植物根系對土質(zhì)邊坡淺層穩(wěn)定性影響分析

植物根系對土質(zhì)邊坡淺層穩(wěn)定性影響分析第42卷第7期2011年4月人民長江YangtzeRiverVo1.42.No.7Apr.,2011文章編號:1001—4179(2011)07—0082—04植物根系對土質(zhì)邊坡淺層穩(wěn)定性影響分析周正軍，許文年，夏振堯,蔡顯楊(1.三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖北宜昌443002;2.三峽大學(xué)三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北宜昌443002)摘要:植被護(hù)坡工程中，先鋒植物發(fā)達(dá)的根系能對邊坡土體產(chǎn)生一定程度加筋作用而提高邊坡的淺層穩(wěn)定.用理正巖土軟件和Ansysl0.0數(shù)值計(jì)算軟件，計(jì)算分析了一簡單土坡潛在薄弱面的位置和狀態(tài).再以根系加筋理論為基礎(chǔ)考慮邊坡坡頂加筋，坡腳加筋和全坡面加筋3種工況，分析了根系加筋對邊坡土體穩(wěn)定性提高的幅度以及根系加筋對邊坡體影響范圍，以此來評價護(hù)坡植被根系提高土質(zhì)邊坡淺層穩(wěn)定的效應(yīng)，并為先鋒物種的選取和搭配提供相應(yīng)理論依據(jù).關(guān)鍵詞:植被護(hù)坡;先鋒植物;根系加筋;邊坡穩(wěn)定性中圖法分類號:TU457文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A通過在坡面上建植人工基材,引入先鋒物種能夠?qū)吰轮脖换謴?fù)起到很好的過渡作用….先鋒物種宜選用抗逆性強(qiáng)的草本植物或矮灌木L它們能快速覆蓋邊坡表面以防止雨水侵蝕,并且,植物根系分布在土體中能改善土體的物理力學(xué)性能,加固邊坡表層土體,提高邊坡淺層穩(wěn)定性，并為鄉(xiāng)土物種的栽植創(chuàng)造條件J.本文著重以植物根系加筋作用為基礎(chǔ)，探討護(hù)坡先鋒植物根系對土質(zhì)邊坡淺層穩(wěn)定性的影響.1根系加筋作用提高土體強(qiáng)度機(jī)理根據(jù)植物根系形態(tài)的不同，分為側(cè)根，垂直根和須根.護(hù)坡先鋒植物主要采用草本植物和小灌木，多為淺層分布細(xì)根系植物.從根系加固的土力學(xué)模型來看，在植被護(hù)坡工程中，植物淺細(xì)根系與土體可看作共同受力，協(xié)調(diào)變形的根一土加筋復(fù)合體.大量試驗(yàn)和研究表明,根系的存在增加了土體的剪切強(qiáng)度，根系與土壤的相互作用對于提高坡面土體的抗剪能力具有重要的意義.目前，主要有兩種觀點(diǎn)揭示這種復(fù)合體的力學(xué)特性變化機(jī)理，分別是準(zhǔn)黏聚力原理，摩擦加筋原理.植物根系加筋固土作用主要體現(xiàn)在根系能提高根一土復(fù)合體的黏聚力和內(nèi)摩擦角，黏聚力提高尤為顯著?黏聚力的提高增強(qiáng)了加筋土層的強(qiáng)度，提高了巖土質(zhì)邊坡的淺層穩(wěn)定性.圖1為與剪切面呈任意角度的根系受力圖示..，式1為根系增大土壤抗剪切強(qiáng)度的力學(xué)模型.一圈1單根加筋力學(xué)模型△Jr=(ETicos+ETisin~btantp)A/A(1)一rctan［】(2)式中,△［為根系增強(qiáng)土體強(qiáng)度平均值;T為單根抗拉強(qiáng)度;為根系變形后與水平向夾角;為巖土體內(nèi)摩擦角;A/A為根系面積比;z為根系延伸方向與剪切面收稿日期:2010一10一15基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50879043);國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)課題(2008ZX07104—003-03)作者簡介:周正軍，男，碩士研究生,主要從事邊坡生態(tài)防護(hù)方面研究.E—mai1:zhouzhengjun66@126.corn第7期周正軍，等:植物根系對土質(zhì)邊坡淺層穩(wěn)定性影響分析83初始夾角;x/H為剪切變形比.由式1可知,若不考慮根系之間的強(qiáng)度和尺寸差異，根土相互作用可以看成纖維加筋土的模式.表1列出了幾種常見護(hù)坡先鋒植物生長1a后根系在土層中的有效深度.