邊坡加固新材料的研制與開發(fā)

1、交通部西部交通建設(shè)科技項目 合同號：2001-318-000-27邊坡加固新材料的研制與開發(fā)邊坡加固新材料的研制與開發(fā)研究報告簡本研究報告簡本貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院20032003 年年 1111 月月2目 錄1 前言12 項目研究目標23 研究技術(shù)路線24 項目研究的關(guān)鍵技術(shù)95 項目研究成果及創(chuàng)新點96 項目的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益分析107 結(jié)語11附：1）鑒定意見2）鑒定委員會名單11、前言西部地區(qū)高等級公路邊坡治理中，大量采用傳統(tǒng)材料，既不經(jīng)濟也不能滿足環(huán)保、美觀的要求。為此，交通部西部交通建設(shè)科技項目邊坡成套課題之一“邊坡加固新材料的研制與開發(fā)”于

2、2001 年獲得立項，目的是研制和開發(fā)出 1 種以上的邊坡加固新材料。項目承擔單位貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院聯(lián)合參與單位，分三個子題開展研究，在交通部和貴州省交通廳的大力支持和領(lǐng)導(dǎo)下，歷經(jīng) 2 年多的辛勤工作，通過深入細致的調(diào)研、大量的室內(nèi)外試驗、實體工程及理論分析相結(jié)合，2003 年 11 月按合同要求成功地完成了各項研究任務(wù)，課題于 2004 年 3 月 30 日通過了驗收鑒定，研究成果達到國際先進水平。子題一“預(yù)應(yīng)力錨固灌漿材料的研制”，成功研制了聚丙烯纖維水泥砂漿及其生產(chǎn)工藝，該材料具有較高的錨固性能和抗裂能力，從而在預(yù)應(yīng)力錨固工程中加強對錨索的保護，減少預(yù)應(yīng)力損失，提高預(yù)應(yīng)力錨索的

3、耐久性和可靠性，同時了減少錨固段長度，節(jié)約工程成本。子題二“壓力灌漿加固邊坡的應(yīng)用研究”，完成了灌漿材料特性調(diào)研與分類，對水泥類灌漿材料進行了系統(tǒng)的性能測試分析，結(jié)合實體工程應(yīng)用，分析了灌漿加固邊坡的機理、影響因素及應(yīng)用條件，總結(jié)了灌漿加固邊坡的設(shè)計、施工指南并提出了加固效果檢測方法。子題三“植被混凝土坡面防護技術(shù)的研究”，完成新型邊坡加固材料植被混凝土的研制，通過對多孔混凝土配合比及制作工藝、植生基材及灌注方法、草種選擇、施工工藝和養(yǎng)護管理措施的系統(tǒng)研究，經(jīng)過三批模擬種植試驗和實體工程應(yīng)用，最后完成整套植被混凝土邊坡防護技術(shù)。該項技術(shù)為坡面防護增添了一種生態(tài)環(huán)保型新材料，不僅可以防護和綠化邊

4、坡，避免邊坡受到地表徑流的沖蝕，而且提高了公路邊坡植被的使用質(zhì)量和使用壽命。課題研究成果之一，“聚丙烯纖維水泥砂漿及其生產(chǎn)方法”發(fā)明專利申請已于2003年10月被國家專利局受理并通過初步審查，目前已進入實質(zhì)性審查階段。經(jīng)過查新，國內(nèi)外尚無相同研究，填補該項領(lǐng)域的空白，研究成果具有技術(shù)先進、經(jīng)濟合理、安全適用的特點，必將在今后公路建設(shè)2中發(fā)揮重要作用，取得良好的經(jīng)濟效益、社會效益及環(huán)境效益。2、項目研究目標2.1 子題一：(1) 開發(fā)出性能優(yōu)于現(xiàn)有錨索灌漿材料的產(chǎn)品:聚丙烯纖維水泥砂漿；(2) 總結(jié)設(shè)計、施工要點。2.2 子題二：(1) 推薦出公路邊坡灌漿處治合適的灌漿材料；(2) 研制出適合我

