坑道工程口部陡劈坡植被恢复客土稳定性分析

马栋良，白彦光，杨大峰，刘国权，陈昌兵，查吕应

(1.军事科学院 国防工程研究院，河南 洛阳 471023； 2.河南省特种防护材料重点实验室，河南 洛阳 471023)

坑道工程口部施工过程中，原有植被遭到破坏，形成的陡劈坡在光学、热红外、雷达等多个波段与周围背景形成显著对比，这是坑道工程口部陡劈坡被发现的根本原因，也是侦查设备探测的客观基础[1]。有资料显示，坑道工程口部陡劈坡的可见光识别概率为0.79，合成孔径雷达识别概率为0.40，热红外成像识别概率为0.57[2]。因此，对坑道工程口部陡劈坡进行植被恢复，消除或减弱陡劈坡与周围背景的差别是工程伪装研究的方向之一。坑道工程口部陡劈坡可以采用客土喷播植草和生长孔种植灌木的复合技术达到恢复植被的目的。对于植被恢复系统来说，植被和客土层(基质土)的关系有如毛与皮的关系，植被生长于客土层上，客土层的稳定是保持植被存活的关键。因此，我们对不同时期陡劈坡上客土的稳定性进行了分析，旨在为陡劈坡植被恢复施工提供指导。

1 陡劈坡客土层稳定性影响因素分析

陡劈坡坡度大，客土层容易流失、滑落，从施工期到运行期，植被恢复体系各构成要素随时间不断发生变化，影响客土层稳定的外部因素及破坏形式也在变化。根据影响因素和主要破坏形式的变化，客土稳定从时间上分为施工期、施工完成后至植被长成前和植被长成后的运行期三个阶段。

施工期。施工期包括从客土喷射施工到客土脱水硬化这一段时间，时间跨度为数日。要保证客土喷层能够附着在岩体表面不脱落。影响客土稳定的内部因素是客土配比、结构措施、施工工艺等[3]，外部因素主要是降雨，破坏形式主要为重力作用下客土从岩体表面滑落和雨水冲刷两种。

施工完成后至植被长成前阶段，时间跨度为数月。此时客土已经硬化，植被在逐步生长，覆盖度逐步提高，而植被在生长的同时自身质量加大，作用于客土层的下滑荷载逐步增大。这一时期影响客土稳定的主要因素是降雨[4]，破坏形式包括雨水冲刷和客土层浸水软化强度降低引起的滑落。由于采用不间断滴灌养护，客土层保持湿润，不存在干湿交替的循环，客土层风化泻溜引起客土表层流失可不考虑。

植被长成后的运行期。运行期时间跨度大，一般为数年到数十年，影响客土层稳定的因素多样且复杂，主要影响因素和破坏形式为：①降雨。降雨对客土层造成冲刷破坏，使土体流失。②冻融与风化。在非结冰季节植被系统不间断地滴灌养护，客土层保持湿润，不存在干湿交替的循环，客土层风化泻溜引起客土表层流失可不考虑，但在结冰季节，滴灌停止，客土层可能存在干湿交替循环引起客土表层风化而产生泻溜流失；冻融使客土层结构破坏、变疏松从而降低了客土层强度，且客土层与岩体表面间可能局部形成冰核，冰核消融后会使客土层与岩体表面间的黏聚力降低或完全丧失。③作用于客土层的荷载增加。随着植被生长，植被本身、坠落物及次生生物等的质量增加，作用于客土层的下滑荷载逐步增大；降水时，植株上会附着雨雪，客土层表面的植被坠落物会吸收和滞留一部分水分，客土层本身的含水量也会增大，这些都增大了客土层的下滑荷载；较高的灌木在风的作用下将风引起的动荷载传递给边坡，增大了客土层的不稳定性。④客土层强度变化。随着植被根系的生长，根系密度增大，根对土的加筋作用显著提高，宏观表现为客土层的黏聚力增大，增强了客土层的整体性，有利于保持客土层不流失；而客土层吸水、冻融、短时期内的干湿循环等作用，又使客土层与岩体表面间的黏聚力和摩擦力降低，对客土层整体稳定不利。

