一种膨胀土堑坡的防护结构及其施工方法

1.本发明属于边坡工程技术领域，具体涉及一种膨胀土堑坡的防护结构及其施工方法。


背景技术：

2.我国膨胀土分布广泛，因富含蒙脱石、伊利石等亲水性矿物使其遇水膨胀，失水收缩。在我国湿热多雨地区，长期的气候环境变化使膨胀土边坡浅层反复胀缩从而形成大量不规则裂隙并不断扩展。裂隙的存在使膨胀土的抗剪强度降低，大大削弱了边坡的抗滑能力；同时裂隙为雨水入渗的通道，渗入后在滑坡体内产生水压力，显著增加滑动力矩，严重影响膨胀土边坡的稳定性。膨胀土造成的边坡失稳破坏往往是浅层的、渐进的、长期潜伏的，难以妥善处理，因此也被称为“工程中的癌症”；铁道部门在描述膨胀土地区修路时也常用“逢堑必滑、无堤不塌”的说法来表征膨胀土边坡在工程建设中的严重性。
3.针对膨胀土边坡浅层滑塌的问题，工程实践中的多种防护措施往往不能很好地体现出“治坡先治水”的理念，比如各种刚性支护等，而土工格栅加筋柔性支护、换填土往往需将边坡超挖，宽度较大(超过3m)，导致工程量大。现有的处治措施，施工期较长，同时在干湿循环的作用，会导致堑坡表层土体开裂，显著降低表层土体强度，严重时在降雨期或雨后会造成膨胀土边坡塌滑，使防护结构失效。
4.综上所述，膨胀土边坡防护结构中有效阻止外界水分进入膨胀土坡体并减少膨胀土开裂的问题亟待解决。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种膨胀土堑坡的防护结构及其施工方法，本发明提供的防护结构能够有效阻止外界水分进入膨胀土坡并能有效减少膨胀土坡开裂。
6.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种膨胀土堑坡的防护结构，边坡的坡面和坡顶位置包括依次层叠设置的边坡裂隙处理层、两布一膜层和植被防护层；设置于边坡坡脚处的排水沟；设置于边坡坡顶防护结构外侧的截水沟；
7.所述边坡裂隙处理层包括带有裂隙的边坡坡面、坡顶和填充在裂隙中的乳化沥青复合材料；
8.所述植被防护层包括设置于两布一膜层表面的回填耕植土层和设置于耕植土层之上的植被。
9.优选的，所述乳化沥青复合材料包括乳化沥青、水泥、橡胶粉和水。
10.优选的，所述乳化沥青为阳离子乳化沥青，所述乳化沥青的平均粒径为5～15μm，所述乳化沥青的固含量为45～65％；
11.所述乳化沥青的基质沥青为道路石油沥青或sbs改性沥青。
12.优选的，所述乳化沥青、水泥和橡胶粉的质量比为100：35～40：25～30；
13.所述乳化沥青复合材料的水固比为0.4～0.6。
14.优选的，所述裂隙的深度为20～30cm，所述裂隙的宽度为0.5～1cm。
15.优选的，所述两布一膜层用的两布一膜的规格为400～600g/m3，所述两布一膜层用的两布一膜的厚度为0.5～1.5mm。
16.优选的，所述回填耕植土层厚度不小于10cm，所述回填耕植土层用土为非膨胀性黏土；
17.所述非膨胀性黏土的渗透系数小于1
×
10-7
cm/s。
18.优选的，所述回填耕植土层表面覆盖主动防护网；
19.所述主动防护网的网孔为25cm
×
25cm～35cm
×
35cm。
20.优选的，所述边坡的坡率为1:1.5以下，所述边坡坡顶的坡率为3～5％。
21.本发明还提供了上述技术方案所述膨胀土堑坡防护结构的施工方法，包括以下步骤：
