土工墊加筋生態(tài)護(hù)坡草皮抗剪特性與固坡性能研究

徐 毅，陳 佳，趙 鋼，潘 毅

(1.江蘇省水利科學(xué)研究院， 南京 210017；2.河海大學(xué) 港口海岸及近海工程學(xué)院， 南京 210098)

*通訊作者：陳佳(1983-)，女，講師，主要從事生態(tài)護(hù)坡、海岸與航道工程研究。E-mail：2392347988@qq.com

植物根系在土壤中穿插、纏繞形成根系網(wǎng)絡(luò)，與土壤形成了一種天然的復(fù)合材料，通過(guò)種植植物進(jìn)行固土護(hù)坡已有數(shù)百年的歷史，但是在水流、降雨等的沖刷、坡體重力與滲流力等的作用下，常常發(fā)生局部剝落掀起，甚至整體失穩(wěn)等破壞。隨著土工合成材料技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)為了提高植被護(hù)坡的能力，改善其抗水力侵蝕和固坡能力，在原有單純種植草本植物的基礎(chǔ)上，在坡體淺層添加一些土工加筋材料(如三維網(wǎng)墊、土工格柵等)形成土工墊加筋草皮[1-2]，用以提高植被護(hù)坡的性能。土工合成材料加筋之后的坡體，既有原本的綠化生態(tài)的功能，也增加了抗侵蝕能力，極大增加了植被護(hù)坡的可靠性、實(shí)用性。

國(guó)內(nèi)較早開(kāi)展植物根系加筋土相關(guān)研究。1995年，周錫九等[3]分析植草護(hù)坡草根加筋原理，論證了植草的淺層加固邊坡土體作用的機(jī)理，并以詳實(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)了坡面植草的淺層加固作用是相當(dāng)可觀的。楊晨輝等[4]論述了植物柔性邊坡結(jié)構(gòu)所必須具有的特殊功能要求，針對(duì)一些特定品種的植物進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，篩選出比較好的護(hù)坡植物為白三葉與黑麥草等。植物根系護(hù)坡已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用，但是一直以來(lái)植物根系護(hù)坡的作用機(jī)理尚不明確，文獻(xiàn)[5-12]對(duì)植物根系增強(qiáng)坡體土體加固能力的機(jī)理與規(guī)律進(jìn)行了探索，研究主要通過(guò)土體剪切試驗(yàn)研究草根加筋土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及強(qiáng)度特性，試驗(yàn)結(jié)果表明，草根加筋土的強(qiáng)度和抵抗變形的能力有顯著增強(qiáng)。

目前，對(duì)于土工墊加筋草皮所形成的新型生態(tài)護(hù)坡的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于工程實(shí)踐。已開(kāi)展的土工墊加筋草皮的研究主要集中在其抗水力沖刷性能的研究[13-15]，研究表明與天然植被護(hù)坡比較，加入土工墊后能大大提高護(hù)坡的抗水流沖刷能力，但并未對(duì)其在水流剪切力作用下抗沖刷性能改善的機(jī)理進(jìn)行探討。土工墊加筋草皮抗剪性能的改善正是影響其抗沖刷性能的重要原因，但對(duì)于其抗剪能力的研究還鮮有開(kāi)展。因此，本文對(duì)加筋草皮原狀樣進(jìn)行了室內(nèi)直剪試驗(yàn)，獲得了加筋草皮抗剪強(qiáng)度參數(shù)，對(duì)其強(qiáng)度特性、植被根系和土工墊加筋作用進(jìn)行了分析，為加筋草皮生態(tài)護(hù)坡的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供了參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方案

圖1 應(yīng)變控制式直剪儀圖2 試驗(yàn)采用三維土工墊Fig.1 Strain-controlled direct Fig.2 Three dimensional geomat shear apparatus used in testing

