植物護(hù)坡技術(shù)的力學(xué)機(jī)理及有限元分析

梁 天 河

(華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510641)

植物護(hù)坡技術(shù)的力學(xué)機(jī)理及有限元分析

梁 天 河

(華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510641)

從加筋作用與錨固作用兩方面，介紹了植物護(hù)坡的力學(xué)機(jī)理，并通過(guò)建立有限元計(jì)算模型，分析了植物護(hù)坡技術(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的提升效果，指出在經(jīng)濟(jì)條件允許的情況下，對(duì)整個(gè)邊坡采用植物護(hù)坡可較大程度提升邊坡的穩(wěn)定性，在經(jīng)濟(jì)受限情況下，應(yīng)首選加筋防護(hù)坡面。

植物護(hù)坡，力學(xué)機(jī)理，有限元，穩(wěn)定性

0 引言

在園林工程中，山體是園內(nèi)基本地形和景觀背景的重要組成，在傍山車(chē)道、觀景平臺(tái)等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)過(guò)程中，大量的挖山平地、采石取土，破壞了地形地貌和原生植被，形成很多土體裸露的邊坡。坡面由于風(fēng)化、脹縮循環(huán)及表面徑流沖蝕等原因發(fā)生破壞，影響邊坡的穩(wěn)定性，造成水土流失，對(duì)園林的生態(tài)保護(hù)和環(huán)境生態(tài)景觀產(chǎn)生了消極的影響，需及時(shí)治理。

傳統(tǒng)的邊坡防護(hù)措施，如漿砌塊石、噴錨支護(hù)等，在我國(guó)20世紀(jì)80年代后大規(guī)模城市建設(shè)階段，提供了造價(jià)低廉、可靠的工程解決方案。但是，傳統(tǒng)的邊坡防護(hù)措施已經(jīng)不能滿(mǎn)足今天園林工程對(duì)景觀性和生態(tài)保護(hù)的要求。

植物護(hù)坡是一種古老的邊坡治理方法，其運(yùn)用有很久的歷史，但直到近二十幾年才被作為一種工程技術(shù)方法進(jìn)行系統(tǒng)的研究[1,2]。植物護(hù)坡技術(shù)是在被治理的邊坡上播種植物，利用植物根系與巖石、土體的相互作用，形成根土復(fù)合體，從而提高邊坡的穩(wěn)定性，達(dá)到加固目的的邊坡治理技術(shù)，可單獨(dú)作為坡面防護(hù)的形式，也可與拱形骨架等其他結(jié)構(gòu)形式形成聯(lián)合防護(hù)結(jié)構(gòu)。

本文通過(guò)介紹植物護(hù)坡的力學(xué)機(jī)理，結(jié)合有限元分析，分析了植物護(hù)坡技術(shù)對(duì)邊坡的加固效果。

1 植物護(hù)坡的力學(xué)機(jī)理

王可鈞[3](1998)指出，植物的根系想要發(fā)揮固坡作用，必須穿過(guò)邊坡的潛在滑動(dòng)面(見(jiàn)圖1)。最理想的情況是能伸進(jìn)基巖的裂隙中，以發(fā)揮樁和錨桿的作用，從而將土中的剪切作用變成植物根的拉伸作用。

因此，不是所有的根系都能起到提高邊坡穩(wěn)定性的作用，不僅如此，同一植物的不同根系，對(duì)土體的加固作用也是不同的。姜志強(qiáng)[4]、付海峰等[5]將植物根系分成細(xì)淺根和深粗根，認(rèn)為細(xì)淺根對(duì)周?chē)馏w起加筋作用，深粗根對(duì)土體起錨固作用。李國(guó)榮[6]將根系分成主根和側(cè)根，認(rèn)為主根對(duì)土體起錨固作用，側(cè)根對(duì)周?chē)馏w起到加筋作用?？傮w而言，植物根系對(duì)土體的加固作用主要有加筋作用和錨固作用兩種。

