灌木根系對風(fēng)化花崗巖欠穩(wěn)定公路邊坡動態(tài)穩(wěn)定性影響機制

高 謙,閻宗嶺,譚 玲,楊光清

（1.貴州省貴陽公路管理局,貴州 貴陽 550001; 2.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司,重慶 400067）

0 引言

花崗巖風(fēng)化殼土體粗粒含量較多，內(nèi)部結(jié)構(gòu)松散，裂隙發(fā)育，力學(xué)性質(zhì)受水的影響顯著，抗水沖蝕能力較差。風(fēng)化花崗巖邊坡主要發(fā)生沖蝕和崩塌、軟弱面的楔形破壞、沿垂直軟弱面的傾覆破壞[1]。邊坡工程防護措施實施后可立即產(chǎn)生加固和防護效果，但邊坡穩(wěn)定性是一個動態(tài)的過程，當坡體受到外力作用，加固與防護結(jié)構(gòu)部分失效，雨水的入滲增加土體自重并降低內(nèi)摩擦角，都增加了邊坡發(fā)生滑坡的風(fēng)險，便使邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)生變化，甚至失穩(wěn)。

生態(tài)防護是風(fēng)化花崗巖邊坡加固防護的重要形式之一，隨著公路運營，邊坡上的灌木、喬木生長迅速，甚至可以覆蓋整個坡面，其根系深入風(fēng)化花崗巖邊坡土體中，進而對土體的強度、降雨的入滲、邊坡土體水分的遷移產(chǎn)生一定的影響。

1 邊坡的動態(tài)穩(wěn)定性變化過程

1.1 邊坡動態(tài)穩(wěn)定性

邊坡的動態(tài)穩(wěn)定性指的是其穩(wěn)定性隨著時間推移在內(nèi)部和外界影響因素共同作用下呈現(xiàn)的動態(tài)變化特征。邊坡的穩(wěn)定性會在如圖1 所示的邊坡的動態(tài)穩(wěn)定性全過程中，處于一個或多個不同的階段，甚至是全過程循環(huán)變化。

圖1 邊坡動態(tài)穩(wěn)定性全過程

E.Hoek 和J.W.Bray 所提出的邊坡典型破壞模式[2]，邊坡的穩(wěn)定性是由巖土體的內(nèi)部力學(xué)性質(zhì)、幾何參數(shù)以及外界環(huán)境因素共同影響的。

影響邊坡穩(wěn)定性的因素是會伴隨著時間的推移并受到其他外界因素的影響而不斷變化的，就是說影響因素是時間的函數(shù)，邊坡穩(wěn)定性是呈現(xiàn)出動態(tài)變化特征。

1.2 邊坡漸進性破壞過程

邊坡由穩(wěn)定狀態(tài)直至發(fā)生失穩(wěn)破壞的過程并不是瞬時突發(fā)的，而是坡體在內(nèi)因和外因的共同作用下從區(qū)域變形蠕變向整體變形積累、演變的。對于邊坡漸進機理失穩(wěn)破壞的全過程主要分為3個破壞階段[3]，如圖2 所示。

圖2 三段破壞理論示意圖

漸進性破壞過程：

（1）邊坡由穩(wěn)定直至失穩(wěn)的變化過程中，首先是從主滑段BC 某一點產(chǎn)生滑動初始裂縫開始。

（2）隨后坡體在內(nèi)外因素影響下，初始裂縫會逐漸向B 點或者C 點擴展延伸。

（3）擴展至B、C 兩點后，主滑段裂縫貫通，若繼續(xù)擴展則會導(dǎo)致AB段發(fā)生拉裂破壞、CD段發(fā)生擠壓破壞。

1.3 欠穩(wěn)定邊坡

邊坡破壞過程中，BC 段貫通后會產(chǎn)生向下滑動趨勢擠壓CD 段，此時滑動面由C 點逐漸向D 點擴展，CD段滑動面在BC 段擠壓作用下逐漸貫穿，當邊坡前緣到達破壞強度臨界值時，此時邊坡處于極限平衡狀態(tài)，就是欠穩(wěn)定狀態(tài)。