本試驗(yàn)主要研究土工墊加筋草皮的基本抗剪強(qiáng)度特性，通過(guò)與素土比較，研究土工墊和植物根系對(duì)土體的復(fù)合加筋作用。開(kāi)展不同加筋量試樣比較試驗(yàn)，分析加筋量對(duì)加筋草皮抗剪強(qiáng)度特性的影響。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室草箱培養(yǎng)加筋草皮，在草箱內(nèi)使用環(huán)刀取樣以獲得直剪試驗(yàn)需要的原狀樣，然后進(jìn)行室內(nèi)直剪試驗(yàn)。試驗(yàn)采用應(yīng)變控制式直剪儀，如圖1所示，試樣內(nèi)徑61.8 mm，高度20 mm。植草箱尺寸為59 cm×19 cm×20 cm(長(zhǎng)×寬×高)，并在底部留有透水孔，選擇有利于植物生長(zhǎng)的春季播種。試驗(yàn)草種為生態(tài)護(hù)坡工程中常用的黑麥草。所選土工墊為一種聚酰胺單絲纖維所制三維高強(qiáng)土工網(wǎng)墊，如圖2所示，每平方米內(nèi)含有長(zhǎng)達(dá)1 400～2 700 m不等的不規(guī)則人造絲，厚度為20 mm，強(qiáng)度可達(dá)到100 kN/m以上，特有的三維空間結(jié)構(gòu)，使其具有良好的原位保持土體的能力，同時(shí)也為植物的生長(zhǎng)存活提供了空間。

為了便于試驗(yàn)過(guò)程中在草箱中取樣，采用如下方法：首先根據(jù)草箱平面尺寸裁剪相同面積的土工墊，在該土工墊上設(shè)計(jì)后期取樣的數(shù)量和位置，在對(duì)應(yīng)的取樣位置處將土工墊剪出，剪出土工墊為圓形，直徑為61.8 mm，然后將該圓形土工墊的直徑進(jìn)一步修剪為56 mm左右，這主要是考慮到在進(jìn)行直剪試驗(yàn)時(shí)，防止直接剪切到土工墊，影響試驗(yàn)結(jié)果；然后將圓形試驗(yàn)土工墊和母土工墊拼接后鋪設(shè)與草箱內(nèi)，將稱(chēng)好重量的土體和草籽充分混合，隨后與土工墊混合并適當(dāng)壓實(shí)，保證不同控制草籽密度能在取樣區(qū)體現(xiàn)出不同的草根含量。在草箱內(nèi)分層鋪設(shè)表層加筋草墊時(shí)，在待取樣圓形區(qū)域的圓心處插入一根直徑、長(zhǎng)度適當(dāng)?shù)臉?biāo)記桿，便于后期取樣，如圖 3所示。

在進(jìn)行取樣深度范圍(即三維土工墊厚度，2 cm)土體填筑時(shí)，通過(guò)控制土體質(zhì)量分層鋪設(shè)壓實(shí)，保證該區(qū)域土體具有相同的初始密度。所采用填筑土體不僅具有相同的含水量，且預(yù)先與設(shè)計(jì)重量(1.8 g、3 g)的草籽混合均勻。通過(guò)分層鋪設(shè)壓實(shí)土體直到土工墊頂面，使得混有草籽的土體嵌入到三維土工墊的空隙中，形成土工墊加筋土?？紤]到土體自重以及后期養(yǎng)護(hù)澆水引起土體沉降，避免出現(xiàn)土工墊暴露的情況，在土工墊頂面以上繼續(xù)覆約1 cm厚土體，最后播散有機(jī)肥料(標(biāo)準(zhǔn)為1 kg/m2)。

