草本植物根系對邊坡淺層穩(wěn)定性影響研究

馮國建,朱維偉

(昆明學(xué)院 城鄉(xiāng)建設(shè)與工程管理學(xué)院,云南 昆明 650214)

草本植物根系對邊坡淺層穩(wěn)定性影響研究

馮國建,朱維偉

(昆明學(xué)院 城鄉(xiāng)建設(shè)與工程管理學(xué)院,云南 昆明 650214)

為研究草本植物根系對邊坡淺層穩(wěn)定性的影響，在假設(shè)滑坡體為長方體的條件下，通過對植物根系加固邊坡的力學(xué)原理進行分析，推導(dǎo)了植物根系對邊坡淺層穩(wěn)定性的安全系數(shù)公式，并計算分析了坡度、滑坡體尺寸以及根土面積比對邊坡穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明：隨著邊坡坡度及滑坡體尺寸的增加，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)將減小。并且，植物護坡的坡體安全系數(shù)要大于無防護坡體的安全系數(shù)。隨著根-土面積比的增大，坡體的穩(wěn)定系數(shù)逐漸增加，說明植物根系能增加邊坡的穩(wěn)定性。

安全系數(shù)；坡度；滑坡體尺寸；根-土面積比

在邊坡的治理過程中，如何將工程建設(shè)與環(huán)境保護相結(jié)合，成為巖土工作者關(guān)心的熱點問題。將植被護坡與傳統(tǒng)護坡方式相結(jié)合，已成為現(xiàn)今治理邊坡淺層穩(wěn)定的有效手段，并認(rèn)為植物根系增加了土體的抗剪強度，從而對邊坡穩(wěn)定性起到增強作用，國內(nèi)外學(xué)者對這一問題進行了一定研究[1-5]。周正軍等[2]利用理正巖土及數(shù)值模擬軟件研究植物根系的加筋作用，分析邊坡坡頂加筋、坡腳加筋及全坡面加筋3種情況下邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)，探討植物根系對邊坡淺層穩(wěn)定的影響。李云鵬等[3]選取重慶縉云山馬尾松和四川大頭茶兩種樹種，比較分析根面積比率、根系位置范圍以及根系角度等因素對土體抗剪強度指標(biāo)的影響，結(jié)果表明針葉樹種根系分布范圍較廣且存在更多與剪切方向成60°的根系，表現(xiàn)出更好的固坡作用。孫發(fā)政[6]認(rèn)為，類蘆地下部分根系發(fā)達(dá)，能形成強大的根網(wǎng)，可應(yīng)用于水土保持、固土護坡。此外，還有學(xué)者研究了柳杉[7]、狗牙根等植物根系對邊坡穩(wěn)定的影響[8]，并且也有將植物應(yīng)用于邊坡侵蝕及邊坡生態(tài)工程中的實例[9,10]。以上研究成果，從不同角度認(rèn)為植物根系能增強土體的抗剪強度，有利于邊坡穩(wěn)定。筆者在考慮根系對土體抗剪強度影響的基礎(chǔ)上，結(jié)合摩爾-庫侖強度準(zhǔn)則，假定滑坡體為長方體，考慮滑坡體底面及側(cè)面的抗剪強度，對滑坡體的穩(wěn)定安全系數(shù)進行計算。

1 基本假定

在進行邊坡穩(wěn)定性分析時，滑動面按平面或者圓弧滑動面來進行研究。此次研究為使問題得到簡化，進行假定：(1)在長期的地球內(nèi)外引力作用下，當(dāng)層面與坡面基本平行時，坡面處于相對平衡狀態(tài)。當(dāng)坡面表層受到裂隙發(fā)育及降水影響時，會產(chǎn)生沿軟弱層面滑動的淺層滑坡。因此，假設(shè)滑動面為平面，該平面有一定滑動深度，且與坡面平行，即把滑坡體的形狀近似簡化為長方體。(2)在進行滑坡分析時，不考慮地下水對邊坡穩(wěn)定的影響。(3)由于草本植物的根系重度明顯小于土體的重度，因此，在計算中不考慮草本植物根系的重度，即假定 γ根-土=γ土體

2 公式推導(dǎo)

對于土質(zhì)邊坡而言，常用的邊坡穩(wěn)定分析方法是基于極限平衡理論的極限平衡法，基于極限平衡法，得到邊坡淺層穩(wěn)定的分析方法。根據(jù)試驗假定，得到極限平衡法模型示意圖(圖1)。

圖1 極限平衡法模型示意圖Fig.1 The sketch map of the limit equilibrium method

由圖1可知，淺層滑坡體的下滑力為

T=Wsinα=γBLzcosαsinα

(1)

抗滑力由3部分組成，分別為滑動面的抗剪切力、滑坡體兩個側(cè)面土體的抗剪切力和側(cè)面上根系的抗剪切力，剪切力的大小分別為τLB、τc(2L+B)zcosα和Δατ(2L+B)zcosα。

式(1)中：T—下滑力，(KN)；W—滑體自重，(KN)；α：坡度；L—滑坡體沿斜坡方向長度，(m)；B—滑坡體的寬度，(m)；z—滑坡體的深度，(m)；τ—滑動面上土體的抗剪強度，(kPa)；τc—滑坡體側(cè)面土體的抗剪強度，(kPa)；Δτ—滑坡體側(cè)面根系對土體抗剪強度的增量，(kPa)。

根據(jù)摩爾-庫侖準(zhǔn)則，土體的抗剪強度指標(biāo)之間有如下關(guān)系：

τ=c+σtanφ=c+γzcosαtanφ

(2)