5、國西部邊坡加固的灌漿材料；(3) 提出灌漿加固邊坡的設(shè)計、施工建議。2.3 子題三：(1) 研制出植被混凝土并應(yīng)用于實際邊坡防護工程；(2) 邊坡植被混凝土防護施工后二個月內(nèi)植被覆蓋率達到 50%以上，課題鑒定時達到 85%以上；(3) 植被用多孔混凝土孔隙率達 30%以上。3 研究技術(shù)路線總研究路線：調(diào)查研究室內(nèi)外試驗理論研究實體工程成果總結(jié)。3.1 子題一“預(yù)應(yīng)力錨索灌漿材料的研制”3.1.1 聚丙烯纖維水泥砂漿的特性研究通過試驗，測試纖維砂漿的工作性能、力學(xué)性能、粘結(jié)強度及握裹強度、滲透性、收縮性、可灌性以及錨固性能的參數(shù)。試驗選擇三種不同聚丙烯纖維，每種纖維按6種不同摻量與基準配合比砂

6、漿進行對比試驗。根據(jù)試驗結(jié)果表明：(1) 聚丙烯纖維具有較強的分散性，適當長度及摻入量的聚丙烯纖維能保證生產(chǎn)制作。3(2) 摻纖維砂漿的各齡期強度比基準配合比砂漿的均有不同程度提高，3天齡期抗折/抗壓強度分別提高19.5%和11%；28天齡期分別提高7%和11%。(3) 聚丙烯纖維對砂漿變形影響不明顯，摻入適量膨脹劑對控制收縮十分有利。(4) 聚丙烯纖維砂漿的抗?jié)B能力較強。(5) 適當長度及摻入量的聚丙烯纖維摻入砂漿后對其粘接力和握裹力都有改善作用，但是并非在每一種纖維摻量條件下漿體的性能都有明顯改善。 圖根據(jù)研究，在推薦配合比下，聚丙烯纖維水泥砂漿比普通水泥砂漿的錨固性能有明顯提高：(1)

7、纖維砂漿的劈裂抗拉強度比普通砂漿增加18%。(2) 纖維砂漿與灰?guī)r的圓孔壁粘結(jié)抗剪強度與普通水泥砂漿相比，7天提高16%，14天提高19%，28天提高21%，見圖1。(3) 錨索模擬試驗表明，聚丙烯纖維水泥砂漿比普通水泥砂漿的錨固性能提高9%，試驗后發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維水泥砂漿的抗裂性能較好，圖2可見聚丙烯纖維水泥砂漿錨固段張拉后仍然保持原狀，少量拉開的裂口內(nèi)鋼釬都難以將砂漿掀開，而普通水泥砂漿普通砂漿纖維砂漿圖圖3 3- -1 10 0 砂砂漿漿與與巖巖石石的的粘粘結(jié)結(jié)抗抗剪剪強強度度柱柱狀狀圖圖2.192.593.252.533.093.940123457天14天28天粘結(jié)抗剪強度(MPa)普通

8、砂漿纖維砂漿圖1 砂漿與巖石的粘結(jié)抗剪強度柱狀圖4錨固段幾乎全部壓碎破裂。圖2 普通（纖維）砂漿錨索拉出后照片3.1.23.1.2 聚丙烯纖維水泥砂漿的應(yīng)用研究聚丙烯纖維水泥砂漿的應(yīng)用研究為了進一步驗證聚丙烯纖維水泥砂漿的錨固性能，總結(jié)灌漿施工工藝和應(yīng)用經(jīng)驗，確定合適的灌漿設(shè)備和常規(guī)的外加劑以及對砂石材料的要求，課題組進行了實體工程試驗。實體工程為一巖堆加固工程，設(shè)計采用預(yù)應(yīng)力地梁錨索，錨固段膠結(jié)材料采用聚丙烯纖維水泥砂漿。通過依托工程實施，驗證了聚丙烯纖維水泥砂漿及其推薦配合比的工作性能符合要求并總結(jié)了相應(yīng)施工經(jīng)驗，全部錨索按設(shè)計完成預(yù)應(yīng)力張拉且長效性通過預(yù)應(yīng)力監(jiān)控驗證，說明聚丙烯纖維水泥砂