表1幾種常見護(hù)坡植物根系有效深度?"cm種類根系有效深度種類根系有效深度野牛草30檸條錦雞兒68紫羊毛4O霸王72四翅濱藜110香根草200早熟禾302淺層根系加固土體數(shù)值模擬以植物根系加筋固土機(jī)理為基礎(chǔ),兼顧植物根系在土體中的實(shí)際分布和作用范圍，用有限元數(shù)值軟件來模擬和評價植物根系加筋作用對于提高邊坡淺層穩(wěn)定性的尺度效應(yīng).2.1原始邊坡穩(wěn)定性分析現(xiàn)有1:1的邊坡，坡高5m,y=20kN/m,E=100MPa,u=0.33,黏聚力C=10kN/m,內(nèi)摩擦角=18..用極限平衡法和有限單元法計(jì)算原始邊坡的穩(wěn)定系數(shù)，找出邊坡原始薄弱面.極限平衡法分析中普遍采用莫爾一庫侖破壞準(zhǔn)則，而Ansysl0.0軟件在模擬求解中為了保證計(jì)算的收斂性采用D-P破壞準(zhǔn)則.考慮兩種計(jì)算結(jié)果的可比性,在利用Ansysl0.0軟件進(jìn)行計(jì)算時將D—P準(zhǔn)則參數(shù)轉(zhuǎn)化成等價莫爾一庫侖破壞準(zhǔn)則,并采用強(qiáng)度折減理論試算得出最終穩(wěn)定系數(shù).采用外接圓屈服準(zhǔn)則計(jì)算的安全系數(shù)要比莫爾一庫侖等面積圓屈服準(zhǔn)則計(jì)算的結(jié)果大倍"，如表2所示.對原始邊坡利用兩種方法進(jìn)行計(jì)算，得到邊坡穩(wěn)定系數(shù)如下表3中所示.表2不同內(nèi)摩擦角時的7/值/(?)'7/(.)/(.)01.10O401.367701.521101.165501.428801.546201.233601.521901.555301.301表3原始邊坡穩(wěn)定系數(shù)具體方法邊坡安全系數(shù)具體方法邊坡安全系數(shù)瑞典條分法1.171Janbu法1.207簡化Bishop法1.206有限元強(qiáng)度折減法1.233對比表3結(jié)果可知,利用有限元強(qiáng)度折減法求邊坡穩(wěn)定系數(shù),不僅能夠得到滿意的結(jié)果,同時還能直觀反映邊坡的變形，變化趨勢以及坡體薄弱部位.邊坡變形是邊坡在重力作用下的變形趨勢(見圖2);圖3中,邊坡的塑性區(qū)出口離坡頂處3m左右，塑性帶出口寬近0.5m,塑性區(qū)入口在坡腳處，其寬度近1.0m,沿坡面發(fā)展，并出現(xiàn)明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象.因此現(xiàn)考慮在邊坡上種植護(hù)坡植物,考慮根系對土體的加固作用，潛在滑面會發(fā)生遷移，邊坡自穩(wěn)系數(shù)會發(fā)生變化.圖2邊坡變形圈3邊坡失穩(wěn)極限塑性區(qū)參考常見護(hù)坡植物根系在土中有效分布深度和生長趨勢，基于根系加筋土體幅度,在如下幾類工況中利用強(qiáng)度折減法進(jìn)行探討...考慮植物根系提高邊坡土體黏聚力幅度5個梯度值:20%,40%,60%,80%.100%;加筋深度3個幅度值:0.5,1.0,1.5nl;3種工況:坡頂加筋，坡腳加筋，全坡加筋.2.2植物根系加筋作用對邊坡穩(wěn)定性影響草本植物根系在0?0.5m土層深度范圍內(nèi)對邊坡土體進(jìn)行加筋，在坡頂植草，坡腳植草和全坡面植草3種工況下，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)與加筋黏聚力提高之間的關(guān)系如圖4;在0?1.01TI和0?1.5m深度范圍內(nèi)對邊坡土體進(jìn)行加筋,邊坡穩(wěn)定系數(shù)與加筋黏聚力提高之間的關(guān)系分別如圖5,6.圖4—6中,3種工況下邊坡淺層穩(wěn)定性與草本植物根系加筋邊坡土體的能力呈正相關(guān)關(guān)系，說明在一定范圍內(nèi)隨著黏聚力提高，邊坡穩(wěn)定系數(shù)呈近線性增長.這主要是因?yàn)?①加筋層土體強(qiáng)度增大，潛在滑面上抗滑力提高，邊坡穩(wěn)定系數(shù)增大，穩(wěn)定性增強(qiáng).②根系生長在邊坡體中，根系與邊坡土體形成根一土復(fù)人民長江合體.有根系加筋作用的土層，土體的延性提高，抵抗變形的能力增強(qiáng)，延緩了潛在滑動面貫通，邊坡穩(wěn)定性提高.③根系加筋作用提高了邊坡表層土體強(qiáng)度，減少了坡面微裂縫形成,特別是坡頂張拉裂縫的發(fā)展，邊坡體保持相對完整,使表層土體受力相對均勻,邊坡整體穩(wěn)定性增強(qiáng).