吕梁地区红黏土边坡病害影响因素分析

郭风俊,李庆楼

(1.山西省高速公路集团有限责任公司,山西 太原 030031;2.河北工业大学土木与交通学院,天津 300401)

0 引 言

红黏土在我国分布广泛,因其缩胀性、裂隙性,在边坡工程应用中存在灾害隐患[1]。红黏土边坡整体失稳的问题相对较少,浅层破坏如崩塌和溜塌等现象却极为常见[2],红黏土边坡病害的影响因素已经成为边坡工程研究的重点。谭罗荣等[3]论证出吸湿速率对红黏土胀缩特性的影响规律。李鹏等[4]通过工程调研对贵州高速公路红黏土边坡破坏特征进行了分析,提出了红黏土边坡稳定性评价方法;覃锡利等[5]对红黏土的特性进行了分析,提出了红黏土的改良方法;朱伟振[6]针对干湿循环作用下的红黏土裂隙发育规律及强度劣化机理进行了研究;陈荣亚[7]对荷载与干湿循环耦合作用下红黏土的变形特性及裂隙演化规律展开了研究;王敏[8]针对红黏土边坡病害的成因进行了分析,并提出了相应的处治措施。研究对吕梁地区红黏土边坡病害的主要影响因素进行了系统分析,并探讨了相应的处治措施,旨在为吕梁地区红黏土边坡的病害防治工作提供实用建议。

1 工程概况

在吕梁环城高速公路沿线,红黏土边坡广泛分布。红色黏土层质地黏重,吸水膨胀后水分难以下渗,加之所处地形部位坡度较大,每届降雨会导致严重的水土流失、边坡失稳,对道路的通行安全构成了严重威胁。吕梁环城高速红黏土典型病害情况如图1所示。

图1 吕梁环城高速红黏土典型病害

2 红黏土边坡病害影响因素选取

红黏土边坡病害的形成是一个复杂的过程,涉及多种因素的相互作用。这些因素可以归纳为内部因素和外部因素两大类。内部因素包括地形地貌、地质岩性等,该因素对边坡的稳定性起着决定作用,地形地貌影响着边坡的形态和坡面特征,如坡度、坡高、坡形等,这些因素直接关系到边坡的稳定性。地质岩性则决定了土壤的性质,包括土壤的组成、结构、强度等,这些性质直接影响着土壤的稳定性和抗滑能力。外部因素包括降雨、坡面防护措施、工程活动扰动等,它们是造成红黏土边坡病害的直接因素。降雨是引起红黏土边坡病害的重要因素之一,它可以通过渗透作用改变土壤的含水量和饱和度,降低土壤的强度和稳定性,从而诱发边坡滑坡和崩塌等病害。坡面防护措施是防止边坡病害发生的重要手段,合理的防护措施可以有效地提高边坡的稳定性,减少病害的发生。然而,不当的防护措施可能会加剧边坡的病害,如过度开挖、不合理排水等。工程活动扰动,如爆破、挖掘等,会改变边坡的应力状态和稳定性,进一步加剧边坡病害的发生。综合实际情况,可以得出造成红黏土边坡失稳的内部因素主要为边坡的坡度、坡高和土体性质,外部因素主要为降雨和防护方式。

3 影响因素分析

为分析造成吕梁环城高速红黏土病害的成因,对吕梁环城高速红黏土边坡展开调研,并对影响因素进行分析。

3.1 坡度对红黏土边坡病害的影响分析

红黏土的显著胀缩特性常导致其边坡表面出现剥落、冲蚀和溜塌等浅层病害。为了探究这些病害与边坡坡度之间的关联,对吕梁地区发生病害的红黏土边坡的坡度进行了统计分析,统计数据见表1。