综上所述，客土层的破坏形式主要为雨水冲刷和重力作用下的滑落，影响因素主要有降水、荷载变化、客土层与岩体表面间结合的力学性质弱化等。

2 计算参数取值

植被恢复系统施工前坑道工程口部陡劈坡已是稳定边坡，故在研究客土层稳定性时不需要再考虑陡劈坡本身的稳定问题。

2.1 植被恢复系统参数设计

植被恢复系统如图1所示，其相关设计参数确定如下。

(1)基质土：厚度200 mm，土质为适合耕植的土壤(属粉质黏土、黏土)添加适量绿化基材、纤维等。

(2)植被生长孔：直径100 mm，深度400 mm，垂直坡面施工，在坡面上间距500 mm×500 mm。

(3)钢筋、锚杆：锚杆长度500 mm，钻孔直径50 mm；钢筋为HRB335，直径14 mm。采用M30砂浆锚固，锚杆下倾角10°，在坡面上间距1 000 mm×1 000 mm。

(4)钢丝网：14#机编钢丝网，网孔60 mm×60 mm。

(5)陡劈坡坡度：65°～90°。

(6)草种：狗牙根、黑麦草和高羊茅。

(7)灌木种：臭椿、刺槐和火炬树。

(8)植被养护条件：滴灌。

图1 植被恢复系统构造示意(单位：mm)

2.2 客土层重力稳定性分析条件

客土层重力稳定性分析按荷载、植被系统、构造措施的最不利组合确定。根据植被恢复系统参数，综合考虑影响客土层稳定的主要因素，确定各计算参数如下。

(1)荷载。客土层厚度200 mm，饱水重度20 kN/m3；植被及坠落物综合荷载1.2 kN/m2；雪荷载按50年一遇考虑，0.6 kN/m2，由于植被形成的复杂表面和风的作用，即使在垂直坡面上的植株上也会有积雪，所以不能按坡面在平面上的投影面积计算雪荷载，应按植株在平面的投影面积和坡面在平面上的投影面积的较大值计算雪荷载，陡劈坡上生长的灌木植株在水平面的投影宽度取300 mm。组合荷载为客土层自身重度、植被及坠落物综合荷载和作用于坡面的雪荷载之和。

(2)钢筋短锚。钢筋为HRB335，直径14 mm，长度500 mm，抗拉强度设计值300 MPa。陡劈坡岩体按软岩考虑，锚杆轴向拉力设计值取钢筋拉力设计值、锚固段注浆体从钻孔拔出力和钢筋从注浆体中拔出力三者中最小者[5]。注浆体从钻孔拔出力T1的计算式为

T1=l·π·D·frbk/Km

(1)

式中：l为锚固段长度；D为钻孔直径；frbk为注浆体与钻孔极限黏结强度标准值；Km为锚固体抗拔安全系数。

钢筋从注浆体中拔出力T2计算公式为

T2=l·π·d·fb/Kb

(2)

式中：l为锚固段长度；d为钢筋直径；fb为钢筋与锚固砂浆间的黏结强度设计值；Kb为钢筋抗拔安全系数。

根据规范，M30砂浆注浆体与钻孔极限黏结强度标准值frbk可取360 kPa，钢筋与锚固砂浆间的黏结强度设计值可取2.4 MPa，锚固体抗拔安全系数Km和钢筋抗拔安全系数Kb取2.2[5]。计算结果为：钢筋抗拉力设计值为46.18 kN，锚固段注浆体从钻孔拔出力T1为12.85 kN，钢筋从注浆体中拔出力T2为23.99 kN，则锚杆轴向拉力设计值取12.85 kN。

当坡度大于70°时，锚杆轴向与坡面间夹角大于80°，客土层近于垂直悬挂在锚杆上，对锚杆的拔出效应接近于0，这时控制客土层稳定的是挂于钢筋锚杆上的钢丝网的抗拉强度。钢丝网钢丝直径为2 mm，悬挂点受力的钢丝至少有两根，钢丝抗拉强度设计值取200 MPa，则钢丝网对客土层的拉力值为1.26 kN。

(3)灌木。在客土层有下滑趋势并有一定位移时，通过根土接触面的摩擦力把土的下滑力转换成对根的拉力，同时根随土体位移产生向下的弯折偏转角度θ，如图2所示。根据黏性土变形与强度变异之间的关系可以推算出偏转角度θ的值，在土体处于失稳临界状态时θ取10°。

灌木根在生长孔中的作用类似于锚杆，其破坏形式有三种：①带土从岩石孔中拔出破坏；②根系从土中拔出；③根系被拔断。产生三种破坏类型的力大小不同，取其中最小者为灌木根锚的轴向拉力设计值。土体与生长孔孔壁极限黏结强度(摩擦力与黏聚力之合力)取30 kPa，灌木根抗拉强度可达到30 MPa以上，但根的数量和直径随机性很大，无法直接计算灌木根的抗拉力值，根据经验灌木根的抗拉力值可以等效为灌木主干的抗拉力值，主干直径取20 mm，抗拉强度设计值取9 MPa[6]。参照注浆体从钻孔拔出力的计算方法计算土体从生长孔中拔出的力为0.75 kN，根据经验灌木根从土中拔出的力为1.0 kN，灌木根抗拉力为2.83 kN，则灌木根锚轴向拉力设计值取0.75 kN。

