巖質(zhì)路塹邊坡表層土體植被固坡的力學(xué)分析

王喜華

(西南石油大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，成都 610500)

巖質(zhì)路塹邊坡的綠色防護(hù)是指在巖質(zhì)路塹坡面上施加的防護(hù)措施。如果邊坡失穩(wěn)，應(yīng)先施以支擋加固，再做防護(hù)工程。巖質(zhì)路塹邊坡表層土體能否穩(wěn)定，表層土體中有無根系及根系質(zhì)量的大小與表層土體的抗剪強(qiáng)度關(guān)系如何，正是本文研究的內(nèi)容。

目前研究根系土抗剪強(qiáng)度的測(cè)定方法主要有以下幾種:直接剪切試驗(yàn)法、原位水平擠出法、全株根系拉拔試驗(yàn)法和室內(nèi)模擬剪切試驗(yàn)法等。本文采用直接剪切試驗(yàn)，目的是測(cè)定有無根系土的抗剪強(qiáng)度并決定它們的內(nèi)摩擦角和黏聚力，從而進(jìn)行巖質(zhì)路塹邊坡表層土體植被固坡的力學(xué)分析。

1 有無根系巖質(zhì)路塹邊坡抗剪強(qiáng)度的測(cè)定

抗剪強(qiáng)度是內(nèi)摩擦力和黏聚力之和。植被的根系，特別是根系在土層中向四周和縱深生長(zhǎng)、穿插，盤根錯(cuò)節(jié)的根系使土顆粒牢固地聯(lián)結(jié)在一起，形成一個(gè)牢固的空間整體。在深10～50 cm的范圍內(nèi)邊坡已是由土和植物根系組成的復(fù)合材料，類似加筋土的性質(zhì)。根據(jù)加筋土原理，土中加筋使土體強(qiáng)度提高。土和植物根系組成的“加筋土”，其強(qiáng)度同樣也提高了。故土體的抗剪強(qiáng)度能較好地反映其穩(wěn)定性。

本文結(jié)合渝懷(重慶至湖南懷化)鐵路魚嘴車站和江北車站的巖質(zhì)路塹邊坡的綠色防護(hù)工程，對(duì)有無根系巖質(zhì)路塹邊坡表層土體的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了定量分析。試驗(yàn)采用不固結(jié)不排水(UU)剪切試驗(yàn)。部分試驗(yàn)記錄見表1。圖1為有無根系邊坡表層土體抗剪強(qiáng)度的比較。

表1 邊坡表層土體的抗剪強(qiáng)度測(cè)定記錄

圖1 有無根系巖質(zhì)路塹邊坡表層土體抗剪強(qiáng)度的比較

植被的根系使土體在根系的延伸范圍內(nèi)得以形成整體。根系在土中分布的密度，自地表向下逐漸減少、逐漸細(xì)弱。據(jù)挖驗(yàn)各種草根深入地表下最深達(dá)0.6～0.8 m，實(shí)際在根系盤結(jié)范圍內(nèi)，邊坡土體已是由土和草根組成的復(fù)合材料。因此，在考慮邊坡淺層土體強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)以土—根復(fù)合材料的強(qiáng)度作為依據(jù)?？梢园醇咏钔猎矸治鲇胁莞恋膽?yīng)力狀態(tài)，即把土中草根的分布視為加筋材料分布，且為多維加筋。這種加筋為土層提供了附加“黏聚力”ΔC，其大小與草根密度、強(qiáng)度和土的顆粒性質(zhì)有關(guān)。它使原土體的抗剪強(qiáng)度線向上推移了一個(gè)距離ΔC，使得有根系土體的抗剪強(qiáng)度大大提高了。

從圖1可以看出，有根系邊坡表層土體的抗剪強(qiáng)度明顯大于無根系邊坡表層土體的抗剪強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果證明植物根系對(duì)坡面表層土體有明顯的加固作用。

