趙瑞東，趙文廷，周亞鵬

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，河北 保定 071000）

復(fù)綠生態(tài)加筋土穩(wěn)固石灰?guī)r礦山渣堆技術(shù)方法研究

趙瑞東，趙文廷，周亞鵬

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，河北 保定 071000）

依據(jù)生態(tài)袋和加筋土護(hù)坡技術(shù)基本原理，提出生態(tài)加筋土護(hù)坡技術(shù)，以發(fā)揮生態(tài)袋和加筋土技術(shù)各自優(yōu)勢，同時(shí)克服加筋土護(hù)坡生態(tài)效果差及生態(tài)袋護(hù)坡穩(wěn)定性差之不足。該項(xiàng)技術(shù)更適于石灰?guī)r礦山渣堆穩(wěn)固和生態(tài)修復(fù)，具有美化礦山環(huán)境、防治地質(zhì)災(zāi)害等功用。

石灰?guī)r礦山渣堆；加筋土技術(shù)；生態(tài)袋護(hù)坡技術(shù)；生態(tài)加筋土護(hù)坡

石灰?guī)r作為重要的建筑材料有著悠久的開采歷史，在現(xiàn)代工業(yè)中，石灰?guī)r是制造水泥、石灰、電石的主要原料，是冶金工業(yè)中不可缺少的熔劑灰?guī)r，優(yōu)質(zhì)石灰?guī)r超細(xì)粉磨后，被廣泛應(yīng)用于造紙、橡膠、油漆、涂料、醫(yī)藥、化妝品、飼料、密封、粘結(jié)、拋光等產(chǎn)品制造中。我國石灰?guī)r礦產(chǎn)十分豐富，分布面積43.8×104km2，約占國土面積的1/20，分布范圍極其廣泛。改革開放以來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的空前發(fā)展，城鄉(xiāng)住房、鐵路、公路等土木工程建設(shè)強(qiáng)度和數(shù)量日益增加，石灰?guī)r采石業(yè)隨之發(fā)展，石灰?guī)r開采加工到處可見，他們?yōu)閲窠?jīng)濟(jì)發(fā)展作出貢獻(xiàn)的同時(shí)，也造成了一系列難以修復(fù)的生態(tài)環(huán)境后遺癥，如植被破壞、水土流失、粉塵與噪聲污染、景觀破壞等。為了方便運(yùn)輸，降低生產(chǎn)成本，人們常就近選擇石灰?guī)r采場場址，多選擇在道路沿線和城鄉(xiāng)結(jié)合部等可視范圍內(nèi)，它們嚴(yán)重破壞和影響城鄉(xiāng)或道路的形象[1-2]。石灰?guī)r開采與環(huán)境保護(hù)之間的矛盾日益突出，為解決矛盾，需要及時(shí)對石灰?guī)r采石場進(jìn)行生態(tài)修復(fù)。但由于石灰?guī)r采石場立地條件差，土壤貧瘠，其生態(tài)修復(fù)成為難題。針對石灰?guī)r礦山渣堆的特點(diǎn)，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，提出生態(tài)加筋土穩(wěn)固石灰?guī)r礦山渣堆技術(shù)[2-12]，以實(shí)現(xiàn)石灰?guī)r礦山渣堆的復(fù)墾復(fù)綠，美化環(huán)境；穩(wěn)固渣堆，防止發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害。

2 生態(tài)加筋土護(hù)坡技術(shù)

生態(tài)加筋土護(hù)坡技術(shù)（Ecological slope protection technology of reinforced earth）是采用生態(tài)袋改進(jìn)的加筋土護(hù)坡技術(shù)，也稱生態(tài)加筋土斜坡技術(shù)。其核心內(nèi)容包括生態(tài)袋技術(shù)或植生帶技術(shù)、加筋土技術(shù)及生態(tài)加筋土坡設(shè)計(jì)理論。

