呂梁地區紅黏土邊坡病害影響因素分析

郭風俊,李慶樓

(1.山西省高速公路集團有限責任公司,山西 太原 030031;2.河北工業大學土木與交通學院,天津 300401)

0 引 言

紅黏土在我國分布廣泛,因其縮脹性、裂隙性,在邊坡工程應用中存在災害隱患[1]。紅黏土邊坡整體失穩的問題相對較少,淺層破壞如崩塌和溜塌等現象卻極為常見[2],紅黏土邊坡病害的影響因素已經成為邊坡工程研究的重點。譚羅榮等[3]論證出吸濕速率對紅黏土脹縮特性的影響規律。李鵬等[4]通過工程調研對貴州高速公路紅黏土邊坡破壞特征進行了分析,提出了紅黏土邊坡穩定性評價方法;覃錫利等[5]對紅黏土的特性進行了分析,提出了紅黏土的改良方法;朱偉振[6]針對干濕循環作用下的紅黏土裂隙發育規律及強度劣化機理進行了研究;陳榮亞[7]對荷載與干濕循環耦合作用下紅黏土的變形特性及裂隙演化規律展開了研究;王敏[8]針對紅黏土邊坡病害的成因進行了分析,并提出了相應的處治措施。研究對呂梁地區紅黏土邊坡病害的主要影響因素進行了系統分析,并探討了相應的處治措施,旨在為呂梁地區紅黏土邊坡的病害防治工作提供實用建議。

1 工程概況

在呂梁環城高速公路沿線,紅黏土邊坡廣泛分布。紅色黏土層質地黏重,吸水膨脹后水分難以下滲,加之所處地形部位坡度較大,每屆降雨會導致嚴重的水土流失、邊坡失穩,對道路的通行安全構成了嚴重威脅。呂梁環城高速紅黏土典型病害情況如圖1所示。

圖1 呂梁環城高速紅黏土典型病害

2 紅黏土邊坡病害影響因素選取

紅黏土邊坡病害的形成是一個復雜的過程,涉及多種因素的相互作用。這些因素可以歸納為內部因素和外部因素兩大類。內部因素包括地形地貌、地質巖性等,該因素對邊坡的穩定性起著決定作用,地形地貌影響著邊坡的形態和坡面特征,如坡度、坡高、坡形等,這些因素直接關系到邊坡的穩定性。地質巖性則決定了土壤的性質,包括土壤的組成、結構、強度等,這些性質直接影響著土壤的穩定性和抗滑能力。外部因素包括降雨、坡面防護措施、工程活動擾動等,它們是造成紅黏土邊坡病害的直接因素。降雨是引起紅黏土邊坡病害的重要因素之一,它可以通過滲透作用改變土壤的含水量和飽和度,降低土壤的強度和穩定性,從而誘發邊坡滑坡和崩塌等病害。坡面防護措施是防止邊坡病害發生的重要手段,合理的防護措施可以有效地提高邊坡的穩定性,減少病害的發生。然而,不當的防護措施可能會加劇邊坡的病害,如過度開挖、不合理排水等。工程活動擾動,如爆破、挖掘等,會改變邊坡的應力狀態和穩定性,進一步加劇邊坡病害的發生。綜合實際情況,可以得出造成紅黏土邊坡失穩的內部因素主要為邊坡的坡度、坡高和土體性質,外部因素主要為降雨和防護方式。

3 影響因素分析

為分析造成呂梁環城高速紅黏土病害的成因,對呂梁環城高速紅黏土邊坡展開調研,并對影響因素進行分析。

3.1 坡度對紅黏土邊坡病害的影響分析

紅黏土的顯著脹縮特性常導致其邊坡表面出現剝落、沖蝕和溜塌等淺層病害。為了探究這些病害與邊坡坡度之間的關聯,對呂梁地區發生病害的紅黏土邊坡的坡度進行了統計分析,統計數據見表1。

