西寧地區(qū)黃土邊坡植被根系協(xié)同護(hù)坡試驗(yàn)及模擬研究

孟繁興 李 輝 蔣寧山 劉成奎

（1.青海大學(xué)土木工程學(xué)院，青海 西寧 810016；2.青海省建筑建材料學(xué)研究院有限責(zé)任公司，青海 西寧 810016；3.青海省高原綠色建筑與生態(tài)社區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810016）

0 引言

隨著青海省春季氣溫逐漸升高，導(dǎo)致各地區(qū)出現(xiàn)冰雪消融、凍土開化等現(xiàn)狀，極易引發(fā)土體崩塌、滑坡及水土流失等問題。因此為了加強(qiáng)凍融期地質(zhì)災(zāi)害的防范工作，采用植被生態(tài)護(hù)坡的治理方案來增強(qiáng)土體穩(wěn)定性是極其必要的。董曉宏等[1]探究了楊凌地區(qū)重塑黃土在凍融后的剪切強(qiáng)度變化規(guī)律，得到了在含水率相同的條件下，3~5 次循環(huán)后黃土的黏聚力將降至最低，隨后逐漸趨于穩(wěn)定，相反內(nèi)摩擦角變化不是很明顯。楊亞川[2]提出了“根-土復(fù)合體”的概念，指出了根-土復(fù)合體的正應(yīng)力與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系滿足庫倫定律，通過試驗(yàn)得出了土體抗剪強(qiáng)度與含根量的關(guān)系。陳輝[3]研究了植被根系對黃土邊坡穩(wěn)定性及固土效果的影響，通過直剪試驗(yàn)、模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬得出了植被根系可明顯提高黃土的抗剪強(qiáng)度。

1 試驗(yàn)設(shè)計

青海省西寧市年平均氣溫為-5.1℃~9.0℃，氣候特征為日照時間長、日氣溫差較大，年氣溫差較小。因此選取的黃土是在青海省西寧市城北區(qū)青海大學(xué)南門外的山坡，土體類型為粉土。得到的物理性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 土體物理性質(zhì)指標(biāo)

1.1 材料選取

該研究根據(jù)研究區(qū)內(nèi)環(huán)境、氣候以及土壤的特點(diǎn)，選擇耐寒性好、根系發(fā)達(dá)、能更好地吸收水分的三種含有植物根系（披堿草、錦雞兒、華北米蒿）的黃土以及不含植物根系的原狀黃土。

1.2 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)步驟如下：1）將試驗(yàn)區(qū)密封帶回的不含植物根系的黃土進(jìn)行106 ℃烘干處理且經(jīng)過孔徑為0.25 mm 的土工篩，與制備好的蒸餾水和3 種植物在不同含根量梯度（0.5%、1%、1.5%）下按一定比例進(jìn)行充分混合，制備3 種根-土復(fù)合體試樣和一種不含根系的黃土試樣，將4 組試樣同環(huán)刀一起用保鮮膜做密封處理，隨后放入凍融循環(huán)箱，溫度范圍為-15℃~15℃，時間為12 h。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，初次凍融循環(huán)對土體強(qiáng)度和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響最大，隨著次數(shù)增多，在第三次凍融循環(huán)后對土體的影響越來越小，并逐漸趨于穩(wěn)定。因此，以第三次凍融循環(huán)后的試樣作為研究對象，得到4 種在凍融條件下完成的試樣。然后用同樣的方法制作四組在常溫條件下的試樣，以研究常溫和凍融條件下不同根系在不同環(huán)境下對土體的影響。2）直剪試驗(yàn)采用青海大學(xué)的ZJ 型應(yīng)變控制式直剪儀，在正壓力為50kPa、100kPa、150kPa、200kPa 4 個等級下進(jìn)行多組試驗(yàn)，剪切應(yīng)變速率控制為2.4 mm/min，測力計率定系數(shù)為1.706，在試樣進(jìn)行剪切時，每隔10 s 得出1 組測力計讀數(shù)，直到試樣剪切完全破壞后終止讀數(shù)，以0.01 mm 為單位，計算各個試樣的抗剪強(qiáng)度，再以垂直壓力作為橫坐標(biāo)，抗剪強(qiáng)度作為縱坐標(biāo)，得出黏聚力和內(nèi)摩擦角的數(shù)值。