9、漿完全可以作為預(yù)應(yīng)力錨固段的粘結(jié)材料，其錨固性能優(yōu)于普通砂漿，見圖3。通過大量的試驗驗證、推薦配合比下的聚丙烯纖維水泥砂漿可增強錨固力，生產(chǎn)時，可采用以下施工步驟：稱量原料干拌原料13分鐘加水攪拌35分鐘。圖3 依托工程:董家?guī)r堆全景當錨固段受砂漿與鉆孔壁粘結(jié)強度控制時，其長度計算推薦修正公式為：DCKqKLmL21LL錨固段長度D鉆孔直徑C常規(guī)砂漿與巖土的粘結(jié)強度K1錨固段長度安全系數(shù)K2聚丙烯纖維水泥砂漿提高系數(shù)，取1.1053.2 子題二“淺層壓力灌漿加固邊坡的應(yīng)用研究”通過對水泥類灌漿材料進行室內(nèi)試驗，分析其特有的性能和應(yīng)用條件，重點通過實施壓力灌漿加固破碎巖體的應(yīng)用，研究其加固邊坡的

10、機理，總結(jié)設(shè)計、施工要點。3.2.1 邊坡加固材料的應(yīng)用現(xiàn)況調(diào)研課題組以貴州地區(qū)為主，調(diào)研了貴州省的貴陽至新寨高速公路、凱里至麻江高速公路、鎮(zhèn)寧至水城公路，重慶的渝黔高速公路、渝合高速公路等。通過實體工程和研究文獻資料，獲取有關(guān)邊坡加固工程中所用材料的情況和邊坡加固新材料的應(yīng)用情況及存在的問題，深入了解當前國內(nèi)外灌漿技術(shù)的工程應(yīng)用情況，開展對漿液材料性能的調(diào)研，內(nèi)容包括灌漿技術(shù)在土木工程行業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀、漿液的種類及性質(zhì)，從而為順利開展本課題研究打下堅實的基礎(chǔ)。3.2.2 灌漿材料的分類及特性研究總結(jié)分析灌漿材料的性能，從材料組成、性能指標上進行分類，結(jié)合公路邊坡的巖體特點、施工情況，提出灌漿

11、材料選擇的建議，推薦出合適的灌漿材料水泥類灌漿材料。對水泥類灌漿材料，按亞類純水泥漿、水玻璃水泥漿、黃砂水泥漿、粉煤灰水泥漿、黃砂粉煤灰水泥漿進行研究，重點在室內(nèi)進行試驗研究，測試漿液的凝結(jié)時間、結(jié)石率、稠度、結(jié)石體抗壓、抗折強度等，分析各類漿液性能隨組分變化的規(guī)律。3.2.3 依托工程及灌漿試驗結(jié)合三個具體的灌漿治理邊坡實體工程，研究不同水泥類灌漿材料的灌漿性能，總結(jié)灌漿設(shè)計施工要點，并對三個工程采用了跨孔聲波測試、地震波檢測、開挖探槽等檢測手段進行灌漿效果評價。通過依托工程的驗證，邊坡經(jīng)過灌漿治理后,一方面邊坡巖土體或滑動面的強度得到提高,另一方面治理后的邊坡面得以留存,為綠化提供了條件，

12、見下圖4、圖5。6圖 4 依托工程鵝山?jīng)_滑坡治理前 圖 5 依托工程:鵝山?jīng)_滑坡治理后3.2.4 灌漿加固邊坡的機理分析借助灌漿理論，對灌漿加固邊坡的作用機理進行研究，針對具體的依托工程，采用有限元理論，利用計算機模擬邊坡不同工況條件，分析灌漿加固邊坡后加強坡體的整體性，灌漿后粘聚力和內(nèi)摩擦角增大系數(shù)的取值等問題。3.3 子題三“植被混凝土坡面防護技術(shù)的研究”植被混凝土作為一種新的坡面防護技術(shù)，根據(jù)研究大綱要求，課題組進行了材料、施工工藝和養(yǎng)護管理等方面的研究。（1）多孔混凝土配合比及生產(chǎn)工藝通過市場調(diào)研和室內(nèi)試驗，篩選出適宜植物生長的多孔混凝土的孔隙率、空隙形式。對生產(chǎn)多孔混凝土所需的膠凝材

