陳 潮,張俊云,趙曉黎,高勝君,明 明
(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,成都 610031;2.西藏自治區(qū)水利電力規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院,拉薩 850000)
植物根系生長形態(tài)對(duì)邊坡淺層穩(wěn)定性影響數(shù)值研究
陳 潮1,張俊云1,趙曉黎2,高勝君1,明 明1
(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,成都 610031;2.西藏自治區(qū)水利電力規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院,拉薩 850000)
為了研究植物根系在不同生長形態(tài)下的錨固作用,將根系作為“活土釘”作用于邊坡,運(yùn)用強(qiáng)度折減法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析;通過考慮根系的側(cè)根數(shù)量、分枝角度2方面的形態(tài)要素,探究其對(duì)于邊坡淺層穩(wěn)定性的影響。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明:根系對(duì)于邊坡淺層的加固效果明顯,能改善坡體內(nèi)應(yīng)力狀態(tài),控制位移變量;隨著側(cè)根數(shù)量的增多、側(cè)根分枝角度增大,邊坡的安全系數(shù)逐漸提升,同時(shí)破壞形態(tài)呈現(xiàn)出漸進(jìn)式破壞,坡中部逐漸顯現(xiàn)“凸肚”,坡腳未加固區(qū)出現(xiàn)隆起現(xiàn)象。
植被護(hù)坡技術(shù);根系生長形態(tài);數(shù)值計(jì)算;淺層穩(wěn)定性;強(qiáng)度折減法
植被護(hù)坡是利用植被涵水固土的原理穩(wěn)定邊坡的一種新技術(shù),該項(xiàng)技術(shù)近年來在公路鐵路邊坡防護(hù)中得到了廣泛的應(yīng)用。這種“綠色防護(hù)”完全覆蓋巖土邊坡表面,不僅能防護(hù)淺層邊坡,而且能恢復(fù)已破壞的植被,美化環(huán)境,保持水土,有效地解決了邊坡防護(hù)與生態(tài)破壞的矛盾。與漿砌片石、噴射混凝土等“灰色防護(hù)”相比,坡面植被不會(huì)被侵蝕風(fēng)化,相反隨時(shí)間推移,其防護(hù)作用會(huì)大大提升。
植被護(hù)坡主要依靠坡面植物的地下根系及地上莖葉的作用護(hù)坡,其作用可以概括為根系的力學(xué)效應(yīng)和植被的水文效應(yīng)2方面[1]。其中,根系的力學(xué)效應(yīng)又可以分為2種:加筋作用和錨固作用[2-3]。草本植物根系為細(xì)須根,根徑通常<1 mm,集中在0~30 cm的埋深范圍內(nèi),對(duì)邊坡淺層土體有三維加筋的作用。木本植物垂直根系的長度、抗拉強(qiáng)度、剛度均較大,可以延伸到地面以下3 m左右,相當(dāng)于全長黏結(jié)型錨桿,對(duì)邊坡進(jìn)行加固;但是由于氧氣是植物根系生長所必需的,這限制了根系的深度為邊坡淺層,因而植被護(hù)坡只適用于淺層滑坡的防護(hù)和治理,對(duì)于深層的滑坡加固效果較弱[4]。淺層滑坡一般發(fā)生在坡面以下2 m范圍內(nèi),這種破壞往往因?yàn)橥潦搅啃《匆鹱銐虻闹匾?,但它破壞了坡面植被,產(chǎn)生較大隱患,若任其發(fā)展將造成嚴(yán)重水土流失甚至坡體深層失穩(wěn)。