表1 呂梁環城高速紅黏土病害邊坡坡度統計

表1的統計分析顯示,坡度在1∶0.5～1∶1.25范圍內的紅黏土邊坡容易發生病害。由于1∶0.5坡度邊坡在實際工程中較為少見,故不針對該坡度的紅黏土邊坡進行分析。坡度超過1∶1的紅黏土邊坡病害率最高,占調研病害邊坡總數的89.7%。1∶0.75坡度的紅黏土邊坡病害數量最多,占所有病害邊坡的62.1%,表現為表面大量網狀裂縫和剝落現象。通過調查數據可以得到隨著坡度的增大,紅黏土的脹縮特性和重力作用更易導致剝落等病害的發生。

3.2 邊坡坡高對紅黏土邊坡病害的影響分析

在《巖土工程手冊》中,土質邊坡的坡高超過10 m被歸類為高邊坡。為了探究紅黏土不良地質條件下邊坡病害與坡高的相關性,對調研紅黏土病害邊坡的坡高范圍進行統計,具體數據如表2所示。

表2 呂梁環城高速紅黏土病害邊坡坡高統計

由表2可知,發生病害的邊坡坡高集中在8 m以上,這一高度范圍的邊坡數量占總統計數量的96.6%,其中坡高8～10 m紅黏土邊坡的病害主要為剝落與沖蝕,坡高>10 m的紅黏土邊坡病害主要為溜塌與滑坡。隨著紅黏土邊坡坡高的增加,病害形式越發嚴重。

3.3 土體性質對紅黏土邊坡病害的影響分析

紅黏土作為一種在濕熱環境中由碳酸鹽類巖石經歷風化作用而形成的高塑性黏土,廣泛分布于中國南方地區,山西省也有分布。紅黏土的液限介于42%～73%,天然含水率介于30%～60%,飽和度大多超過90%。紅黏土遇水易膨脹,失水易收縮,其自由膨脹率可高達69%。上述的紅黏土特性導致其在水分增加時吸水膨脹,在干燥時失水收縮。這種體積變化容易造成土體裂隙,裂隙的發展會降低邊坡的穩定性,進而引發病害。

3.4 降雨對紅黏土邊坡病害的影響分析

為了深入分析紅黏土邊坡穩定性與降雨量之間的關系。搜集并整理了湖南、廣西等省份近5年內的平均降雨量情況。如圖2所示。

圖2 6個省份近5年平均降雨量

圖2的數據分析顯示,在6個紅黏土廣泛分布的省份中,江西省的年平均降雨量最高,達到1 800 mm。而山西省的年平均降雨量最低,僅為650 mm。其中,年降雨量超過1 000 mm的省份占總數的66.7%。盡管這些地區之間的降雨量存在顯著差異,紅黏土邊坡仍然普遍發生病害。這一現象表明紅黏土邊坡的穩定性對水分條件非常敏感,即使是少量的水分也可能引發邊坡病害。

降雨對紅黏土邊坡的破壞是一個漸進的過程,包括濺蝕、面蝕、沖溝形成,直至最終坍塌。在降雨量較小的山西地區,紅黏土邊坡主要病害為剝落、沖蝕和溜塌,而在降雨量較大的貴州、湖南等地區,還可能發生滑坡。

3.5 防護形式對紅黏土邊坡病害的影響分析

(1)植物防護對邊坡病害的影響分析。

紅黏土邊坡的病害發生與所采取的防護措施密切相關,不同類型的防護措施對病害的影響顯著不同。首先,對植物防護措施對紅黏土邊坡病害的影響進行了分析。

草本植物的防護特點在于其莖內木質部不發達,根系以須根為主,主要分布在土體淺層,能夠加固邊坡的淺層土體。草本植物的低矮植株在靠近坡面的范圍內能阻隔雨水,減少雨滴對坡面的濺蝕作用,從而降低雨水對坡面的沖蝕。

木本植物的防護特點在于其發達的木質部和堅固的植物結構。根據根系在土中的分布深度,木本植物根系可分為淺根類和深根類。淺根類植物的主根不發達,側根向周圍延伸,整體根系深度較淺;而深根類植物的主根發達,能夠深入土體深部,起到錨固邊坡的作用。木本植物的茂密枝葉也能夠截留降雨,減少坡面的沖蝕。

綜合來看,植物根系能夠加固土體,減少溜塌等病害,維持邊坡的穩定性;而地上的枝葉能夠減少沖刷,降低坡面沖蝕病害的發生。然而,在降雨量較大的情況下,雨水沖刷可能導致部分植物被沖走,使土體裸露,在干濕循環作用下可能引發邊坡土體的剝落和沖蝕。因此,僅依賴植物防護措施來減少邊坡病害的效果可能有限,需要結合其他工程措施以提高防護效果。