在播種完畢后的前兩周，使用無(wú)紡布對(duì)樣品進(jìn)行覆蓋，早晚各澆水一次。對(duì)草體進(jìn)行持續(xù)養(yǎng)護(hù)，在養(yǎng)護(hù)3個(gè)月后進(jìn)行取樣、開(kāi)展試驗(yàn)。試驗(yàn)中共取素土試樣6個(gè)，加筋草皮試樣18個(gè)，其中12個(gè)為含水量較高試樣(約22.9%)、6個(gè)為含水量較低試樣(約16.7%)，選擇初始條件基本相同的三個(gè)試樣進(jìn)行不同豎向壓力作用下直剪試驗(yàn)，相同參數(shù)試樣進(jìn)行兩組平行試驗(yàn)以保證試驗(yàn)精度，試樣具體參數(shù)指標(biāo)如表1所列。剪切試樣取樣示意如圖4所示，植草箱原位現(xiàn)場(chǎng)取樣如圖5所示。

圖3 植草箱土工墊鋪設(shè)與植被生長(zhǎng)Fig.3 Geomat installation and grass growth in cultivation box圖4 取樣示意Fig.4 Diagram of sampling圖5 植草箱原位現(xiàn)場(chǎng)取樣Fig.5 Photo of sampling in cultivation box

試驗(yàn)在設(shè)計(jì)時(shí)，以播種草籽的質(zhì)量梯度來(lái)控制原狀樣試樣的根系含量，但在草體生長(zhǎng)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，由于試驗(yàn)場(chǎng)地、光照、含水量的不同，每盆草的生長(zhǎng)情況無(wú)法完全一致，這也導(dǎo)致了含根量的梯度與播種草籽質(zhì)量梯度不完全一致?；诖耍囼?yàn)中將每組剪切完成的試樣全部取出，小心取出試樣中所有的土工墊和根系、分別稱(chēng)取其質(zhì)量，并將土體烘干獲得試樣干土質(zhì)量，將根系和土工墊總重量與干土重量之比定義為加筋量。

2 土體強(qiáng)度特性分析

圖6 素土和加筋草皮位移-應(yīng)力變化曲線Fig.6 Shear stress-strain of fallow soil and turf reinforcement mat

圖6為不同豎向壓力下素土和加筋草皮位移-應(yīng)力變化曲線。從圖中可以看出，素土和加筋草皮的位移應(yīng)力曲線均呈現(xiàn)硬化增長(zhǎng)趨勢(shì)，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的應(yīng)力峰值。根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》直剪試驗(yàn)規(guī)定，取剪切位移為4 mm所對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力為抗剪強(qiáng)度，隨著垂直壓力的增大，土的抗剪強(qiáng)度不斷增大。在相同豎向壓力條件下，素土試樣的剪應(yīng)力曲線都處于低位，也就是說(shuō)加筋之后試樣的抗剪力能夠得到提升，土工墊與植被聯(lián)合加筋作用能夠在原有土體的基礎(chǔ)上有效增加其抗剪強(qiáng)度。這也驗(yàn)證了加筋草皮在工程護(hù)坡、河道護(hù)岸等領(lǐng)域的可行性與有效性。

對(duì)比不同豎向壓力下素土和加筋草皮剪切試驗(yàn)結(jié)果看出，隨著豎向壓力的增大，加筋草皮的強(qiáng)度增量是減小的。從圖中可以看出，在豎向壓力為25 kPa、50 kPa和100 kPa情況下，與素土相比，加筋后土體抗剪強(qiáng)度分別提高164.7%、55.3%和40.5%，在低應(yīng)力水平條件下加筋作用更為顯著。加筋作用在高、低壓載的情況下作用不同，是因?yàn)楫?dāng)上覆壓力較小時(shí)，土顆粒間較為松散，其咬合和摩擦作用對(duì)土體強(qiáng)度貢獻(xiàn)量較小，所以加筋作用明顯，加入根系與土工墊后土體強(qiáng)度提高；隨著上覆壓力的增大，土顆粒間的咬合和摩擦作用對(duì)土體強(qiáng)度貢獻(xiàn)量逐漸增大，根系與土工墊的加筋作用貢獻(xiàn)量降低、甚至存在破壞土體完整性、削弱顆粒間咬合的負(fù)面作用，因此表現(xiàn)為高壓載狀態(tài)下加筋效應(yīng)趨于不明顯。

