鄧友生,姚志剛,劉華飛,許文濤

( 湖北工業(yè)大學 土木工程與建筑學院，武漢　430068)

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微型樁群-土-植被協(xié)同護坡體系研究述評

鄧友生,姚志剛,劉華飛,許文濤

( 湖北工業(yè)大學 土木工程與建筑學院，武漢430068)

摘要：工程地質(zhì)條件和雨水作用等因素往往決定著邊坡防護合理的設計方式。通過研究國內(nèi)外邊坡護坡技術的研究現(xiàn)狀，指出微型樁-土-植被協(xié)同護坡體系設計方法的研究意義。首先，從施工、成本、環(huán)境、安全等角度考慮，與其它單一護坡方式相比較，闡述了協(xié)同護坡體系具有多方面的優(yōu)點；其次，著重從理論與實驗研究闡述微型樁-土共同護坡的力學機理,從力學效應、水文效應與計算模型3個方面探索植被體系護坡的力學機理，分析了雨水對土質(zhì)邊坡的侵蝕與破壞作用；最后，展望了協(xié)同護坡體系的應用前景，并闡明了今后的研究方向。

關鍵詞：微型樁群；植被體系；協(xié)同護坡； 雨水作用； 土質(zhì)邊坡

1研究背景

近年來，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，基礎設施大量建設，特別是高等級別公路及山區(qū)高速公路的建設，產(chǎn)生了大量的路塹與路基邊坡，破壞了原有地貌土壤植被系統(tǒng)的生態(tài)平衡，導致地表裸露，土壤抵抗雨水侵蝕能力下降，水土流失加劇，生態(tài)破壞日趨嚴重。調(diào)查研究表明，由于公路建設導致長江中下游每年新增加水土流失5 000萬t以上。公路建設，不可避免會產(chǎn)生許多邊坡工程，加劇了生態(tài)的退化。如果處治不力，將對周圍環(huán)境與公路本身產(chǎn)生不可逆轉的嚴重惡果，給人民生活、生產(chǎn)帶來危害，如滑坡、泥石流等嚴重的災害。在我國南方地區(qū)，普遍降雨頻繁且持續(xù)時間長，降雨是誘發(fā)滑坡的主要直接原因之一，也是危害邊坡工程穩(wěn)定性的重要因素。隨著人們生活水平的日益提高，生活居住與出行環(huán)保意識的增強，人們對生存環(huán)境提出了更高的要求，其意識已經(jīng)從單純注重工程建設開始向工程建設與環(huán)境保護兼顧的方向逐步轉變，從單純強調(diào)邊坡的工程防護開始向重視邊坡的植被防護轉移。2000年10月11日，國務院向各省、市、自治區(qū)、國務院各部委、各直屬機關等下發(fā)了《國務院關于進一步推進全國綠色通道建設的通知》[1]，使得生態(tài)護坡成為國家層面關注的科學問題。對大量的裸露邊坡進行生態(tài)防護成為不可回避的問題。然而，公路邊坡的立地條件通常比較復雜，如果不進行邊坡穩(wěn)定加固工程措施處理，植被很難在邊坡上生長；反之，邊坡上的植被有利于邊坡的水土保持與淺層穩(wěn)定及環(huán)境美化。本文根據(jù)國內(nèi)外一些護坡模式及設計的經(jīng)驗，提出關于微型樁群-土-植被協(xié)同護坡體系(以下簡稱協(xié)同護坡體系)的設計思路，為研究邊坡穩(wěn)定加固和環(huán)境美化提供參考。

2協(xié)同護坡體系的特點

現(xiàn)代巖土工程中，邊坡護坡理論和措施都在不斷的完善，基本朝著輕型、小型、綠色環(huán)保型、經(jīng)濟型、可持續(xù)型方向發(fā)展。協(xié)同護坡體系，改變了邊坡土體作為單一材料的工程特性，將微型樁與植被一同增強土顆粒間的凝聚力、坡體整體性和抗震性能。由于植物根系深度的限制，對深層土體的固結作用有限，故護坡中采用微型樁，克服了植被對土體作用的局限性。微型樁本身柔性大、強度高、協(xié)同變形明顯。協(xié)同護坡體系可以承擔更大的荷載，邊坡的穩(wěn)定性得到顯著提高。其特點主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

