鄧友生,姚志剛,劉華飛,許文濤

( 湖北工業(yè)大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，武漢　430068)

?

微型樁群-土-植被協(xié)同護(hù)坡體系研究述評(píng)

鄧友生,姚志剛,劉華飛,許文濤

( 湖北工業(yè)大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)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(hù)合理的設(shè)計(jì)方式。通過(guò)研究國(guó)內(nèi)外邊坡護(hù)坡技術(shù)的研究現(xiàn)狀，指出微型樁-土-植被協(xié)同護(hù)坡體系設(shè)計(jì)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(hù)坡方式相比較，闡述了協(xié)同護(hù)坡體系具有多方面的優(yōu)點(diǎn)；其次，著重從理論與實(shí)驗(yàn)研究闡述微型樁-土共同護(hù)坡的力學(xué)機(jī)理,從力學(xué)效應(yīng)、水文效應(yīng)與計(jì)算模型3個(gè)方面探索植被體系護(hù)坡的力學(xué)機(jī)理，分析了雨水對(duì)土質(zhì)邊坡的侵蝕與破壞作用；最后，展望了協(xié)同護(hù)坡體系的應(yīng)用前景，并闡明了今后的研究方向。

關(guān)鍵詞：微型樁群；植被體系；協(xié)同護(hù)坡； 雨水作用； 土質(zhì)邊坡

1研究背景

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施大量建設(shè)，特別是高等級(jí)別公路及山區(qū)高速公路的建設(shè)，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(dǎo)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(yán)重。調(diào)查研究表明，由于公路建設(shè)導(dǎo)致長(zhǎng)江中下游每年新增加水土流失5 000萬(wàn)t以上。公路建設(shè)，不可避免會(huì)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(duì)周?chē)h(huán)境與公路本身產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的嚴(yán)重惡果，給人民生活、生產(chǎn)帶來(lái)危害，如滑坡、泥石流等嚴(yán)重的災(zāi)害。在我國(guó)南方地區(qū)，普遍降雨頻繁且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，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(shí)的增強(qiáng)，人們對(duì)生存環(huán)境提出了更高的要求，其意識(shí)已經(jīng)從單純注重工程建設(shè)開(kāi)始向工程建設(shè)與環(huán)境保護(hù)兼顧的方向逐步轉(zhuǎn)變，從單純強(qiáng)調(diào)邊坡的工程防護(hù)開(kāi)始向重視邊坡的植被防護(hù)轉(zhuǎn)移。2000年10月11日，國(guó)務(wù)院向各省、市、自治區(qū)、國(guó)務(wù)院各部委、各直屬機(jī)關(guān)等下發(fā)了《國(guó)務(wù)院關(guān)于進(jìn)一步推進(jìn)全國(guó)綠色通道建設(shè)的通知》[1]，使得生態(tài)護(hù)坡成為國(guó)家層面關(guān)注的科學(xué)問(wèn)題。對(duì)大量的裸露邊坡進(jìn)行生態(tài)防護(hù)成為不可回避的問(wèn)題。然而，公路邊坡的立地條件通常比較復(fù)雜，如果不進(jìn)行邊坡穩(wěn)定加固工程措施處理，植被很難在邊坡上生長(zhǎng)；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(guó)內(nèi)外一些護(hù)坡模式及設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，提出關(guān)于微型樁群-土-植被協(xié)同護(hù)坡體系(以下簡(jiǎn)稱(chēng)協(xié)同護(hù)坡體系)的設(shè)計(jì)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(hù)坡體系的特點(diǎn)

現(xiàn)代巖土工程中，邊坡護(hù)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(jì)型、可持續(xù)型方向發(fā)展。協(xié)同護(hù)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(qiáng)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(duì)深層土體的固結(jié)作用有限，故護(hù)坡中采用微型樁，克服了植被對(duì)土體作用的局限性。微型樁本身柔性大、強(qiáng)度高、協(xié)同變形明顯。協(xié)同護(hù)坡體系可以承擔(dān)更大的荷載，邊坡的穩(wěn)定性得到顯著提高。其特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