彭書生[5]考慮植被蒸騰作用,研究植被邊坡在各降雨強(qiáng)度條件下,坡體內(nèi)孔隙水壓及穩(wěn)定性變化情況,證實(shí)了植被對(duì)邊坡淺層有加固作用。李愷靖等[6]運(yùn)用ANSYS,Z-Soil對(duì)同一邊坡有、無植被以及降雨條件下的穩(wěn)定性進(jìn)行研究后指出,根系對(duì)于邊坡淺層穩(wěn)定性貢獻(xiàn)明顯,并隨著根系對(duì)土壤的強(qiáng)度貢獻(xiàn)值(cR)和作用范圍(hR)的增大而增大。周正軍等[7]研究坡頂加筋、坡腳加筋及全坡面加筋3種工況下的邊坡穩(wěn)定性,結(jié)果表明根系的加筋作用能提高淺層穩(wěn)定性,但幅度有限,全坡面種植效果最好,超過臨界值(黏聚力提高40%)穩(wěn)定系數(shù)隨加筋深度提高而提高。郭勇[8]則對(duì)有、無植被的邊坡坡面位移進(jìn)行數(shù)值研究,說明植被對(duì)于控制坡面位移有顯著作用,尤其是草-灌植被,大大改善了坡體的應(yīng)力狀態(tài),對(duì)淺層穩(wěn)定性有積極作用。
以上研究大多數(shù)考慮根系的加筋作用,將含有根系的土體作為一種抗剪強(qiáng)度較高的“特殊的土層”附加于邊坡坡面進(jìn)行穩(wěn)定性分析;而對(duì)于某些植物,如香根草單根抗拉強(qiáng)度達(dá)40~120 MPa,相當(dāng)于軟鋼的1/6,其根系發(fā)達(dá),最深達(dá)5~6 m[9-11],運(yùn)用錨固原理分析邊坡淺層穩(wěn)定性較為合理。通過將根系考慮成“活土釘”作用于邊坡土體,運(yùn)用強(qiáng)度折減法對(duì)邊坡淺層穩(wěn)定性進(jìn)行分析,探討根系對(duì)于邊坡的加固效果。
2.1 強(qiáng)度折減法原理
目前,研究邊坡穩(wěn)定的傳統(tǒng)方法主要有:極限平衡法、極限分析法、滑移線場法等。這些建立在極限平衡理論基礎(chǔ)上的分析方法通常需要假定滑面形狀,無法考慮土體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,無法分析邊坡破壞的發(fā)生和發(fā)展過程[12]。
與傳統(tǒng)方法相比,強(qiáng)度折減法具有如下優(yōu)勢:①無需事先假定滑面形狀和位置,無需對(duì)土體分條及假定土條之間相互作用力;②可以考慮土體本構(gòu)關(guān)系及破壞準(zhǔn)則;③適用于各種復(fù)雜地質(zhì)條件和外形的邊坡,能夠模擬各種條件如地震、降雨、開挖誘發(fā)的邊坡失穩(wěn);④能夠分析邊坡失穩(wěn)的全過程。
強(qiáng)度折減法的基本原理是將巖土材料基本力學(xué)指標(biāo)黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ按照一定的公式等比例進(jìn)行折減,得到的新參數(shù)cf,φf代入繼續(xù)折減,直至邊坡達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí),發(fā)生破壞,此時(shí)的折減系數(shù)即是邊坡的安全系數(shù)。折減公式為:
(1)
(2)
式中:c,φ為折減前材料抗剪強(qiáng)度參數(shù);cf,φf為折減后材料抗剪強(qiáng)度參數(shù);Fs為折減系數(shù)。
2.2 失穩(wěn)判據(jù)的選用
采用有限元強(qiáng)度折減法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析時(shí),邊坡的安全系數(shù)很大程度上依賴于失穩(wěn)判別標(biāo)準(zhǔn)。目前常用的失穩(wěn)判據(jù)有3種,即特征部位位移突變、塑性區(qū)貫通、數(shù)值計(jì)算不收斂。陳力華等[13]通過對(duì)比這3種判據(jù)判定的安全系數(shù)大小后指出,對(duì)于一般邊坡,3種判據(jù)具有較好的一致性,但對(duì)于張拉破壞明顯的陡邊坡,3種判據(jù)存在較大差異。
本文采用的邊坡模型坡度不大,主要為受剪破壞,故采用特征部位位移突變作為失穩(wěn)判據(jù)。
2.3 屈服準(zhǔn)則的選用
有限元強(qiáng)度折減法中巖土材料本構(gòu)模型采用理想彈塑性模型,安全系數(shù)大小與采用的屈服準(zhǔn)則密切相關(guān),不同的準(zhǔn)則會(huì)得出不同的安全系數(shù)。