表1 加筋草皮與素土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)Tab.1 Shear strength of turf reinforcement mat and fallow soils

按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，根據(jù)不同豎向應(yīng)力下試樣抗剪強(qiáng)度，按照Mohr-Coulomb 強(qiáng)度準(zhǔn)則，可以計(jì)算獲得素土和加筋草皮的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(表1)?？梢钥闯?，加筋顯著增加了土體的黏聚力，但對(duì)內(nèi)摩擦角幾乎沒(méi)有影響。這個(gè)結(jié)果與植物根系土試驗(yàn)結(jié)果類(lèi)似，表明土工墊在加筋草皮中起到了類(lèi)似于人造植物根系的作用，同時(shí)由于其較強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度，所以加筋草皮的黏聚力得到了顯著的提高。

結(jié)合實(shí)際情況，河道、海岸等岸坡表面的壓載一般不會(huì)超過(guò)50 kPa，且加筋草皮的應(yīng)用主要是淺層加筋作用，淺層的壓載主要包括上部土層或水體等壓力，一般來(lái)說(shuō)壓載較小。因加筋草皮應(yīng)用在河道岸坡時(shí)其加筋效應(yīng)能夠得到較大程度的發(fā)揮。

3 加筋量影響分析

圖7為不同加筋量條件下加筋草皮剪切應(yīng)力與位移關(guān)系曲線。從圖中可以看出，試樣位移應(yīng)力曲線形態(tài)一致，為硬化增長(zhǎng)趨勢(shì)，在剪切位移3～4 mm時(shí)接近穩(wěn)定。在各級(jí)豎向壓力作用下，隨著加筋量的增大，加筋草皮的強(qiáng)度均有所增大。在本次試驗(yàn)中加筋量1.61%試樣在25 kPa豎向壓力下的強(qiáng)度與1.15%加筋量試樣在50 kPa豎向壓力下的強(qiáng)度接近，可見(jiàn)加筋對(duì)提高土體強(qiáng)度影響顯著。此外，從圖中剪切應(yīng)力與位移曲線形態(tài)變化可以看出，隨著加筋草皮中加筋量的增加，曲線初始階段斜率也基本有所增大，如加筋量為1.61%的試樣在三種不同的豎向應(yīng)力水平條件下均表現(xiàn)出較大的初始斜率。這主要是隨著加筋量的增加，植物根系和土工墊在加筋草皮內(nèi)更容易形成三維空間結(jié)構(gòu)，當(dāng)受到剪切力作用加筋草皮發(fā)生變形后，該三維空間結(jié)構(gòu)能更有效地起到傳遞和承擔(dān)荷載的作用，因此僅在發(fā)生較小變形的情況下加筋草皮就能承擔(dān)較大的外部剪切荷載。當(dāng)然，曲線初始斜率還與豎向應(yīng)力水平密切相關(guān)，隨著豎向應(yīng)力水平的提高，加筋草皮的變形斜率一般呈現(xiàn)為增長(zhǎng)的趨勢(shì)，這主要是加筋草皮的土顆粒在高豎向應(yīng)力水平下更密實(shí)所致，在此時(shí)加筋量對(duì)斜率的影響有所減弱，即在高豎向應(yīng)力水平下曲線初始斜率的變化幅度受加筋量影響較小。

