谷俊斌，閆 鑫

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根系含量對(duì)巖質(zhì)邊坡表層抗沖刷性的影響

*谷俊斌，閆 鑫

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)建筑與土木學(xué)院，內(nèi)蒙古，包頭 014010)

為研究植被根系含量對(duì)巖質(zhì)邊坡表層抗沖刷性的影響，通過根系含量與粘聚力增加值關(guān)系建立了根系密度與土壤抗剪強(qiáng)度的關(guān)系式，推導(dǎo)了根系分布密度的土壤臨界切應(yīng)力，進(jìn)而推算客土層滑動(dòng)面范圍內(nèi)的單位體積含根量。最后，選取實(shí)例研究植被根系含量對(duì)巖質(zhì)邊坡表層抗沖刷性的影響，為邊坡選擇最適合的綠化草種和單位面積的播種數(shù)量提供有效依據(jù)。

根系含量；巖質(zhì)邊坡；抗沖刷性；抗剪強(qiáng)度

0 引言

我國(guó)的高速公路、鐵路等基礎(chǔ)建設(shè)遇到土石邊坡是經(jīng)常的，如采用傳統(tǒng)的漿砌片石護(hù)墻或掛網(wǎng)噴漿護(hù)坡等方法，耐久性差，后期維護(hù)費(fèi)用高，而且還不利于景觀和生態(tài)環(huán)境的發(fā)展。生態(tài)護(hù)坡利用植物根系的深層錨固和淺層加筋作用提高邊坡的抗剪和抗沖刷性能，且能增強(qiáng)沿線景觀效應(yīng)，進(jìn)而達(dá)到加固、景觀和生態(tài)的統(tǒng)一。

目前巖質(zhì)邊坡植物防護(hù)的理論和應(yīng)用研究滯后于實(shí)踐應(yīng)用，使其在工程上具體實(shí)踐應(yīng)用只停留在定性和經(jīng)驗(yàn)階段。因此，加強(qiáng)巖質(zhì)邊坡植被防護(hù)理論的研究，是迫切的。植物根系對(duì)土壤降雨沖刷環(huán)境的改善起著至關(guān)重要的作用，其主要在于通過改變土壤力學(xué)性質(zhì)參數(shù)－抗剪強(qiáng)度來(lái)提高土壤的抗沖刷能力。相對(duì)地上部分，它的作用尤其表現(xiàn)在穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤抗沖性、防治土壤沖刷等方面[1]。通過研究植物根系對(duì)土壤抗沖刷性能的影響和目前表層客土中的根系含量是否合理，進(jìn)而根據(jù)降雨條件、土壤條件等在巖質(zhì)邊坡生態(tài)防護(hù)設(shè)計(jì)中為邊坡表面客土層植草設(shè)計(jì)合理的根量集度，即土中含根量[2]，本文就植被根系含量對(duì)巖質(zhì)邊坡表層抗沖刷性的影響進(jìn)行研究，為邊坡綠化草種的選擇和單位面積播種數(shù)量的確定提供合理化的建議。

1 植物根系的抗沖刷原理

1.1 邊坡沖刷的力學(xué)分析

邊坡坡面沖刷實(shí)質(zhì)上是坡面流對(duì)坡面土體的搬運(yùn)所造成，當(dāng)坡面土體抵抗搬運(yùn)的能力小于坡面徑流時(shí)，將脫離母體運(yùn)動(dòng)。坡面沖刷的產(chǎn)生受許多因素的影響，比如：水流速度、徑流深度、土的性質(zhì)及坡面防護(hù)情況等。因此，研究植被根系對(duì)巖質(zhì)邊坡表層抗沖刷性的影響，首先應(yīng)通過力學(xué)分析邊坡坡面沖刷的產(chǎn)生及產(chǎn)生過程中的受力特征，從理論上研究沖刷的本質(zhì)，進(jìn)而研究根系含量對(duì)坡面沖刷能力的影響。

就巖質(zhì)邊坡而言，邊坡表層客土在水流沖蝕作用下將沿著平行于坡面線的方向被水流一層一層地剝蝕，直到邊坡表層失穩(wěn)破壞，這時(shí)坡面即為最終滑動(dòng)面，如圖1所示[3, 4]。

圖1 巖質(zhì)邊坡表層滑動(dòng)面示意圖

1.2 植被的抗沖刷原理

就巖質(zhì)邊坡而言，植草根系固著于邊坡表層客土中，降低水流速度從而減輕水流對(duì)邊坡的沖刷，達(dá)到植草保護(hù)邊坡的作用。在巖質(zhì)邊坡淺層中，植草護(hù)坡對(duì)保護(hù)水土和防止土體滑坡具有很好的作用，其作用主要體現(xiàn)在固土、蒸騰、截流及改變土壤硬度等方面。本文就從根系固土提高土體抗剪強(qiáng)度的角度，研究植被根系含量對(duì)巖質(zhì)邊坡表層抗沖刷性的影響。

2 植物根系抗沖刷性的力學(xué)研究

2.1 試驗(yàn)研究

草本植物根系對(duì)邊坡土體具有固土作用，即為“加筋作用”[5-6]，可看做附加“粘聚力”△，在一定程度上提高土層的粘聚力，其中粘聚力的大小取決于根系含量。本文通過試驗(yàn)建立植物根系含量對(duì)邊坡抗剪強(qiáng)度影響的關(guān)系，即推導(dǎo)植物根系與△的數(shù)學(xué)表達(dá)式，進(jìn)而通過量化計(jì)算分析根系含量對(duì)邊坡抗抗沖刷能力的影響。假定含根土剪切強(qiáng)度公式形式為：

