边坡加固新材料的研制与开发.docx

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边坡加固新材料的研制与开发

交通部西部交通建设科技项目

合同号：

2001-318-000-27

边坡加固新材料的研制与开发

研究报告简本

贵州省交通规划勘察设计研究院

2003年11月

附：

1）鉴定意见

2）鉴定委员会名单

1、前言

西部地区高等级公路边坡治理中，大量采用传统材料，既不经济也不能满足环保、美观的要求。

为此，交通部西部交通建设科技项目边坡成套课题之一“边坡加固新材料的研制与开发”于2001年获得立项，目的是研制和开发出1种以上的边坡加固新材料。

项目承担单位贵州省交通规划勘察设计研究院联合参与单位，分三个子题开展研究，在交通部和贵州省交通厅的大力支持和领导下，历经2年多的辛勤工作，通过深入细致的调研、大量的室内外试验、实体工程及理论分析相结合，2003年11月按合同要求成功地完成了各项研究任务，课题于2004年3月30日通过了验收鉴定，研究成果达到国际先进水平。

子题一“预应力锚固灌浆材料的研制”，成功研制了聚丙烯纤维水泥砂浆及其生产工艺，该材料具有较高的锚固性能和抗裂能力，从而在预应力锚固工程中加强对锚索的保护，减少预应力损失，提高预应力锚索的耐久性和可靠性，同时了减少锚固段长度，节约工程成本。

子题二“压力灌浆加固边坡的应用研究”，完成了灌浆材料特性调研与分类，对水泥类灌浆材料进行了系统的性能测试分析，结合实体工程应用，分析了灌浆加固边坡的机理、影响因素及应用条件，总结了灌浆加固边坡的设计、施工指南并提出了加固效果检测方法。

子题三“植被混凝土坡面防护技术的研究”，完成新型边坡加固材料——植被混凝土的研制，通过对多孔混凝土配合比及制作工艺、植生基材及灌注方法、草种选择、施工工艺和养护管理措施的系统研究，经过三批模拟种植试验和实体工程应用，最后完成整套植被混凝土边坡防护技术。

该项技术为坡面防护增添了一种生态环保型新材料，不仅可以防护和绿化边坡，避免边坡受到地表径流的冲蚀，而且提高了公路边坡植被的使用质量和使用寿命。

课题研究成果之一，“聚丙烯纤维水泥砂浆及其生产方法”发明专利申请已于2003年10月被国家专利局受理并通过初步审查，目前已进入实质性审查阶段。

经过查新，国内外尚无相同研究，填补该项领域的空白，研究成果具有技术先进、经济合理、安全适用的特点，必将在今后公路建设中发挥重要作用，取得良好的经济效益、社会效益及环境效益。

2、项目研究目标

2.1子题一：

（1）开发出性能优于现有锚索灌浆材料的产品:

聚丙烯纤维水泥砂浆；

（2）总结设计、施工要点。

2.2子题二：

（1）推荐出公路边坡灌浆处治合适的灌浆材料；

（2）研制出适合我国西部边坡加固的灌浆材料；

（3）提出灌浆加固边坡的设计、施工建议。

2.3子题三：

（1）研制出植被混凝土并应用于实际边坡防护工程；

（2）边坡植被混凝土防护施工后二个月内植被覆盖率达到50%以上，课题鉴定时达到85%以上；

（3）植被用多孔混凝土孔隙率达30%以上。

3研究技术路线

总研究路线：

调查研究→室内外试验

理论研究→实体工程→成果总结。

3.1子题一“预应力锚索灌浆材料的研制”