巖土工程計(jì)算中廣泛采用的Mohr-Coulomb(M-C)準(zhǔn)則,由于屈服面為不規(guī)則的六邊形截面的角錐體,存在著尖頂和棱角,數(shù)值計(jì)算存在收斂困難問題,而Drucker-Prager(D-P)系列準(zhǔn)則計(jì)算效率較高。目前巖土工程界有大量學(xué)者就數(shù)值計(jì)算中2準(zhǔn)則的近似處理和安全系數(shù)換算做了研究[14-18],并指出外角點(diǎn)圓準(zhǔn)則(DP1)計(jì)算得出的安全系數(shù)最大,偏不安全;等面積圓準(zhǔn)則(DP3)最為合理; M-C準(zhǔn)則居中。本文采用M-C屈服準(zhǔn)則。
3.1 邊坡模型
本文采用文獻(xiàn)[7]中的均質(zhì)黏性土坡進(jìn)行計(jì)算,模型的力學(xué)參數(shù)如表1所示。邊坡模型底寬15 m,高10 m,其中邊坡高5 m,坡度45°,坡腳前方邊界寬度5 m。植被沿全坡面均勻覆蓋,根系近似豎向作用于土體內(nèi)部,如圖1所示。
表1 模型參數(shù)Table 1 Model parameters
圖1 模型及網(wǎng)格劃分 Fig.1 Diagram of model and mesh division
3.2 根系模型
植被護(hù)坡植物根系形態(tài)構(gòu)成復(fù)雜,主根與側(cè)根相輔相生。其中木本植物根系形態(tài)可分為3種類型:主直根型、散生根型、水平根型,如圖2所示。
圖2 木本植物根系形態(tài)Fig.2 Roots morphology of woody plant
張橫[19]指出部分灌木主根能夠到達(dá)2~3 m的土層處,側(cè)根從主根分出并向周圍輻射,層層分枝,主根主要集中分布在0~0.8 m的土層內(nèi);而喬木主直根則能貫入邊坡土體數(shù)米。肖本林等[20]根據(jù)實(shí)測結(jié)果,對(duì)刺槐垂直根和側(cè)根取根徑2 cm進(jìn)行簡化計(jì)算。
本文數(shù)值計(jì)算中亦對(duì)根系進(jìn)行簡化處理,主根和側(cè)根均按等根徑3 cm取用,主直根總長取為50 cm,側(cè)根長取10 cm,分枝距離5 cm。植物根系采用理想彈塑性模型,選擇只能受拉不能受壓、受彎的柔性桿單元。根系的彈性模量隨著其種類和生長環(huán)境的不同而不同,范圍變化頗大。徐中華等[21]對(duì)楊樹、柳樹等樹種彈性模量取10.5~15.8 MPa;嵇曉雷[22]對(duì)灌木夾竹桃的根系彈性模量采用紙張拉力儀測定為789.62 MPa。本文中選取彈性模量為600 MPa。
本文就同一護(hù)坡植物的不同數(shù)量側(cè)根、同一數(shù)量側(cè)根的不同植物根系形態(tài)等情況下邊坡的淺層穩(wěn)定性進(jìn)行探究。其中考慮分枝角度為30°時(shí)側(cè)根數(shù)量分別為2對(duì)、3對(duì)、4對(duì)3種工況,如圖3所示;對(duì)圖3(c)側(cè)根數(shù)量為4對(duì)時(shí),側(cè)根分枝角度α分別取15°,30°,45°3種形態(tài)。
圖3 根系模型示意圖Fig.3 Schematic diagrams of root model
圖6 不同側(cè)根加固的邊坡破壞形態(tài)Fig.6 Failure shapes of slope with different pairs of roots
3.3 根-土相互作用
在植被護(hù)坡技術(shù)中,通常選用草、灌植物,往往根系直徑小,數(shù)量多,與土體接觸較多。本文在計(jì)算中采用ABAQUS中的界面約束(constraints)命令,將根系作為嵌入?yún)^(qū)域(embedded region)嵌入到邊坡土體(host region)中處理。
4.1 不同側(cè)根數(shù)量對(duì)邊坡淺層的影響
無植被覆蓋的天然邊坡運(yùn)用強(qiáng)度折減法進(jìn)行計(jì)算,得出安全系數(shù)約為1.20,此時(shí)坡面頂部潛在的破壞區(qū)域范圍大致在2 m左右,屬于淺層破壞,見圖4。
