嵇曉雷 楊平

(江蘇開放大學(xué)，南京，210036) (南京林業(yè)大學(xué))

近年來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和居民生活水平的提高，各地基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷完善。然而在邊坡防護(hù)方面、邊坡失穩(wěn)、塌方等事故不斷出現(xiàn)，如何對(duì)邊坡進(jìn)行防護(hù)以提高邊坡穩(wěn)定性逐漸受到人們的重視。目前傳統(tǒng)的護(hù)坡技術(shù)，諸如擋土墻、錨桿噴漿、混凝土砌塊等無法為植被提供良好生長(zhǎng)環(huán)境，邊坡原有的自然植被難以恢復(fù)，破壞了自然平衡，使基礎(chǔ)建設(shè)與環(huán)境保護(hù)之間的矛盾日益突出，另一方面，降雨及風(fēng)化作用直接作用于無植被坡體，加劇坡體腐蝕，不利于坡體穩(wěn)定[1]。而生態(tài)護(hù)坡技術(shù)則是使用植物根系固結(jié)土體，增強(qiáng)土體的抗剪強(qiáng)度，增強(qiáng)邊坡淺層穩(wěn)定性[2]。此外，植物蒸騰作用能夠增加土體吸力，防止水土流失[3-4]。由于植被護(hù)坡同時(shí)具有工程防護(hù)和環(huán)境美化的效果，因此近年來逐漸受到眾多專家學(xué)者的重視。

早在19世紀(jì)時(shí)，歐洲就采用枝干壓條、樹枝捆垛等[5]生態(tài)固土護(hù)坡方法。1944年，Harrison通過控制植物生長(zhǎng)時(shí)間和草種，研究公路邊坡草皮鋪設(shè)方案[6]。20世紀(jì)70年代，“日本綠地工程學(xué)會(huì)”將植物防護(hù)作為恢復(fù)生態(tài)，保護(hù)環(huán)境的重要措施，植物防護(hù)開始向機(jī)械化轉(zhuǎn)變[7]。近年來，我國(guó)的邊坡生態(tài)防護(hù)技術(shù)與高分子材料與肥料學(xué)，研究出土工格室、三維網(wǎng)格植草等技術(shù)[5]。

目前,關(guān)于植物護(hù)坡作用機(jī)理的研究成果主要集中在根系的固土作用、根土相互作用的力學(xué)效應(yīng)、根系的抗拉拔力及植物固土護(hù)坡的機(jī)理方面。Greenway定性分析了植被護(hù)坡的有利與不利因素，認(rèn)為兩種作用同時(shí)存在，一方面樹木自重及所受風(fēng)荷載作用在邊坡上引起坡面失穩(wěn)，另一方面，根的錨固作用可使坡面穩(wěn)定性增強(qiáng)，對(duì)坡面穩(wěn)固起到積極作用[8]。程洪等[9]指出合適的樹種是決定植被固坡作用的關(guān)鍵條件，此外，作者還指出只有樹根穿過土體的滑動(dòng)面并深入滑動(dòng)面以下的土體時(shí)才能起到錨桿和抗滑樁的作用。Waldron et al.[10]、Gary et al.[11]、認(rèn)為土體的抗剪強(qiáng)度隨著單位土體中根的含量、體積、根土面積比的增加而提高。李建興等[12]研究發(fā)現(xiàn)植被護(hù)坡時(shí)，根系的存在均能顯著增大土體內(nèi)摩擦角及黏聚力，同時(shí)根系長(zhǎng)度和表面積能夠很好地表征土體抗剪強(qiáng)度。吳鵬等[13]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)根系采用不同的布置模式時(shí)，對(duì)于邊坡的加固效果及穩(wěn)定性影響不同。

大量研究表明[14-15]，降雨是引發(fā)邊坡失穩(wěn)，造成塌方、滑坡等事故的最主要因素，而植物莖葉對(duì)雨水具有攔截作用，可以通過減少到達(dá)坡面的降雨量及雨滴初動(dòng)能削弱降雨對(duì)邊坡的侵蝕作用[16-17]，同時(shí)植物根系可以有效控制水土流失，提高土體抗剪強(qiáng)度及淺層邊坡穩(wěn)定性[18-20]。