13、料、骨料、外加劑進行多種配合比試驗，選擇出滿足護坡強度、耐久性和冬季施工要求的最佳原材料和最佳配合比。研制的多孔混凝土抗壓強度大于5.0MPa,抗折強度大于1.0MPa，孔隙率達到30以上，滿足要求。（2）植生基材的研究植物生長要求種植基材具有良好的保水性、保肥性、稀釋堿鹽類的作用，能長時間維持植物的生長環(huán)境，為此，課題組進行了基材的選擇及用量研究，填充方法研究，以解決植生基材最大限度地填充到多孔混凝土的7孔隙部位，并有較好的粘附作用，防止植生基材和草種早期多雨水沖刷的影響。通過模擬種植試驗和實體工程植物生長觀測表明，植生基材改良了植被混凝土的肥力狀況，提高了植被混凝土的保水、保肥能力，種植的

14、草坪植物表現(xiàn)出優(yōu)于一般土壤。（3）培養(yǎng)土層的研究設(shè)置于植被混凝土的下面。根據(jù)植被混凝土主要用于坡面，坡面易于干旱的特點、特別是巖石邊坡，要求提供維持植物生長所必需的水分或養(yǎng)分等。選擇有機物質(zhì)、土壤、緩釋肥料和保水劑等材料，通過摻入不同材料和各材料的不同比例對植物生長的影響，兼顧經(jīng)濟指標，確定培養(yǎng)土層的材料種類和各材料的比例。（4）植被混凝土用草坪植物研究根據(jù)目前國內(nèi)草坪和公路用植被的選用情況，對國內(nèi)常用的可用于植被混凝土的草坪草和地被植物的性狀進行了分析。選擇質(zhì)地佳、綠期長、耐瘠薄、耐粗放管理的草坪植物。并通過優(yōu)選的植物與已配制的混凝土的適應(yīng)性種植試驗，研究植被混凝土用草坪植物的種類及其混播比

15、例、播種量等相關(guān)數(shù)據(jù)。通過種植試驗篩選出Bahiagrass、狗牙根、白三葉、高羊茅、小冠花等優(yōu)良的植被混凝土防護用草坪草及地被植物，選擇出抗旱型高羊茅組合用于實體工程。（5）植被混凝土施工工藝研究研究植被混凝土用于公路邊坡防護的成套施工工藝，包括：施工順序、框架坡面結(jié)構(gòu)型式、培養(yǎng)土層的填筑、植被混凝土的現(xiàn)場鋪設(shè)以及接縫的處理。（6）植被混凝土的養(yǎng)護管理技術(shù)研究結(jié)合氣候特點及養(yǎng)護管理條件，提出植被混凝土施工后及生長期的養(yǎng)生、澆灌、追肥、防除病蟲害等養(yǎng)護管理技術(shù)要點，并開展預(yù)防植物枯死的補救措施研究。以上六個方面的研究，結(jié)合三批次144塊試件的模擬種植試驗，觀測植物在不同季節(jié)的生長狀況，在此基礎(chǔ)

16、上實施了依托工程，通過依托工程8的觀測和全面的研究總結(jié)，最終形成一套系統(tǒng)的新型環(huán)保公路護坡技術(shù)。實體工程觀測結(jié)果表明，到播種后的1個月后，坡面植被覆蓋率已達到88%92%，1個半月草坪植物的平均密度穩(wěn)定在35株/100cm2左右。在施工結(jié)束后第二天至播種后的一個月內(nèi)，植被混凝土共經(jīng)受了5場暴雨的考驗，坡面均未發(fā)生被沖刷和垮塌等失穩(wěn)破壞現(xiàn)象，草坪植物生長良好，說明植生基材抗沖刷性能優(yōu)良，植被混凝土起到了良好的固土護坡作用。目前植物長勢良好，見圖6、圖7：圖 6 依托工程董公寺互通立交匝 C 邊坡種植 5 個月后(2003 年 10 月底)圖 7 依托工程董公寺互通立交匝 C 邊坡種植 6 個月后

