基于聚合物固化剂技术的软岩边坡稳定性研究

苏成林

(交通运输部公路科学研究院，北京 100088)

0 引言

软岩边坡工程很多方面值得深入研究[1-4]，如边坡的稳定、软岩岩体的性质和边坡岩面与客土间的化学物理作用，与我们的工程建设息息相关。软岩边坡的固化与否，直接影响边坡的水损害和稳定性。公路软岩边坡都没有专门为环境和生态保护设计规划，浆砌片石和混凝土等护坡在边坡支护中较为常见，此类护坡方式主要以稳固边坡类为主，大面积的混凝土或片石覆盖使植物无法正常生长[5-6]。一些软岩边坡会有少量的绿化植物设计，但这些植物往往是一些草皮或爬藤植物，没有对整个边坡绿化进行考虑，且美观上显得单调。软岩边坡上缺乏小灌木群等植物，当软岩遇到大量雨水冲刷时，软岩坡面上的土壤、破碎的砂砾和亲水性物质将会随着雨水流走，导致边坡滑塌失稳[7-8]。泥沙的流失使道路交通受阻，给人们安全出行带来极大不便，并且会污染和破坏农田水利设施，严重时还会导致泥石流等地质灾害的发生，给国民经济造成巨大损失。固化剂处理软岩边坡坡面防护技术的研究，能为软岩边坡提供经济合理、技术可行的坡面防护方案。固化剂技术是一项防灾减灾、生态环保的坡面防护技术，具有重大的现实意义。基于以上原因，为减少或防止软岩边坡灾害，确保道路的安全与稳定，保持生态平衡和景观效果，并降低工程造价和后期养护费用，解决生态防护处治软岩边坡技术和材料所带来的问题迫在眉睫。

1 聚合物固化剂技术

作者采用SEAL-100R材料作为聚合物，美国某公司常青牌中的SEAL-100R是一种不透明白色，不含有石油基、无臭、不含有毒性物质，施工简便的绿色环保液体[9]。SEAL-100R固化剂技术其过程是：先将SEAL-100R水泥基作为固化剂喷涂在软岩边坡上，然后再进行客土(高次团粒)喷播，利用其固化层密水性和客土中高分子吸水保水性，使植物能够长期稳固地在边坡上正常生长，成功地将软岩处治与植物防护结合起来，达到了软岩防护与生态环保的双重效果。 SEAL-100R能与水泥基发生物理和化学反应，在水泥基内形成不溶的凝胶体延长水泥基的抗碳化能力，对其结构从内外到外部进行整体防水、密封和保护， 提高水泥基密度并增加其表面耐磨性、耐酸性和化学稳定性，增强水泥基防风化能力和使用寿命，并可封闭水泥砂浆与混凝土毛细孔道和裂纹功能，由于其优良的特性，已被广泛应用于建筑行业中不同的领域[10]。主要用于街道，公路水泥混凝土路面、桥梁、停车场、机场道面、水坝、人行道、车道、地下室、隧道，特别是近年来在新建路桥和旧混凝土维修等项目中展现出很大的优越性，但在软岩边坡防护工程中属首次应用。

2 软岩边坡实例分析

2.1 依托工程介绍

2.1.1工程概况

工程路线起于竹岚脚，向西南方向跨越彭溪，设置隧道穿越昌基岭，经昌基村、白鸡母岗、内垟、水井丘、门楼厝、梅家宅，在矴步头转向东南方向沿溪至工程终点X709(老58省道)彭溪镇矴步脚桥东[3]。

2.2 SEAL-100R水泥基处治软岩边坡的设计方案

主要研究对象为软岩坡体的防护，故拟对该项目的第3级边坡进行SEAL-100R水泥基固化剂处治。现设计变更为：对K6+476.1～K6+597.3段路堑左侧第1级、第2级、第3级边坡防护形式调整。其中：取消第1级系统锚杆，增设第3级系统锚杆，在其中两段路第3级分别采用SEAL-100R水泥基固化剂处理+高次团粒+系统锚杆和高次团粒+系统锚杆。具体见平面布置图1。

图1 K6+520工程地质横断面图

2.3 软岩边坡稳定性计算分析

以边坡稳定性分析软件为研究工具，利用Rocscience Slide软件对未设置固化剂层边坡和设置固化剂层的边坡稳定性进行刚体极限平衡分析[11-13]。在进行极限平衡分析时,可以在指定范围内自动搜索最危险的滑移面,同时支持多种常用的极限平衡算法,如Bishop simplified,Ordinary/fellenius， Spencer， Gle/morgenstern-price 法等。该边坡工程主要是考虑雨水入渗时的情况，选取边坡特征剖面为研究对象。运用Rocscience Slide软件对设置固化剂层和未设置固化剂层的边坡进行稳定性计算分析，输入边坡和不同材料的参数，软件自动搜索出最危险的滑动面参数，计算出安全系数，并对计算出的安全系数进行分析。