目前,大量研究只考慮了降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響及植被固土的作用，尚未對(duì)降雨條件下不同根系布置模式對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行針對(duì)性研究。本文采用數(shù)值模擬的方法，利用PLAXIS 3D有限元軟件模擬了不同根系布置模式在降雨條件下的邊坡位移及穩(wěn)定性，分析了不同根系布置模式下，降雨后邊坡產(chǎn)生的最大位移、邊坡失穩(wěn)滑動(dòng)面、失穩(wěn)時(shí)邊坡塑性點(diǎn)分布以及邊坡最小安全系數(shù)的區(qū)別，為植物根系固土方法提供一定理論支持和依據(jù)。

1 有限元模型的建立

本文采用PLAXIS 3D有限元軟件中的摩爾—庫倫本構(gòu)模型進(jìn)行了數(shù)值模擬，排水類型選為排水[17]，邊坡土體選用素填土，含水率取25.35%，重度取18.37 kN/m3，黏聚力取11.95 kPa，摩擦角取22.36°，彈性模量取10 MPa，泊松比取0.3。參考國(guó)內(nèi)外眾多邊坡防護(hù)的實(shí)際工程案例，以坡度1.0∶1.5建立模型對(duì)比邊坡穩(wěn)定性，同時(shí)考慮到邊坡位移的影響范圍，盡可能減小邊界效應(yīng)的影響，模型深度取20 m，邊坡左側(cè)取50 m邊界，右側(cè)取35 m邊界，模型示意圖見圖1。

2 邊坡位移影響對(duì)比

實(shí)際工程中，降雨在導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度減小的同時(shí)會(huì)降低邊坡穩(wěn)定性。此外，不同的根系布置模式對(duì)于邊坡的加固效果及穩(wěn)定性影響不同。因此有必要對(duì)降雨條件下不同根系布置模式時(shí)的邊坡位移進(jìn)行對(duì)比研究。本文選取降雨強(qiáng)度為5 mm/h，降雨時(shí)間為1 d，降雨采用PLAXIS 3D軟件中的降雨量進(jìn)行模擬，該程序可以指定由天氣變化引起的常規(guī)豎向回灌及入滲。此外，參考筆者已開展的試驗(yàn)研究，分別將1.4 g、直徑1.2 mm的夾竹桃根系按照水平、傾斜、豎直、相交和混合5種方式均勻布置于直徑為39.1 mm，高度為80 mm的圓柱體土體試樣中[21]，如圖2所示。根據(jù)已開展的夾竹桃根系加筋土三軸剪切試驗(yàn)，取上述5種根系布置模式時(shí)植被護(hù)坡土體參數(shù)如表1所示[21]。為了研究降雨條件下植被護(hù)坡對(duì)邊坡位移的影響，將邊坡表層0.6 m的土體按照表1中的參數(shù)進(jìn)行加固模擬。

表1 土體在不同根系布置模式時(shí)的土體參數(shù)

根系護(hù)坡條件下降雨后邊坡產(chǎn)生位移是一個(gè)逐步進(jìn)行的過程，PLAXIS 3D軟件可以通過激活或關(guān)閉幾何模型中的荷載、土層、降雨量等，以此實(shí)現(xiàn)根系護(hù)坡條件下降雨的過程。為了模擬結(jié)果能夠真實(shí)的反應(yīng)根系護(hù)坡邊坡降雨后的實(shí)際位移情況，將其過程分為3個(gè)步驟。第1步：生成邊坡，初始地應(yīng)力平衡同時(shí)將此過程產(chǎn)生的位移歸零；第2步：將邊坡表層0.6 m的土體分別置換為表2中的土體，模擬根系護(hù)坡(無根系護(hù)坡時(shí)不進(jìn)行土體置換)；第3步：采用降雨量模式模擬降雨。