22.在原膨胀土堑坡地基的基础上开挖边坡；
23.在所述边坡的坡脚出开挖排水沟，在所述边坡坡顶开挖截水沟；
24.在所述边坡的坡面和坡顶裂隙处喷洒乳化沥青复合材料，形成边坡裂隙处理层；
25.在所述边坡裂隙处理层表面铺设两布一膜，形成两布一膜层；
26.在所述两布一膜层表面铺设耕植土，形成回填耕植土层；
27.在所述回填耕植土层种植植被，形成植被防护层，得到膨胀土堑坡防护结构。
28.本发明提供了一种膨胀土堑坡的防护结构，边坡的坡面和坡顶位置包括依次层叠设置的边坡裂隙处理层、两布一膜层和植被防护层；设置于边坡坡脚处的排水沟；设置于边坡坡顶防护结构外侧的截水沟；所述边坡裂隙处理层包括带有裂隙的边坡坡面、坡顶和填充在裂隙中的乳化沥青复合材料；所述植被防护层包括设置于两布一膜层表面的回填耕植土层和设置于耕植土层之上的植被。在本发明中，乳化沥青复合材料具有良好的流动性，很容易渗入开挖膨胀土边坡经干湿循环所产生的裂隙中，使开裂后的膨胀土边坡填充密实成为整体。在本发明中，植被防护层和两布一膜层也能很好地防止外界水分渗入坡体内部同时也能减少坡体水分的蒸发，有效抑制膨胀土“遇水膨胀，失水收缩”的现象，从而减少膨胀土边坡开裂。本发明在坡裂隙处理层、两布一膜层和植被防护层的共同作用下使膨胀土边坡土体内水分均衡分布，防止裂隙产生并进一步扩展，能有效维持边坡稳定性。
附图说明
29.图1为膨胀土堑坡的防护结构总体剖面图，其中，1—膨胀土，3—乳化沥青水泥复合材料，4—两布一膜，5—回填耕植土层，6—植被，7—截水沟，8—排水沟；
30.图2为边坡裂隙处理层平面示意图，其中，1—膨胀土，2—裂隙，3—乳化沥青水泥复合材料。
具体实施方式
31.本发明提供了一种膨胀土堑坡的防护结构，边坡的坡面和坡顶位置包括依次层叠设置的边坡裂隙处理层、两布一膜层和植被防护层；设置于边坡坡脚处的排水沟；设置于边坡坡顶防护结构外侧的截水沟；
32.所述边坡裂隙处理层包括带有裂隙的边坡坡面、坡顶和填充在裂隙中的乳化沥青
复合材料；
33.所述植被防护层包括设置于两布一膜层表面的回填耕植土层和设置于耕植土层之上的植被。
34.本发明提供的膨胀土堑坡的防护结构包括设置于边坡坡面和坡顶的边坡裂隙处理层。在本发明中，所述边坡的坡率优选为1:1.5以下，更优选为1:1.5；所述边坡坡顶的坡率(指的是坡顶平面与水平面之间的夹角)优选为3～5％，更优选为3.3～4.8％。
35.在本发明中，所述边坡裂隙处理层包括带有裂隙的边坡坡面、坡顶和填充在裂隙中的乳化沥青复合材料。在本发明中，所述裂隙优选因卸荷作用和干湿循环作用产生；所述裂隙的深度优选为20～30cm，更优选为22～28cm；所述裂隙的宽度优选为0.5～1cm，更优选为0.6～0.9cm。
36.在本发明中，所述乳化沥青复合材料包括乳化沥青、水泥、橡胶粉和水。在本发明中，所述乳化沥青优选为阳离子乳化沥青，所述乳化沥青的平均粒径优选为5～15μm，更优选为8～13μm；所述乳化沥青的固含量优选为45～65％。在本发明中，所述乳化沥青的基质沥青优选为道路石油沥青或sbs改性沥青，更优选为道路石油沥青；所述道路石油沥青优选为70#道路石油沥青或90#道路石油沥青，更优选为70#道路石油沥青。在本发明中，所述膨胀土堑坡的膨胀等级包括强膨胀土、中膨胀土和弱膨胀土。