圖4邊坡穩(wěn)定系數(shù)與黏聚力增幅間的關(guān)系(0.5in)圖5邊坡穩(wěn)定系數(shù)與黏聚力增幅間的關(guān)系(1.0m)黏聚力提禹憾匪/%圖6邊坡穩(wěn)定系數(shù)與黏聚力增幅間的關(guān)系(1.5m)3種工況中全坡種植植物時植物根系加固作用最明顯，但整體上提高邊坡土體穩(wěn)定性幅度不高，提高范圍在10%?17%.出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于:①邊坡體由于自重作用產(chǎn)生趨向臨空面的位移，土體在塑性變形區(qū)貫通時邊坡體發(fā)生滑移破壞，而塑性帶入口和出口分別在坡腳和坡頂一定位置.沿著全坡面種植植物，根系對這兩個薄弱區(qū)土體進(jìn)行加筋,提高了土體的強(qiáng)度，邊坡體穩(wěn)定性提高.②參考幾種常見護(hù)坡植物根系分布深度可知，植被只對邊坡土體起淺層加固作用，實(shí)際穿過潛在滑面的根系有限，只在邊坡局部有一定程度作用，在塑性區(qū)的入口和出口處體現(xiàn)尤為明顯.因此根系對邊坡體穩(wěn)定性提高幅度是有限的,當(dāng)超過一定范圍，根系加筋作用對于提高邊坡穩(wěn)定性的增率將變得不明顯.圖4中對比坡頂加筋和坡腳加筋兩種工況，在0?0.5m深度范圍內(nèi)坡頂加筋提高邊坡穩(wěn)定性效果總體上要相對明顯.這是因?yàn)槠履_為邊坡變形塑性發(fā)展區(qū)入口，而坡頂為邊坡塑性發(fā)展區(qū)出口.在人口處坡體受到集中力作用,土體應(yīng)力相對較大,對這一部分土體考慮根系加筋作用，在根系提高土體強(qiáng)度幅度不大的條件下,坡腳加筋效果也不如坡頂加筋明顯.圖5,6中坡腳加筋效果相對坡頂加筋明顯，說明隨著加筋幅度的提高,加筋在塑性區(qū)的入口抵抗滑動面發(fā)展的能力增強(qiáng)，在這一部分考慮植物根系的作用相對明顯.2.3不同深度范圍根系加筋對邊坡穩(wěn)定影響不同深度范圍內(nèi)加筋，植物根系對邊坡穩(wěn)定系數(shù)提高程度有所不同.圖7反映了全坡面種植護(hù)坡草本植物，在3個深度范圍內(nèi)植物根系加筋與邊坡穩(wěn)定系數(shù)提高之間的關(guān)系.從圖中可以看出,在黏聚力提高幅度不大的前提下，邊坡穩(wěn)定系數(shù)提高幅度并不是隨著加筋深度的增加而增長，而是存在一個臨界加筋值(黏聚力提高40%左右)，超過這一臨界值，在黏聚力一定的情況下，高邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨加筋深度的增加而提高.所以在選擇先鋒植物時需要考慮植物根系的扎根范圍和其對土體加筋作用之間的協(xié)調(diào)關(guān)系,特別是要考慮根系的形態(tài)和入土能力,以最大限度發(fā)揮植物根系加筋提高邊坡穩(wěn)定性的作用.圖7全坡面加筋黏聚力提高幅度與邊坡穩(wěn)定系數(shù)的關(guān)系3結(jié)論與展望護(hù)坡植物根系在土層范圍內(nèi)的加筋作用能提高邊坡的淺層穩(wěn)定性，雖然提高的幅度有限，但是根系的作用突出了護(hù)坡植被在邊坡穩(wěn)定方面所能起到的積極作用.第7期周正軍，等:植物根系對土質(zhì)邊坡淺層穩(wěn)定性影響分析85護(hù)坡植被根系提高邊坡穩(wěn)定程度與根系對土體的加筋幅度有關(guān),在一定范圍內(nèi)加筋幅度越大，邊坡穩(wěn)定系數(shù)提高越大.不同的植被種植情況下，根系提高邊坡穩(wěn)定性最明顯工況為全坡面種植.坡頂種植和坡腳種植的加固效果隨根系延伸深度發(fā)生變化:在0?0.5in深度范圍,坡頂種植效果顯著;而0?1.0m和0?1.5In深度范圍，坡腳種植效果顯著.在實(shí)際工程中，基于護(hù)坡效應(yīng)的完整性，護(hù)坡工程中通常沿全坡面植綠,植物根系加筋作用效果明顯.全坡面種植草本植物工況下,在黏聚力提高幅度不大的前提下，邊坡穩(wěn)定系數(shù)提高幅度并不是隨著加筋深度的增加而增長,而是存在一個I臨界值(黏聚力提高40%左右)，超過這一臨界值,在黏聚力一定的情況下,加筋提高邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨加筋深度的增加而提高.植被護(hù)坡工程中，植物對邊坡淺層穩(wěn)定影響是多方面的.