圖3為無植被護(hù)坡邊坡在降雨后產(chǎn)生的位移云圖，由圖3可以看出此時(shí)邊坡最大位移達(dá)到了16.60 mm，且邊坡變形主要集中在坡面位置，最大變形發(fā)生在邊坡中心。邊坡產(chǎn)生較大變形的原因是由于滲流作用，降雨后邊坡土體含水率增加，土體強(qiáng)度降低，邊坡產(chǎn)生了整體下滑的趨勢(shì)。

圖4為根系采用水平布置方式時(shí)降雨1 d后的邊坡位移計(jì)算結(jié)果。如圖所示，降雨后邊坡產(chǎn)生的位移為1.88 mm，與未采用植被護(hù)坡時(shí)的邊坡位移相比減小了88.7%。因此在降雨條件下，根系采用水平布置方式能夠顯著減小邊坡失穩(wěn)破壞區(qū)域位移，且采用植被護(hù)坡時(shí)，降雨條件下邊坡位移主要集中在坡頂部分區(qū)域，坡體及邊坡表面的穩(wěn)定性增強(qiáng)。

植被根系采用傾斜、豎直、相交及混合的布置模式時(shí)，降雨1 d后邊坡位移云圖分別見圖5-圖8所示。

對(duì)比上述邊坡位移云圖可以看出，降雨條件下根系采用傾斜、豎直、相交及混合布置模式時(shí)邊坡最大位移分別為2.09、1.68、1.56、1.55 mm，根系采用不同布置模式均可大幅度減小降雨引起的邊坡位移，但不同根系布置模式對(duì)邊坡位移的控制效果有顯著區(qū)別。此外，根系不同布置模式時(shí)邊坡位移模式接近，邊坡最大位移均發(fā)生在坡頂位置，且坡面及坡腳位置位移較小。

降雨后不同根系布置模式護(hù)坡時(shí)邊坡產(chǎn)生的最大位移及與未進(jìn)行植被護(hù)坡相比的位移減小率見表2。由表2可以看出，各根系布置模式下對(duì)邊坡位移的控制效果由大到小依次為混合根系、相交根系、豎直根系、水平根系、傾斜根系，位移顯著減小，減小率分別為90.7%、90.6%、89.9%、88.7%、87.4%。因此實(shí)際工程中，當(dāng)采用根系護(hù)坡時(shí)，根系應(yīng)優(yōu)先選用混合及相交布置模式，盡可能減小降雨后產(chǎn)生的邊坡位移，避免較大位移引起邊坡滑坡等災(zāi)害事故。

表2 不同根系布置時(shí)邊坡位移及位移減小率

3 邊坡穩(wěn)定性

3.1 強(qiáng)度折減法原理

邊坡穩(wěn)定性有限元計(jì)算中常采用強(qiáng)度折減法計(jì)算穩(wěn)定性系數(shù)F[22]。即在理想彈塑性有限元計(jì)算中，將邊坡土體抗剪切強(qiáng)度參數(shù)按一定比例逐步折減直至其達(dá)到破壞狀態(tài)。在PLAXIS 3D有限元軟件中，程序可以自動(dòng)根據(jù)彈塑性計(jì)算結(jié)果得到破壞滑動(dòng)面(土體發(fā)生塑性應(yīng)變和位移突變的地帶)，并得到邊坡的強(qiáng)度儲(chǔ)備安全系數(shù)F。即：

c′=c/F,tanφ′=tanφ/F。

(1)

強(qiáng)度折減法不需要假定滑動(dòng)面的形狀及位置，亦無需進(jìn)行條分，當(dāng)邊坡強(qiáng)度參數(shù)折減至邊坡達(dá)到不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，非線性有限元靜力計(jì)算將不收斂，此時(shí)的折減系數(shù)就是穩(wěn)定安全系數(shù)。