(1) 造價低，工期短，適用性強。布置形式靈活，可根據(jù)設計需要布置于坡腳、坡中或坡頂。微型樁排列樣式多樣，樁體軸線走向可以豎直或傾斜[2]。

(2) 微型樁孔徑小。微型樁對周圍巖土體擾動小，對基礎和地基土產(chǎn)生的附加應力較小，可提高邊坡土體穩(wěn)定性。

(3) 施工噪音小，開挖面積小，避免造成大面積土體破壞。

(4) 抗震能力較強[3]。微型樁-土-植被形成復雜的受力機理，可有效抵抗水平荷載[4]，尤其斜樁[5]，抗震效果顯著增強。

(5) 植被降低噪聲、光污染，緩解駕駛員和行人視覺疲勞，有利于行車安全。

(6) 在地面進行微型樁施工及種植植被，施工安全程度高。

3微型樁群護坡與植被體系護坡

3.1微型樁群-土共同護坡的力學機理

微型樁又稱樹根樁，是在20世紀50年代由意大利Lizzi首次采用的[6]。其樁徑一般<300 mm，且布置方式靈活多樣，類似樹根分布，國內(nèi)有些學者稱其為樹根樁。樁體采用壓漿方法，將高標號水泥砂漿或細石混凝土與加筋材料壓入孔中，根據(jù)不同的設計要求，樁體加筋材料可采用勁性的材料，如鋼筋、鋼棒、鋼管、型鋼等或以上材料的組合成分[2]。頂部連系結構采用鋼筋混凝土材料，樁頂承臺的作用提高了微型樁群的整體剛度。一般情況下，微型樁主要有3大用途：①作為地基基礎；②用于基坑支護；③邊坡穩(wěn)定加固。本文著重闡述邊坡穩(wěn)定加固工作原理。

微型樁加固邊坡的工作機理：由于微型樁本身具有一定抗彎剛度和抗剪強度，它在巖土體內(nèi)部分布的空間中作為微型樁-土復合體的骨架。水泥砂漿或混凝土的注入，在一定的范圍內(nèi)，使微型樁與微型樁之間的巖土體更加緊密起來，提高巖土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角，增大阻力，巖土體的整體強度顯著提高[7]。樁群均勻分布，使整個邊坡串聯(lián)成一個有機的整體，形成一個具有更大剛度的復合體，共同構成一個整體來共同承擔外荷載。樁體貫穿滑動面以下，深入到基巖或深土層，相當于懸臂抗滑樁，利用樁的一定抗彎性能抵抗土體壓力。實質(zhì)上，通過改良周圍巖土體的力學性能，對微型樁與微型樁之間土體的變形起到了約束作用，抵抗邊坡的下滑力。

在受力分析過程中，并非微型樁與土分別承擔荷載或者簡單的荷載迭加計算，而是存在微型樁結構自身承載力、巖土體的自身承載能力，還包括土-土，微型樁-土，微型樁-微型樁相互作用。此時，在滑面以上的土層中，微型樁-土復合體共同抵抗滑坡推力，其中微型樁通過樁間土體應力傳遞、分擔荷載的作用，將不穩(wěn)定土體應力傳遞到穩(wěn)定巖土體中，達到降低應力集中的目的。在滑面以下的土層中，微型樁直接承受滑坡推力的作用，體現(xiàn)其抗剪能力，使整個邊坡達到力學平衡，穩(wěn)定巖土體邊坡。

3.1.1理論研究

研究微型樁的護坡機理主要針對其抗滑承載力進行研究，即主要研究其在坡體復雜滑坡荷載作用下變形特性。William[8]采用極限平衡理論和有限元分析了微型樁群護坡的穩(wěn)定性；Richards等[9]研究分析了單根微型樁和微型樁群的橫向受載工作變形和力學性能，證實了微型樁及微型樁群在水平荷載作用下有較好的力學性能；Cantoni等[10]假定網(wǎng)狀微型樁與內(nèi)部土體形成致密的復合加強體且體系內(nèi)部不受拉應力，提出了網(wǎng)狀微型樁加固斜坡的設計方法，但該法局限性較強而難以推廣。

國內(nèi)微型樁應用的歷史比較短，對它的承載能力還沒有充分的認識，也沒有一個完善的理論。楊文智[11]對微型樁水平承載性狀進行系統(tǒng)研究；戶巧梅[12]研究了微型樁加固邊坡的內(nèi)力計算方法；孫書偉等[13]對微型樁結構加固邊坡受力機制和設計計算理論進行深入研究；周德培等[14]對微型樁組合結構的研究表明，微型樁與土形成的抗滑機制不同于一般的抗滑樁，其抗滑效果不是由微型樁的整體抗彎能力來實現(xiàn)的，而是通過發(fā)揮微型樁的抗拉強度和微型樁與地基承載力的優(yōu)勢來抵抗滑坡推力。