雖然這里單獨(dú)考慮植被根系的加筋作用，凸顯了植被在護(hù)坡方面的好處,但是所考慮的工況是理想化的狀態(tài),有必要進(jìn)一步分析在有根系作用的情況下地下水的活動，以及植被生理生態(tài)活動,如根系吸水,葉片蒸騰等對邊坡淺層穩(wěn)定的影響，這是一個復(fù)雜的過程.參考文獻(xiàn)：[1]趙方瑩，趙廷寧.邊坡綠化與生態(tài)防護(hù)技術(shù)[M].北京:中國林業(yè)出版社.2009.⑵吳少儒，許文年,王路根，等.噴射護(hù)坡綠化技術(shù)的物種選擇[J].中國水土保持.2006.(6):41—43.[3][4】[5][6】[7】[8][9][10][12][13][14][15][16]許文年，夏振堯,戴方喜，等.恢復(fù)生態(tài)學(xué)理論在巖質(zhì)邊坡綠化工程中的應(yīng)用[J].中國水土保持,2005,(4):31—33.楊亞川，莫永京,王之芳，等.土壤一草本植被根系復(fù)合體抗水蝕強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)研究[J].中國農(nóng)業(yè)大學(xué),1996,1⑵:31—38.陳昌富，劉懷星，李亞平.草根加筋土的室內(nèi)三軸試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2007,28(10):2041?2045.程洪，顏傳盛,李建慶，等.草本植物根系網(wǎng)的固土機(jī)制模式與力學(xué)試驗(yàn)研究(J].水土保持研究,2006,13(1):62—65.周錫九，趙曉峰.坡面植蘋防護(hù)的淺層加固作用[J].北方交通大,1995,199(2):143—146.張飛，陳靜曦,陳向波.邊坡生態(tài)防護(hù)中表層含根系土抗剪試驗(yàn)研究[J].土工基礎(chǔ),2006,5(3):25—28.程洪,張新全.草本植物根系網(wǎng)回土原理的力學(xué)試驗(yàn)探究[J].水土保持通報(bào),2002,22(5):20—23.胡夏嵩，李國榮,朱海麗，等.寒旱環(huán)境灌木植物根一土相互作用及其護(hù)坡力學(xué)效應(yīng)[J].巖石力學(xué)與工程,2009,28(3):613—620.吳景海，王德群，陳環(huán).土工合成材料加筋砂土三軸試驗(yàn)研究[J].巖土工程,2000,22(2):199—204.楊果林，王永和.鋼筋(煤砰石)混凝土網(wǎng)格式加筋土擋土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度特性與試驗(yàn)研究[J].巖土工程,1999,21(5):534一539.周德培，張俊云.植被護(hù)坡工程技術(shù)[M].北京:人民交通出版社.2003.楊令強(qiáng)，孫眷陽,楊克坤.生態(tài)邊坡的力學(xué)特性與數(shù)值模擬研究[J].巖土工程界,2008,11(9):61—63.趙尚毅，鄭穎人,時衛(wèi)民，等.用有限元強(qiáng)度折減法求邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)[J].巖土工程,2002,24(3):343—346.付海峰，姜志強(qiáng),張書豐.植物根系固坡效應(yīng)模擬及穩(wěn)定性數(shù)值分析[J】.水土保持通報(bào),2007,27(1):92—94.(編輯:鄭毅)ResearchOilinfluenceofvegetationrootsonshallowstabilityofsoilslopeZHOUZhengjun,XUWennian一,XIAZhenyao一,CAIXianyang.(1.CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443002,China:2.KeyLaboratoryofGeologicalHazardsonThreeGorgesReservoirAreaofMinistryofEducation,ChinaThreeGorgesUniversity,Ywhang443002,China)Abstract:Thedevelopedrootsofpioneerweedspeciesusedinthevegetationslopeprotectionprojectscanproduceacertaindegreeofreinforcem