依據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB50330—2013）中以穩(wěn)定性系數(shù)作為邊坡穩(wěn)定性評級標準，從定量分析的角度將邊坡穩(wěn)定性劃分為穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、欠穩(wěn)定和不穩(wěn)定，如表1 所示。

表1 邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)劃分

2 灌木影響欠穩(wěn)定邊坡穩(wěn)定性的機制

2.1 典型灌木植被選取

選擇具有代表性的兩種護坡灌木植被（紫穗槐、夾竹桃），其植被形態(tài)特征如圖3 所示。

2.2 灌木植物生長規(guī)律

紫穗槐和夾竹桃的植株高度基本均為1～5 m，葉片的形狀和大小差異變化較大，葉片長度基本均為10～15 cm，但葉片寬度變化范圍不同，紫穗槐葉片寬度一般為0.6～2.0 cm，夾竹桃葉片寬度一般為2～2.5 cm。

兩種代表性灌木植物均屬于典型的直根深根性品種，相關(guān)研究成果和資料表明，兩種植物的主直根分布平均深度可達到0.75～1.5 m，直徑一般為15～20 mm，主直根上有較為明顯的一級、二級側(cè)根，地下40～80 cm 處側(cè)根分布發(fā)達，側(cè)根最大平均直徑約為6 mm[4-6]。

2.3 灌木對欠穩(wěn)定坡體穩(wěn)定性影響機制

灌木植物是通過地下根系和地表莖葉對欠穩(wěn)定坡體的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的，主要分為地下根系的力學(xué)效應(yīng)以及地上莖葉的水文效應(yīng)。

灌木植物的根系按照力學(xué)效應(yīng)可分為主直根（深根系）和側(cè)根（淺根系）。主直根的生長可以深入邊坡土體內(nèi)部較深處，根系表面與土體之間產(chǎn)生摩阻力，起到錨固土體的作用，強壯的根系可穿過土體表層對下層的巖土層進行錨固。斜向分布的側(cè)根，通過表面摩阻力對土體起到斜向牽引的作用，提高土體的抗拉強度，有效抑制土體中張拉應(yīng)力的產(chǎn)生，提高土體的抗拉裂能力[7]。

灌木植物的莖葉對欠穩(wěn)定邊坡表層的影響如下：

2.3.1 降低坡體孔隙水壓力

邊坡的穩(wěn)定性與土體內(nèi)部的孔隙水壓力關(guān)系密切，水是誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的主要因素之一。灌木植物莖葉的蒸騰作用可以加速根系所吸取的淺層邊坡土體水分的蒸發(fā)，增加邊坡的穩(wěn)定性。

2.3.2 緩沖降雨動能，減弱沖擊濺蝕

降雨沖擊會產(chǎn)生一定的動能，會將土體擊散，被水流沖走。如果邊坡坡面存在植被，則會以兩種不同的形式降低落在坡面雨滴的動能，一種是少量雨水會被莖葉阻隔，葉片上的雨水以蒸發(fā)的形式返回大氣循環(huán)，另一種是雨滴順著植物的莖稈緩慢流到邊坡表面，而此時雨滴所蘊含的動能幾乎為零，因此能緩解雨滴濺蝕邊坡土體表面[8]。

2.3.3 減緩地表徑流，降低水土流失

可見，降雨會對裸露的邊坡坡面土體造成沖擊、濺蝕、剝離，而雨后會在裸露坡面形成地表徑流沖刷坡面，帶走被分離的土體，降低邊坡穩(wěn)定性。邊坡坡面植被的根系和莖葉能減少坡面徑流流速和流量，抑制地表徑流[9]，從而控制水土流失。