3.1.2試驗研究

Andrew等[15]通過大規(guī)模的模型試驗研究了微型樁群在護坡中的荷載作用機理，指出微型樁和地表的連系梁結合起來，微型樁抗滑結構可很大程度地提高邊坡的穩(wěn)定性；Rollins等[16]通過試驗研究微型群樁的群樁效應及其在水平荷載作用下對樁體的影響；而Bruce等[17]對側向受力的微型樁群的研究表明，當排間距達7～8倍樁徑時，忽略排間的群樁效應。當垂直于受力方向的列間距達3倍樁徑時，忽略列間的群樁效應。

國內(nèi)，許多專家學者對微型樁加固滑坡也進行了一系列模型試驗。孫書偉等[13]利用基于相似理論對微型樁群與普通抗滑樁抗滑特性進行對比試驗研究；閆金凱等[18-19],梁烔等[20]進行了邊坡與微型樁相互作用的大型物理模型試驗，主要研究微型樁的受力分布規(guī)律及微型樁的破壞模式等；王樹豐[21]以陜西略陽鳳凰山滑坡為例對汶川地震滑坡微型樁防治工程進行了深入模擬試驗研究；陳正等[22]利用有限元軟件研究豎向荷載對微型樁水平承載性能的影響；李宏輝[23]通過現(xiàn)場試驗及數(shù)值分析得到樁長、截面剛度等因素影響微型樁的水平承載特性；龔健等[5]在軟土地基中對微型樁單樁及群樁進行了水平荷載試驗，結果表明斜樁基礎能有效地減小水平荷載引起的位移。

以上國內(nèi)外關于微型樁用于巖土體邊坡加固方面的相關理論研究并不多，有的是把微型樁作為樁基來研究的，其結果能否應用于邊坡治理尚有待進一步試驗證明，而大部分研究僅僅針對微型樁的工程護坡而言，沒有考慮植被護坡的參與。

3.2植被體系護坡力學機理

植被護坡主要依靠坡面植物的地下根系及地上莖葉的作用來達到固土護坡的作用。根系數(shù)量多、相互交織成網(wǎng)狀，通過根系與土的摩擦、咬合、黏附等作用，提高土體的黏聚強度、抗剪強度[24]。根系和土體共同組成一種特殊的復合材料，其中土體本身是一種多相、多組分、非勻質(zhì)的基體相材料，根系是增相材料。根系的生長對土體有一個擴張擠壓作用，從而增加根-土的摩擦阻力。另外，根系將土體顆粒緊緊地包裹在一起，可以促進土體固結，根-土復合材料共同抵抗土體變形。根系受拉而提高土體側向約束力，增強土體抗剪強度，減小邊坡變形，提高邊坡穩(wěn)定性。實際上，植被不會影響土體的摩擦角，它主要靠增加土體的黏聚力來增加土體抗剪強度[25]。植被體系的主要作用有根系的力學效應、水文效應。

3.2.1力學效應

(1) 須根的加筋作用。草本植物根系屬于淺根，根系以須根為主，可視為帶預應力的三維加筋材料，主要分布在地表以下0～30 cm的范圍內(nèi)[26]。對邊坡巖土體的加固作用相對較微弱，主要是為了防止坡面水土流失。土-須根形成的復合體可以看作是加筋土，但與工程中的加筋材料分布相比較，淺層根系分布錯綜盤結。根的加筋作用是通過根在土-根復合材料中的約束作用來增加土體的側限壓力和土體抗剪強度。另外，須根的加筋作用主要取決于植被根系的分布密度、抗拉強度、張拉系數(shù)、長度與直徑的比率、表面粗糙程度等因素。

(2) 粗根的錨固。粗根指喬灌類植物的垂直根系，屬于深根，木本植物的根系相對于草本植物根系根莖要粗。另外，一般可深入地表以下3～5 m，有的可以達到5 m以上[26]。主根可以貫穿邊坡體淺層的松散風化帶，深入堅硬的土層中，對土體起到預應力錨桿的作用。根系中，側根根系具有斜向牽引效應，以側根牽引力的形式，提高根際土層斜向抗張拉強度[27]。須根又具有黏結、摩擦等作用。通過主根、側根、須根在土體中形成根網(wǎng)，使土體發(fā)生固結，使土體強度提高。

(3) 超載作用。超載指自身重量較大的植被作為超限荷載作用到邊坡體上，導致滑移面的剪應力增大到極限狀態(tài)，從而對坡體穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。在以往研究中，由于草本植物和大多數(shù)的灌木的自重作用影響微小[28]，而忽視大型喬木自重對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生的超載影響。故在植被護坡設計時，一般不宜在邊坡中種植大型喬木，在坡腳種植相對重而密的灌木，在坡頂種植草本植物，可提高邊坡穩(wěn)定性。