当边坡的膨胀土为强膨胀土时，所述乳化沥青的固含量优选为55～65％，更优选为56～62％；当边坡的膨胀土为中膨胀土时，所述乳化沥青的固含量优选为50～60％，更优选为52～56％；当边坡的膨胀土为弱膨胀土时，所述乳化沥青的固含量优选为45～55％，更优选为48～52％。在本发明中，所述水泥优选为硅酸盐水泥。在本发明中，所述乳化沥青、水泥和橡胶粉的质量比优选为100：35～40：25～30，更优选为100：36～38：26～28。在本发明中，所述乳化沥青复合材料的水固比优选为0.4～0.6，更优选为0.45～0.55。本发明将乳化沥青、水泥、橡胶粉和水混合，得到所述乳化沥青复合材料。本发明对所述混合无特殊要求，只要能够混合均匀即可。
37.在本发明中，乳化沥青中的阳离子型沥青微粒与矿物表面带有大量负电荷的膨胀土发生紧密结合，置换出膨胀土颗粒表面的亲水金属阳离子，降低膨胀土颗粒表面吸附水膜的厚度，降低膨胀土的塑性，减少其吸水性和膨胀性；同时膨胀土的吸水作用加速了乳化沥青的破乳，破乳后的沥青微粒与膨胀土紧密粘结，水分可供水泥凝结硬化，同时橡胶粉的存在能使复合材料具有较好的弹塑性，乳化沥青复合材料固化后能形成很好的粘结强度，起到了很好的隔水作用，阻止了外来水分的进一步入渗，并能够防止水分蒸发，维持了土壤的含水率，起到了很好的防渗保湿效果，使裂隙无法进一步扩展。
38.在本发明中，所述膨胀土堑坡的防护结构包括设置于边坡裂隙处理层表面的两布一膜层。在本发明中，所述两布一膜层使用的两布一膜的规格优选为400～600g/m3，更优选为450～550g/m3；所述两布一膜层使用的两布一膜的厚度优选为0.5～1.5mm，更优选为0.8～1.2mm。在本发明中，所述两布一膜层用的两布一膜的断裂强度优选不小于10kn/m，更优选为10～12kn/m；cbr顶破强力优选不小于1.9kn，更优选为1.9～2.2kn；撕破强力优选不小于0.32kn，更优选为0.32～0.4kn。在本发明中，所述两布一膜中的土工膜起到到防渗作用，土工膜上下两侧的土工布保护土工膜不被破坏，两布一膜层也能将边坡裂隙处理层与植被防护层隔离。
39.在本发明中，所述膨胀土堑坡的防护结构包括设置于两布一膜层表面的植被防护
层；所述植被防护层包括设置于两布一膜层表面的回填耕植土层和设置于耕植土层之上的植被。在本发明中，所述回填耕植土层厚度优选不小于10cm，更优选为20～30cm；所述回填耕植土层用土优选为非膨胀性黏土；所述非膨胀性黏土的渗透系数优选小于1
×
10-7
cm/s，更优选为0.5
×
10-8
cm/s～0.5
×
10-7
cm/s。在本发明中，所述植被优选包括草本类、灌木类或乔木类；当膨胀土堑坡位于西南区所述植被优选为节节草、清香木或银合欢；当膨胀土堑坡位于西北区所述植被优选为白羊草、黄刺玫或刺槐；当膨胀土堑坡位于华北区所述植被优选为冰草、胡枝子或山杏。
40.在本发明中，所述回填耕植土层表面还优选覆盖主动防护网层。在本发明中，所述主动防护网层优选由纵横交错的φ16mm或φ12mm钢丝绳按坡形布置成网柜，所述主动防护网网孔优选为25cm
×
25cm～35cm
×
35cm，更优选为30cm
×
30cm。本发明优选利用卡扣固定防护网四周支撑绳两端，所述卡扣的个数优选为3个或4个。在本发明中，所述主动防护网层能够增加与两布一膜层接触的回填耕植土的下滑阻力，从而增加防护结构的稳定性。