3.1.1聚丙烯纤维水泥砂浆的特性研究

通过试验，测试纤维砂浆的工作性能、力学性能、粘结强度及握裹强度、渗透性、收缩性、可灌性以及锚固性能的参数。

试验选择三种不同聚丙烯纤维，每种纤维按6种不同掺量与基准配合比砂浆进行对比试验。

根据试验结果表明：

（1）聚丙烯纤维具有较强的分散性，适当长度及掺入量的聚丙烯纤维能保证生产制作。

（2）掺纤维砂浆的各龄期强度比基准配合比砂浆的均有不同程度提高，3天龄期抗折/抗压强度分别提高19.5%和11%；28天龄期分别提高7%和11%。

（3）聚丙烯纤维对砂浆变形影响不明显，掺入适量膨胀剂对控制收缩十分有利。

（4）聚丙烯纤维砂浆的抗渗能力较强。

（5）

适当长度及掺入量的聚丙烯纤维掺入砂浆后对其粘接力和握裹力都有改善作用，但是并非在每一种纤维掺量条件下浆体的性能都有明显改善。

图

图1砂浆与岩石的粘结抗剪强度柱状图

根据研究，在推荐配合比下，聚丙烯纤维水泥砂浆比普通水泥砂浆的锚固性能有明显提高：

（1）纤维砂浆的劈裂抗拉强度比普通砂浆增加18%。

（2）

纤维砂浆与灰岩的圆孔壁粘结抗剪强度与普通水泥砂浆相比，7天提高16%，14天提高19%，28天提高21%，见图1。

（3）

纤维砂浆

普通砂浆

锚索模拟试验表明，聚丙烯纤维水泥砂浆比普通水泥砂浆的锚固性能提高9%，试验后发现聚丙烯纤维水泥砂浆的抗裂性能较好，图2可见聚丙烯纤维水泥砂浆锚固段张拉后仍然保持原状，少量拉开的裂口内钢钎都难以将砂浆掀开，而普通水泥砂浆锚固段几乎全部压碎破裂。

图2普通（纤维）砂浆锚索拉出后照片

3.1.2聚丙烯纤维水泥砂浆的应用研究

为了进一步验证聚丙烯纤维水泥砂浆的锚固性能，总结灌浆施工工艺和应用经验，确定合适的灌浆设备和常规的外加剂以及对砂石材料的要求，课题组进行了实体工程试验。

实体工程为一岩堆加固工程，设计采用预应力地梁锚索，锚固段胶结材料采用聚丙烯纤维水泥砂浆。

通过依托工程实施，验证了聚丙烯纤维水泥砂浆及其推荐配合比的工作性能符合要求并总结了相应施工经验，全部锚索按设计完成预应力张拉且长效性通过预应力监控验证，说明聚丙烯纤维水泥砂浆完全可以作为预应力锚固段的粘结材料，其锚固性能优于普通砂浆，见图3。

通过大量的试验验证、推荐配合比下的聚丙烯纤维水泥砂浆可增强锚固力，生产时，可采用以下施工步骤：

称量原料→干拌原料1～3分钟→加水搅拌3～5分钟。

图3依托工程:

董家岩堆全景

当锚固段受砂浆与钻孔壁粘结强度控制时，其长度计算推荐修正公式为：

LL—锚固段长度

D—钻孔直径

C—常规砂浆与岩土的粘结强度

K1—锚固段长度安全系数

K2—聚丙烯纤维水泥砂浆提高系数，取1.10

3.2子题二“浅层压力灌浆加固边坡的应用研究”

通过对水泥类灌浆材料进行室内试验，分析其特有的性能和应用条件，重点通过实施压力灌浆加固破碎岩体的应用，研究其加固边坡的机理，总结设计、施工要点。

3.2.1边坡加固材料的应用现况调研

课题组以贵州地区为主，调研了贵州省的贵阳至新寨高速公路、凯里至麻江高速公路、镇宁至水城公路，重庆的渝黔高速公路、渝合高速公路等。

通过实体工程和研究文献资料，获取有关边坡加固工程中所用材料的情况和边坡加固新材料的应用情况及存在的问题，深入了解当前国内外灌浆技术的工程应用情况，开展对浆液材料性能的调研，内容包括灌浆技术在土木工程行业中的应用现状、浆液的种类及性质，从而为顺利开展本课题研究打下坚实的基础。

3.2.2灌浆材料的分类及特性研究

总结分析灌浆材料的性能，从材料组成、性能指标上进行分类，结合公路边坡的岩体特点、施工情况，提出灌浆材料选择的建议，推荐出合适的灌浆材料——水泥类灌浆材料。

对水泥类灌浆材料，按亚类纯水泥浆、水玻璃水泥浆、黄砂水泥浆、粉煤灰水泥浆、黄砂粉煤灰水泥浆进行研究，重点在室内进行试验研究，测试浆液的凝结时间、结石率、稠度、结石体抗压、抗折强度等，分析各类浆液性能随组分变化的规律。

3.2.3依托工程及灌浆试验

结合三个具体的灌浆治理边坡实体工程，研究不同水泥类灌浆材料的灌浆性能，总结灌浆设计施工要点，并对三个工程采用了跨孔声波测试、地震波检测、开挖探槽等检测手段进行灌浆效果评价。

通过依托工程的验证，边坡

经过灌浆治理后,一方面边坡岩土体或滑动面的强度得到提高,另一方面治理后的边坡面得以留存,为绿化提供了条件，见下图4、图5。

图4依托工程—鹅山冲滑坡治理前图5依托工程:

