不同根系布置模式對降雨條件下邊坡穩(wěn)定性的影響1)

嵇曉雷 楊平

(江蘇開放大學(xué)，南京，210036) (南京林業(yè)大學(xué))

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和居民生活水平的提高，各地基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷完善。然而在邊坡防護(hù)方面、邊坡失穩(wěn)、塌方等事故不斷出現(xiàn)，如何對邊坡進(jìn)行防護(hù)以提高邊坡穩(wěn)定性逐漸受到人們的重視。目前傳統(tǒng)的護(hù)坡技術(shù)，諸如擋土墻、錨桿噴漿、混凝土砌塊等無法為植被提供良好生長環(huán)境，邊坡原有的自然植被難以恢復(fù)，破壞了自然平衡，使基礎(chǔ)建設(shè)與環(huán)境保護(hù)之間的矛盾日益突出，另一方面，降雨及風(fēng)化作用直接作用于無植被坡體，加劇坡體腐蝕，不利于坡體穩(wěn)定[1]。而生態(tài)護(hù)坡技術(shù)則是使用植物根系固結(jié)土體，增強(qiáng)土體的抗剪強(qiáng)度，增強(qiáng)邊坡淺層穩(wěn)定性[2]。此外，植物蒸騰作用能夠增加土體吸力，防止水土流失[3-4]。由于植被護(hù)坡同時具有工程防護(hù)和環(huán)境美化的效果，因此近年來逐漸受到眾多專家學(xué)者的重視。

早在19世紀(jì)時，歐洲就采用枝干壓條、樹枝捆垛等[5]生態(tài)固土護(hù)坡方法。1944年，Harrison通過控制植物生長時間和草種，研究公路邊坡草皮鋪設(shè)方案[6]。20世紀(jì)70年代，“日本綠地工程學(xué)會”將植物防護(hù)作為恢復(fù)生態(tài)，保護(hù)環(huán)境的重要措施，植物防護(hù)開始向機(jī)械化轉(zhuǎn)變[7]。近年來，我國的邊坡生態(tài)防護(hù)技術(shù)與高分子材料與肥料學(xué)，研究出土工格室、三維網(wǎng)格植草等技術(shù)[5]。

目前,關(guān)于植物護(hù)坡作用機(jī)理的研究成果主要集中在根系的固土作用、根土相互作用的力學(xué)效應(yīng)、根系的抗拉拔力及植物固土護(hù)坡的機(jī)理方面。Greenway定性分析了植被護(hù)坡的有利與不利因素，認(rèn)為兩種作用同時存在，一方面樹木自重及所受風(fēng)荷載作用在邊坡上引起坡面失穩(wěn)，另一方面，根的錨固作用可使坡面穩(wěn)定性增強(qiáng)，對坡面穩(wěn)固起到積極作用[8]。程洪等[9]指出合適的樹種是決定植被固坡作用的關(guān)鍵條件，此外，作者還指出只有樹根穿過土體的滑動面并深入滑動面以下的土體時才能起到錨桿和抗滑樁的作用。Waldron et al.[10]、Gary et al.[11]、認(rèn)為土體的抗剪強(qiáng)度隨著單位土體中根的含量、體積、根土面積比的增加而提高。李建興等[12]研究發(fā)現(xiàn)植被護(hù)坡時，根系的存在均能顯著增大土體內(nèi)摩擦角及黏聚力，同時根系長度和表面積能夠很好地表征土體抗剪強(qiáng)度。吳鵬等[13]通過試驗發(fā)現(xiàn)當(dāng)根系采用不同的布置模式時，對于邊坡的加固效果及穩(wěn)定性影響不同。

大量研究表明[14-15]，降雨是引發(fā)邊坡失穩(wěn)，造成塌方、滑坡等事故的最主要因素，而植物莖葉對雨水具有攔截作用，可以通過減少到達(dá)坡面的降雨量及雨滴初動能削弱降雨對邊坡的侵蝕作用[16-17]，同時植物根系可以有效控制水土流失，提高土體抗剪強(qiáng)度及淺層邊坡穩(wěn)定性[18-20]。

目前,大量研究只考慮了降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響及植被固土的作用，尚未對降雨條件下不同根系布置模式對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行針對性研究。本文采用數(shù)值模擬的方法，利用PLAXIS 3D有限元軟件模擬了不同根系布置模式在降雨條件下的邊坡位移及穩(wěn)定性，分析了不同根系布置模式下，降雨后邊坡產(chǎn)生的最大位移、邊坡失穩(wěn)滑動面、失穩(wěn)時邊坡塑性點分布以及邊坡最小安全系數(shù)的區(qū)別，為植物根系固土方法提供一定理論支持和依據(jù)。

