粘结方式和要求标准不同,而与水泥土在组成成分和力学性质的影响因素方面有相似之处[2].植被混凝土的特点是:为满足植物生长,在水泥土中添加了一些特殊的成分.因此,施工初期基材的稳定性主要与边坡状况、基材成分配比以及挂网和锚钉的选择和布置有关.本文考虑基材层稳定、基材与挂网的接触稳定和基材层与坡面接触稳定.

1.1 边坡状况

待修复的岩质边坡坡面必须是安全稳定的,具体要求为:无滑坡崩塌等现象；坡面上无较大的孤石、浮石；边坡坡度符合设计要求.如边坡坡面未达到要求,应进行整修处理.

1.2 基材成分配比

植被混凝土基材是以壤土为介质,掺入适当比例的有机质、水泥、保水剂和绿化添加剂（三峡大学专利产品）加水混合而成.其自身需要满足植物生长对水、肥、气的需要,同时也要有足够的自稳强度.

有机质在绿化修复过程中通过自身的分解为植被前期的生长提供持续肥料,但也制约着植被混凝土的强度.储诚富等[3]通过对水泥土进行室内试验发现,有机质含量对试验土强度影响最大.郭宏峰[4],徐超等[5]通过研究表明,有机质含量的增大,抑制了水泥水化产物的生成,同时还分解部分水化产物,使其生成总量下降,固结体孔隙度增大,强度相应降低.当有机质的含量超过6%时,水泥土的强度随龄期的增长很缓慢,当含量达15%时,水泥的水化反应几乎停止.虽然有机质的加入能提高植被混凝土的肥力和松散度,改善植物生长的环境,但降低了土体的强度.目前,实际工程中为满足基材自身稳定,基材有机质掺量不能超过6%.

水泥是胶凝材料,其强度远大于原状土.植被混凝土中加入水泥能提高土体无侧限抗压度[1],同样也会增强其致密性.朱伶俐[6],李建化[7]通过对绿色多孔混凝土的研究表明,水泥通过胶结会减小混凝土的空隙和透水系数.通常在植被混凝土孔隙率达25%～33%时,通过大孔蓄容作用,混凝土体可以向底土疏导降水,蓄容尘土和有机物质,在根须通过时获得养料,利于植物生长.因此,在利用植被混凝土技术进行岩质边坡修复的过程中保证混凝土强度稳定性的同时也要控制水泥的用量,以保证植被混凝土的空隙度,从而利于植物根系从基材中汲取水和养分,满足自身生长需求.

与水有关的组分对强度稳定的影响.水在植被混凝土护坡中主要起两个作用.一是保证土的流动性以方便施工,另一方面为植物的生长提供水分.加入水量需合适,过少则影响正常施工和土体的粘结强度；过多则由于孔隙水压力的作用,土体的抗剪强度会降低.水分的选取很重要,要结合植绿边坡的工况,所选绿化植物对水分需求等综合考虑.

绿化添加剂是三峡大学专利产品,主要功能是改良护坡基材性能,对植被混凝土强度不产生大的影响却能很好地促进植物生长[1].例如植被混凝土中因掺入水泥会使土体偏碱性,掺入添加剂可以降低土体的pH值,满足植物正常生长需求.

1.3 挂网的选择和布置

在工程活动中形成的岩石边坡坡度大多在1∶0.75以上,护坡基材很难直接固定在坡面上,往往要借助挂网的作用.植被护坡常用的挂网是三围植被固土网,面层外观凹凸不平,材质疏松柔韧,留有较大空间可充填土壤及沙粒,并且具有延伸率低、强度高的特性,具备防止坡体下滑的作用.植物的根系可从整个植被网中舒适均衡地穿过.这样植被、挂网和泥土3者形成一种牢固的复合力学体系,从而达到边坡防护目的.

在坡面植物没有成型时,挂网与基材结合面稳定性只考虑挂网和基质的作用.挂网的加筋在一定程度上能改善基材接触环境,也约束了其整体变形.植被混凝土可以承受一定的压力和剪切力,但抗拉性能很差,因此挂网的网孔宜采用多边形,可以减小应力集中；挂网的网孔不易过大以避免柔性过大而失去稳定；在考虑经济因素条件下适当增加网丝的粗糙度和直径以加大摩擦和接触面；在考虑施工方施工方便条件下加大网面的粗糙度,利用网面的凹凸处理来增大网与基材的咬合力.

1.4 锚钉的选择和布置

基材最终固定在岩石坡面上才能发挥其载体作用.基材与边坡结合面上有两部分力的作用:锚钉的锚固作用和基材本身与岩石表面的吸附作用.植被护坡的前提是边坡体自身是稳定的,锚钉的作用是将基材固定在坡面上,不考虑其参与工程防护.基材与岩石坡面的吸附作用采用强度折减理论来考虑.

式中,cinter、φinter分别为接触面的强度参数,按（2）（3）式考虑,Rinter为接触面强度折减系数.