鹅山冲滑坡治理后

3.2.4灌浆加固边坡的机理分析

借助灌浆理论，对灌浆加固边坡的作用机理进行研究，针对具体的依托工程，采用有限元理论，利用计算机模拟边坡不同工况条件，分析灌浆加固边坡后加强坡体的整体性，灌浆后粘聚力和内摩擦角增大系数的取值等问题。

3.3子题三“植被混凝土坡面防护技术的研究”

植被混凝土作为一种新的坡面防护技术，根据研究大纲要求，课题组进行了材料、施工工艺和养护管理等方面的研究。

（1）多孔混凝土配合比及生产工艺

通过市场调研和室内试验，筛选出适宜植物生长的多孔混凝土的孔隙率、空隙形式。

对生产多孔混凝土所需的胶凝材料、骨料、外加剂进行多种配合比试验，选择出满足护坡强度、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压强度大于5.0MPa,抗折强度大于1.0MPa，孔隙率达到30％以上，满足要求。

（2）植生基材的研究

植物生长要求种植基材具有良好的保水性、保肥性、稀释碱盐类的作用，能长时间维持植物的生长环境，为此，课题组进行了基材的选择及用量研究，填充方法研究，以解决植生基材最大限度地填充到多孔混凝土的孔隙部位，并有较好的粘附作用，防止植生基材和草种早期多雨水冲刷的影响。

通过模拟种植试验和实体工程植物生长观测表明，植生基材改良了植被混凝土的肥力状况，提高了植被混凝土的保水、保肥能力，种植的草坪植物表现出优于一般土壤。

（3）培养土层的研究

设置于植被混凝土的下面。

根据植被混凝土主要用于坡面，坡面易于干旱的特点、特别是岩石边坡，要求提供维持植物生长所必需的水分或养分等。

选择有机物质、土壤、缓释肥料和保水剂等材料，通过掺入不同材料和各材料的不同比例对植物生长的影响，兼顾经济指标，确定培养土层的材料种类和各材料的比例。

（4）植被混凝土用草坪植物研究

根据目前国内草坪和公路用植被的选用情况，对国内常用的可用于植被混凝土的草坪草和地被植物的性状进行了分析。

选择质地佳、绿期长、耐瘠薄、耐粗放管理的草坪植物。

并通过优选的植物与已配制的混凝土的适应性种植试验，研究植被混凝土用草坪植物的种类及其混播比例、播种量等相关数据。

通过种植试验筛选出Bahiagrass、狗牙根、白三叶、高羊茅、小冠花等优良的植被混凝土防护用草坪草及地被植物，选择出抗旱型高羊茅组合用于实体工程。

（5）植被混凝土施工工艺研究

研究植被混凝土用于公路边坡防护的成套施工工艺，包括：

施工顺序、框架坡面结构型式、培养土层的填筑、植被混凝土的现场铺设以及接缝的处理。

（6）植被混凝土的养护管理技术研究

结合气候特点及养护管理条件，提出植被混凝土施工后及生长期的养生、浇灌、追肥、防除病虫害等养护管理技术要点，并开展预防植物枯死的补救措施研究。

以上六个方面的研究，结合三批次144块试件的模拟种植试验，观测植物在不同季节的生长状况，在此基础上实施了依托工程，通过依托工程的观测和全面的研究总结，最终形成一套系统的新型环保公路护坡技术。

实体工程观测结果表明，到播种后的1个月后，坡面植被覆盖率已达到88%～92%，1个半月草坪植物的平均密度稳定在35株/100cm2左右。

在施工结束后第二天至播种后的一个月内，植被混凝土共经受了5场暴雨的考验，坡面均未发生被冲刷和垮塌等失稳破坏现象，草坪植物生长良好，说明植生基材抗冲刷性能优良，植被混凝土起到了良好的固土护坡作用。

目前植物长势良好，见图6、图7：

图6依托工程—董公寺互通立交匝C边坡种植5个月后（2003年10月底）

图7依托工程—董公寺互通立交匝C边坡种植6个月后（2003年11月底）

4项目研究的关键技术

（1）设计开发了砂浆与圆孔壁的粘结抗剪试验模型，可快速准确地测出聚丙烯纤维水泥砂浆与钻孔壁的粘结强度。

（2）聚丙烯纤维水泥砂浆的推荐配合比在满足强度的同时，工作性能好，达到安全方便的目的。

（3）多孔混凝土的配合比设计及制作施工工艺，解决混凝土强度的同时，保证有足够的空隙以储存植生基材。

（4）植生基材的研制及填充方法，克服混凝土的强碱环境，满足植物生长所需的条件。

（5）优选出适合西部地区植被混凝土用草坪植物，可满足在条件恶劣的边坡上生长。

（6）研究了植被混凝土的施工工艺，完善了植被混凝土坡面防护技术。

5项目研究成果及创新点

该项目针对公路边坡的表层、浅层、深层稳定处治中所急需的材料及相应的应用技术进行了深入研究，并进行了工程实践，完成了项目合同和研究大纲规定的研究任务，项目主要创新点和成果如下：