图2 灌木根弯折示意(单位：mm)

(4)客土层与岩体表面间的黏聚力和摩擦角。施工期和施工完成后至植被长成前，土与岩体表面黏聚力为10 kPa，土与岩体表面摩擦角为15°；运行期客土层力学性质降低，土与岩体表面黏聚力为5 kPa；土与岩体表面摩擦角取10°。

3 客土层重力稳定性分析计算

客土层重力作用下的稳定性分析可简化为斜面上的极限平衡问题[7]，下面根据极限平衡分析法对客土层重力条件下的稳定性进行分析计算。

3.1 计算公式

客土层重力作用下的稳定性分析可简化为斜面上的极限平衡问题，抗滑稳定安全系数计算公式为

K=抗滑力/下滑力

(3)

根据已知条件，式(3)可具体表示为[8]

(4)

式中：W为计算范围内的组合荷载；Tbi为第i根锚杆轴向拉力设计值；Tw为第j个生长孔灌木根锚轴向拉力设计值；n为计算范围内的锚杆总数；m为计算范围内的灌木生长孔总数；C为土与岩体表面的黏聚力；φ为土与岩体表面的摩擦角；α为陡劈坡倾角；β2为锚杆与水平面间的夹角；θ为灌木根弯折偏转角度；A为计算范围内的坡面面积。

在进行施工期和施工完成后至植被长成前两个阶段客土层稳定性计算时，由于植被还没有完全长成，因此计算时可不考虑灌木根锚的作用，故式(4)可简化为

cos (α+β2)]/(W·sinα)

(5)

3.2 施工期和施工完成后至植被长成前客土层稳定性计算

人工陡劈坡坡面比较平整，可取1 m2的岩石边坡进行客土层稳定性计算，则计算范围内锚杆总数n=1，陡劈坡倾角α取65°、70°、75°、80°、85°、90°。根据式(5)分别计算不同倾角的抗滑稳定安全系数，结果见表1。

表1 施工期和施工完成后至植被长成前客土层稳定性计算结果

边坡安全等级为三级的永久边坡一般工况下边坡稳定安全系数应该不小于1.25[5]。从表1计算结果看，在施工期和施工完成后至植被长成前，抗滑稳定安全系数均大于1.25，说明植被恢复系统设计合理，不会出现客土层滑落。

3.3 运行期客土层稳定性计算

计算条件与施工期和施工完成后至植被长成前客土层稳定性计算相同，计算范围内灌木生长孔总数m=1。根据式(4)计算不同倾角的抗滑稳定安全系数，结果见表2。

由表2计算结果看，在没有灌木根的抗滑作用时，当坡度大于75°时安全系数小于1.25，不能满足稳定性要求；当有灌木根的抗滑作用时，所有计算工况安全系数均大于1.25，满足稳定性要求。可以看出，灌木根的作用显著提高了安全系数的值。

表2 运行期客土层稳定性计算结果

4 陡劈坡客土层稳定性试验

试验选取坡度为80°～90°的岩石边坡为对象，植被恢复系统的设计参数按照2.1部分确定。试验过程如图3所示。

图3 陡劈坡客土稳定性试验过程

经过2年时间，客土稳定性经过了施工期、施工完成后至植被长成前和植被长成后的运行期三个阶段检验，充分说明了计算分析结果的正确性，为陡劈坡植被恢复设计提供了参考。

5 结 论

(1)根据计算结果，陡劈坡上客土在施工期和施工完成后至植被长成前稳定性相对较好，主要原因：一是施工过程中使用了锚杆、铁丝网等加固措施；二是基质土中添加了黏结剂等，增大了土与岩体表面的黏聚力和摩擦角。

(2)运行期客土层稳定性分析分为无灌木根作用和有灌木根作用两种情况，其中有灌木根作用情况下安全系数大于无灌木根作用情况下的安全系数，因此植被恢复时应提高植被覆盖度以增加客土的稳定性。

(3)施工期和施工完成后至植被长成前的安全系数大于运行期，主要原因是随着时间增加，基质土中的黏结剂逐步失效，土与岩体表面的黏聚力和摩擦角均减小，对稳定性造成了不利影响，因此植被恢复系统设计过程中应高度重视这一变化。

(4)通过客土稳定性试验证明了本计算分析方法的科学性，为岩石陡劈坡植被恢复设计和施工提供了指导。