3 灌木根系對欠穩(wěn)定邊坡穩(wěn)定性的影響評價

采用ANSYS 建立欠穩(wěn)定邊坡和灌木根系的數(shù)值模型，基于強度折減法分析欠穩(wěn)定邊坡在裸坡情況、坡面存在灌木植被情況下對欠穩(wěn)定邊坡動態(tài)穩(wěn)定性變化的影響規(guī)律。

3.1 欠穩(wěn)定邊坡模型建立

風(fēng)化花崗巖邊坡模型如圖4 所示，坡比1 ∶1、坡高20 m、坡頂長20 m、坡底長80 m，地基厚15 m，兩側(cè)邊界的水平位移為零，下側(cè)邊界豎向位移約束為零。

3.2 灌木根系模型建立

依據(jù)文中灌木植物生長規(guī)律及灌木對欠穩(wěn)定邊坡穩(wěn)定性影響機制，建立灌木根系計算模型時主要考慮起錨固作用的主根和牽引作用的側(cè)根。為方便計算，將主根簡化為沿坡面垂直方向延伸分布，將側(cè)根簡化為沿坡面水平方向延伸分布，其簡化模型及計算所需主要數(shù)據(jù)如圖5 所示。

圖5 灌木植物根系模型

3.3 裸露邊坡穩(wěn)定性分析

為了分析坡面植被在不同情況下對動態(tài)穩(wěn)定性的影響，首先根據(jù)建立的風(fēng)化花崗巖邊坡模型，選用如表2所示的物理力學(xué)參數(shù)，計算確定坡面無植被情況下的穩(wěn)定性。

表2 花崗巖物理力學(xué)參數(shù)

在ANSYS 有限元計算軟件中，以平面應(yīng)變四邊形為結(jié)構(gòu)單元，左右兩側(cè)邊界設(shè)置為水平約束，底部邊界設(shè)置為固定約束，裸露邊坡有限元計算模型，采用強度折減法計算邊坡安全系數(shù)[10]。

以迭代計算結(jié)果的收斂性和位移云圖塑性區(qū)域貫通共同作為邊坡整體失穩(wěn)的判定依據(jù)，該風(fēng)化花崗巖邊坡在坡面無植被的情況下所計算出的穩(wěn)定性系數(shù)為Fs=1.067 6。結(jié)果表明，在塑性區(qū)域貫通（即坡體失穩(wěn)）之前穩(wěn)定系數(shù)接近1.05，即可認為該邊坡在塑性區(qū)域即將貫通之前處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

3.4 灌木根系邊坡穩(wěn)定性分析

植物在不同的生長時期根系長度有所不同，數(shù)值模擬分析灌木植物根系在不同生長長度情況下，對欠穩(wěn)定風(fēng)化花崗巖裸露邊坡的穩(wěn)定性影響。綠化工程及坡面防護中灌木植株種植間距一般采用1～5 m，數(shù)值模擬計算中固定植株間距為3 m，從坡面中心位置沿坡面等間距上下模擬種植。木本植物的側(cè)根提供的附加黏聚力一般為18～45 kPa，數(shù)值模擬采用中間值30 kPa。灌木根系材料的基本力學(xué)參數(shù)選取如表3 所示，灌木根系邊坡有限元計算模型圖如圖6 所示。

表3 根系的力學(xué)參數(shù)

圖6 有限元計算模型

3.4.1 生長長度影響

依據(jù)文中灌木植物生長規(guī)律中根系生長分布平均深度范圍0.75～1.5 m，分別模擬計算灌木植物根系在0.8 m、0.9 m、1.0 m、1.1 m、1.2 m、1.3 m、1.4 m、1.5 m 時風(fēng)化花崗巖邊坡的穩(wěn)定系數(shù)，分析在不同生長時期灌木植物根系對原欠穩(wěn)定邊坡穩(wěn)定性的影響，其計算結(jié)果如表4所示。