（1）首次开发了具有较高的抗折、抗压、抗拉强度、脆性小、抗裂性能好、抗渗性好、粘结和握裹强度大的高强度聚丙烯纤维水泥砂浆锚固新材料。

（2）系统地完成了聚丙烯纤维水泥砂浆的性能测试及应用研究，提出了聚丙烯纤维水泥砂浆锚固段长度的修正计算公式。

（3）首次设计并成功应用了“圆孔壁粘结强度测试方法”。

（4）提出了聚丙烯纤维水泥砂浆的施工工艺及设计指南，通过工程实践，验证了聚丙烯纤维水泥砂浆的优越性。

（5）研究分析了边坡浅层灌浆加固机理及灌浆材料性能对边坡加固的影响，提出了灌浆加固边坡的施工工艺及设计指南和灌浆加固边坡检测的新方法，解决了边坡浅层滑动的处治问题，为边坡的生态恢复提供了条件。

（6）提出了植被混凝土生产及施工的成套技术。

（7）首次开发了植被混凝土坡面防护技术，提出了采用分层涂敷法和中层干式振动法相结合的植生基材填充方法。

（8）率先在国内将该技术应用于公路岩石边坡生态防护工程。

6项目的经济、社会和环境效益分析

6.1子题一

（1）项目研制完成的预应力锚固高强灌浆材料—聚丙烯纤维水泥砂浆具有强度高，抗裂性能好，粘结强度高等特点，可以增强锚固作用，减少锚固段长度，因而减少钻孔长度、钻孔数、以及锚索长度等。

通过经济分析，每1根100吨级锚索锚固段工程，使用新材料可以节约成本1000多元。

（2）聚丙烯纤维水泥砂浆较强的抗裂能力，可以有效地加强对锚索的保护和减少预应力损失，延长锚索使用寿命，减小工程失事率，具有显著的社会效益。

（3）聚丙烯纤维纤维砂浆具有生产工艺简单，无毒、无污染，是一种典型的环保材料，其应用前景较好。

6.2子题二

（1）课题组推荐出适宜于边坡加固灌浆材料——水泥类灌浆材料，并系统地对该类灌浆材料进行了试验研究，掌握了浆液的工程特性。

利用粉煤灰等工业废渣作为灌浆材料，可以节约水泥，必将在以后的工程中得到广泛应用，产生巨大的经济效益。

（2）灌浆加固边坡除了增强边坡整体性外，还可极好地提高坡面的稳定性，达到坡面防护的作用，并保留原始坡表从而可以容易地进行生态建设，开辟了加固边坡和绿化边坡并举的新途径。

（3）在实施依托工程的过程中，及时、有效地解决了问题。

目前，已有11处边坡、滑坡、桥台基坑采用了该项成果，并成功、快捷地解决了问题。

6.3子题三

（1）采用植被混凝土坡面防护技术，可以起到良好的固土护坡和绿化作用，而工程造价仅与常规的边坡防护技术相当。

（2）就环境保护的角度而言，采用该项技术在公路边坡进行防护，具有显著的环境效益。

主要体现在以下几个方面：

1）植被混凝土能够稳定、规整、快速、美观和大方地进行护坡，为公路边坡增添了富有生机的绿色，与沿线自然景观相协调，极大地丰富和美化公路景观。

2）植被混凝土能够迅速对公路边坡进行防护，避免边坡受到地表径流的侵蚀和风蚀，起到减少水土流失和防止尘土飞扬的作用。

3）采用多年生草坪植物和性能稳定的植被材料提高了公路边坡植被的使用质量和使用寿命。

7结语

通过该项目的实施，成功地研制了预应力锚固高强灌浆材料——聚丙烯纤维水泥砂浆和植被混凝土及其坡面防护技术，完成了灌浆加固边坡的应用研究，达到了项目研究目标。

本项目在执行过程中，一直得到交通部西部交通建设科技项目管理中心和贵州省交通厅的大力帮助和支持。

依托工程业主单位贵州高速公路开发总公司，项目参与单位重庆交通科研设计院，咨询单位天津大学，贵州电视台交通记者站，南京水利科学研究院等单位和个人在项目执行中做了大量工作，与课题组同志联合攻关，在此谨向以上关心和支持本项目的单位及个人表示诚挚地感谢！