表1 吕梁环城高速红黏土病害边坡坡度统计

表1的统计分析显示,坡度在1∶0.5～1∶1.25范围内的红黏土边坡容易发生病害。由于1∶0.5坡度边坡在实际工程中较为少见,故不针对该坡度的红黏土边坡进行分析。坡度超过1∶1的红黏土边坡病害率最高,占调研病害边坡总数的89.7%。1∶0.75坡度的红黏土边坡病害数量最多,占所有病害边坡的62.1%,表现为表面大量网状裂缝和剥落现象。通过调查数据可以得到随着坡度的增大,红黏土的胀缩特性和重力作用更易导致剥落等病害的发生。

3.2 边坡坡高对红黏土边坡病害的影响分析

在《岩土工程手册》中,土质边坡的坡高超过10 m被归类为高边坡。为了探究红黏土不良地质条件下边坡病害与坡高的相关性,对调研红黏土病害边坡的坡高范围进行统计,具体数据如表2所示。

表2 吕梁环城高速红黏土病害边坡坡高统计

由表2可知,发生病害的边坡坡高集中在8 m以上,这一高度范围的边坡数量占总统计数量的96.6%,其中坡高8～10 m红黏土边坡的病害主要为剥落与冲蚀,坡高>10 m的红黏土边坡病害主要为溜塌与滑坡。随着红黏土边坡坡高的增加,病害形式越发严重。

3.3 土体性质对红黏土边坡病害的影响分析

红黏土作为一种在湿热环境中由碳酸盐类岩石经历风化作用而形成的高塑性黏土,广泛分布于中国南方地区,山西省也有分布。红黏土的液限介于42%～73%,天然含水率介于30%～60%,饱和度大多超过90%。红黏土遇水易膨胀,失水易收缩,其自由膨胀率可高达69%。上述的红黏土特性导致其在水分增加时吸水膨胀,在干燥时失水收缩。这种体积变化容易造成土体裂隙,裂隙的发展会降低边坡的稳定性,进而引发病害。

3.4 降雨对红黏土边坡病害的影响分析

为了深入分析红黏土边坡稳定性与降雨量之间的关系。搜集并整理了湖南、广西等省份近5年内的平均降雨量情况。如图2所示。

图2 6个省份近5年平均降雨量

图2的数据分析显示,在6个红黏土广泛分布的省份中,江西省的年平均降雨量最高,达到1 800 mm。而山西省的年平均降雨量最低,仅为650 mm。其中,年降雨量超过1 000 mm的省份占总数的66.7%。尽管这些地区之间的降雨量存在显著差异,红黏土边坡仍然普遍发生病害。这一现象表明红黏土边坡的稳定性对水分条件非常敏感,即使是少量的水分也可能引发边坡病害。

降雨对红黏土边坡的破坏是一个渐进的过程,包括溅蚀、面蚀、冲沟形成,直至最终坍塌。在降雨量较小的山西地区,红黏土边坡主要病害为剥落、冲蚀和溜塌,而在降雨量较大的贵州、湖南等地区,还可能发生滑坡。

3.5 防护形式对红黏土边坡病害的影响分析

(1)植物防护对边坡病害的影响分析。

红黏土边坡的病害发生与所采取的防护措施密切相关,不同类型的防护措施对病害的影响显著不同。首先,对植物防护措施对红黏土边坡病害的影响进行了分析。

草本植物的防护特点在于其茎内木质部不发达,根系以须根为主,主要分布在土体浅层,能够加固边坡的浅层土体。草本植物的低矮植株在靠近坡面的范围内能阻隔雨水,减少雨滴对坡面的溅蚀作用,从而降低雨水对坡面的冲蚀。

木本植物的防护特点在于其发达的木质部和坚固的植物结构。根据根系在土中的分布深度,木本植物根系可分为浅根类和深根类。浅根类植物的主根不发达,侧根向周围延伸,整体根系深度较浅;而深根类植物的主根发达,能够深入土体深部,起到锚固边坡的作用。木本植物的茂密枝叶也能够截留降雨,减少坡面的冲蚀。

综合来看,植物根系能够加固土体,减少溜塌等病害,维持边坡的稳定性;而地上的枝叶能够减少冲刷,降低坡面冲蚀病害的发生。然而,在降雨量较大的情况下,雨水冲刷可能导致部分植物被冲走,使土体裸露,在干湿循环作用下可能引发边坡土体的剥落和冲蚀。因此,仅依赖植物防护措施来减少边坡病害的效果可能有限,需要结合其他工程措施以提高防护效果。