3.2.2水文效應

(1) 降雨截流。一部分降雨被存儲在樹葉和樹干上，經(jīng)重新蒸發(fā)，回到大氣中，減少了到達坡面降雨量。另一部分雨水經(jīng)莖葉形成二次降雨，降低了到達坡面的降雨強度，從而降低滴濺能量[29]。避免雨滴破壞土體發(fā)生分離、破裂、位移及引起土體片蝕、溝蝕等。

(2) 防治水土流失。植被的根莖和葉子，增加了地表的粗糙程度。葉子使徑流減小，流速減緩，沖刷能力降低，有效地過濾徑流中的土粒等沉淀物。另外，根衰老或死亡后收縮而留出空隙，使地表徑流能順著通道、空隙滲入土體。土體沖蝕的強弱取決于徑流流速的大小、徑流所具有的能量[30]。

(3) 降低土體孔隙水壓力。邊坡的失穩(wěn)與土體的孔隙水壓力大小有著密切關系[30]。雨水入滲邊坡土體，通過植被吸收、蒸發(fā)等途徑減少邊坡體內(nèi)水分，基質(zhì)吸力增大，提高內(nèi)聚力，增加土體顆粒間的接觸程度，增強土體抗剪能力，提高了邊坡穩(wěn)定性。

3.2.3計算模型

Wu等[31-32]、Waldron[33]提出并推導了根系護坡的第一個力學模型的理論計算公式。該模型認為植物根系產(chǎn)生的土體抗剪強度的增量與根系的平均抗拉強度和根橫截面面積比成正比。

國內(nèi)專家學者，如周德培等[1]建立了草本植物根系和木本植物的垂直、水平根系與土壤相互作用的力學模型，定量分析了草本植物根系的三維加筋作用；劉躍明等[34]基于摩爾-庫倫破壞準則建立了極限平衡條件下摩擦型根土黏合鍵破壞模型，他們通過設計了能在室內(nèi)和野外進行實時測試分析的測試系統(tǒng)對側根與土壤間摩擦型根土黏合鍵的力學作用機制進行探討，研究表明該系統(tǒng)各項性能能夠滿足根系對土壤牽引效應研究的測試要求，摩擦型根土黏合鍵破壞模型計算與室內(nèi)測試結果吻合較好；姜志強等[35]將深粗根系視為錨桿，淺細根系和周圍的土體作為均勻復合材料，建立了有限元計算模型，分析了根土復合介質(zhì)的強度參數(shù)對邊坡整體穩(wěn)定性的影響。

Gray等[36]最早提出把根系與土壤結合作為一種特殊復合材料的概念，并對林木群根護坡功能及提高坡面抗滑能力進行了大量的研究；Beek等[37]采用FDM法研究了含根土體的抗剪強度，認為植物根系能夠增加土體的抗剪強度，且穿過滑動面根系的數(shù)量對邊坡的穩(wěn)定性起主要作用；Khalilnejad等[38]的研究表明植被對土坡穩(wěn)定性的影響是通過土壤的吸附力、有效應力、孔隙壓力和黏聚力來攔截，剪應力在坡腳以“拔力”的形式體現(xiàn)，此處群根對抵抗“拔力”有重要作用，如圖1所示。

圖1　根系在坡腳的護坡效果Fig.1　Roots in slope toe for slope protection

肖本林等[39-40]以漢宜高速公路邊坡的刺槐根系進行了試驗，表明刺槐植株的側根抗拉強度最大值遠大于主根的抗拉強度最大值，與工程結構常用的鋼材HPB235的強度設計值210 MPa相比，該試驗植株的根系可提供1/4～1/2的鋼筋拉力；對林木群根進行數(shù)值模擬結果表明在邊坡頂部和底部適當間距的植株可以減小邊坡頂部張拉區(qū)范圍和邊坡剪應力區(qū)范圍；劉秀萍等[41]通過試驗比較了有根系土壤與無根系土壤的抗剪強度；張謝東等[42]以隨州—岳陽高速公路中段工程建設為工程背景，開展根土復合體根系錨固效應模型的力學試驗研究，通過現(xiàn)場和室內(nèi)力學試驗，推導植物根系分布密度與黏聚力的函數(shù)關系式。