圖4 無植被邊坡潛在滑動(dòng)面形態(tài)Fig.4 Potential sliding surface of slope in the absence of vegetation
對(duì)有植被生長的邊坡進(jìn)行計(jì)算后發(fā)現(xiàn),邊坡安全系數(shù)Fs有所提升,見圖5所示。
圖5 無植被和不同側(cè)根情況下坡頂點(diǎn)位移與荷載步時(shí)間曲線Fig.5 Curves of displacement at slope top in the absence of vegetation and in the presence of different pairs of roots vs. load step time
安全系數(shù)隨著側(cè)根增多而增長,雖然幅度不大,但根系能改善坡體內(nèi)應(yīng)力分布,減小塑性區(qū),對(duì)于坡面位移的控制效果顯著。一方面從坡頂點(diǎn)位移與荷載步時(shí)間曲線(圖5)看,邊坡植入根系后,相對(duì)于無植被邊坡變形是緩慢發(fā)展的,呈現(xiàn)出漸進(jìn)式破壞,而非突然破壞,并且隨著側(cè)根數(shù)量的增多,趨勢越來越明顯,這對(duì)于工程安全是有利的;另一方面,邊坡植入根系后,坡腳剪出口附近應(yīng)力集中現(xiàn)象大大改善,破壞開始轉(zhuǎn)移到坡腳未加固區(qū),塑性區(qū)開始向深層移動(dòng)。隨著側(cè)根數(shù)量增多,邊坡中部顯現(xiàn)“凸肚”形式,坡腳未加固區(qū)出現(xiàn)隆起,因此實(shí)際工程中坡腳加固或壓坡作用不可忽視,如圖6所示。
出現(xiàn)上述結(jié)果的原因在于,坡體中上部由于主根的長度有限,尚不能全部穿過破裂面,“錨固作用”不太明顯,故邊坡的安全系數(shù)增長較小,但側(cè)根能扎入邊坡淺層土體中,與土體相互纏繞包裹,形成“根土復(fù)合體”,其抗剪強(qiáng)度較素土大大提高,這對(duì)于控制邊坡淺層變形極為有利,并隨著側(cè)根數(shù)量的增多,這種有利作用越來越突出。
而坡體剪出口附近, 主根能夠穿過塑性滑動(dòng)面, 像土釘一樣起到錨固作用, 使滑動(dòng)面剪應(yīng)力轉(zhuǎn)化成根系的拉應(yīng)力并向坡體深部傳遞, 塑性區(qū)逐漸向深部移動(dòng), 隨著側(cè)根數(shù)量的增多, 加固作用愈加明顯, 塑性滑動(dòng)面越過加固區(qū), 在坡腳未加固區(qū)形成隆起。
實(shí)際中,當(dāng)植被開始覆蓋整個(gè)坡面時(shí),根系也隨之不斷生長并分蘗出側(cè)根,隨著時(shí)間的推移,其防護(hù)效果將在一定的范圍內(nèi)越來越好。
4.2 不同分枝角度對(duì)邊坡淺層的影響
植被護(hù)坡中運(yùn)用的植物根系形態(tài)不同,其固坡效果存在著差異。圖7為不同分枝角下坡頂點(diǎn)位移與荷載步時(shí)間曲線。
圖7 不同分枝角下坡頂點(diǎn)位移與荷載步時(shí)間曲線Fig.7 Curves of displacement at slope top vs. load step time in the presence of roots with different tiller angles
圖8 15°分枝角根系加固邊坡塑性區(qū)Fig.8 Plastic zones of slope reinforced byroots with tiller angle of 15°
圖9 30°分枝角根系加固邊坡塑性區(qū)Fig.9 Plastic zones of slope reinforced by roots with tiller angle of 30°
圖10 45°分枝角根系加固邊坡塑性區(qū)Fig.10 Plastic zones of slope reinforced by roots with tiller angle of 45°