2.3.1建立模型

根据SEAL-100R水泥基固化剂的特点,固化剂喷涂后，固化剂层与软岩岩体紧密地连接在一起，将固化剂层和岩体看成一个整体，相当于改变了软岩坡面的防水性能、岩面强度和疏水性能。分析中所采用的模型与实际工程中一致,建立的模型如图2所示。

图2 边坡模型

图2所建立的分析单元为实体边坡设计的结构形式，层号①为强风化晶(玻)屑凝灰岩:浅灰色,灰黄色，软弱，破碎，岩芯呈碎块状，碎石状，节理裂隙很发育，不)屑凝灰结构,块状构造，节理裂隙较发育,微张-规则的形状，开口间隙，填充泥，表面粗糙，铁和锰的质量渲染强烈，RQ= 0，厚度5～9 m，属软岩。层号②属中风化晶(玻)屑凝灰岩:浅灰色,岩质较坚硬,晶(玻闭合，面平直，铁锰质渲染，轴心夹角40～45°，2～3条/m，5～15°，3～5条/m,25°～35°，2～3条/m，RQD=46.7%，层厚10～12 m，属次坚石。本边坡锚杆按2 m×2 m的间距布置,直径25 mm,长9 m,最大容许应力为360 MPa。

2.3.2计算条件

考虑雨水入渗时软岩土体重度增大，内摩擦角、黏黏聚力降低的情况[14]。因边坡岩质中风化层层理明显、面平直，故假定滑动面形式为圆弧滑动面。圆弧条分法是目前广泛采用的边坡稳定分析方法， 为了使边坡稳定安全系数的结果更加精确，选择了4种计算方式同时运算，有简化毕肖普法(Bishop simplified), 常规费伦纽斯法(Ordinary/fellenius)，斯宾塞法(Spencer)，摩根斯坦-普瑞斯法(Gle/morgenstern-price)，将此4种结果进行相互比较验证分析，最终得出边坡稳定安全系数。其中，边坡设计采用简化毕肖普法(Bishop simplified)，此种方法在工程计算中较常用，本研究最后安全系数的结果以Bishop法结果为准[15-18]。计算时,以3 m的步距在全局范围内让软件自动搜索最危险滑面。强风化晶(玻)屑凝灰岩+SEAL-100R固化剂参数选取：固化剂喷涂后，固化剂层与软岩岩体紧密的连接在一起，因固化剂层改善岩体坡面，能阻止雨水入渗时岩土体重度增大，内摩擦角、黏黏聚力降低，故选取强风化晶(玻)屑凝灰岩天然的抗剪强度指标作为地质参数(根据依托工程勘测设计单位提供的岩土体物理力学参数)，其他岩层的主要参数值见表1。

表1 材料参数

2.3.3计算结果与分析

(1)工况1： 未设置固化剂层的边坡稳定性评价，如图3所示。

图3 无固化剂层时的安全系数

(2)工况2：设置固化剂层的边坡稳定性评价，如图4所示。

图4 有固化剂层时的安全系数

(3)工况3：设置固化剂层但减少25%的锚杆的边坡稳定性评价。

原边坡锚杆按2 m ×2 m的间距布置,直径25 mm,长9 m；现假定工况3将锚杆减少25%，锚杆按2.8 m × 2.8 m的间距布置,直径25 mm,长9 m 布置。采用Slide软件自动搜索最危险滑动面的安全系数，结果如图5所示。

图5 有固化剂层减少锚杆25%时的安全系数

从图3可以看出，未设置固化剂时的最危险滑动面的安全系数为1.199；从图4可以看出，设置固化剂时的最危险滑动面的安全系数为1.281；从图5可以看出，设置固化剂层减少锚杆数量25%时的最危险滑动面的安全系数为1.238。本研究边坡属二级公路边坡，设计初始参照《公路路基设计规范》(JTG D30—2004)的标准执行，经查阅，二级公路正常工况下的路堑边坡安全系数为1.15～1.25。所以设置固化剂层后的边坡，经稳定性验算分析，可在原来基础上减少25%锚杆数量。由于SEAL-100R水泥基固化剂+客土喷播技术在软岩边坡防护工程中属首次应用，为了工程安全保险起见，本试验边坡最终按工况2实施。