2 室內(nèi)試驗(yàn)的結(jié)果與分析

姚亞蘭等學(xué)者[4-6]研究發(fā)現(xiàn)，含根量越大，土體黏聚力越大且有最佳含根量的存在使根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大值，對土體的增強(qiáng)效果最大。因此該試驗(yàn)通過直剪試驗(yàn)得出的結(jié)論，選取正壓力P=100 kPa、P=200 kPa 時的抗剪強(qiáng)度、黏聚力和內(nèi)摩擦角4 組數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。將3 種根-土復(fù)合體試樣在含根量為0.5%、1%、1.5%得出的4 組數(shù)據(jù)與不含根系的素土做差，討論3 種試樣隨著含根量的增大是否對土體產(chǎn)生增強(qiáng)或抑制作用。當(dāng)做差的結(jié)果等于零時，說明該含根量下對土體的作用為零；當(dāng)做差的結(jié)果小于零時，說明此含根量下對土體會有抑制作用；反之，當(dāng)做差的結(jié)果大于零時，說明該含根量對土體有增強(qiáng)作用。將得到的結(jié)果繪制成圖形，可知在常溫和凍融2 種條件下3 種根-土復(fù)合體試樣對土體的作用情況。

3.1 常溫條件下3種根-土復(fù)合體試樣隨含根量增大的變化圖

由圖1~圖4 可知，在常溫條件下：1）披堿草試樣的抗剪強(qiáng)度和內(nèi)摩擦角變化量隨含根量增大而增加，在含根量0.5%時有最小值且小于零，對土體的抑制作用最大。抗剪強(qiáng)度變化量在含根量為0.5%~1.0%時和內(nèi)摩擦角變化量在含根量為1.0%~1.5%時，對土體的抑制作用逐漸減弱，并在某一點(diǎn)達(dá)到零，然后對土體的增強(qiáng)效果越來越大；黏聚力變化量隨著含根量的增大先增加再變小，對土體的黏聚力一直有增強(qiáng)的效果，在含根量為1.0%時有最大值即最優(yōu)含根量，此時對土體的增強(qiáng)效果最明顯。2）華北米嵩試樣在P=100 kPa 時的抗剪強(qiáng)度和黏聚力變化量隨含根量的增大而增加，在含根量0.5%時有最小值且小于零，對土體的抑制作用最大，在含根量為1.0%~1.5%時抑制作用逐漸減弱，并在某一點(diǎn)達(dá)到零，然后對土體的增強(qiáng)效果越來越明顯；在P=200 kPa 時的抗剪強(qiáng)度和內(nèi)摩擦角變化量隨含根量的增大而變小，在含根量為0.5%時，達(dá)到最大值，即最優(yōu)含根量且大于零，對土體的增強(qiáng)效果最大。然后逐漸變小，并在含根量0.5%~1.0%的某一點(diǎn)達(dá)到零，對土體的抑制效果逐漸增大。3）錦雞兒試樣在P=100 kPa 時的抗剪強(qiáng)度和黏聚力變化量隨含根量增大而降低，在P=100 kPa 時的抗剪強(qiáng)度變化量小于零，對土體一直保持抑制作用且抑制作用逐漸增大；黏聚力變化量在含根量0.5%時有最大值即最優(yōu)含根量且大于零，對土體的增強(qiáng)效果最大，之后增強(qiáng)效果逐漸減小并在含根量為0.5%~1.0%的某一點(diǎn)達(dá)到零，后抑制效果越來越明顯；在P=200 kPa 時的抗剪強(qiáng)度和內(nèi)摩擦角的變化量隨含根量的增大先增加再變小，在含根量為1.0%時有最大值即最優(yōu)含根量且略大于零，對土體的增強(qiáng)效果最大，后增強(qiáng)效果逐漸減弱并趨于零。