17、(2003 年 11 月底)94 4 項目研究的關(guān)鍵技術(shù)項目研究的關(guān)鍵技術(shù)（1)設(shè)計開發(fā)了砂漿與圓孔壁的粘結(jié)抗剪試驗?zāi)Ｐ?，可快速準確地測出聚丙烯纖維水泥砂漿與鉆孔壁的粘結(jié)強度。（2）聚丙烯纖維水泥砂漿的推薦配合比在滿足強度的同時，工作性能好，達到安全方便的目的。（3）多孔混凝土的配合比設(shè)計及制作施工工藝，解決混凝土強度的同時，保證有足夠的空隙以儲存植生基材。（4）植生基材的研制及填充方法，克服混凝土的強堿環(huán)境，滿足植物生長所需的條件。（5）優(yōu)選出適合西部地區(qū)植被混凝土用草坪植物，可滿足在條件惡劣的邊坡上生長。（6）研究了植被混凝土的施工工藝，完善了植被混凝土坡面防護技術(shù)。5 5 項目研究成果及

18、創(chuàng)新點項目研究成果及創(chuàng)新點該項目針對公路邊坡的表層、淺層、深層穩(wěn)定處治中所急需的材料及相應(yīng)的應(yīng)用技術(shù)進行了深入研究，并進行了工程實踐，完成了項目合同和研究大綱規(guī)定的研究任務(wù)，項目主要創(chuàng)新點和成果如下：（1）首次開發(fā)了具有較高的抗折、抗壓、抗拉強度、脆性小、抗裂性能好、抗?jié)B性好、粘結(jié)和握裹強度大的高強度聚丙烯纖維水泥砂漿錨固新材料。（2）系統(tǒng)地完成了聚丙烯纖維水泥砂漿的性能測試及應(yīng)用研究，提出了聚丙烯纖維水泥砂漿錨固段長度的修正計算公式。（3）首次設(shè)計并成功應(yīng)用了“圓孔壁粘結(jié)強度測試方法” 。（4）提出了聚丙烯纖維水泥砂漿的施工工藝及設(shè)計指南，通過工程實踐，驗證了聚丙烯纖維水泥砂漿的優(yōu)越性。（5

19、）研究分析了邊坡淺層灌漿加固機理及灌漿材料性能對邊坡加固的影響，提出了灌漿加固邊坡的施工工藝及設(shè)計指南和灌漿加固邊坡檢測10的新方法，解決了邊坡淺層滑動的處治問題，為邊坡的生態(tài)恢復(fù)提供了條件。（6）提出了植被混凝土生產(chǎn)及施工的成套技術(shù)。（7）首次開發(fā)了植被混凝土坡面防護技術(shù)，提出了采用分層涂敷法和中層干式振動法相結(jié)合的植生基材填充方法。（8）率先在國內(nèi)將該技術(shù)應(yīng)用于公路巖石邊坡生態(tài)防護工程。6 6項目的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益分析項目的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益分析6.1 子題一（1）項目研制完成的預(yù)應(yīng)力錨固高強灌漿材料聚丙烯纖維水泥砂漿具有強度高，抗裂性能好，粘結(jié)強度高等特點，可以增強錨固作用，減少錨

20、固段長度，因而減少鉆孔長度、鉆孔數(shù)、以及錨索長度等。通過經(jīng)濟分析，每 1 根 100 噸級錨索錨固段工程，使用新材料可以節(jié)約成本1000 多元。（2）聚丙烯纖維水泥砂漿較強的抗裂能力，可以有效地加強對錨索的保護和減少預(yù)應(yīng)力損失，延長錨索使用壽命，減小工程失事率，具有顯著的社會效益。（3）聚丙烯纖維纖維砂漿具有生產(chǎn)工藝簡單，無毒、無污染，是一種典型的環(huán)保材料，其應(yīng)用前景較好。6.2 子題二（1）課題組推薦出適宜于邊坡加固灌漿材料水泥類灌漿材料，并系統(tǒng)地對該類灌漿材料進行了試驗研究，掌握了漿液的工程特性。利用粉煤灰等工業(yè)廢渣作為灌漿材料，可以節(jié)約水泥，必將在以后的工程中得到廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。（2）灌漿加固邊坡除了增強邊坡整體性外