應(yīng)當(dāng)說明的是，實(shí)際上有根系加筋土的 Cr值(有根系邊坡表層土體的黏聚力)要比表中所列試驗(yàn)測(cè)量值要大得多?，F(xiàn)場(chǎng)取土樣時(shí)，由于草根盤結(jié)，十分困難。而且在制作試樣時(shí)，會(huì)對(duì)一些根系進(jìn)行切除，所以實(shí)際的Cr要大得多。這對(duì)邊坡表層的加固是非常有利的。

2 有無根系邊坡表層土體穩(wěn)定系數(shù)與坡角關(guān)系分析

假設(shè)有一淺層邊坡表層土體的厚度為h，長(zhǎng)度為L(zhǎng)，傾角為 α，邊坡表層土體自重 Q=γhL，見圖2。

圖2 邊坡表層土體受力分析

穩(wěn)定系數(shù)可以用K表示，即

式中，C為土中黏聚力(kPa);γ為土的重度(kN/m3)。

此式對(duì)有根系邊坡和無根系邊坡都是適用的，由于根系對(duì)邊坡的加筋作用，黏聚力C提高，φ也有所增大。假設(shè)有根系邊坡表層土體穩(wěn)定系數(shù)比無根系邊坡表層土體穩(wěn)定系數(shù)提高值為ΔK，兩數(shù)比值為ΔK'，則

式中，Cr(C0)、φr(φ0)、γr(γ0)、Kr(K0)分別為有(無)根系邊坡表層土體的黏聚力、內(nèi)摩擦角、重度、邊坡表層土體的穩(wěn)定系數(shù)。

由試 驗(yàn) 求 得，tanφr=0.529，tanφ0=0.494，則tanφr-tanφ0=0.035。因 Cr=19.81 kPa，C0=11.57 kPa，γr=16.7 kN/m3，γ0=15.6 kN/m3，h=25 cm，則

ΔK、ΔK'與 α的關(guān)系曲線見圖3和圖4。

圖3 ΔK與α的關(guān)系曲線

圖4 ΔK'與α的關(guān)系曲線

由圖3、圖4及現(xiàn)場(chǎng)挖驗(yàn)植物根系可知:

1)當(dāng)邊坡坡度＜25°時(shí)，有根系邊坡的安全系數(shù)比無根系邊坡的安全系數(shù)增加在4以上，同時(shí)二者安全系數(shù)比在1.008以上。植被生長(zhǎng)良好，鄉(xiāng)土植物容易入侵，植被覆蓋后侵蝕停止。無根系邊坡和有根系邊坡均是穩(wěn)定的，稱之為穩(wěn)定邊坡，邊坡表層土體不進(jìn)行防護(hù)即可達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。進(jìn)行表層土體的綠色防護(hù)，起到的作用主要是綠化環(huán)境和防止雨水沖蝕。

2)當(dāng)邊坡坡度在25°～55°之間時(shí)，有根系邊坡的安全系數(shù)比無根系邊坡的安全系數(shù)增大值約在2～4之間，同時(shí)二者安全系數(shù)比在1.005～1.008之間。無根系邊坡為次穩(wěn)定邊坡，需要對(duì)邊坡進(jìn)行植被防護(hù)。當(dāng)表層土體的植被生長(zhǎng)良好時(shí)，草本植物根系形態(tài)呈立體構(gòu)造，其錯(cuò)綜復(fù)雜的根系對(duì)整個(gè)土體起著重要固持作用。在根系的膨壓作用下，根系與表層土體間產(chǎn)生軸向壓力，根系與土體緊密黏合在一起，增大了根系與土體接觸的表面積，使得根系與表層土體間的摩擦阻力也增大，從而使有根系邊坡表層土體的穩(wěn)定系數(shù)明顯高于無根系邊坡表層土體的安全系數(shù)。

