生態(tài)護(hù)坡中植被防護(hù)邊坡淺層穩(wěn)定性的研究

蔣希雁 楊尚青 馮 峰 何春曉

(1.河北省土木工程診斷、改造與抗災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 張家口 075000； (2.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

0 引 言

在生態(tài)護(hù)坡概念和理論不斷深入發(fā)展的前提下，進(jìn)行了大量的實(shí)踐論證，使得理論與實(shí)踐更好的結(jié)合.國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)生態(tài)防護(hù)技術(shù)的研究，主要集中在根-土相互作用的力學(xué)特性、邊坡穩(wěn)定、加筋特性等方面的研究.肖本林、羅壽龍[1]分析了生態(tài)護(hù)坡的力學(xué)機(jī)理，研究表明根系主要是通過(guò)根—土接觸面的摩擦力把剪應(yīng)力轉(zhuǎn)換為拉應(yīng)力來(lái)提高土體的抗剪強(qiáng)度.楊麒麟、李柏[2]分析了毛竹根系生長(zhǎng)分布及其護(hù)坡效果，研究發(fā)現(xiàn)隨著種植年限增加，其護(hù)坡能力有了明顯的增強(qiáng).丁齊、陳建斌等[3]研究了生態(tài)護(hù)坡基材的抗剪性能，研究發(fā)現(xiàn)粘聚力與基材的配比和含水量相關(guān).陳杰、韓妮妮[4]分析了土質(zhì)穩(wěn)定性對(duì)生態(tài)護(hù)坡工程的影響，發(fā)現(xiàn)采用植被防護(hù)邊坡能對(duì)邊坡淺層起到一定的錨固作用.胡其志，周政等[5]研究了土壤含根量與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系，結(jié)果表明根—土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度與含根量的增加而增大.以上學(xué)者大多圍繞在根-土相互作用方面，但對(duì)生態(tài)邊坡淺層穩(wěn)定性的研究較少.因此，需要通過(guò)一種分析方法，分析影響生態(tài)邊坡淺層穩(wěn)定性的各種因素.

1 植物防護(hù)邊坡淺層穩(wěn)定分析方法

圖1 極限平衡法模型示意圖

基本假定：假定滑動(dòng)面為平面，且與坡面平行，不考慮地下水位對(duì)于邊坡穩(wěn)定性的影響.植被的選擇為一種常見的溫帶植被——狗尾草.把滑坡體形狀視為長(zhǎng)方體，由于根系的質(zhì)量和土體質(zhì)量相比質(zhì)量較小，因此不考慮植物根系的重度即根系土的重度按素土重度計(jì)算.根系的加筋深度有限，在此不考慮底面滑裂面處的加筋作用，只考慮滑裂體側(cè)邊面上根系的加筋效果，其淺層滑體圖如圖1-1所示[6].

由圖1-1可知滑體的下滑力為T=Wsinα=γLBzcosαsinα，側(cè)面的土體的抗剪切力、側(cè)面上根系的抗剪切力、滑裂面底面的抗剪切力三部分之和組成邊坡的抗滑力，其大小分別為τc(2L+B)zcosα、τ0(2L+B)zcosα、τLB.這可表示為R=τLB+τc(2L+B)zcosα+τ0(2L+B)zcosα

(1-1)

T—下滑力，kN；

W—滑體自重,kN；

α—邊坡坡度，°；

γ—土體重度，kN/m3；

L—滑體沿斜坡長(zhǎng)度，m；

B—滑體寬度，m；

z—滑體深度，m；

τ—滑動(dòng)面土體的抗剪強(qiáng)度，kPa；

τc—側(cè)面土體的抗剪強(qiáng)度，kPa；

τ0—側(cè)面根系對(duì)土體的抗剪強(qiáng)度增量，kPa；

土體抗剪強(qiáng)度公式為τ=c+σtanφ=c+γzcosαtanφ，其中c—土體黏聚力，γ—土體重度，z—滑體深度，φ—土體內(nèi)摩擦角，由于滑動(dòng)體滑動(dòng)過(guò)程中滑動(dòng)面上沒(méi)有覆土，不考慮正應(yīng)力的影響，則可得土體的抗剪強(qiáng)度只有黏聚力的影響則可得τc=c.則可得邊坡穩(wěn)定性系數(shù)可表示為

通過(guò)對(duì)植被防護(hù)邊坡淺層穩(wěn)定分析方法的影響因素分析，可得邊坡坡度、滑體潛在滑裂面深度、滑體寬度、滑塊寬長(zhǎng)比等都對(duì)邊坡的穩(wěn)定性有影響.分別考慮其對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，由于植被混合根系的黏聚力較素土增長(zhǎng)較大，這里僅分析混合根系對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響.

2 邊坡坡度對(duì)于淺層穩(wěn)定性的影響

假定潛在滑裂面深度1.5 m，滑體寬度6 m，滑坡體沿斜坡長(zhǎng)度為3 m.以表1為例，邊坡的根土復(fù)合體含水率為12%，分別計(jì)算邊坡坡度為21°、27°、33°和39°時(shí)不同含根量下邊坡的安全因數(shù)與安全系數(shù)比值.安全系數(shù)比值的計(jì)算方法為，每組含根量的安全因數(shù)與含根量為0時(shí)的安全因數(shù)之比.除了含水率為12%的情況，還計(jì)算了含水率為12%、14%、16%和18%時(shí)每組工況的安全系數(shù)與安全系數(shù)比值，與表1類似，根據(jù)結(jié)果得到素土邊坡坡度與安全系數(shù)曲線，如圖2-1.