图1 基材与坡面结合面受力情况

取单位宽度边坡体进行定性计算.下滑力为基材和挂网重力沿坡面方向分量；而抗滑力为锚钉锚固阻力和基材与坡面作用力 f.假设单位宽度内沿着坡轴线布置的锚钉数目为n；锚钉提供沿坡面的力为T.G为基材加上挂网的重量；α为边坡坡度；f为基质与边坡面层的作用.

基材的稳定系数表现为抗滑力Ff与滑动力Fs的比值.

根据工程实际计算得到的下滑力可以反算出锚钉沿坡面布置的密度关系式（只考虑接触面破坏）,在给定锚钉材料情况下有关系式,式中,n为单位宽度沿坡长布置的锚钉数.

锚钉支护时,锚固力一般取锚钉抗拔力和抗拉力间的较小值,应合理选择锚钉的材料、外观形状和布置方式.基材固定在坡面上靠锚杆、水泥粘结力和植物根系作用,在植被未成型时要合理选取锚杆的密度和布置方式以保证基材的稳定.

2 植被成型后基材稳定性

2.1 植物地上部分作用

植物覆盖达到一定程度后,可以通过地上部分的降雨截留作用对坡面基材进行防护.实践证明[8],当坡面植被覆盖度达到75%以上时,植物通过茎、叶的作用降低坡面径流作用,减小降雨对坡面基材的侵蚀,降低雨水的下渗速率,减小水分对基材强度的影响.

2.2 植物根系作用

考虑岩质边坡实际工况和植被混凝土护坡基材厚度,选用的护坡植物要有较强的抗逆性,根系发达扩张性强,以草本植物和小灌木为主.当植被成型后,植被通过根系的力学效应和水文效应影响到护坡基材的稳定.

通常植物根系能通过对基材土体的缠绕、网固显著改善基质的力学性质.研究[9-13]表明,细根系特别是草本植物根系能大幅度提高根-土复合体的抗剪强度,而对于有风化节理的岩质坡面,小灌木根系的锚固作用也很明显.

沿坡面方向的根系作用可以用加筋理论来说明.土体受压发生变形时,由于根系的弹性模量比土大,根系与土体会产生相对滑动的趋势,根系通过与土体接触面间的摩擦作用来限制土体变形.此时,含根土相当于在无根土体在侧向施加了一个附加围压Δ σ3作用.体现在摩尔-库伦圆上就是附加的围压增强了土体抗剪能力.

垂直于坡面根系对土体的作用实质上是根系在剪切区发生变形将自身的抗拉能力部分或全部转化为土体的抗剪强度.根系处在土体剪切变形区域时,根系会发生变形产生拉应力,通过与土体的接触实现应力的转化,受力如图2所示.T通常小于根系的极限拉应力,即根系抗拉作用对土体抗剪强度贡献会有折减.θ为剪切区根系的剪切变形角；φ为土的内摩擦角；T为根系极限抗拉能力；A1/A根、土面积比.

图2 根系在剪切区变形

实验研究表明根系的网络和加筋作用大幅度提高了土体的抗剪强度,表现在根系的平行加筋和自身的抗拉作用上[9-11].特别地,根系在变形过程中都会经历弹性形变阶段、塑性形变阶段和强化阶段,根系随着边坡修复过程的发展,防护系统抵抗土体滑动的能力不断增强,即随着坡面植物的繁衍基材层不单纯依靠挂网和锚固构件来维持自身的稳定.另外,根系密集且毛细根分布较多的浅层土体具有较大的抗拉强度、抗剪强度和抗变形能力,对防治边坡表层水土流失、增强根-土复合体抗剪强度、减缓与防治边坡的滑移变形具有重要作用[10,12].当植物在坡面上成型根系网络整个基材层,那时基材稳定性会更强.

在坡面基岩存在风化的情况下,植被特别是小灌木对基材层还有很好的锚固作用.一般情况下,灌木在基岩上锚固作用随生物指标的变大而增加,表明生物指标越高,其力学作用越强.但这并不说明生物指标越高越好,因为边坡上高大的植物由于自身重量大,受风面积大,将风引起的动荷载传递给边坡,使边坡失稳的危险性增加.所以,在对边坡进行生物防护时,灌木应选择较低矮但根系发达易扎入基岩的品种,才能充分发挥积极作用.对岩石边坡植被护坡工程而言,由于人为提供的基质混合物厚度一般在5～10cm,灌木根系易于穿透而作用于基岩,与自然环境下类似,在工程设计中可结合灌木根系发育特征,充分考虑灌木根系与岩体相互作用的力学效应,发挥植物自身的工程潜能.

同时,坡面植被成型后植物根系会穿插网孔,挂网、根系会与基材相互结合.此时基材与挂网接触面上除网、土的相互作用之外,植物根系可以通过与土体的接触、缠绕将根系作用范围内的土体以近似于锚索的形式锚固于挂网上.实质是植物根系通过加筋作用,间接增大了挂网与基材的接触面积,增强了基材的稳定性.