(2)工程防護對邊坡病害的影響分析。

在紅黏土邊坡工程中,應用護面墻和漿砌片石等工程防護措施,能夠有效隔離邊坡土體與外界環境,減少土體含水率的變化,進而降低干濕循環的影響。這些措施有助于減少土體內部的脹縮作用,從而有效降低剝落、沖蝕、溜塌和滑坡等病害的發生。特別是在坡度較緩的情況下,這些措施能夠較好地維持邊坡的整體穩定性。護面墻和漿砌片石的結構強度分別為7.5 MPa和5 MPa,能夠為邊坡提供較強的防護效果。

然而,由于工程防護措施表面不易生長植物,其在生態景觀方面的表現存在不足。因此,在減少邊坡病害時,通常不單獨依賴工程防護措施,而是結合植物防護等其他措施,以實現既保護邊坡穩定性又改善生態環境的雙重目標。這種綜合性的防護策略在紅黏土邊坡的病害防治中具有重要意義,能夠兼顧邊坡的工程安全和生態美觀。

(3)綜合防護對邊坡病害的影響分析。

邊坡綜合防護措施指的是根據具體的地質條件和地形特點,選擇并實施兩種或多種防護措施的組合,以適應性地確保紅黏土邊坡的穩定性。在坡度較緩的邊坡上,可以采取防護等級較低的措施,如植物防護。而在坡度較陡且坡高較大的邊坡上,則需要采取多種防護措施的組合,并按照邊坡的不同級別,從上到下逐級增加防護等級,以增強防護效果。

我們可以看到,在綜合防護措施的實施中,一級邊坡,即易發生病害的邊坡,采用了防護等級較高的工程防護措施,以保障其穩定性。二級邊坡則采用了土工網植草防護,在保障穩定的同時,兼顧生態型。三級及以上的邊坡主要依靠植物防護,憑借植物根系的錨固作用與莖葉的阻礙徑流作用對邊坡進行保護。

這種基于邊坡分級的綜合防護策略相較于單一的工程防護或植物防護,在一定程度上減少了邊坡病害的發生。然而,實踐中植物防護與工程防護之間的有效結合尚不足,限制了減少病害效果的發揮。因此,未來的研究應當著重于如何更有效地融合這兩種防護措施,以提升紅黏土邊坡的穩定性和生態效益。

4 結 論

對呂梁地區紅黏土邊坡病害的主要影響因素進行了系統分析,并探討了相應的處治措施。結果表明, 紅黏土邊坡的穩定性受到多種因素的影響,包括地形地貌、地質巖性、坡度、坡高、降雨量以及防護措施等。內部因素如地形地貌和地質巖性對邊坡穩定性起著決定性作用,外部因素如降雨量和防護措施則是直接影響邊坡穩定性的因素。

紅黏土邊坡病害的形成是一個復雜的過程,涉及多種因素的相互作用。通過調研和分析,發現紅黏土邊坡病害的發生與坡度、坡高和土體性質密切相關。坡度較大的邊坡更容易發生剝落、沖蝕、溜塌和滑坡等病害,而坡度較緩的邊坡則相對穩定。此外,土體性質也對邊坡穩定性有顯著影響,紅黏土的高液限、高強度和高含水率特性使其在水分變化時容易發生體積變化,導致裂隙的產生,從而降低邊坡的穩定性。

降雨量對紅黏土邊坡的穩定性也有顯著影響。降雨量較大的地區,紅黏土邊坡病害更為嚴重,而降雨量較小的地區,病害相對較輕。此外,防護措施的選擇也對紅黏土邊坡病害的發生和發展有重要影響。植物防護和工程防護相結合的綜合防護措施,相較于單一的防護措施,能夠更有效地減少邊坡病害的發生。

在未來的工作中,應繼續深入研究紅黏土邊坡病害的影響因素,探索更有效的處治措施,以提高紅黏土邊坡的穩定性和生態效益。同時,加強紅黏土邊坡病害的監測和預警系統建設,為紅黏土邊坡工程的安全和可持續發展提供保障。