3)當(dāng)邊坡坡度超過55°時(shí)，有根系邊坡的安全系數(shù)比無根系邊坡的安全系數(shù)增大值約為2，同時(shí)二者安全系數(shù)比在1.005～1.000之間，基本上為一限值。隨著坡度的變化，生長(zhǎng)在坡面上的草本植物的根系，往往順坡面向下方延伸，幾乎不向坡面上方和土層深處延伸。因此，當(dāng)坡面變陡，坡度增大時(shí)，根系分布層變薄。即使在坡面土體疏松，有利于根系侵入的良好基礎(chǔ)條件下，仍會(huì)發(fā)生根系順坡面向下方延伸的現(xiàn)象。可以認(rèn)為坡面變陡，坡度增大時(shí)，草本植物的根系形態(tài)從立體構(gòu)造變化為平面構(gòu)造。正因?yàn)槿绱?，在陡坡上引種草本植物時(shí)，其根系先端部位即使形成疏松的風(fēng)化土層，根系也不能侵入，難以達(dá)到固定風(fēng)化土層的目的。

3 有根系邊坡表層土體剪應(yīng)力與根系質(zhì)量的關(guān)系

土中根系的含量不同決定了根系在土中的質(zhì)量不同，根對(duì)土的加筋作用的效果也就不同，因而植被對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響程度也就不同。衡量根在土中的含量的一個(gè)常用指標(biāo)是“根的面積比率”(Root Area Ratio簡(jiǎn)記為RAR)，它指的是在一個(gè)土層斷面上(水平斷面或垂直斷面)根的截面面積與總斷面面積的比率。另一種衡量土中根的含量的方法是“根的生物量集度”，即單位體積土中根的質(zhì)量，它和RAR存在一定的轉(zhuǎn)化關(guān)系。

本實(shí)驗(yàn)過程中用到的環(huán)刀體積均在64.106～64.307 cm3之間，所以本論文中為了方便起見，將根系質(zhì)量解釋為單個(gè)環(huán)刀體積內(nèi)根系的質(zhì)量，單位為g。江北車站有根系邊坡表層土體剪應(yīng)力與根系質(zhì)量的關(guān)系見圖5。

圖5 江北車站根系質(zhì)量與剪應(yīng)力關(guān)系

可看出，根系質(zhì)量的多少和抗剪強(qiáng)度的關(guān)系可用下列公式表示:

式中，x為根系質(zhì)量(g);y為抗剪強(qiáng)度(kPa)。

上式對(duì) x求導(dǎo)，得出 y'=a/x，可以看出，當(dāng) x→∞，y'趨于零，抗剪強(qiáng)度增加的幅度就會(huì)減小。這說明y=alnx+b是有界的，當(dāng)x達(dá)到一定值時(shí)，抗剪強(qiáng)度的增加幅度為一個(gè)限值。

4 總結(jié)

1)有根系邊坡表層土體的抗剪強(qiáng)度明顯大于無根系邊坡表層土體的抗剪強(qiáng)度。

2)在坡度不超過55°時(shí)，植物根系對(duì)提高土體的強(qiáng)度是不容置疑的。

3)根系在土體中的含量并不是越多土體的抗剪強(qiáng)度越高，當(dāng)根系在土體中的含量達(dá)到一定限值后，抗剪強(qiáng)度基本為一定值。

邊坡發(fā)生移動(dòng)時(shí)，在克服土體本身的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦力的同時(shí)，還必須克服根系表面與土體間的摩擦力或根系的抗拉力。因此植被邊坡是一種邊坡防護(hù)的理想措施和方法，這也是根系固土護(hù)坡的實(shí)質(zhì)所在。

［1］張俊云，周德培，李紹才.巖石邊坡生態(tài)種植基材試驗(yàn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2001，20(2):239-242.

［2］楊位洸.地基及基礎(chǔ)(第三版)［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1998.

［3］唐錦陽.香根草在鐵路邊坡防護(hù)中的應(yīng)用［J］.鐵道建筑，2009(12):80-82.

［4］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.

［5］言志信，曹小紅，張劉平，等.植物護(hù)坡的力學(xué)機(jī)制分析［J］.鐵道建筑，2011(4):92-94.

［6］CHEN Xiaoyuan，LIU Xiaoying，LUO Yuanpei.Effects of soil moisture on dynamic distribution of dry matter between winter wheat root and shoot［J］.Agricultural Sciences in China，2003(10):1144-1150.