表2 不同计算方法时安全系数

从表2可以看出：软岩边坡设置固化剂层后，极大的提高了边坡的安全系数。当考虑雨水入渗时，未设置固化剂层的软岩边坡坡体因雨水导致土体重度增大，内摩擦角、黏黏聚力降低；设置固化剂层后能改善软岩坡面的性质，从而阻止了软岩坡体的水损坏和稳定性。软岩边坡在有渗水影响时，设置固化剂层的安全系数比未设置固化剂层的安全系数有很大的提高。

3 固化与绿化效果观测

通过施工监测(包括对软岩边坡滑动监测和对治理工程的监测)，在固化剂处理边坡坡面施工过程中，如遇到工程技术安全问题，及时上报监理、业主和设计方，通过讨论解决施工实际问题，完善设计施工图纸，总结固化剂施工和设计经验。

3.1 监测内容与要求

(1)监测内容

① 边坡软岩碎石脱落和滑塌对公路施工的危害观测；

② 固化剂层和客土层稳定性观测；

③ 边坡绿化效果监测。

(2)监测要求

边坡固化后对固化剂层外观和稳定性监测；绿化效果从喷播后就开始定期观察，观测绿化植物前期、中期和后期的生长状况和生长优势，对后期进行观测植物季节演替规律变化，另局部未达到绿化要求时应及时补喷或采取其他措施处理。

(3)监测范围

主要对整个边坡植被生长状况的观测，喷涂固化剂后植物生长状况和未喷涂固化剂边坡植物生长状况的区别，判别植物在哪种生长环境下更有优势，进而可以研究不同的固化剂种类及更适合植物生长的固化剂。

(4)观测精度要求

① 固化剂施工后观测：边坡坡面固化施工后外观完好、无损坏，膜层整体性好，固化剂层与客土层粘结紧密且稳定性好。

② 植被生长状况观测：前期比较植物在哪种环境下出苗快和灌木率高，中期比较植物生长速度快和茂盛程度好，后期比较植物与固化剂层的适用性，均应有照片为证。

3.2 SEAL-100R水泥基处治后边坡观测结果

(1)固化剂喷涂后外观情况

喷涂后整体效果见图6。

图6 喷涂后整体效果

(2)客土喷播后绿化观测情况

试验边坡于2014年5月24日所有坡面均已施工完成，作者对绿化施工后4，7，15，20 d，2个月和1年3个月后的试验边坡绿化效果进行观测，效果见图7。

图7 边坡绿化效果

固化剂层施工完后，以高羊茅、百喜草、狗牙根、紫花苜蓿、伞房决明、马棘木兰，夹竹桃混合客土进行喷播绿化。从上述绿化观测效果图可以看出：施工4 d后，首先是高羊茅、百喜草、狗牙根草本已长出，少部分紫花苜蓿长出两叶；施工7 d后，草本植物已生长至3 cm左右，部分伞房决明、马棘木兰，夹竹桃灌木已长出两叶；施工20 d后，大部分灌木和草种已发芽长出；两个月后，高羊茅、百喜草、狗牙根、紫花苜蓿等草本已长至20～30 cm高，伞房决明、马棘木兰，夹竹桃等灌木已长至10～20 cm高，经固化剂处理的试验坡的植物比未经固化剂处理的试验坡的植物生长茂盛。原因为：有固化剂边坡上的雨水和肥料水经客土层渗到固化剂上，固化剂层的不透水性和保水性及客土中高分子吸水保水性，将肥水和植物生长需的雨水存储在固化剂层表面孔隙中和客土里高分子吸水材料中，当植物需水和养分时可直接汲取，所以植物生长较快。未设置固化剂层的边坡。雨水和肥水经客土层直接渗到软岩岩体内，当植物需要汲取养分时，养分都处于分散状态，所以植物生长较慢。1年3个月后，经过一个季节的演替后，可以看出高羊茅、和紫花苜蓿已长至80～100 cm高，伞房决明、马棘木兰，夹竹桃已长至120～150 cm高，高羊茅、紫花苜蓿、伞房决明、马棘木兰和夹竹桃均生长较好，经SEAL-100R处治的边坡绿化效果明显优于其他边坡，灌木生长完全。

4 结论

(1)SEAL-100R水泥基固化剂喷涂后，对固化效果进行观测，SEAL-100R水泥基固化剂进行坡面防护后能有效防止雨水入渗、封闭软岩表层空隙和节理、黏结软岩表层松散颗粒；

(2)考虑渗水影响时，软岩边坡设置了固化剂层时最危险滑动面的安全系数比未设置固化剂时最危险滑动面的安全系数高。设置固化剂层后的边坡，经稳定性验算分析，可在原来基础上减少25%锚杆数量。

(3)根据温州某软岩工程项目的试验路段，选择采用了先SEAL-100R水泥基固化剂处理后再进行客土喷播的技术，不仅可以实现软岩边坡绿化，还能降低成本且绿化效果比较明显。