表1 不同邊坡坡度不同含根量下邊坡穩(wěn)定性及比值

由上表可得隨著含根量的增加，含水率為12%的情況下安全系數(shù)逐漸增加，安全系數(shù)的增加幅度不大，在邊坡坡度為21°時(shí)較其他邊坡坡度增加的幅度最大，在其他含水率的情況下也得到了類似的結(jié)果.含根量在0%到0.1%對(duì)于安全系數(shù)增加得較為明顯，說(shuō)明在此含水率下含根量在此區(qū)間內(nèi)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響顯著，根系的存在能夠顯著增強(qiáng)邊坡抗滑力，對(duì)于邊坡穩(wěn)定性有重要的影響作用.

圖2-1 素土邊坡坡度與安全系數(shù)曲線 圖2-2 含水率12%含根量與安全系數(shù)比值圖

由圖2-1得，在含水率18%安全系數(shù)下降得比較顯著，說(shuō)明在此含水率下對(duì)于邊坡的穩(wěn)定性更加不利，而在含水量12%、14%、16%下降得比較均勻，說(shuō)明含水率對(duì)于邊坡穩(wěn)定性有一定影響.由圖2-2得各邊坡坡度下安全系數(shù)比值增加得比較均勻，幾近線性關(guān)系，邊坡坡度為21°增加得最為顯著，邊坡坡度越小，邊坡越安全.

3 滑體寬度對(duì)于淺層穩(wěn)定性的影響

假定潛在滑裂面深度1.5 m，邊坡坡度為33°，滑坡體沿斜坡長(zhǎng)度為3 m.以表2為例，邊坡的根土復(fù)合體含水率為12%，分別計(jì)算滑體寬度為4 m、6 m、8 m和10 m時(shí)不同含根量下邊坡的安全因數(shù)與安全系數(shù)比值.安全系數(shù)比值的計(jì)算方法為，每組含根量的安全因數(shù)與含根量為0時(shí)的安全因數(shù)之比.除了含水率為12%的情況，還計(jì)算了含水率為12%、14%、16%和18%時(shí)每組工況的安全系數(shù)與安全系數(shù)比值，與表2類似，根據(jù)結(jié)果得到素土滑體寬度與安全系數(shù)曲線，如圖3-1.

表2 不同滑體寬度不同含根量下邊坡穩(wěn)定性及其比值

由表2可得，在含水率為12%的情況下隨著滑體寬度的增加，根土復(fù)合體和素土的安全系數(shù)都降低，但都大于1處于穩(wěn)定狀態(tài)，根土復(fù)合體的安全系數(shù)曲線都在素土曲線之上，說(shuō)明根土復(fù)合體中根的存在能夠有效提高邊坡的抗滑力進(jìn)而提高邊坡的穩(wěn)定性，在其他含水率的情況下也得到了類似的結(jié)果.淺層邊坡穩(wěn)點(diǎn)性系數(shù)在滑體寬度為4 m時(shí)增加最為顯著，說(shuō)明在此區(qū)間內(nèi)滑體寬度變化對(duì)于邊坡穩(wěn)定性影響較為顯著，在含根量0%到0.1%區(qū)間內(nèi)安全系數(shù)顯著增加，說(shuō)明根系的存在能夠顯著提高邊坡的穩(wěn)定性.

圖3-1 素土滑體寬度-安全系數(shù)曲線 圖3-2 含水率12%含根量與安全系數(shù)比值圖

由圖3-1可得，隨著含根量的增加安全系數(shù)不斷增加，在含水率16%到18%安全系數(shù)下降比較明顯，說(shuō)明在此區(qū)間內(nèi)含水率變化對(duì)安全系數(shù)的影響顯著.由圖3-2可得隨著含根量的增加安全系數(shù)的比值逐漸增加，在滑體寬度為4m時(shí)增加得最為顯著，增加的幅度為6.3%-29.2%，在滑體寬度為10 m時(shí)增加得最小，增加的幅度為2.8%-15.6%，說(shuō)明滑體的寬度越小，邊坡越穩(wěn)定.

4 結(jié) 論

本文通過(guò)極限平衡法對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，假設(shè)了滑體形狀為長(zhǎng)方體，考慮影響邊坡穩(wěn)定的諸多因素適用于邊坡面積較小容易確定的情形.雖然這種邊坡穩(wěn)定性的計(jì)算公式能夠計(jì)算邊坡的穩(wěn)定性，但不能完全反應(yīng)邊坡的實(shí)際情況.通過(guò)上述分析可以得出如下結(jié)論：

1)淺層邊坡的穩(wěn)定性與含水率、邊坡坡角、滑體寬度呈負(fù)相關(guān)，即隨著含水率、邊坡坡角和滑體寬度的增加，安全系數(shù)降低；淺層邊坡的穩(wěn)定性與含根量成正相關(guān)，即隨著含根量的增加，邊坡穩(wěn)定性增加.

2)淺層邊坡安全系數(shù)在含水率16%-18%范圍內(nèi)下降顯著，說(shuō)明在此區(qū)間內(nèi)受含水率變化影響顯著，在此區(qū)間內(nèi)邊坡穩(wěn)定性對(duì)含水率變化敏感.邊坡穩(wěn)定性在邊坡坡度為21°-27°，滑體寬度4 m-6 m范圍內(nèi)變化顯著，對(duì)淺層邊坡的穩(wěn)定性影響較大.