式(2)中：c—土的粘聚力，(kPa)；γ—土體的重度，(kN/m3)；φ—土體的內(nèi)摩擦角，(O)。

在滑坡體滑動過程中，滑坡體側(cè)面在滑動方向上沒有覆土，不考慮正應(yīng)力，只考慮作用于根-土之間的粘結(jié)力。結(jié)合摩爾-庫侖準(zhǔn)則，滑坡體側(cè)面土體的抗剪強度為

τc=c

(3)

對草本根系抗剪切強度的預(yù)測采用廣泛使用的Wu等建立的根系增大土壤抗剪切強度的力學(xué)模型，即

Δτ=Tr(Ar/A)(sinθ+cosθtanφ)

(4)

(5)

結(jié)合式(1)～(5)，可得邊坡淺層滑動的安全系數(shù)為

(6)

3 實例計算

根據(jù)前述穩(wěn)定系數(shù)的影響因素，改變式(6)中的一個或者幾個參數(shù)，而其他參數(shù)保持不變，定量分析各參數(shù)對邊坡淺層穩(wěn)定性的影響。假定土體重度為γ=14.7 kN/m3，粘聚力c=2.5 kPa，土體內(nèi)摩擦角φ=26.8°。以下分析坡度、滑體尺寸、根系的加強作用對邊坡穩(wěn)定性的影響。

3.1 坡度對邊坡穩(wěn)定的影響

潛在滑移面深度z=1.5 m，滑坡體寬度B=5 m，滑坡體沿斜坡方向長度L=3 m，根系的平均抗拉強度Tr=10.5 MPa，根系的面積比。改變坡體的坡角，根據(jù)式(6)分別計算無根系土體與有根系土體的穩(wěn)定安全系數(shù)(表1)。

結(jié)果表明：無根系邊坡與有根系邊坡的安全系數(shù)均隨著邊坡坡度的增加而逐漸減小。并且，在相同的坡度條件下，有根系邊坡的安全系數(shù)是大于無根系邊坡的安全系數(shù)的(表1)。說明，由于根系的存在，能提高坡體的穩(wěn)定性。

表1 坡度變化時無根系土體與有根系土體的安全系數(shù)Table1 The safety parameters of soil and root-soil composite

3.2 滑坡體尺寸對邊坡穩(wěn)定的影響

結(jié)果表明，在相同的滑坡體條件下，有根系滑坡體的安全系數(shù)要高于無根系滑坡體的安全系數(shù)。無論是有根系土體還是無根系土體，滑坡體尺寸越大，安全系數(shù)越小。

3.3 根土面積比對邊坡穩(wěn)定的影響

潛在滑移面深度z=0.5 m，滑坡體寬度B=5 m，滑坡體沿斜坡方向長度L=3 m，根系的平均抗拉強度Tr=10.5 MPa，坡度為45°，改變根土面積比，根據(jù)式(6)分別計算無根系土體與有根系土體的穩(wěn)定安全系數(shù)(表3)。

表2 滑坡體長度和寬度變化時無根系土體與有根系土體的安全系數(shù)Table2 The safety parameters of soil and root-soil composite based on the variation of slope length and depth

表3 根-土面積比變化時邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)Table3 The safety parameter of slope under the variation of root-soil area ratio

隨著根土面積比的增加，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)呈正比例關(guān)系增加(表3)，說明植物根系密度越大，邊坡越穩(wěn)定。因此，在進行護坡植物選擇時，應(yīng)盡量選擇根系密度大的植物。

4 結(jié)論

通過分析根系對邊坡的淺層穩(wěn)定性可知，植物根系能提高邊坡穩(wěn)定：

(1)在坡度及滑坡體尺寸相同的條件下，由于根系的加固作用，有根系的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)要大于無根系邊坡的安全系數(shù)。

(2)邊坡的安全系數(shù)與根土面積比呈正相關(guān)關(guān)系，隨著邊坡中植物根系的增加，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)也隨之增加。

通過理論公式計算了植物根系作用下邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)，指出植物根系對提高邊坡穩(wěn)定性具有重要作用，但缺少與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的對比分析。在以后的工作中，應(yīng)注重理論與試驗數(shù)據(jù)的相互驗證研究，提出符合工程實際的理論模型，更好指導(dǎo)生態(tài)邊坡的計算、設(shè)計及施工工作。

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Effect of herbaceous plant roots on stability of shallow soil in slope

FENG Guo-jian,ZHU Wei-wei

(DepartmentofUrbanandRuralConstructionandEngineeringManagement,KunmingUniversity,Kunming650214,China)

To study the effect of herbaceous plant roots on slope stability under the condition assuming the landslide as rectangle,the mechanics principle of slope reinforced by herbaceous plant roots were analyzed,and the plant roots on the stability of shallow slope safety coefficient formula was deduced,and then the influence of slope on grade,size of landslide,area ration of roots with soil was calculated and analyzed.The results showed that with the increase of grade and the size of landslide,the stability factor of slope decreased.And the slope safety coefficient with plant protection was greater than the safety factor without plant protection.With the increase of the area of root and soil，the stability of the slope coefficient increased

Safety parameter;grade;size of landslide;area ration of roots and soil

2015-03-20；

2015-04-21

云南省高校優(yōu)勢特色重點學(xué)科(生態(tài)學(xué))建設(shè)；云南省教育廳科學(xué)研究“公路邊坡工程綠化與景觀創(chuàng)意設(shè)計的可拓方法研究(2014Y385)”；昆明學(xué)院校級“云南省護坡植物根系的分布形態(tài)及固土力學(xué)機理研究(XJL14012)”項目資助

馮國建(1979-)，男，天津人，副教授，博士，主要研究方向為環(huán)境巖土。 E-mail：fengguojian2000@163.com

U 416.14

A

1009-5500(2015)04-0023-04