2.1 加筋土技術(shù)及其應(yīng)用狀況

加筋土（reinforced earth）是在土中加入拉筋（或稱筋帶）的一種復(fù)合土[3-6]。在土體中加入拉筋，可以提高土體的強(qiáng)度，增加土體的穩(wěn)定性。在我國，加筋土應(yīng)用有悠久的歷史，如在水工建筑中用樹木枝條加固地基，在道路工程中用加入枝條的黃土建造“土橋”，在房屋建筑中用摻入草筋、發(fā)絲或竹片的土夯筑土墻等。在國外，也有類似的記載。但是，將加筋土作為建筑技術(shù)來研究和推廣，則是近幾十年的事。20世紀(jì)60年代初，法國工程師亨利·維達(dá)爾（Henry Vidal）在模型試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土中摻入有機(jī)纖維材料后，其強(qiáng)度可明顯提高，可達(dá)原有強(qiáng)度的好幾倍，繼而提出加筋土設(shè)計(jì)理論。1965年法國普拉聶爾斯（Prageres）首次用他的設(shè)計(jì)理論成功地修建了世界上第一座加筋土擋土墻。于是，這種具有許多獨(dú)特優(yōu)勢的加筋土結(jié)構(gòu)（圖1），立即引起法、英、美、前蘇聯(lián)和日本等世界各國的重視，紛紛進(jìn)行試驗(yàn)研究與應(yīng)用。加筋土技術(shù)的應(yīng)用也從最初的僅用作擋墻而擴(kuò)展用于橋臺(tái)、護(hù)岸、堤壩、沉淀池、半地下倉斜墻、建筑物地基、核電站反應(yīng)堆等復(fù)雜條件下的土工結(jié)構(gòu)中。

圖1 加筋土擋墻結(jié)構(gòu)示意

我國于1979年首次在云南建成加筋土擋墻試驗(yàn)[7-8]工程起，加筋土技術(shù)的研究和應(yīng)用在我國得到迅速發(fā)展，到目前為止，已經(jīng)修建加筋土工程達(dá)10萬hm2，其中加筋土擋墻近4萬座，最長的加筋土擋墻是重慶市區(qū)長江濱江公路駁岸墻（長度5.5km），最高加筋土擋墻是重慶巫山縣集仙路擋墻（高度60m）。

當(dāng)前，國內(nèi)加土擋墻理論研究已接近國際先進(jìn)水平，加筋土技術(shù)廣泛應(yīng)用于土木工程，其優(yōu)勢愈來愈明顯。但由于該項(xiàng)技術(shù)的生態(tài)恢復(fù)效果較差，因此用得最多的仍是道路工程，其他領(lǐng)域用得較少，礦山生態(tài)環(huán)境保護(hù)與恢復(fù)治理中很少采用。

2.2 生態(tài)袋技術(shù)及其應(yīng)用狀況

生態(tài)袋護(hù)坡技術(shù)[9]（Ecological bag slope protection technology）是通過將裝滿植物生長基質(zhì)的生態(tài)袋沿坡面連接和堆疊而成一層（厚30～40cm）適宜植物生長的環(huán)境來達(dá)到邊坡植被恢復(fù)和防護(hù)目的的巖土邊坡植被防護(hù)技術(shù)（圖2）。其中，生態(tài)袋是以聚丙烯（PP）為原材料制成的雙面熨燙針刺無紡布加工而成的袋子，其由聚丙烯及一系列輔料復(fù)合加工而成，具有抗紫外線，耐腐蝕性強(qiáng)，耐微生物分解，抵抗老鼠、白蟻、蛀蟲、甲殼蟲等動(dòng)物破壞等優(yōu)點(diǎn)；對植物友善，植物能通過袋體自由生長；使用壽命長，可達(dá)50a以上。這種技術(shù)適合各種整體穩(wěn)定的貧瘠巖土邊坡防護(hù)和生態(tài)恢復(fù)，近幾年從國外引進(jìn)，目前是國內(nèi)最新的一種巖土邊坡植物防護(hù)技術(shù)。由于利用這項(xiàng)技術(shù)所建造的植物生境，非常適合草本植物、灌木，甚至適合一些小喬木生長，能夠較快速地形成茂盛植被效果，因此，被廣泛應(yīng)用于城市園林綠化；公路、鐵路、水庫、江河堤防等邊坡復(fù)綠；足球場、高爾夫球場等運(yùn)動(dòng)場綠化，以及大面積水土流失區(qū)域的生態(tài)恢復(fù)等。

圖2 生態(tài)袋護(hù)坡結(jié)構(gòu)及其施工效果[9]

由于生態(tài)袋較昂貴，因此有些情況也可采用植生帶代替。植生帶是指利用特制的無紡布或木漿紙等作為載體，置優(yōu)質(zhì)植物（喬木、灌木、草類）種子于其上，并施入一定量的肥料等基質(zhì)，經(jīng)過專門的植生機(jī)械復(fù)合而成的綠化產(chǎn)品。植生袋則是在植生帶的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種綠化產(chǎn)品，它是由植生帶與聚乙烯網(wǎng)或麻網(wǎng)復(fù)合，再將其按一定規(guī)格縫紉而成的袋狀綠化產(chǎn)品。與生態(tài)袋相比，植生袋價(jià)格更便宜，施工更簡單，應(yīng)用范圍更廣泛。但使用壽命短，一般只有 3～5a。