圖8為加筋量對(duì)抗剪強(qiáng)度影響變化曲線。從圖中可以看出，在各級(jí)豎向壓力之下，隨著加筋量的增大，抗剪強(qiáng)度值及其增量均呈增大趨勢(shì)。與素土試樣比較，加筋量為1.61%試樣的剪切強(qiáng)度顯著大于1.15%加筋量試樣。當(dāng)加筋量從0增大至1.15%時(shí)，在不同豎向壓力(25 kPa、50 kPa、100 kPa)作用下抗剪強(qiáng)度的增量分別為10.6 kPa、5.9 kPa和4.7 kPa；而當(dāng)加筋量從1.15%增大至1.61%時(shí)，在各級(jí)豎向壓力作用下抗剪強(qiáng)度的增量分別為17.8 kPa、16.1 kPa和22.8 kPa，增量顯著增大。這主要是由于當(dāng)加筋草皮的加筋量較小時(shí)，分布于土體內(nèi)根系與土工墊能各自發(fā)揮一定的加筋作用，此時(shí)由加筋引起的強(qiáng)度增量主要取決于根系與土工墊材料自身的抗拉強(qiáng)度，主要依靠表面摩擦力來(lái)傳遞荷載，但因?yàn)榧咏盍可贈(zèng)]有形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，所以無(wú)法通過(guò)根系與土工墊形成的空間結(jié)構(gòu)傳遞與承擔(dān)荷載；當(dāng)加筋量進(jìn)一步增大至1.61%時(shí)，土體內(nèi)的根系更加發(fā)達(dá)，與土工墊的相互連接和纏繞作用增強(qiáng)，所形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的傳力作用逐漸顯現(xiàn)，加筋草皮強(qiáng)度增量明顯。因此，加筋草皮強(qiáng)度與加筋量密切相關(guān)，與天然植被相比，土工墊的加入可在植物未生長(zhǎng)或生長(zhǎng)初期發(fā)揮人工根系作用，起到加筋土體增強(qiáng)土體強(qiáng)度的作用，隨著植被的生長(zhǎng)根系逐漸發(fā)達(dá)，加筋草皮中的總加筋量逐漸增加，土體內(nèi)植物根系與土工墊的相對(duì)獨(dú)立的加筋作用也逐漸向聯(lián)合加筋作用發(fā)展，加筋作用更為突出。

圖7 不同加筋量條件下加筋草皮剪切應(yīng)力與位移關(guān)系曲線Fig.7 Shear stress-strain of turf reinforcement mat with different reinforcement content圖8 加筋量對(duì)抗剪強(qiáng)度影響變化曲線Fig.8 Influence of reinforcement content on shear strength

圖9 加筋量對(duì)加筋草皮黏聚力影響Fig.9 Influence of reinforcement content on cohesion

圖9反映了加筋量對(duì)加筋草皮黏聚力的影響，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。從圖中可以看出，在含水量相同的前提下，隨著加筋量的增大，加筋草皮的黏聚力迅速增大，這與剪切應(yīng)力迅速增大的規(guī)律是類(lèi)似的(如圖 8所示)。隨著加筋量的增大，土工墊與植物根須所構(gòu)建的三維空間結(jié)構(gòu)逐步完善，在外部剪切力作用下，通過(guò)土顆粒與土工墊、植物根系之間的表面摩擦作用將部分荷載傳遞到土工墊和根系，通過(guò)它們的抗拉能力承擔(dān)了部分荷載，在植物根系和土工墊相互纏繞、連接作用下形成的三維空間結(jié)構(gòu)內(nèi)也可以直接傳遞荷載，提高了荷載傳遞效率，特別是由于土工墊自身具有良好的抗拉強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)性，能夠在發(fā)生較小變形時(shí)即可承載較大的荷載，這在宏觀力學(xué)參數(shù)上就表現(xiàn)為黏聚力的增大。因此，土工墊在加筋草皮中起到了骨干網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的作用，不斷延伸的植物根系則起到了加密網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、加大與土體接觸的作用，使得加筋草皮具備了遠(yuǎn)大于素土和植物土的抗剪強(qiáng)度和黏聚力。從圖 9還可以看出，采用指數(shù)型函數(shù)可以很好的反映加筋草皮黏聚力隨加筋量的變化。由于目前關(guān)于根系加筋土的強(qiáng)度測(cè)定還沒(méi)有統(tǒng)一的方法，隨著土工墊加入又給加筋草皮的現(xiàn)場(chǎng)取樣增加了難度，因此加筋草皮黏聚力隨加筋量指數(shù)增加的特點(diǎn)也給加筋草皮抗剪強(qiáng)度的確定提供了一種可能的方法。