其中：為含根土的抗剪強(qiáng)度；為含根土的粘聚力；為土體標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力；為含根土的內(nèi)摩擦角；為土體的原始粘聚力；為土體的附加粘聚力。

試驗(yàn)中選取不同的植物根系分布密度，忽略根系分布密度對(duì)內(nèi)摩擦角的影響，只研究對(duì)粘聚力的影響，分別計(jì)算不同的植物根系分布密度下土體附加粘聚力，從而建立單位體積土含根量與附加粘聚力的數(shù)學(xué)表達(dá)式，如表1所示。以每立方米土含根量為橫軸，以粘聚力增加值為縱軸，擬合可得二次曲線，如圖2所示。

表1 各種根系分布密度情況下土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)增加值

圖2 根系含量與粘聚力增加值關(guān)系圖

通過以上研究可得到根系分布密度和土體附加粘聚力的二次函數(shù)關(guān)系式：

根系加筋后土的粘聚力為：

(3)

（3）式代入（1）式可得根系密度與土壤抗剪強(qiáng)度的關(guān)系式為：

2.2 根系對(duì)抗沖刷性的影響

由力學(xué)分析可知，土壤臨界切應(yīng)力[7-8]的計(jì)算公式如下：

其中：為粘性土壤侵蝕厚度；為徑流作甩于土壤的壓力；為土壤滲流水作用于土壤的孔隙水壓力；為土壤自重；為土壤飽和容重；為坡面坡度；為有效粘聚力，為有效摩擦角。

植草護(hù)坡后總粘聚力的增加值近似等于有效粘聚力的增加值，因此假定：

（2）式代入（6）式得：

(7)

(8)

若已知土壤發(fā)生侵蝕的臨界切應(yīng)力，根據(jù)下式可推算土體客土層滑動(dòng)面范圍內(nèi)的單位體積含根量：

表2 土體各種情況下的根系含量表

Tab.2 The roots content tables under various soil

表2結(jié)果顯示粘聚力越大，土體的抗沖刷能力就越強(qiáng)，并且增加幅度較大，由此可見土體粘聚力對(duì)邊坡表層的抗沖刷能力的影響是至關(guān)重要的。由圖2可知，土體根系含量越大，土體的粘聚力能力就越強(qiáng)，邊坡客土層的抗剪強(qiáng)度和抗沖刷能力就越強(qiáng)，土體就越穩(wěn)定。因此，土體的抗剪強(qiáng)度與根系含量成正比，增加邊坡土體中根系含量就等同于增大邊坡土體的抗剪強(qiáng)度，進(jìn)而可保持邊坡土體的穩(wěn)定性，總之增加邊坡土體根系含量是植物護(hù)坡的重要措施之一。

3 結(jié)論

忽略根系分布密度對(duì)內(nèi)摩擦角的影響，選取不同的植物根系分布密度，分別計(jì)算不同的植物根系分布密度下土體附加粘聚力，研究土體根系含量對(duì)粘聚力的影響，從而建立單位體積土含根量與附加粘聚力的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

結(jié)合具體工程實(shí)例巖石邊坡，在給定坡度、厚度、容重、有效粘聚力和摩擦角的情況下，選取馬尼拉草種護(hù)坡，計(jì)算不同的侵蝕厚度坡體沖刷破壞時(shí)相應(yīng)的土體臨界切應(yīng)力和平均植物根系含量，結(jié)果顯示土體根系含量越大，土體的粘聚力越大，土體的抗剪強(qiáng)度就越大，進(jìn)而邊坡土體更穩(wěn)定性。因此，根據(jù)植物根系分布密度，定量估算單位面積所需植物數(shù)量，確定需撒播的草種數(shù)量，進(jìn)而為植物邊坡防護(hù)提供合理的建議。

參考文獻(xiàn)：

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THE INFLUENCE OF ROOT SYSTEM ON ROCK SLOPE SURFACE EROSION RESISTANCE

*GU Jun-bin, YAN Xin

(The school of architecture & civil engineering, Inner Mongolia University of science and Technology, Baotou, Neimenggu 014010, China)

According to the vegetation root content on rock slope surface erosion resistance, the relation of root density and the soil shear strength was established by the relation between root content. Furthermore, we use the added value of cohesive force to derive the soil critical shearing stress and consider the root distribution density. We also calculate per unit volume root content in the scope of sliding surface about soil layer. The selected experiment and analysis shows that vegetation root content on the rock slope surface erosion resistance for the slope chooses the most suitable greening grass and the seeding quantity of per unit area to provide basis effectively.

root content; rock slope; scouring resistance; shear strength

1674-8085(2015)01-0085-03

TU457

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2015.01.017

2014-04-03；修改日期：2014-12-02

內(nèi)蒙古科技大學(xué)創(chuàng)新基金項(xiàng)目（2011NCL056）

*谷俊斌(1983-)，男，山西大同人，講師，碩士, 主要從事計(jì)算力學(xué)研究(E-mail: gu613@163.com);

閆 鑫(1981-)，男，內(nèi)蒙古包頭人，講師，主要從事計(jì)算力學(xué)研究(E-mail: yanxin_80@126.com).