3.2 邊坡失穩(wěn)滑動(dòng)面

圖9為根系采用混合布置模式時(shí)邊坡偏應(yīng)變?cè)隽糠植荚茍D，其反映了潛在滑動(dòng)面可能的分布區(qū)域，根系采用其他布置模式時(shí)潛在滑動(dòng)面區(qū)域與混合根系布置模式接近，由于篇幅所限，不再贅述。由偏應(yīng)變?cè)隽糠植荚茍D可以看出滑動(dòng)面范圍大約在邊坡上坡頂5 m(二分之一坡高)延伸至坡腳處。

3.3 邊坡失穩(wěn)時(shí)塑性點(diǎn)對(duì)比

圖10和圖11分別為無植被護(hù)坡及根系采用混合布置模式時(shí)邊坡部分塑性點(diǎn)分布圖。對(duì)比兩種情況發(fā)現(xiàn)采用植被護(hù)坡可以有效減小邊坡坡腳及坡頂位置的塑性點(diǎn)數(shù)量，有利于增強(qiáng)邊坡表層穩(wěn)定性，但對(duì)整個(gè)邊坡的塑性點(diǎn)分布影響較小。此外，各種根系布置模式下邊坡塑性點(diǎn)分布較為接近，因此其他邊坡塑性點(diǎn)分布圖在此不再贅述。

3.4 邊坡整體安全性對(duì)比

采用PLAXIS 3D有限元軟件的安全性分析對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究時(shí)，可以得到各工況下邊坡安全系數(shù)F，如表3所示。

表3 不同根系布置模式下的安全系數(shù)

由表3看出，在坡度1.0∶1.5的情況下，不同根系布置模式下邊坡最小安全系數(shù)與素坡的邊坡最小安全系數(shù)相比變化幅度很小，即有無植被護(hù)坡及采用何種根系布置模式對(duì)邊坡最小安全系數(shù)影響較小，其原因是由于采用植被護(hù)坡時(shí)，根系加固的區(qū)域并未深入邊坡的滑動(dòng)面，無法提高邊坡整體穩(wěn)定性。因此，實(shí)際工程中當(dāng)邊坡整體安全性能不滿足要求時(shí)，僅采用植被護(hù)坡無法有效提高邊坡安全系數(shù)，此時(shí)可考慮聯(lián)合植被護(hù)坡和傳統(tǒng)護(hù)坡方式，如錨桿護(hù)坡的綜合護(hù)坡方式提高邊坡整體安全系數(shù)。

4 結(jié)論與討論

本文采用PLAXIS 3D有限元軟件,通過研究降雨后邊坡最大位移、失穩(wěn)滑動(dòng)面、失穩(wěn)時(shí)塑性點(diǎn)分布以及最小安全系數(shù)的區(qū)別，分析了不同根系布置模式對(duì)降雨條件下邊坡穩(wěn)定性的影響。數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，根系護(hù)坡可以增強(qiáng)降雨條件下的邊坡穩(wěn)定性，但不同根系布置模式對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響有顯著差異。主要結(jié)論如下：降雨條件下不同根系布置模式對(duì)邊坡位移控制效果不同，由大到小依次為混合根系、相交根系、豎直根系、水平根系、傾斜根系，其中混合及相交根系布置模式時(shí)位移減小率達(dá)分別達(dá)到了90.7%和90.6%。建議實(shí)際工程中選用混合或相交的根系布置模式，減小降雨引發(fā)的邊坡位移。不同根系布置模式下邊坡潛在失穩(wěn)滑動(dòng)面均位于上坡頂5 m(二分之一坡高)到坡腳處，說明根系布置模式對(duì)滑動(dòng)面范圍影響很小。根系護(hù)坡加固了邊坡表面土體的抗剪強(qiáng)度，減少了表層土體的塑形點(diǎn)分布，但不同根系布置模式對(duì)邊坡塑形點(diǎn)分布則無影響。邊坡坡度比為1.0∶1.5時(shí)，是否采用根系護(hù)坡或采用不同根系布置模式對(duì)邊坡最小安全系數(shù)無顯著影響，其原因是根系護(hù)坡下根系加固區(qū)域并未深入到邊坡滑動(dòng)面，無法提高邊坡整體穩(wěn)定性。