不同降雨強度下植被護坡對邊坡位移的影響

嵇曉雷，楊平

(1.江蘇開放大學(xué)建筑工程學(xué)院，南京 210036；2.南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，南京 210037)

我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷發(fā)展促進了高速公路及鐵路工程的建設(shè)，這些工程建設(shè)過程中會形成大量的邊坡，邊坡必須做好防護避免出現(xiàn)滑坡、崩塌等安全事故。目前常采用的邊坡防護方式有削坡卸荷、邊坡壓腳、坡面防護、抗滑樁、錨桿(索)、擋墻以及綜合加固法等[1]。近幾十年來，邊坡防護工程取得了一定發(fā)展，但其施工過程中填土、棄土及混凝土等土木工程材料的大量使用不可避免地對環(huán)境造成了一定破壞，對邊坡原生植物的生長造成很大影響。邊坡原生植被根系可以增強邊坡表層土體穩(wěn)定性，同時能夠保護生態(tài)環(huán)境[2-4]。降雨是引發(fā)邊坡失穩(wěn)，造成塌方、滑坡等事故的主要因素[5-7]，植物莖葉對雨水具有攔截作用，可以通過減少到達坡面的降雨量及雨滴初動能削弱降雨對邊坡的侵蝕作用[8-9]，植物根系可以有效控制水土流失，提高土體抗剪強度及淺層邊坡穩(wěn)定性[10-12]。目前，針對植物根系護坡的研究主要集中在護坡機理、護坡效果等方面。戚國慶等[12]研究表明植被護坡對深層土體有錨固的效果，對淺層土體有加筋的作用，植被覆蓋能夠減弱巖土體表面受到?jīng)_刷的作用。自然環(huán)境下，裸露的邊坡極易受到降雨的影響，楊永紅等[13]研究表明，伴隨著降雨，土體含水量增加，使得非飽和土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角均發(fā)生減小。嵇曉雷等[14]采用分形軟件Fractal 1.0基于植被根系分形維數(shù)對邊坡位移場的影響進行研究。

以上研究雖然對植被護坡的護坡機理及護坡效果進行了分析，但大多只考慮植被根系對邊坡土體位移場的影響，并未開展不同降雨強度下植物根系對邊坡土體位移的影響。因此，筆者在研究植物根系對邊坡表層土體位移影響的前提下，考慮不同降雨強度對邊坡位移的影響，并在此基礎(chǔ)上提出植物根系護坡結(jié)合錨桿支護的綜合邊坡防護方式。

1 有限元模型的建立

采用PLAXIS 3D有限元軟件進行數(shù)值模擬，邊坡土體采用Mohr-Coulomb模型，排水類型為排水。當(dāng)采用植物根系護坡時，通過改變邊坡表層根系生長區(qū)土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角進行模擬，根據(jù)護坡植物生物特性并參考相關(guān)研究[9]，根系加固深度取0.6 m，具體土體參數(shù)見表1。邊坡高度取10 m，坡度為1∶1.5，同時考慮到降雨條件下邊坡位移的影響范圍，模型深度取2倍邊坡高度20 m，邊坡左側(cè)取50 m邊界，右側(cè)取35 m邊界，減小邊界效應(yīng)的影響(圖1)。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of soil

圖1 邊坡模型示意圖Fig. 1 Models of slope

2 不同降雨強度下邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 不同降雨強度下邊坡位移

采用PLAXIS 3D軟件中的降雨量對邊坡進行模擬，分析3種不同降雨強度(5，10，20 mm/h)下邊坡表層土體位移。該程序指定由天氣變化引起的常規(guī)豎向回灌及入滲，設(shè)置3種不同降雨強度的降雨時間均為1 d。

降雨強度5 mm/h時無植物根系固土的邊坡土體位移云圖見圖2a，可見邊坡最大位移為16.60 mm，且邊坡土體位移增大范圍覆蓋整個坡面，最大位移量位于邊坡中心。其原因是由于滲流作用，降雨導(dǎo)致土體的含水率增加，土體由不飽和變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)，從而導(dǎo)致土體強度降低，邊坡土體產(chǎn)生整體下滑。降雨強度5 mm/h時植物根系固土邊坡的土體位移云圖見圖2b，邊坡土體最大位移為1.70 mm，與未采用植物根系護坡相比土體位移顯著減小，同時在降雨條件下，采用植物根系護坡時，邊坡土體位移增大的范圍有所縮小，主要集中在邊坡坡面中上部，坡腳位置土體產(chǎn)生位移較小。降雨10和20 mm/h時無根系加固邊坡土體位移云圖見圖3，最大位移分別為18.7和20.83 mm，邊坡土體最大位移隨降雨強度的增加而增大。降雨強度10和20 mm/h時植物根系固土條件下邊坡土體位移云圖見圖4，邊坡土體最大位移分別為3.69和5.87 mm，與未采用植物根系護坡時相比土體位移均顯著減小，與圖2b對比可見，當(dāng)采用植物根系護坡時，不同降雨強度條件下邊坡表層土體位移增長趨勢相同，最大位移均出現(xiàn)在坡面中上部。

圖2 降雨5 mm/h時邊坡土體位移云圖Fig. 2 Slope displacement nephogram under the rainfall of 5 mm/h

圖3 降雨10和20 mm/h時無根系邊坡土體位移云圖Fig. 3 Slope displacement nephogram under the rainfall of 10 and 20 mm/h