圖1 內(nèi)摩擦角變化圖

圖2 黏聚力變化圖

圖3 抗剪強(qiáng)度p=100 kPa 時的變化

圖4 抗剪強(qiáng)度p=200 kPa 時的變化圖

3.2 凍融條件下隨含根量的增大3種根-土復(fù)合體試樣的各組變化圖

由圖5~圖8 可知，在凍融條件下：1）披堿草試樣的抗剪強(qiáng)度和黏聚力變化量隨含根量的增大而增加。其中試樣的抗剪強(qiáng)度變化量始終大于零，對土體一直有增強(qiáng)效果且增強(qiáng)效果越來越明顯；黏聚力變化量在含根量0.5%有最小值且小于零，對土體的黏聚力抑制作用最大，隨后在含根量0.5%~1.0%的某一點(diǎn)達(dá)到零，之后對土體的增強(qiáng)效果逐漸加強(qiáng)；內(nèi)摩擦角先變小再增大，當(dāng)含根量為 1.0%時有最小值且小于零，對土體的抑制作用最大，隨后在含根量1.0%~1.5%的某一點(diǎn)達(dá)到零，之后對土體的增強(qiáng)效果逐漸加強(qiáng)。2）華北米嵩試樣的黏聚力變化量隨含根量的增大而增加，對土體一直具有增強(qiáng)效果且越來越明顯；抗剪強(qiáng)度的變化量隨含根量的增大先減少后增加，對土體一直有增強(qiáng)效果且增強(qiáng)效果先減弱后增大；內(nèi)摩擦角變化量在含根量為0.5%時有最大值且大于零，對土體的增強(qiáng)效果最大，然后增強(qiáng)效果逐漸減弱，并在含根量為 1.0% 時達(dá)到0，之后對土體的抑制作用越來越明顯。3）錦雞兒試樣的黏聚力變化量隨含根量的增大而增加，對土體一直有增強(qiáng)效果且增強(qiáng)效果越來越明顯；抗剪強(qiáng)度和內(nèi)摩擦角變化量隨含根量的增大先增加再變小，其中抗剪強(qiáng)度變化量大于零，對土體一直有增強(qiáng)效果且增強(qiáng)效果先增大后減弱，并在含根量為1.0%時有最大值，對土體的增強(qiáng)效果最大；內(nèi)摩擦角變化量小于零，對土體一直保持抑制作用且抑制作用先減弱后逐漸增大。

圖5 內(nèi)摩擦角變化圖

圖6 黏聚力變化圖

圖7 抗剪強(qiáng)度p=100 kPa 時變化圖

圖8 抗剪強(qiáng)度p=200 kPa 時變化圖

4 有限元ABAQUS 數(shù)值模擬分析

田佳等[7]利用有限元ABAQUS軟件建立根-土復(fù)合體直剪試樣的有限元數(shù)值模型，模擬計算的結(jié)果與室內(nèi)試驗(yàn)的結(jié)果大致相同，因此證明通過建立有限元數(shù)值模型來模擬根-土復(fù)合體的直剪試驗(yàn)是可行的。

4.1 邊坡模型參數(shù)的設(shè)置

現(xiàn)對邊坡劃分為加固區(qū)與非加固區(qū)兩區(qū)域進(jìn)行計算，其中加固區(qū)與非加固區(qū)采用不同的黏聚力與內(nèi)摩擦角。

設(shè)置邊坡模型尺寸長40m，高30m，坡高15m，坡度為450°。邊坡加固區(qū)采用以4 節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變四邊形單元，非加固區(qū)采用以4 節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變四邊形單元為主，并含有少量3節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變單元。因主要研究根-土混合，即只考慮加固區(qū)域內(nèi)的變化情況，所以將加固區(qū)域設(shè)置為均質(zhì)區(qū)域，沿斜坡垂直向下2m 的深度。