1 有限元模型的建立

本文采用PLAXIS 3D有限元軟件中的摩爾—庫倫本構(gòu)模型進(jìn)行了數(shù)值模擬，排水類型選為排水[17]，邊坡土體選用素填土，含水率取25.35%，重度取18.37 kN/m3，黏聚力取11.95 kPa，摩擦角取22.36°，彈性模量取10 MPa，泊松比取0.3。參考國內(nèi)外眾多邊坡防護(hù)的實際工程案例，以坡度1.0∶1.5建立模型對比邊坡穩(wěn)定性，同時考慮到邊坡位移的影響范圍，盡可能減小邊界效應(yīng)的影響，模型深度取20 m，邊坡左側(cè)取50 m邊界，右側(cè)取35 m邊界，模型示意圖見圖1。

2 邊坡位移影響對比

實際工程中，降雨在導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度減小的同時會降低邊坡穩(wěn)定性。此外，不同的根系布置模式對于邊坡的加固效果及穩(wěn)定性影響不同。因此有必要對降雨條件下不同根系布置模式時的邊坡位移進(jìn)行對比研究。本文選取降雨強(qiáng)度為5 mm/h，降雨時間為1 d，降雨采用PLAXIS 3D軟件中的降雨量進(jìn)行模擬，該程序可以指定由天氣變化引起的常規(guī)豎向回灌及入滲。此外，參考筆者已開展的試驗研究，分別將1.4 g、直徑1.2 mm的夾竹桃根系按照水平、傾斜、豎直、相交和混合5種方式均勻布置于直徑為39.1 mm，高度為80 mm的圓柱體土體試樣中[21]，如圖2所示。根據(jù)已開展的夾竹桃根系加筋土三軸剪切試驗，取上述5種根系布置模式時植被護(hù)坡土體參數(shù)如表1所示[21]。為了研究降雨條件下植被護(hù)坡對邊坡位移的影響，將邊坡表層0.6 m的土體按照表1中的參數(shù)進(jìn)行加固模擬。

表1 土體在不同根系布置模式時的土體參數(shù)

根系護(hù)坡條件下降雨后邊坡產(chǎn)生位移是一個逐步進(jìn)行的過程，PLAXIS 3D軟件可以通過激活或關(guān)閉幾何模型中的荷載、土層、降雨量等，以此實現(xiàn)根系護(hù)坡條件下降雨的過程。為了模擬結(jié)果能夠真實的反應(yīng)根系護(hù)坡邊坡降雨后的實際位移情況，將其過程分為3個步驟。第1步：生成邊坡，初始地應(yīng)力平衡同時將此過程產(chǎn)生的位移歸零；第2步：將邊坡表層0.6 m的土體分別置換為表2中的土體，模擬根系護(hù)坡(無根系護(hù)坡時不進(jìn)行土體置換)；第3步：采用降雨量模式模擬降雨。

圖3為無植被護(hù)坡邊坡在降雨后產(chǎn)生的位移云圖，由圖3可以看出此時邊坡最大位移達(dá)到了16.60 mm，且邊坡變形主要集中在坡面位置，最大變形發(fā)生在邊坡中心。邊坡產(chǎn)生較大變形的原因是由于滲流作用，降雨后邊坡土體含水率增加，土體強(qiáng)度降低，邊坡產(chǎn)生了整體下滑的趨勢。

圖4為根系采用水平布置方式時降雨1 d后的邊坡位移計算結(jié)果。如圖所示，降雨后邊坡產(chǎn)生的位移為1.88 mm，與未采用植被護(hù)坡時的邊坡位移相比減小了88.7%。因此在降雨條件下，根系采用水平布置方式能夠顯著減小邊坡失穩(wěn)破壞區(qū)域位移，且采用植被護(hù)坡時，降雨條件下邊坡位移主要集中在坡頂部分區(qū)域，坡體及邊坡表面的穩(wěn)定性增強(qiáng)。

植被根系采用傾斜、豎直、相交及混合的布置模式時，降雨1 d后邊坡位移云圖分別見圖5-圖8所示。

對比上述邊坡位移云圖可以看出，降雨條件下根系采用傾斜、豎直、相交及混合布置模式時邊坡最大位移分別為2.09、1.68、1.56、1.55 mm，根系采用不同布置模式均可大幅度減小降雨引起的邊坡位移，但不同根系布置模式對邊坡位移的控制效果有顯著區(qū)別。此外，根系不同布置模式時邊坡位移模式接近，邊坡最大位移均發(fā)生在坡頂位置，且坡面及坡腳位置位移較小。

降雨后不同根系布置模式護(hù)坡時邊坡產(chǎn)生的最大位移及與未進(jìn)行植被護(hù)坡相比的位移減小率見表2。由表2可以看出，各根系布置模式下對邊坡位移的控制效果由大到小依次為混合根系、相交根系、豎直根系、水平根系、傾斜根系，位移顯著減小，減小率分別為90.7%、90.6%、89.9%、88.7%、87.4%。因此實際工程中，當(dāng)采用根系護(hù)坡時，根系應(yīng)優(yōu)先選用混合及相交布置模式，盡可能減小降雨后產(chǎn)生的邊坡位移，避免較大位移引起邊坡滑坡等災(zāi)害事故。