4 含水量影響分析

圖10 不同含水量條件下加筋草皮剪切應(yīng)力與位移關(guān)系曲線Fig.10 Shear stress-strain of turf reinforcement mat with different water content

圖10為不同含水量條件下加筋草皮剪切應(yīng)力與位移關(guān)系曲線。從圖中可以看出，在各級(jí)豎向壓力作用下，低含水率試樣對(duì)應(yīng)的抗剪強(qiáng)度較大，含水率增大時(shí)，抗剪強(qiáng)度降低。本次試驗(yàn)中加筋草皮均處于非飽和狀態(tài)，根據(jù)非飽和土力學(xué)理論，土體的抗剪強(qiáng)度主要來(lái)自于黏聚力、摩擦力和基質(zhì)吸力，隨著土體含水量的增加，基質(zhì)吸力會(huì)降低，從而造成了抗剪強(qiáng)度的降低。在本次對(duì)比試驗(yàn)中，在各級(jí)不同豎向壓力條件下，在加筋量相同的前提下，當(dāng)含水量從22.9%下降至16.7%時(shí)，加筋草皮強(qiáng)度增量分別為4.7 kPa、6.2 kPa和3.3 kPa，該強(qiáng)度增量小于植物根系和土工墊加筋量增大引起的強(qiáng)度增量。

綜合加筋量和含水量對(duì)加筋草皮強(qiáng)度的影響可以看出，植物生長(zhǎng)對(duì)提高加筋草皮的抗剪強(qiáng)度主要體現(xiàn)在力學(xué)加筋和水力基質(zhì)吸力兩個(gè)方面。一方面，隨著植被生長(zhǎng)土體中的植物根系逐漸發(fā)達(dá)，根系良好的抗拉性能可以直接起到加筋土體的作用，通過(guò)根系拉力和根系表面摩擦力承載荷載，提高土體的抗剪強(qiáng)度；另一方面，土體生長(zhǎng)過(guò)程中可以消耗土體內(nèi)的部分水分，一定程度上降低了土體的含水量，使得土體的基質(zhì)吸力增加，也提高的了土體的強(qiáng)度。此外，植被的莖葉也能在一定程度上起到減小降雨等條件下水體下滲入土的作用。植被生長(zhǎng)初期通常對(duì)水分的需求量比較大，但此時(shí)的人工灌溉作用增加了土體含水量，降低了土體的強(qiáng)度，對(duì)護(hù)坡穩(wěn)定性不利，加筋草皮中土工墊的存在彌補(bǔ)了此不足，提高了初期加筋草皮的強(qiáng)度，增加了護(hù)坡的整體穩(wěn)定性，隨著植物根系的發(fā)展，與土工墊形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，更好的起到加筋土體的作用。因此，土工墊在加筋草皮中主要起到兩方面的作用。其一，加筋草皮生長(zhǎng)初期，起到加筋土體的主導(dǎo)作用；其二，在土體內(nèi)植物根系與土工墊構(gòu)成三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)形成綜合加筋作用，同時(shí)利用其抗拉強(qiáng)度高的特點(diǎn)，提高加筋作用。

5 土工墊加筋草皮護(hù)坡穩(wěn)定性分析

從室內(nèi)試驗(yàn)可以看出，加筋后土體的抗剪強(qiáng)度有顯著提高，為了分析土工墊加筋草皮對(duì)護(hù)坡整體穩(wěn)定的影響，建立了土工墊加筋草皮護(hù)坡有限元數(shù)值分析模型，采用了強(qiáng)度折減法，研究了表層土工墊加筋草皮對(duì)護(hù)坡穩(wěn)定安全系數(shù)的影響。