1.1 加筋作用

植物根系在土層中的生長(zhǎng)有水平、豎直兩個(gè)方向，兩個(gè)方向的根系縱橫交錯(cuò)，形成根系網(wǎng)絡(luò)，植物根系網(wǎng)絡(luò)與土體共同形成了根—土復(fù)合體，根系對(duì)土體起到加筋作用，加筋作用的機(jī)理可以用準(zhǔn)粘聚力理論解釋。

準(zhǔn)粘聚力理論由加筋土和未加筋土的三軸對(duì)比試驗(yàn)得到[7]，素土和根土復(fù)合體的強(qiáng)度包線見(jiàn)圖2，由于加筋，土體獲得了“準(zhǔn)粘聚力”Δc。植物根系生長(zhǎng)于土體中，根系網(wǎng)絡(luò)與土體共同受力、協(xié)調(diào)變形，其強(qiáng)度包括土體本身的抗剪強(qiáng)度、根系的抗拉強(qiáng)度和根—土之間的摩阻力，相對(duì)素土，抗剪強(qiáng)度得到了提高。

1.2 錨固作用

王可鈞[3]分析了植物根系的抗拉能力、生長(zhǎng)方向以及植物根系與土坡穩(wěn)定性之間的關(guān)系，指出植物根只有在足夠伸長(zhǎng)而又不被拉出時(shí)，才能充分發(fā)揮其抗拉強(qiáng)度，達(dá)到最大限度地提高土層等效抗剪強(qiáng)度的效果。

如圖3所示，當(dāng)土體中發(fā)生剪切時(shí)，相互錯(cuò)動(dòng)的土層帶動(dòng)了植物根系的變形和伸長(zhǎng)，植物的根與土體之間的摩擦力將土層中的剪應(yīng)力轉(zhuǎn)化為植物根系的拉應(yīng)力，減小了土層中的有效剪應(yīng)力，提升了土體的穩(wěn)定性。

由于剪切作用，原本垂直于剪切面的根產(chǎn)生了一個(gè)偏角θ，伸長(zhǎng)的根內(nèi)部產(chǎn)生徑向拉力Tr，植物根的抗拉強(qiáng)度與根的直徑存在如下關(guān)系：

Tr=nDm。

其中，Tr為根的抗拉強(qiáng)度，MPa；D為根的直徑，mm；m，n均為給定樹(shù)種的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

2 植物護(hù)坡加固效果的有限元計(jì)算

2.1 模型建立及參數(shù)選取

為了分析植物護(hù)坡技術(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的提升效果，采用有限元計(jì)算對(duì)比素土邊坡和采用護(hù)坡植物技術(shù)加固邊坡的穩(wěn)定性。視邊坡為平面應(yīng)變問(wèn)題，建立如圖4所示的幾何模型。其中，模型被分成4個(gè)部分，即①邊坡坡腳、②邊坡坡面、③邊坡坡頂及④無(wú)加筋部分。通過(guò)對(duì)邊坡不同部分的加筋，分析植物種植位置對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

為簡(jiǎn)化計(jì)算，視根—土復(fù)合體為均質(zhì)材料，采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則。約束模型底邊的水平、豎直兩個(gè)方向的位移和兩側(cè)邊界的水平位移，邊坡表面為自由面。計(jì)算時(shí)僅考慮自重應(yīng)力，有限元網(wǎng)格如圖5所示。

李國(guó)榮[6]在人工堆積的土質(zhì)邊坡上種植了4種灌木進(jìn)行研究，采集了植物根系的生長(zhǎng)指標(biāo)，并采用三軸試驗(yàn)對(duì)根—土復(fù)合體的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)。本文選用該試驗(yàn)中的檸條錦雞兒根的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，見(jiàn)表1。該植物的主根長(zhǎng)度為(3.7±0.45)m，取3.5 m計(jì)算。

表1 計(jì)算模型參數(shù)

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算素土及在不同位置加筋的情況下，邊坡的安全系數(shù)，結(jié)果