2.3 生態(tài)加筋土護(hù)坡結(jié)構(gòu)

生態(tài)加筋土護(hù)坡結(jié)構(gòu)如圖3所示。這種護(hù)坡結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮加筋土技術(shù)和生態(tài)袋護(hù)坡技術(shù)的優(yōu)勢，克服了加筋土技術(shù)生態(tài)效果差和生態(tài)袋護(hù)坡穩(wěn)定性差的缺陷，更適合礦山渣堆穩(wěn)固與生態(tài)修復(fù)。

圖3 生態(tài)加筋土坡結(jié)構(gòu)示意

2.4 生態(tài)加筋土護(hù)坡設(shè)計(jì)理論

2.4.1 設(shè)計(jì)理論

由于生態(tài)加筋土護(hù)坡結(jié)構(gòu)沒有面板，筋材通常是在土坡內(nèi)水平鋪設(shè)，認(rèn)為生態(tài)加筋土坡的失穩(wěn)形式與傳統(tǒng)土坡相似，或是沿某個(gè)圓弧產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)式滑坡，或是以楔體形式沿折面滑動(dòng)。因此其設(shè)計(jì)方法是與傳統(tǒng)的土坡穩(wěn)定分析方法相同，只是需要考慮土坡中的筋材作用。對于加筋土坡，各層筋材的拉力對滑動(dòng)圓心產(chǎn)生的力矩起抗滑作用，它們的總和就是抗滑力矩的增量 ΔMR，只要以（MR+ΔMR）代替MR，按傳統(tǒng)土坡穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算公式即可求得加筋土坡的安全系數(shù)FS。

土坡內(nèi)鋪設(shè)的筋材應(yīng)有一定的長度，使其超出滑動(dòng)圓弧外的被動(dòng)段與土體之間的握裹力不小于接拔力，且有一定安全系數(shù)。為此，要對每層筋材作內(nèi)部穩(wěn)定性校核，保證其不會(huì)被拔出。此外，修建生態(tài)加筋土坡要求具有良好的地基，即地基承載力應(yīng)滿足要求。否則，生態(tài)加筋土坡產(chǎn)生的應(yīng)力集中將使地基因承載力不足而破壞，進(jìn)一步影響穩(wěn)定[10-32]。

2.4.2 生態(tài)加筋土護(hù)坡的穩(wěn)定性分析

在生態(tài)加筋土護(hù)坡內(nèi)水平鋪設(shè)n層筋材，其垂直間距一般為1～2m。按瑞典條分法核算安全系數(shù)FS的公式為（圖 4）：

圖4 生態(tài)加筋土護(hù)坡穩(wěn)定性核算模式

式中：Wi、θi、Δli分別為第 i土條重力、底弧仰角和長度；R為滑動(dòng)圓弧的半徑；Tai為第i層筋材的抗拉強(qiáng)度。

如果填土為細(xì)粒土，當(dāng)其含水量接近飽和時(shí)，常采用不排水抗剪強(qiáng)度Cu，它不隨作用于剪切面上的法向應(yīng)力而變化，那么就不需要分條，可直接采用總強(qiáng)度指標(biāo)，安全系數(shù)的表達(dá)式為（圖5）：

圖5 生態(tài)加筋土護(hù)坡按不排水剪強(qiáng)度的穩(wěn)定性核算模式

式中：L為滑動(dòng)圓弧全長；W為土坡滑動(dòng)部分的總重力；x為滑動(dòng)圓心至土坡滑動(dòng)部分總重力作用線的距離。

2.4.3 確定筋材長度

確定筋材長度的依據(jù)是保證每層筋材延伸滑動(dòng)弧以外的被動(dòng)長度可提供充分的握裹力，防止筋材被拔出：

式中：Ta為筋材的容許抗拉強(qiáng)度；σv為作用于某層筋材上覆土的蓋壓力；φag為土與筋材間的摩擦角，由拉拔試驗(yàn)測得。

對于接近飽和的軟粘土，筋材與土之間的摩阻力不隨界面處的法向應(yīng)力而變化，而是靠兩者間的粘著力cu提供握裹力，則筋材的被動(dòng)長度為：

筋材的總長度L為：

式中：La、Lp、Lb分別為筋材主動(dòng)段長度和反包長度。

圖6 某石灰?guī)r礦山渣堆治理前的狀況

3 生態(tài)加筋土護(hù)坡在石灰?guī)r礦山渣堆治理中的應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目概況及設(shè)計(jì)參數(shù)