強(qiáng)度折減法分析邊坡穩(wěn)定是一個(gè)非線性的迭代過(guò)程，是尋找外力和內(nèi)力達(dá)到平衡狀態(tài)的過(guò)程，整個(gè)計(jì)算過(guò)程結(jié)束時(shí)需要有一個(gè)合適的判斷標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量岸坡的失穩(wěn)。失穩(wěn)判別標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)質(zhì)就是隨著土體的粘聚力和內(nèi)摩擦角逐漸降低，坡體內(nèi)出現(xiàn)連續(xù)滑動(dòng)面(屈服點(diǎn)連成貫通面)之后，即邊坡失穩(wěn)。本次計(jì)算中判斷坡體失穩(wěn)的標(biāo)準(zhǔn)為，邊坡存在屈服不收斂的計(jì)算節(jié)點(diǎn)，或者此時(shí)邊坡坡體變形明顯導(dǎo)致網(wǎng)格失真，導(dǎo)致有限元計(jì)算過(guò)程不再收斂時(shí)，此時(shí)坡體可能已經(jīng)失穩(wěn)。

目前在加筋土數(shù)值模擬中通常不考慮加筋體與土體相互作用，而是將加筋土復(fù)合體簡(jiǎn)化為一種均質(zhì)材料，通過(guò)提高加筋土的強(qiáng)度參數(shù)，然后采用均質(zhì)的有限元法對(duì)其求解，從而體現(xiàn)加筋土的影響。這種將坡體簡(jiǎn)化為“上下雙層”土坡的方法較為簡(jiǎn)便，但是在簡(jiǎn)化過(guò)程中忽略了土工墊-植被聯(lián)合加筋土的塑性以及各向異性等重要特征。對(duì)于加筋草皮而言，在土體中加入土工墊和植被根系后三者相互作用顯著，因此本文采用分別模擬土體、土工墊和植物根系的方法，考慮加筋體與土體不同的本構(gòu)關(guān)系，在一定程度上忽略根、墊、土在界面上的錯(cuò)動(dòng)和滑移，假定根、墊、土三者之間直接相連且自動(dòng)實(shí)現(xiàn)位移協(xié)調(diào)，分別取根系、土工墊、土體各自的材料參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，合理考慮加筋體與土體之間的位置關(guān)系與相互作用，避免設(shè)置過(guò)多的接觸面單元導(dǎo)致計(jì)算量超載或不收斂。

表2 數(shù)值計(jì)算模型參數(shù)Tab.2 Parameters for numerical simulation model

計(jì)算護(hù)坡型式與幾何尺寸見(jiàn)圖11。邊坡底部為全部固定邊界條件，沿邊坡長(zhǎng)度方向的左右邊界條件為水平約束條件，邊坡前沿與后沿的邊界條件同樣為水平約束條件，其他位置無(wú)約束。根系形狀為實(shí)心細(xì)長(zhǎng)圓柱體，采用彈性材料單元，將根系材料設(shè)置為只抗拉不抗壓的柔性性質(zhì)，忽略主根、副根的區(qū)別，將根系排布依據(jù)根系等效截面面積原則簡(jiǎn)化為等間距均勻分布的垂直根系群，根系直徑1 mm，長(zhǎng)度0.5 m。使用空間網(wǎng)狀桁架結(jié)構(gòu)模擬土工墊，與根系的模擬相似，將土工墊材料屬性設(shè)置為只抗拉不抗壓性質(zhì)的柔性材料，土工墊直徑1.5 mm，厚度2 cm。與實(shí)際情況相同，土工墊沿著坡面平鋪在距離坡表面2 cm深度處，數(shù)值計(jì)算模型見(jiàn)圖12。土體采用摩爾-庫(kù)倫模型，計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。

圖11 計(jì)算護(hù)坡型式Fig.11 Diagram of slope in computation圖12 土工墊加筋草皮護(hù)坡數(shù)值計(jì)算模型Fig.12 Finite element model in computation

13-a 未加筋護(hù)坡總位移云圖13-b 土工墊加筋草皮護(hù)坡總位移云圖圖13 不同護(hù)坡總位移云圖Fig.13 Total displacement of different slopes

圖14 不同護(hù)坡安全系數(shù)與豎向特征位移關(guān)系Fig.14 Relationship of safety factor and vertical characteristic displacement