(2)工程防护对边坡病害的影响分析。

在红黏土边坡工程中,应用护面墙和浆砌片石等工程防护措施,能够有效隔离边坡土体与外界环境,减少土体含水率的变化,进而降低干湿循环的影响。这些措施有助于减少土体内部的胀缩作用,从而有效降低剥落、冲蚀、溜塌和滑坡等病害的发生。特别是在坡度较缓的情况下,这些措施能够较好地维持边坡的整体稳定性。护面墙和浆砌片石的结构强度分别为7.5 MPa和5 MPa,能够为边坡提供较强的防护效果。

然而,由于工程防护措施表面不易生长植物,其在生态景观方面的表现存在不足。因此,在减少边坡病害时,通常不单独依赖工程防护措施,而是结合植物防护等其他措施,以实现既保护边坡稳定性又改善生态环境的双重目标。这种综合性的防护策略在红黏土边坡的病害防治中具有重要意义,能够兼顾边坡的工程安全和生态美观。

(3)综合防护对边坡病害的影响分析。

边坡综合防护措施指的是根据具体的地质条件和地形特点,选择并实施两种或多种防护措施的组合,以适应性地确保红黏土边坡的稳定性。在坡度较缓的边坡上,可以采取防护等级较低的措施,如植物防护。而在坡度较陡且坡高较大的边坡上,则需要采取多种防护措施的组合,并按照边坡的不同级别,从上到下逐级增加防护等级,以增强防护效果。

我们可以看到,在综合防护措施的实施中,一级边坡,即易发生病害的边坡,采用了防护等级较高的工程防护措施,以保障其稳定性。二级边坡则采用了土工网植草防护,在保障稳定的同时,兼顾生态型。三级及以上的边坡主要依靠植物防护,凭借植物根系的锚固作用与茎叶的阻碍径流作用对边坡进行保护。

这种基于边坡分级的综合防护策略相较于单一的工程防护或植物防护,在一定程度上减少了边坡病害的发生。然而,实践中植物防护与工程防护之间的有效结合尚不足,限制了减少病害效果的发挥。因此,未来的研究应当着重于如何更有效地融合这两种防护措施,以提升红黏土边坡的稳定性和生态效益。

4 结 论

对吕梁地区红黏土边坡病害的主要影响因素进行了系统分析,并探讨了相应的处治措施。结果表明, 红黏土边坡的稳定性受到多种因素的影响,包括地形地貌、地质岩性、坡度、坡高、降雨量以及防护措施等。内部因素如地形地貌和地质岩性对边坡稳定性起着决定性作用,外部因素如降雨量和防护措施则是直接影响边坡稳定性的因素。

红黏土边坡病害的形成是一个复杂的过程,涉及多种因素的相互作用。通过调研和分析,发现红黏土边坡病害的发生与坡度、坡高和土体性质密切相关。坡度较大的边坡更容易发生剥落、冲蚀、溜塌和滑坡等病害,而坡度较缓的边坡则相对稳定。此外,土体性质也对边坡稳定性有显著影响,红黏土的高液限、高强度和高含水率特性使其在水分变化时容易发生体积变化,导致裂隙的产生,从而降低边坡的稳定性。

降雨量对红黏土边坡的稳定性也有显著影响。降雨量较大的地区,红黏土边坡病害更为严重,而降雨量较小的地区,病害相对较轻。此外,防护措施的选择也对红黏土边坡病害的发生和发展有重要影响。植物防护和工程防护相结合的综合防护措施,相较于单一的防护措施,能够更有效地减少边坡病害的发生。

在未来的工作中,应继续深入研究红黏土边坡病害的影响因素,探索更有效的处治措施,以提高红黏土边坡的稳定性和生态效益。同时,加强红黏土边坡病害的监测和预警系统建设,为红黏土边坡工程的安全和可持续发展提供保障。