41.在本发明中，所述植被表面还优选包括遮阴透气网层，所述遮阴透气网层用透气网在确保植被成活后撤掉。
42.在本发明中，所述植被防护层能缓解雨水溅蚀，抑制坡面冲刷，植被根系对边坡也有加筋和锚固作用，植被的蒸腾作用以及水土保作用可有效调节土体内部的水分迁移、含水率等，从而维持边坡稳定，同时也能带来很好的景观效应。
43.在本发明中，所述膨胀土堑坡的防护结构包括设置于边坡坡脚处的排水沟。在本发明中，所述排水沟能够排走坡面汇集而下的水分。
44.在本发明中，所述膨胀土堑坡的防护结构包括设置于边坡坡顶防护结构外侧的截水沟。在本发明中，所述排水沟和截水沟应根据当地年降水量和公路设计要求采用本领域熟知的设计过程即可。
45.在本发明中，所述截水沟能够防止坡顶水分下流并渗入坡体。
46.为了便于本领域技术人员更好的了解本技术的技术方案，现结合图1对本发明的膨胀土堑坡防治结构进行说明。如图1所示，本发明提供膨胀土堑坡的防护结构，包括边坡裂隙处理层、两布一膜层、植被防护层、排水沟以及截水沟，所述边坡裂隙处理层如图2所示，当膨胀土边坡经卸荷作用和干湿循环作用所产生的裂隙深度达到20～30cm，宽度达到0.5～1cm时，采用乳化沥青水泥复合材料3喷洒于膨胀土边坡表层1所产生的裂隙2中，形成封闭完整的结构，得到边坡裂隙处理层。两布一膜4铺设于边坡裂隙处理层表面，由坡顶外侧铺设至坡脚，形成两布一膜层4，阻滞外界雨水进入坡体；回填耕植土层5铺设于两布一膜层4后在回填耕植土层5种植植被层6，形成植被防护层，减少雨水下渗的同时也能起到压坡作用，截水沟7设置于坡顶防护结构外侧，排水沟8设置于边坡坡脚。
47.本发明还提供了上述技术方案所述膨胀土堑坡防护结构的施工方法，包括以下步骤：
48.在原膨胀土堑坡地基的基础上开挖边坡；
49.在所述边坡的坡脚出开挖排水沟，在所述边坡坡顶开挖截水沟；
50.在所述边坡的坡面和坡顶裂隙处喷洒乳化沥青复合材料，形成边坡裂隙处理层；
51.在所述边坡裂隙处理层表面铺设两布一膜，形成两布一膜层；
52.在所述两布一膜层表面铺设耕植土，形成回填耕植土层；
53.在所述回填耕植土层种植植被，形成植被防护层，得到膨胀土堑坡防护结构。
54.本发明在原膨胀土堑坡地基的基础上开挖边坡。本发明对所述开挖边坡的过程没有特殊要求，采用本领域熟知的边坡开挖过程即可。在开挖时需进行测量放线以保证边坡的顺直以及设计坡率的实现。所述开挖的深度对应膨胀土堑坡防护结构各层的厚度之和。在本发明的实施例中，由于边坡裂隙处理层和两布一膜层厚度很小，可忽略不计。
55.开挖边坡完成后，本发明在所述边坡的坡脚出开挖排水沟，在所述边坡坡顶开挖截水沟。本发明优选采用人工或挖掘机进行沟槽的开挖。
56.开挖边坡完成后，本发明在所述边坡的坡面和坡顶裂隙处喷洒乳化沥青复合材料，形成边坡裂隙处理层。本发明将乳化沥青复合材料喷洒于裂隙中，使乳化沥青复合材料渗入并填满裂隙，形成坡面裂隙处理层。本发明对所述喷洒无特殊要求，采用本领域常规的方式即可。
57.形成边坡裂隙处理层后，本发明在所述边坡裂隙处理层表面铺设两布一膜，形成两布一膜层。在本发明中，所述两布一膜层用两布一膜的搭接宽度优选为30～50cm，更优选为40cm。在本发明中，所述两布一膜层铺设完成后在四周进行固定。本发明对所述铺设的过程没有特殊要求，采用本领域熟知的铺设过程即可。