國內(nèi)外關于植被護坡研究較多，但是，大多沒有與工程措施相結合(如微型樁)，故并不完善，由于根系長度有限，對于有滑坡潛在危險的土坡，還需要工程防護。

4雨水作用

Faisal等[43]模擬降雨條件下，凈水壓力變化對邊坡穩(wěn)定性的影響。Faisal等[44]研究雨季暴雨短時間使地下水位發(fā)生變化，邊坡土體干濕循環(huán)導致殘積土坡不穩(wěn)定，邊坡中植被降低滲透和改變吸附力。Wang等[45-48]的研究都證實，水是造成巖土損傷及邊坡破壞的決定因素。姚裕春等[49]研究的不同含水量土質(zhì)邊坡的離心模型試驗表明邊坡的破壞類型與其含水量大小有關，且主要存在2種破壞類型：一種是含水量較小時形成的拉裂縫破壞，另一種是含水量較大時形成的整體滑塌破壞。同時，含水量與邊坡的最大穩(wěn)定高度呈非線性關系。程永輝等[50]研制了一套可在離心機中進行降雨模擬的裝置，并通過離心模型試驗，模擬了降雨條件下典型膨脹土邊坡失穩(wěn)破壞的全過程，獲得了降雨條件下膨脹土邊坡失穩(wěn)的機理；錢紀蕓等[51]研制的離心場降雨設備，進行了黏性土邊坡降雨離心模型試驗，初步探討了降雨條件下邊坡變形和破壞規(guī)律；孫永帥等[52]研究了雨水滲流基本理論及降雨入滲影響邊坡穩(wěn)定的機理；胡文利等[53]研究土體不同的含水率對土-植被復合體抗剪強度的大小的影響。

目前，國內(nèi)對于微型樁群護坡或植被體系護坡的研究大都局限在“干態(tài)”或土體天然含水量的非飽和狀態(tài)下進行的。在降雨條件下，微型樁與土與植被相互間界面的接觸變得松弛，淺層邊坡土體的強度下降，它們之間的握裹力下降。因此，研究微型樁群-土-植被協(xié)同護坡體系作用機理及設計方法，具有重要意義。

5展望

預計到2020年，全國公路通車里程將達到260萬～300萬km，高等級公路總里程將達到65萬km，高速公路通車總里程將達到7萬km以上[54]。修建公路將產(chǎn)生了大量的路塹與路基邊坡，對這些邊坡采用協(xié)同護坡體系固坡，為植被的生存創(chuàng)造了良好、穩(wěn)定的環(huán)境，可達到固坡效益、生態(tài)效益和景觀效益。因此，協(xié)同護坡體系研究具有廣闊的應用前景。

關于協(xié)同護坡體系機理研究在工程中合理的設計、應用及其受力變形機制等還存在以下問題仍有待繼續(xù)深入研究：

(1) 在反復降雨條件下，受大氣溫度、濕度影響下作用，非飽和土-飽和土含水量的變化對基質(zhì)吸力的影響及對土體強度的損傷與恢復狀態(tài)。

(2) 天然降雨時，雨水在微型樁、土與植被根系組成協(xié)同護坡體系中滲透、吸收特性。

(3) 在地震作用下，土坡中微型樁-土-植被根系的動力破壞機制。

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(編輯：趙衛(wèi)兵)

A Review of the Synergistic System of Micropile-Group-Soil-Vegetation for Slope Protection

DENG You-sheng，YAO Zhi-gang，LIU Hua-fei，XU Wen-tao

(School of Civil Engineering & Architecture, Hubei University of Technology, Wuhan430068, China)

Abstract:Complex factors such as engineering geological conditions and rainfall usually determine the design of slope protection. According to the status of slope protection research, the significance of researching on the design methods of synergistic slope protection system of micropiles group-soil-vegetation is pointed out. Firstly, compared with other single means of slope protection in the aspects of construction, cost, environment, and safety, the new system has many obvious advantages. Subsequently, the mechanical mechanism of micropile-soil and the vegetation slope protection system were elaborated respectively from mechanical effects, hydrological effects and calculation models, and some problems are pointed out as well. Furthermore, the erosion and damage of soil slope under rainfall action are analyzed. Finally, the prospects of the application of the synergistic system in China are presented, and further research topics are suggested.

Key words:micropiles group; vegetation system; synergistic system of slope protection; rainfall action; soil slope

中圖分類號：TU457

文獻標志碼：A

文章編號：1001-5485(2016)05-0036-06

doi:10.11988/ckyyb.201501612016,33(05):36-41

作者簡介：鄧友生(1969-),男，湖南桂陽人，教授，博士生導師，從事基礎工程的教學與科研工作，(電話)027-59750498(電子信箱)dengys2009@126.com。

基金項目：國家自然科學基金項目(51378182)

收稿日期：2015-03-06;修回日期：2015-04-10