如表2所示?？梢?jiàn)，在邊坡的各個(gè)位置通過(guò)植物護(hù)坡進(jìn)行加固，邊坡穩(wěn)定性都有不同程度的提升。在對(duì)邊坡不同位置單獨(dú)加筋的情況下，由有限元計(jì)算結(jié)果可知，加筋對(duì)邊坡穩(wěn)定性的提升效果從大到小依次為：坡面加筋>坡頂加筋>坡腳加筋，坡面加筋提升效果較為顯著，可達(dá)19.17%。同時(shí)，在條件允許的情況下，采用植物護(hù)坡技術(shù)對(duì)整個(gè)邊坡進(jìn)行防護(hù)，其邊坡安全系數(shù)相較于邊坡個(gè)別部位單獨(dú)防護(hù)的安全系數(shù)最多提升27%。

表2 不同加筋位置的安全系數(shù)

因此，在條件允許的情況下，可采用植物護(hù)坡技術(shù)對(duì)整個(gè)邊坡進(jìn)行防護(hù)，可起到最優(yōu)的護(hù)坡效果。在經(jīng)濟(jì)條件受限的情況下，應(yīng)優(yōu)先選擇坡面加筋的形式，以獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益和較為良好的邊坡加固效果。

3 結(jié)語(yǔ)

在邊坡上種植護(hù)坡植物，一方面，植物根系在土中生長(zhǎng)，豎直、水平兩個(gè)方向生長(zhǎng)的根系形成根系網(wǎng)絡(luò)，根系網(wǎng)絡(luò)與土體共同受力、協(xié)調(diào)變形，從而起到加筋作用。另一方面，植物根系穿過(guò)邊坡潛在滑動(dòng)面，在邊坡滑動(dòng)破壞的過(guò)程中，通過(guò)土體與根系間的摩擦力，將土層中的剪應(yīng)力轉(zhuǎn)化為植物根系的拉應(yīng)力，減小了土體中的有效應(yīng)力，提高了土體的穩(wěn)定性。

通過(guò)有限元計(jì)算分析可知，在經(jīng)濟(jì)條件允許的情況下，對(duì)整個(gè)邊坡采用植物護(hù)坡技術(shù)進(jìn)行防護(hù)，邊坡穩(wěn)定性有較大程度的提升。在經(jīng)濟(jì)條件受限的情況下，應(yīng)首選對(duì)坡面進(jìn)行加筋防護(hù)。

[1] 劉世奇,陳靜曦，王吉利.植物護(hù)坡技術(shù)淺析[J].土工基礎(chǔ),2003(3):49-51.

[2] 趙廣琦.植物護(hù)坡及其生態(tài)效應(yīng)研究[J].水土保持學(xué)報(bào),2007(6):60-64.

[3] 王可鈞，李焯芬.植物固坡的力學(xué)簡(jiǎn)析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),1998(6):687-691.

[4] 姜志強(qiáng)，孫樹(shù)林，程龍飛.根系固土作用及植物護(hù)坡穩(wěn)定性分析[J].勘察科學(xué)技術(shù),2005(4):12-14.

[5] 付海峰,姜志強(qiáng)，張書(shū)豐.植物根系固坡效應(yīng)模擬及穩(wěn)定性數(shù)值分析[J].水土保持通報(bào),2007(1):92-94，98.

[6] 李國(guó)榮.青藏高原東北部黃土區(qū)灌木植物根系護(hù)坡效應(yīng)的數(shù)值模擬[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2010(9):1877-1884.

[7] 陳昌富,劉懷星，李亞平.草根加筋土的室內(nèi)三軸試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2007(10):2041-2045.

Mechanical mechanism and finite element analysis of plant slope protection technology

Liang Tianhe

(CollegeofCivil&Traffic,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510641,China)

Starting from two aspects of reinforcing effect and anchorage, the paper introduces mechanical mechanism of plant slope protection. Through establishing finite element computation model, it analyzes the effect of plant slope protection technology for improving the slope stability, and finally puts forward some suggestions: applying plant slope protection technology can greatly improve the slope stability for the whole slope within the economic monetary constraints; it is a priority to select reinforcing protection slope surface within limited monetary constraints.

plant slope protection, mechanical mechanism, finite element, stability

1009-6825(2017)01-0088-02

2016-10-26

梁天河(1990- )，男，在讀碩士

S157

A