從圖7可以看出,側(cè)根分枝角度15°時(shí)邊坡安全系數(shù)最小,隨著分枝角增大,安全系數(shù)分別增為1.30,1.33,這可能是由于當(dāng)主根長度不變、側(cè)根長度有限時(shí),當(dāng)側(cè)根分枝角度越大,根系的作用范圍越大,故加固效果越好。
圖8—圖10分別為15°,30°,45°分枝角根系加固邊坡塑性區(qū)。與上述結(jié)果一致,在15°,30°,45°分枝角這3種情況下均觀察到邊坡坡腳隆起現(xiàn)象;從邊坡塑性區(qū)看,變形從坡腳逐漸向上延伸至坡頂;從同一荷載步時(shí)間看,分枝角為15°根系加固效果顯然不如30°和45°2種情況下的邊坡加固效果,如圖8—圖10所示。
(1) 邊坡植入根系后,變形呈現(xiàn)漸進(jìn)式破壞,坡腳剪出口處的應(yīng)力條件大大改善;由于根系長度能穿過坡腳滑動(dòng)面,故坡腳加固效果優(yōu)于坡中部。
(2) 根系加固后邊坡的塑性區(qū)會(huì)向深部延伸,坡中部出現(xiàn)“凸肚”,坡腳可能會(huì)出現(xiàn)隆起現(xiàn)象,在植被護(hù)坡工程中,坡腳處至關(guān)重要,坡腳壓坡和加固顯得極為必要。
(3) 植被根系的側(cè)根越多,加固效果越好,即隨著時(shí)間增長,植被的側(cè)根分枝防護(hù)作用逐漸顯現(xiàn);根系的形態(tài)不同,固坡效果存在差異,在保證側(cè)根長度的前提下,根系的分枝角度越大,加固范圍越廣;當(dāng)然根系長度有限,對(duì)于深層滑動(dòng)的邊坡,需要和其他的工程措施配合使用。
事實(shí)上,在邊坡中根系的實(shí)際形態(tài)復(fù)雜多變,且呈三維空間分布。本文僅考慮幾種簡單情況,分析過程中亦做了大量簡化。對(duì)于如何考慮根系的三維空間分布和根系的實(shí)際形態(tài)以及在降雨條件下植被的水文效應(yīng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響,仍需要進(jìn)一步探究。
[1] 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.
[2] 張俊云,周德培,李紹才.高速公路巖石邊坡綠化方法探討[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2002,21(9):1400-1403.
[3] 王可鈞,李焯芬.植物固坡的力學(xué)簡析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),1998,17(6):687-691.
[4] 徐則民,黃潤秋,唐正光,等.植被護(hù)坡的局限性及其對(duì)深層滑坡孕育的貢獻(xiàn)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,24(3):438-450.
[5] 彭書生.植被護(hù)坡對(duì)土質(zhì)邊坡淺層穩(wěn)定性影響研究[D].武漢:中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所,2007.
[6] 李愷靖,高艷萍,劉志明,等.植被對(duì)邊坡淺層加固效應(yīng)的數(shù)值模擬[C]∥第六屆全國土木工程研究生學(xué)術(shù)論壇論文集.北京:清華大學(xué)出版社,2008.
[7] 周正軍,許文年,夏振堯,等.植物根系對(duì)土質(zhì)邊坡淺層穩(wěn)定性影響分析[J].人民長江,2011,42(7):82-85.
[8] 郭 勇.高海拔嚴(yán)寒地區(qū)石馬公路邊坡植被防護(hù)研究[D].成都:成都理工大學(xué),2014.
[9] 姚 環(huán),沈 驊,李 顥,等.香根草固土護(hù)坡工程特性初步研究[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào),2007,18(2):63-68.