圖4 降雨10和20 mm/h時植物根系固土邊坡土體位移云圖Fig. 4 Slope displacement nephogram with vegetation protection under the rainfall of 10 and 20 mm/h

圖5 植物根系對邊坡表層土體位移的影響Fig. 5 Effects of plant root system on the slope displacement

不同降雨強度下，植物根系對邊坡表層土體位移影響對比見圖5。分析柱狀圖可知，與無植物根系護坡相比，不同降雨條件下采用植物根系固土的邊坡表層土體位移均有顯著減小。降雨5，10和20 mm/h條件下邊坡最大位移減小幅度分別為89.8%，80.3%和71.8%，因此降雨條件下植物根系能有效控制邊坡表層土體位移，但隨著降雨強度加大，植物根系對邊坡表層土體位移的控制效果會有所降低。

2.2 不同降雨強度邊坡穩(wěn)定性分析

2.2.1 強度折減法的應(yīng)用

采用PLAXIS 3D有限元分析軟件中安全性對邊坡整體穩(wěn)定性進行分析，其原理為強度折減法，計算安全系數(shù)時不需提前確定滑動面位置及形狀，也不需要進行條分法分析，通過在理想彈塑性有限元計算中逐漸削弱土體抗剪強度，直至邊坡破壞，從而確定邊坡破壞滑動面[15-16]。

2.2.2 邊坡失穩(wěn)滑動面

有植物根系護坡和無植物根系護坡條件下，降雨為20 mm/h條件下邊坡偏應(yīng)變增量分布云圖見圖6。偏應(yīng)變的最大值分別為5.23和6.80，其數(shù)值大小反映邊坡的滑坡體的剪應(yīng)變大小，分布區(qū)域反映了潛在滑動面可能的分布區(qū)域。可見由于植物根系存在能夠顯著減小邊坡發(fā)生滑坡時的偏應(yīng)變增量，并且明顯縮小潛在滑動面的發(fā)生區(qū)域，進而提升邊坡的穩(wěn)定性。

圖6 邊坡偏應(yīng)變增量分布云圖Fig. 6 Strain deviation increment nephogram of slope

2.2.3 邊坡失穩(wěn)時塑性點對比

降雨20 mm/h條件下無植物根系護坡和有植物根系護坡時的邊坡塑性點分布圖見圖7。通過對比可以發(fā)現(xiàn)在強降雨條件下，采用植物根系護坡可以有效減少邊坡坡腳及坡頂位置的塑性點數(shù)量，有利于增強邊坡的穩(wěn)定性。

圖7 邊坡塑性點分布圖Fig. 7 Plastic point distribution of slope

3 植物根系聯(lián)合錨桿護坡技術(shù)

由前述研究可知，當(dāng)降雨強度較大時，僅采用單一的植物根系加固方式對邊坡位移的控制效果將逐漸減弱。為防止持續(xù)性強降雨引起邊坡產(chǎn)生較大位移，從而引發(fā)邊坡失穩(wěn)，提出植物根系結(jié)合錨桿的綜合護坡方式。在降雨強度20 mm/h條件下，錨桿長度取7 m，其中自由段長4 m，采用線彈性本構(gòu)，抗拉剛度2×105kN；錨固段長3 m，采用PLAXIS中的embedded beam單元模擬，直徑0.3 m，彈性模量107kPa，樁側(cè)摩阻力50 kN/m。此外，錨桿豎向間距取2 m，水平間距取2.5 m，采用植物根系聯(lián)合錨桿護坡情況下邊坡土體位移云圖見圖8。

圖8 根系結(jié)合錨桿防護邊坡土體位移云圖Fig. 8 Displacement nephogram of slope with vegetation and bolt support

對比圖4與圖8可見，當(dāng)采用植物根系聯(lián)合錨桿護坡時，降雨強度為20 mm/h條件下邊坡土體最大位移由5.87 mm減小到5.06 mm，但邊坡坡面表層土體最大位移僅為2.21 mm，因此采用植物根系聯(lián)合錨桿護坡可以大幅度減小降雨引起的邊坡坡面表層土體位移，有效避免邊坡水土流失。

4 結(jié) 論

本研究分析了不同降雨強度下植物根系對邊坡表層土體位移的影響，并在此基礎(chǔ)上提出了植物根系結(jié)合錨桿的綜合邊坡防護方式，主要結(jié)論如下：

1)邊坡采用植物根系固土護坡時，相對無根系固土邊坡，在降雨條件下邊坡表層土體位移有顯著減小，且邊坡土體產(chǎn)生較大位移區(qū)域主要集中在坡頂，在降雨5，10和20 mm/h條件下，邊坡表層土體最大位移減小幅度分別為89.8%，80.3%和71.8%，但隨著降雨強度加大，植物根系對邊坡表層土體位移的控制效果會有所降低。

2)植物根系能夠增強邊坡護坡植物生長范圍內(nèi)的土體抗剪強度，和未加固邊坡相比，邊坡滑動時塑性點數(shù)量減少，植物根系存在能顯著減小邊坡潛在滑動面的發(fā)生區(qū)域，提高邊坡的穩(wěn)定性。

3)為了確保長時間降雨環(huán)境下邊坡安全穩(wěn)定，可采用植物根系結(jié)合錨桿綜合護坡方式對邊坡進行有效的加固，綜合護坡方式能夠有效減小強降雨條件下邊坡坡面表層土體位移，提高邊坡整體穩(wěn)定性。