表4 灌木根長與Fs 的關(guān)系表

從Fs計算結(jié)果分析可知，如圖7 所示，根系在0.8～1.5 m 的不同長度生長情況下，都會使原裸露的風(fēng)化花崗巖欠穩(wěn)定邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)有所增加。也就是說灌木植被根系長度變化對風(fēng)化花崗巖欠穩(wěn)定邊坡穩(wěn)定性影響呈現(xiàn)出增強的趨勢。不同根系長度所對應(yīng)的增強后的邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.075 4～1.076 7，相較于裸坡穩(wěn)定系數(shù)增長了0.007 8～0.009 1，增長率為0.730 6%～0.852 4%。

圖7 不同根系深度相對于裸坡穩(wěn)定性系數(shù)變化圖

3.4.2 植株密度影響

模擬計算分析結(jié)果表明根長在1.5 m 時穩(wěn)定性系數(shù)增長最多，即為最佳長度。在模擬計算分析不同植株密度對裸露風(fēng)化花崗巖欠穩(wěn)定邊坡的穩(wěn)定性的影響時，固定根系長度為1.5 m，植株間距分別以1 m、2 m、3 m、4 m、5 m 布置。其計算結(jié)果如表5 所示。

表5 灌木根系間距與Fs 的關(guān)系表

從穩(wěn)定性系數(shù)計算結(jié)果分析可知，如圖8 所示，固定根系長度不變，原裸坡穩(wěn)定系數(shù)在坡面植株密度不斷變化的情況下均呈現(xiàn)出增強的趨勢。植株間距為1 m、2 m 時對應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)分別為1.076 6、1.076 8，較裸坡穩(wěn)定系數(shù)分別增加了0.009 0、0.009 2；植株間距為3 m時對應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)為1.077 3，較裸坡穩(wěn)定系數(shù)增加了0.009 7；植株間距為4 m、5 m 時對應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)分別為1.077 1、1.076 9，較裸坡穩(wěn)定系數(shù)分別增加了0.009 5、0.009 3?？梢钥闯霾煌仓觊g距下穩(wěn)定系數(shù)增加幅度呈先增加后降低的趨勢，間距為3 m 時增加幅度達到最大，由此可知，當根系生長長度一定時，灌木植株提高風(fēng)化花崗巖欠穩(wěn)定邊坡穩(wěn)定性的最佳間距為3 m。

圖8 不同根系間距相對于裸坡穩(wěn)定性系數(shù)變化圖

4 結(jié)論

基于風(fēng)化花崗巖邊坡穩(wěn)定性動態(tài)變化特性，研究了灌木植被莖葉和根系對風(fēng)化花崗巖欠穩(wěn)定邊坡穩(wěn)定性的影響機制，分別建立裸坡、植被覆蓋邊坡、灌木根系簡化示意模型及有限元計算模型，計算了在裸坡情況以及坡面存在灌木植被（植株同間距根系不同生長長度、固定根系長度不同植株間距）情況下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)，并分析了灌木根系對風(fēng)化花崗巖欠邊坡動態(tài)穩(wěn)定性影響規(guī)律，得到的主要結(jié)論如下：

（1）灌木植物的主直根系對于風(fēng)化花崗巖邊坡土體穩(wěn)定性的影響范圍為0.75～1.50 m。

（2）在灌木根系長度單一影響因素下，不同生長時期的根長都會增加風(fēng)化花崗巖欠穩(wěn)定邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)，且增強風(fēng)化花崗巖欠穩(wěn)定邊坡穩(wěn)定性的最佳根長為1.5m。

（3）在灌木植株間距單一影響因素下，不同的坡面種植間距都會增加風(fēng)化花崗巖欠穩(wěn)定邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)，且增強風(fēng)化花崗巖欠穩(wěn)定邊坡穩(wěn)定性的最佳間距為3 m。