[10]張 棟,王炳龍.香根草應(yīng)用于鐵路邊坡防護(hù)的力學(xué)研究[J].水土保持通報(bào),2006,26(6):94-96.
[11]黃 金.香根草生物工程技術(shù)在淺層滑坡治理中的應(yīng)用研究[D] .重慶:重慶交通大學(xué),2010.
[12]趙尚毅,時(shí)衛(wèi)民,鄭穎人.邊坡穩(wěn)定性分析的有限元法[J].地下空間,2001,21(5):450-454.
[13]陳力華,靳曉光.有限元強(qiáng)度折減法中邊坡三種失效判據(jù)的適用性研究[J].土木工程學(xué)報(bào),2012,45(9):136-146.
[14]徐干成,鄭穎人.巖石工程中屈服準(zhǔn)則應(yīng)用的研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),1990,12(2):93-99.
[15]鄧楚鍵,何國杰,鄭穎人.基于M-C準(zhǔn)則的D-P系列準(zhǔn)則在巖土工程中的應(yīng)用研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2006,28(6):735-739.
[16]鄭穎人,趙尚毅.有限元強(qiáng)度折減法在土坡與巖坡中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004,23(19):3381-3388.
[17]趙尚毅,鄭穎人,時(shí)衛(wèi)民,等.用有限元強(qiáng)度折減法求邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)[J].巖土工程學(xué)報(bào),2002,24(3):343-346.
[18]王渭明,趙增輝,王 磊.不同強(qiáng)度準(zhǔn)則下軟巖巷道底板破壞安全性比較分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2012,31(增2):3920-3927.
[19]張 橫.植物根系固坡對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響的數(shù)值分析[D].重慶:重慶大學(xué),2011.
[20]肖本林,羅壽龍,陳 軍,等.根系生態(tài)護(hù)坡的有限元分析[J].巖土力學(xué),2011,32(6):1881-1885.
[21]徐中華,鈄逢光,陳錦劍,等.活樹樁固坡對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響的數(shù)值分析[J].巖土力學(xué),2004,25(增2):275-279.
[22]嵇曉雷.基于植被根系分布形態(tài)的生態(tài)邊坡穩(wěn)定性研究[D].南京:南京林業(yè)大學(xué),2013.
(編輯:羅 娟)
Numerical Study of Effect of Roots Morphology onShallow Stability of Slope
CHEN Chao1,ZHANG Jun-yun1,ZHAO Xiao-li2,GAO Sheng-jun1,MING Ming1
(1.School of Civil Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China;2.Tibet Hydraulic Waterpower Planning and Designing Institute,Lhasa 850000,China)
In the aim of investigating the anchorage effect of roots of different morphology when functioned as “l(fā)ive nail” within the slope, numerical calculation and analysis was carried out in association with strength reductionmethod. The influences of number and tiller angle of lateral roots on shallow stability of slope were analyzed. Results of numerical calculation show that vegetation roots have obvious reinforcement effect on shallow slope. Roots could improve the stress state of slope body and control the displacement variable. Safety factors of slope gradually improved with the increases of the number and tiller angles of lateral roots displaying a trend of progressive failure that bulging deformation gradually occurred on the central section and vertical upheaval deformation appeared on the toe area with no reinforcement.
slope protection by vegetation; roots morphology; numerical calculation; shallow stability; strength reduction method
2016-01-11;
2016-02-26
中央高?;究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金科技創(chuàng)新項(xiàng)目(2682014CX077)
陳 潮(1988-),男,湖北黃岡人,碩士研究生,研究方向?yàn)榄h(huán)境巖土工程,(電話)15682531003(電子信箱)chanchen2014@163.com。
張俊云(1974-),男,山西臨汾人,副教授,博士,主要從事生態(tài)護(hù)坡和厚層基材方面的研究,(電話)028-87600274(電子信箱)zjy74@126.com。
10.11988/ckyyb.20160025
2017,34(4):126-130,135
TU457
A
1001-5485(2017)04-0126-05