表2 不同根系布置時邊坡位移及位移減小率

3 邊坡穩(wěn)定性

3.1 強(qiáng)度折減法原理

邊坡穩(wěn)定性有限元計算中常采用強(qiáng)度折減法計算穩(wěn)定性系數(shù)F[22]。即在理想彈塑性有限元計算中，將邊坡土體抗剪切強(qiáng)度參數(shù)按一定比例逐步折減直至其達(dá)到破壞狀態(tài)。在PLAXIS 3D有限元軟件中，程序可以自動根據(jù)彈塑性計算結(jié)果得到破壞滑動面(土體發(fā)生塑性應(yīng)變和位移突變的地帶)，并得到邊坡的強(qiáng)度儲備安全系數(shù)F。即：

c′=c/F,tanφ′=tanφ/F。

(1)

強(qiáng)度折減法不需要假定滑動面的形狀及位置，亦無需進(jìn)行條分，當(dāng)邊坡強(qiáng)度參數(shù)折減至邊坡達(dá)到不穩(wěn)定狀態(tài)時，非線性有限元靜力計算將不收斂，此時的折減系數(shù)就是穩(wěn)定安全系數(shù)。

3.2 邊坡失穩(wěn)滑動面

圖9為根系采用混合布置模式時邊坡偏應(yīng)變增量分布云圖，其反映了潛在滑動面可能的分布區(qū)域，根系采用其他布置模式時潛在滑動面區(qū)域與混合根系布置模式接近，由于篇幅所限，不再贅述。由偏應(yīng)變增量分布云圖可以看出滑動面范圍大約在邊坡上坡頂5 m(二分之一坡高)延伸至坡腳處。

3.3 邊坡失穩(wěn)時塑性點對比

圖10和圖11分別為無植被護(hù)坡及根系采用混合布置模式時邊坡部分塑性點分布圖。對比兩種情況發(fā)現(xiàn)采用植被護(hù)坡可以有效減小邊坡坡腳及坡頂位置的塑性點數(shù)量，有利于增強(qiáng)邊坡表層穩(wěn)定性，但對整個邊坡的塑性點分布影響較小。此外，各種根系布置模式下邊坡塑性點分布較為接近，因此其他邊坡塑性點分布圖在此不再贅述。

3.4 邊坡整體安全性對比

采用PLAXIS 3D有限元軟件的安全性分析對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究時，可以得到各工況下邊坡安全系數(shù)F，如表3所示。

表3 不同根系布置模式下的安全系數(shù)

由表3看出，在坡度1.0∶1.5的情況下，不同根系布置模式下邊坡最小安全系數(shù)與素坡的邊坡最小安全系數(shù)相比變化幅度很小，即有無植被護(hù)坡及采用何種根系布置模式對邊坡最小安全系數(shù)影響較小，其原因是由于采用植被護(hù)坡時，根系加固的區(qū)域并未深入邊坡的滑動面，無法提高邊坡整體穩(wěn)定性。因此，實際工程中當(dāng)邊坡整體安全性能不滿足要求時，僅采用植被護(hù)坡無法有效提高邊坡安全系數(shù)，此時可考慮聯(lián)合植被護(hù)坡和傳統(tǒng)護(hù)坡方式，如錨桿護(hù)坡的綜合護(hù)坡方式提高邊坡整體安全系數(shù)。

4 結(jié)論與討論

本文采用PLAXIS 3D有限元軟件,通過研究降雨后邊坡最大位移、失穩(wěn)滑動面、失穩(wěn)時塑性點分布以及最小安全系數(shù)的區(qū)別，分析了不同根系布置模式對降雨條件下邊坡穩(wěn)定性的影響。數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，根系護(hù)坡可以增強(qiáng)降雨條件下的邊坡穩(wěn)定性，但不同根系布置模式對邊坡穩(wěn)定性的影響有顯著差異。主要結(jié)論如下：降雨條件下不同根系布置模式對邊坡位移控制效果不同，由大到小依次為混合根系、相交根系、豎直根系、水平根系、傾斜根系，其中混合及相交根系布置模式時位移減小率達(dá)分別達(dá)到了90.7%和90.6%。建議實際工程中選用混合或相交的根系布置模式，減小降雨引發(fā)的邊坡位移。不同根系布置模式下邊坡潛在失穩(wěn)滑動面均位于上坡頂5 m(二分之一坡高)到坡腳處，說明根系布置模式對滑動面范圍影響很小。根系護(hù)坡加固了邊坡表面土體的抗剪強(qiáng)度，減少了表層土體的塑形點分布，但不同根系布置模式對邊坡塑形點分布則無影響。邊坡坡度比為1.0∶1.5時，是否采用根系護(hù)坡或采用不同根系布置模式對邊坡最小安全系數(shù)無顯著影響，其原因是根系護(hù)坡下根系加固區(qū)域并未深入到邊坡滑動面，無法提高邊坡整體穩(wěn)定性。