圖13為不同類(lèi)型(未加筋與加筋草坡)護(hù)坡總位移云圖。通過(guò)對(duì)比可以看出，由于表面鋪設(shè)了土工墊，以及坡體0.5 m深度范圍內(nèi)植物根系群的作用，其失穩(wěn)時(shí)邊坡位移最大的滑動(dòng)體范圍向坡體后方移動(dòng)，可以觀察到最大位移量仍然發(fā)生在坡頂位置處，但是坡體內(nèi)部位移量由沿著坡體表面圓弧滑動(dòng)變?yōu)橄蚱聝?nèi)移動(dòng)，增加坡體穩(wěn)定性。

圖14為不同護(hù)坡安全系數(shù)與豎向特征位移關(guān)系。從圖中可以看出，隨著材料參數(shù)安全系數(shù)(折減系數(shù))的增大，護(hù)坡的豎向特征位移均表現(xiàn)為先平穩(wěn)后增大的特征，在相同的安全系數(shù)的條件下，加筋草皮護(hù)坡的特征位移均小于未加筋護(hù)坡的位移。取位移變化拐點(diǎn)處折減系數(shù)為護(hù)坡整體穩(wěn)定的安全系數(shù)，在鋪設(shè)加筋草皮前后護(hù)坡的安全系數(shù)分別為1.11和1.26，護(hù)坡穩(wěn)定安全系數(shù)約提高了13.5%，因此在護(hù)坡表層鋪設(shè)土工加筋草皮后有利于增加護(hù)坡的整體穩(wěn)定性。

6 結(jié)論

植物根系在土壤中穿插、纏繞形成根系網(wǎng)絡(luò)，具有提高土體抗剪強(qiáng)度的作用。為進(jìn)一步改善植被固坡和抗水力侵蝕能力，將三維土工墊與植被相結(jié)合形成加筋草皮，既保留了植被護(hù)坡的生態(tài)特性，又提高了淺層土體強(qiáng)度。本文對(duì)加筋草皮原狀樣進(jìn)行了室內(nèi)直剪試驗(yàn)，獲得了加筋草皮抗剪強(qiáng)度參數(shù)，對(duì)其強(qiáng)度特性、植被根系和土工墊加筋作用進(jìn)行了分析。主要結(jié)論如下：

(1)與天然素土相比，根系和土工墊共同加筋作用可顯著提高加筋草皮的抗剪強(qiáng)度，特別是在低豎向應(yīng)力水平條件下加筋作用更為顯著。

(2)根系和土工墊加筋作用顯著增加了加筋草皮的黏聚力，但對(duì)內(nèi)摩擦角幾乎沒(méi)有影響，即植物根系、土工墊變形所提供的抗拉力能夠使得土體獲得似黏聚力。

(3)在各級(jí)豎向壓力作用下，隨著加筋量的增大，加筋草皮的抗剪強(qiáng)度均近似按指數(shù)形式增大，同時(shí)加筋量越高加筋引起的強(qiáng)度增量也越大，加筋作用效率也就越高。植物根系和土工墊相互纏繞、連接作用在土體內(nèi)所形成的三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，是加筋草皮抗剪強(qiáng)度和黏聚力顯著提高的根本原因。

(4)在各級(jí)豎向壓力作用下，低含水率試樣對(duì)應(yīng)的抗剪強(qiáng)度較大，含水率增大時(shí)，由于基質(zhì)吸力降低，抗剪強(qiáng)度也會(huì)降低。

(5)有限元數(shù)值模擬結(jié)果表明，在護(hù)坡表面鋪設(shè)土工墊加筋草皮后，由于坡面土工墊平面加筋作用和坡體植物根系深度加筋作用，使得其失穩(wěn)時(shí)邊坡位移最大的滑動(dòng)體范圍向坡體后方移動(dòng)，因此加筋草皮提高了護(hù)坡的整體穩(wěn)定性，增加了護(hù)坡的安全系數(shù)。