根土采用分離式邊坡模型，加固區(qū)域的根系參數(shù)與土體在非加固區(qū)域的參數(shù)不同。

本次模擬土體彈性模量定為10 MPa，根系彈性模量為100 MPa。土體的泊松比數(shù)值為0.3，根系泊松比為0.25。根據(jù)室內(nèi)直剪試驗(yàn)的結(jié)論得到土體模型的力學(xué)參數(shù)見表2，構(gòu)建的模型尺寸如圖9 所示，獲得的邊坡加固實(shí)體圖和模型圖如圖10、圖11 所示。

圖9 邊坡模型尺寸圖

圖10 邊坡加固模型實(shí)體圖

圖11 邊坡加固有限元模型圖

表2 根系邊坡加固模型參數(shù)

4.2 三種根-土復(fù)合體等效塑性應(yīng)變分析

根據(jù)上面的變化圖可知，三種根-土復(fù)合體試樣在常溫條件下隨著含根量逐漸增大時內(nèi)摩擦角或黏聚力變化量都存在最大值即最優(yōu)含根量；凍融條件下三種試樣的黏聚力變化量一直增大，沒有最優(yōu)含根量的存在。綜上所述，該研究采用3 種植被邊坡模型的根系加固層取對應(yīng)常溫條件下植被的最優(yōu)含根量下的黏聚力與內(nèi)摩擦角參數(shù)，見表3。

表3 三種根-土的邊坡加固模型參數(shù)

由圖12~圖14 可知，三種植被試樣等效塑性應(yīng)變主要集中在坡中和坡底之間且隨著加固區(qū)域內(nèi)沿斜坡面越深，等效塑性應(yīng)變也越來越大。其中沿坡面越深3 種試樣達(dá)到的等效塑性應(yīng)變最大值分別為2.161、1.759、1.900。披堿草試樣的等效塑性應(yīng)變區(qū)間為1.080~2.161；華北米蒿試樣的等效塑性應(yīng)變區(qū)間為1.026~1.759；錦雞兒試樣的等效塑性應(yīng)變區(qū)間為1.109~1.900。

圖12 披堿草試樣邊坡等效塑性應(yīng)變圖

圖14 錦雞兒試樣邊坡等效塑性應(yīng)變圖

5 結(jié)論

通過研究得到以下結(jié)論：1）隨著正壓力增加，抗剪強(qiáng)度在常溫和凍融條件下都有明顯提升。2）在常溫條件下，三種試樣在內(nèi)摩擦角和黏聚力變化量上均有最優(yōu)含根量，即在此含根量上對土體的增強(qiáng)效果最大。披堿草、華北米蒿、錦雞兒三種試樣最優(yōu)含根量依次為1.0%、0.5%、0.5%。披堿草和錦雞兒試樣隨含根量的增大內(nèi)摩擦角變化不明顯，而華北米蒿試樣內(nèi)摩擦角對土體的抑制作用越來越明顯。3）在凍融條件下，三種試樣隨著含根量的增大抗剪強(qiáng)度和黏聚力變化量上均有明顯增大。其中抗剪強(qiáng)度方面披堿草試樣增大效果最明顯，其次是華北米蒿和錦雞兒試樣；黏聚力變化量方面華北米蒿試樣增大效果最明顯，其次是錦雞兒和披堿草試樣。4）在等效塑性應(yīng)變上，沿斜坡面越深，其值越大。由三種試樣的參數(shù)和等效塑性應(yīng)變圖可知，黏聚力和內(nèi)摩擦角均對等效塑性應(yīng)變的大小有影響，黏聚力越小，內(nèi)摩擦角越大，等效塑性應(yīng)變也越來越大，導(dǎo)致的變形模量也越來越小。在三種試樣中披堿草試樣等效塑性應(yīng)變值最大，其次為錦雞兒試樣和華北米蒿試樣。

圖13 華北米蒿試樣邊坡等效塑性應(yīng)變圖