某高速公路沿線某段某石渣廠石灰?guī)r礦渣堆如圖6所示。渣堆整體穩(wěn)定，主要地質(zhì)災(zāi)害類是水土流失。渣坡高度 19.8m，坡度為 51°，長度約121m。礦渣的主要化學(xué)、物理和力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1。

表1 石灰?guī)r礦山渣堆主要化學(xué)、物理、力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

3.2 渣坡生態(tài)護(hù)坡設(shè)計(jì)

依據(jù)加筋土護(hù)坡設(shè)計(jì)計(jì)算原理，該石灰?guī)r礦山渣堆的生態(tài)加筋土護(hù)坡防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖7所示，經(jīng)整理的渣坡坡度為1∶1.2，生態(tài)袋規(guī)格為50cm×50cm×25cm，筋帶的總長度為3m，垂直間距為1.5m。

圖7 某石灰?guī)r礦山渣堆生態(tài)加筋土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4 結(jié)語

本文提出的以生態(tài)袋加筋土邊坡防護(hù)技術(shù)，對礦山渣堆穩(wěn)固、復(fù)墾覆綠和地質(zhì)災(zāi)害防治來說，是一項(xiàng)很有應(yīng)用和推廣價(jià)值的巖土工程技術(shù)方法。通過分析總結(jié)，可以得出以下結(jié)論：

（1）生態(tài)加筋礦山渣坡穩(wěn)定性好，抗降雨侵蝕能力強(qiáng)。加筋土的加筋作用可數(shù)倍提高礦渣的抗剪強(qiáng)度和抗降雨侵蝕能力，對高陡的礦山渣堆起良好的穩(wěn)固作用。同時(shí)，能建造較陡的加筋礦山渣坡，減少占地面積。

（2）生態(tài)加筋礦山渣坡適應(yīng)性強(qiáng)。一是生態(tài)加筋土結(jié)構(gòu)屬于柔性結(jié)構(gòu)，對地基不均勻變形的適應(yīng)能力強(qiáng)。二是發(fā)揮生態(tài)袋優(yōu)勢，生態(tài)加筋土結(jié)構(gòu)適用各種氣候條件。

（3）抗震效果好。生態(tài)加筋土結(jié)構(gòu)能消減地震作用能量，抗震性能好，適合強(qiáng)震區(qū)礦山渣堆的穩(wěn)固與地質(zhì)災(zāi)害防治。

（4）生態(tài)效果明顯。生態(tài)加筋土的生態(tài)袋為植物生長提供了優(yōu)質(zhì)的生境條件，有利于實(shí)現(xiàn)礦山渣坡的快速綠化。

（5）設(shè)計(jì)更靈活。可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)成各種各樣的景觀造型，以美化環(huán)境。

（6）施工簡單，工程造價(jià)低。與砌石重力式擋墻、鋼筋混土擋墻等相比，可節(jié)省投資20%~60%，而且渣坡高度越高，資金節(jié)省越顯著。如果能夠提前設(shè)計(jì)生態(tài)加筋礦山渣坡，并能與礦渣排放同步進(jìn)行施工，效果會(huì)更好，優(yōu)勢更明顯。參考文獻(xiàn)

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Technological Method Research of Ecological Reinforced Cement Limestone Mining on the Slag Heap

ZHAO Rui-dong，ZHAO Wen-ting，ZHOU Ya-peng
（Agricultural University of Hebei，Baoding，Hebei 071000，China）

On the basis of ecological bag and reinforced earth slope protection technology of basic principle，put forward zoology reinforced slope technology，in order to develop zoology bag and reinforced earth technology in their respective advantages，and overcome the reinforced earth slope protection ecological effects and ecological bag bad stability is insufficient.This technique is more suitable for limestone mine slag heap solid and ecological restoration，beautifying the environment of mine，the geological disaster prevention function.

Limestone mine slag heap；The reinforced earth technology；Ecological bag slope protection technology；Ecological reinforced slopes

X171.4

A

1002-3356（2017）04-0048-05

2017-10-22

河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（QN2015168）

趙瑞東（1993-），男，在讀碩士，主要研究方向：農(nóng)村區(qū)域發(fā)展。

趙文廷（1964-），男，學(xué)士，教授，研究方向：礦山生態(tài)修復(fù)。