根系長度對邊坡穩(wěn)定性影響規(guī)律分析

林 遙

（吉安市水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)院，江西 吉安 343000）

0 引言

近年來，隨著國家各項(xiàng)工程的不斷建設(shè)和發(fā)展，也產(chǎn)生了大量的裸露邊坡，一方面破壞原有的生態(tài)環(huán)境；另一方面，邊坡在施工、降雨等外荷載作用下易發(fā)生失穩(wěn)破壞，傳統(tǒng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)難以起到保護(hù)環(huán)境的作用[1,2]。隨著國家雙碳戰(zhàn)略的逐步落地，學(xué)者們目光聚焦于生態(tài)護(hù)坡，大量試驗(yàn)證明，伸入邊坡坡體的植物根系對邊坡的表層土體具有明顯的加固、防止水土流失、修復(fù)生態(tài)系統(tǒng)的作用，邊坡表層的植物可起到美化環(huán)境的作用[3-5]。

劉秀萍等基于試驗(yàn)結(jié)果研究了不同植物根系分布對根系-黃土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律[6]；王元戰(zhàn)等通過室內(nèi)試驗(yàn)分析了含根量對草根加筋土的強(qiáng)度影響[7]；胡其志等對摻入狗牙根根系的土體進(jìn)行剪切試驗(yàn)，得到了不同含根量下土體的抗剪性能指標(biāo)[8]；付海峰等提出表觀凝聚力概念，并通過數(shù)值模擬分析，表明了植物對淺層邊坡穩(wěn)定性有明顯的提高[9]；袁宗浩等基于室內(nèi)三軸試驗(yàn)得到根-土復(fù)合體強(qiáng)度特征，基于試驗(yàn)結(jié)果建立根系加固邊坡有限元模型[10]；黃勇忠基于有限元模型討論了植物根系空間分布模式與空間結(jié)構(gòu)對于邊坡的加固效果[11]。

目前，對于植物根系護(hù)坡的研究成果多集中在對植物根系力學(xué)性能和根-土復(fù)合體的抗剪能力評價，對于不同根系長度對邊坡的變形、整體穩(wěn)定性的影響研究鮮少報告。因此，下文就不同根系長度下，邊坡位移變形及整體穩(wěn)定性變化規(guī)律進(jìn)行探究。

1 根-土復(fù)合體分析

根據(jù)相關(guān)研究成果并結(jié)合實(shí)際工程，基于MIDAS GTS 有限元軟件建立了根-土復(fù)合體直剪試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，網(wǎng)格大小為0.1 m，如圖1 所示。模型土體采用莫爾-庫倫本構(gòu)模型，計(jì)算參數(shù)如表1 所示；根系采用線彈性本構(gòu)模型，計(jì)算參數(shù)見表2。在模型頂部施加均布豎向荷載，模擬直剪試驗(yàn)中的豎向壓力；在模型上部左側(cè)施加水平向荷載，模擬直剪試驗(yàn)水平向推力，荷載值參考相關(guān)試驗(yàn)規(guī)范。在模型底部約束X，Y兩方向的位移；模型下部左右兩側(cè)約束方向位移。該模型中分別設(shè)置根系長度為0，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9 m 的6 種工況進(jìn)行計(jì)算分析。不同植物根系長度下的根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的變化規(guī)律，如圖2 所示。

表1 土體材料參數(shù)

表2 植物根系計(jì)算參數(shù)

圖1 根-土復(fù)合體直剪試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D

圖2 根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度參數(shù)變化規(guī)律

由圖2 可知，當(dāng)植物根系長度為0 m 時，根-土復(fù)合體的黏聚力、摩擦角分別約為10 kPa，30.00°；當(dāng)植物根系的長度為0.9 m 時，根-土復(fù)合體的黏聚力、摩擦角分別約為14 kPa，30.36°，即植物根系的存在加強(qiáng)了土體的抗剪強(qiáng)度。隨著植物根系長度的增加，復(fù)合體的黏聚力、摩擦角隨之增加，近似呈線性關(guān)系，根系長度從0 m 增加到0.9 m 時，根-土復(fù)合體的黏聚力、摩擦角分別增加了40%，1%，表明根-土復(fù)合體的黏聚力對植物根系長度的敏感性較高。

2 根-土復(fù)合體加固邊坡分析

為分析不同根系長度對植物根系加固表層土體邊坡的穩(wěn)定性，利用MIDAS GTS 建立了單一坡度邊坡，如圖3 所示，其中坡高比為1∶1.5，邊坡高度為8.0 m，根-土復(fù)合體加固層厚1.0 m。土體及根-土復(fù)合體均采用莫爾-庫倫本構(gòu)模型，根土復(fù)合體抗剪參數(shù)參考表2 取值。在模型底部約束X，Y兩方向的位移，模型下左右兩側(cè)約束方向位移。荷載僅計(jì)算自重荷載。該模型中分別設(shè)置根系長度為0，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9 m 的6 種工況進(jìn)行計(jì)算分析。

圖3 根-土復(fù)合體加固邊坡模型

圖4 為植物根系長度為0，0.5 m 時的邊坡水平位移云圖。由圖4 可知，在邊坡頂部發(fā)生了負(fù)位移（位移方向與滑動方向相反），并且在邊坡頂部形成三角形的滑移區(qū)，其最大負(fù)位移出現(xiàn)在坡頂處，水平位移最大值出現(xiàn)在邊坡坡腳附近。原因是受邊坡重力的作用，導(dǎo)致在邊坡坡腳處形成剪出口，坡頂處土體將沿著類圓弧滑面滑動。當(dāng)植物根系長度分別為0，0.5 m 時，其最大水平位移分別為23.84，23.78 mm，說明根-土復(fù)合體加固表層邊坡僅減小邊坡變形位移值，并不改變邊坡的位移場分布特性。

圖4 不同植物根系長度的邊坡水平位移圖

為了更直觀地說明不同根系長度下表層根土復(fù)合體對邊坡的加固效應(yīng)，給出了如圖5 所示的不同根系長度邊坡的安全系數(shù)圖。由圖5 可以看出，根-土復(fù)合體可以提高邊坡安全系數(shù)，根系長度與邊坡安全系數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系。植物根系長度分別為0，0.9 m 時，邊坡安全系數(shù)增加了2.5%，可見植物根系對邊坡的穩(wěn)定有一定的提升但并不明顯，主要是因?yàn)橹参锔档募庸套饔弥饕槍\層滑坡，而此次計(jì)算模型中邊坡的塑形區(qū)距離邊坡表層較遠(yuǎn)，植物根系難以發(fā)揮理想加固作用。因此，在選擇植物根系加固邊坡類型時，建議選用淺層邊坡。

圖5 安全系數(shù)隨根系長度的變化規(guī)律

3 結(jié)語

上文通過數(shù)值模擬的方法探討了植物根系主根長度對根-土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度及邊坡穩(wěn)定性的影響，計(jì)算結(jié)果對植物根系加固邊坡設(shè)計(jì)的應(yīng)用具有重要的支持作用。值得注意的是，影響植物根系加固作用的影響因素是多方面的，在后續(xù)研究中需要進(jìn)一步研究植物根系的分布、傾斜度、密度等其他因素影響，以便為其推廣應(yīng)用提供更有利的支持。