58.形成两布一膜层后，本发明在所述两布一膜层表面铺设耕植土，形成回填耕植土层。本发明在铺设耕植土过程中优选进行碾压；所述碾压优选采用碾压机进行；所述碾压后压实度优选为0.94～0.98，更优选为0.95～0.96。
59.本发明优选在回填耕植土层表面铺设主动防护网层。本发明对所述铺设的过程没有特殊要求，采用本领域熟知的铺设过程即可。
60.形成回填耕植土层后，本发明在所述回填耕植土层种植植被，形成植被防护层，得到膨胀土堑坡防护结构。在本发明中，所述植被种植后优选进行洒水；所述洒水的次数优选为每周1～2次。本发明优选在植被表面覆盖遮阴透气层，所述遮阴透气层用透气网优选在确保植被存活后撤掉。
61.本发明施工方法工艺简单，极具经济效益，适用性强易于推广。
62.为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
63.实施例1
64.(1)边坡开挖：在原膨胀土堑坡地基的基础上开挖深度为35cm的膨胀土边坡，并且在开挖时需进行测量放线以保证边坡的顺直以及设计坡率的实现，坡率为1:1.5，坡顶坡率为4％；边坡坡面和坡顶的裂隙宽度为1cm，深度为25cm；膨胀土的等级为强膨胀土。
65.(2)排水沟和截水沟开挖：在边坡坡脚处采用挖掘机开挖排水沟；
66.在边坡坡顶外侧采用挖掘机开挖截水沟；
67.(3)喷洒乳化沥青复合材料：将平均粒径为10μm固含量为60％的阳离子乳化沥青、硅酸盐水泥和橡胶粉按照100：37：27分散于水中，得到水固比为0.5的乳化沥青复合材料，向边坡坡面和坡顶裂隙喷洒乳化沥青复合材料，形成边坡裂隙处理层；
68.(4)铺设两布一膜层：在边坡裂隙处理层表面铺设规格为600g/m3，厚度为1mm，断裂强度为10kn/m，cbr顶破强力为1.9kn，撕破强力为0.32kn的两布一膜，两布一膜的搭接宽度为40cm，铺设完成后将两布一膜四周进行固定，形成两布一膜层；
69.(5)铺设回填耕植土层：利用渗透系数为0.5
×
10-7
cm/s的非膨胀性黏土在两布一膜层表面铺设(铺设过程中进行压实，压实度为0.95)厚度为30cm的耕植土，形成回填耕植土层；
70.(6)铺设主动防护网层：以纵横交错的φ16mm钢丝绳按坡形布置成网柜，网孔为30cm
×
30cm，防护网四周支撑绳两端分别各用4个相应型号的卡扣固定；
71.(7)种植植被：在回填耕植土层表面(主动防护网的网孔中)种植草皮，在草皮表面覆盖遮阴透气网，每周浇水2次，草皮成活后撤掉透气网，形成植被防护层。
72.由以上实施例可知，本发明提供的膨胀土堑坡防护结构适用于膨胀土边坡的防护，包括边坡裂隙处理层、两布一膜层、植被防护层、排水沟以及截水沟；边坡裂隙处理层设置于开挖后的膨胀土边坡表面，采用乳化沥青复合材料填充于膨胀土坡面和坡顶产生的裂隙中，形成不透水的封闭结构；防水两布一膜覆盖于经乳化沥青复合材料处理的膨胀土边坡上，由坡顶外侧覆盖于坡脚；植被防护层设置于两布一膜之上，所述植被防护层包括设置于两布一膜上的回填耕植土层和设置于耕植土层上的植被层；排水沟设置于边坡坡脚处；截水沟设置于坡顶防护结构外侧。本发明所提供的方法能有效解决外界水分进入膨胀土边坡土体造成开裂及防护结构破坏失效等问题，从而可保证干湿循环作用下坡体的稳定。
73.尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。