(1) 造價(jià)低，工期短，適用性強(qiáng)。布置形式靈活，可根據(jù)設(shè)計(jì)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(duì)周?chē)鷰r土體擾動(dòng)小，對(duì)基礎(chǔ)和地基土產(chǎn)生的附加應(yīng)力較小，可提高邊坡土體穩(wěn)定性。

(3) 施工噪音小，開(kāi)挖面積小，避免造成大面積土體破壞。

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

(5) 植被降低噪聲、光污染，緩解駕駛員和行人視覺(jué)疲勞，有利于行車(chē)安全。

(6) 在地面進(jìn)行微型樁施工及種植植被，施工安全程度高。

3微型樁群護(hù)坡與植被體系護(hù)坡

3.1微型樁群-土共同護(hù)坡的力學(xué)機(jī)理

微型樁又稱(chēng)樹(shù)根樁，是在20世紀(jì)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(lèi)似樹(shù)根分布，國(guó)內(nèi)有些學(xué)者稱(chēng)其為樹(shù)根樁。樁體采用壓漿方法，將高標(biāo)號(hào)水泥砂漿或細(xì)石混凝土與加筋材料壓入孔中，根據(jù)不同的設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土材料，樁頂承臺(tái)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(chǔ)；②用于基坑支護(hù)；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(jī)理：由于微型樁本身具有一定抗彎剛度和抗剪強(qiáng)度，它在巖土體內(nèi)部分布的空間中作為微型樁-土復(fù)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(lái)，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(qiáng)度顯著提高[7]。樁群均勻分布，使整個(gè)邊坡串聯(lián)成一個(gè)有機(jī)的整體，形成一個(gè)具有更大剛度的復(fù)合體，共同構(gòu)成一個(gè)整體來(lái)共同承擔(dān)外荷載。樁體貫穿滑動(dòng)面以下，深入到基巖或深土層，相當(dāng)于懸臂抗滑樁，利用樁的一定抗彎性能抵抗土體壓力。實(shí)質(zhì)上，通過(guò)改良周?chē)鷰r土體的力學(xué)性能，對(duì)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(guò)程中，并非微型樁與土分別承擔(dān)荷載或者簡(jiǎn)單的荷載迭加計(jì)算，而是存在微型樁結(jié)構(gòu)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(shí)，在滑面以上的土層中，微型樁-土復(fù)合體共同抵抗滑坡推力，其中微型樁通過(guò)樁間土體應(yīng)力傳遞、分擔(dān)荷載的作用，將不穩(wěn)定土體應(yīng)力傳遞到穩(wěn)定巖土體中，達(dá)到降低應(yīng)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(gè)邊坡達(dá)到力學(xué)平衡，穩(wěn)定巖土體邊坡。

3.1.1理論研究

研究微型樁的護(hù)坡機(jī)理主要針對(duì)其抗滑承載力進(jìn)行研究，即主要研究其在坡體復(fù)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(hù)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(xué)性能，證實(shí)了微型樁及微型樁群在水平荷載作用下有較好的力學(xué)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(fù)合加強(qiáng)體且體系內(nèi)部不受拉應(yīng)力，提出了網(wǎng)狀微型樁加固斜坡的設(shè)計(jì)方法，但該法局限性較強(qiáng)而難以推廣。

國(guó)內(nèi)微型樁應(yīng)用的歷史比較短，對(duì)它的承載能力還沒(méi)有充分的認(rèn)識(shí)，也沒(méi)有一個(gè)完善的理論。楊文智[11]對(duì)微型樁水平承載性狀進(jìn)行系統(tǒng)研究；戶(hù)巧梅[12]研究了微型樁加固邊坡的內(nèi)力計(jì)算方法；孫書(shū)偉等[13]對(duì)微型樁結(jié)構(gòu)加固邊坡受力機(jī)制和設(shè)計(jì)計(jì)算理論進(jìn)行深入研究；周德培等[14]對(duì)微型樁組合結(jié)構(gòu)的研究表明，微型樁與土形成的抗滑機(jī)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(lái)實(shí)現(xiàn)的，而是通過(guò)發(fā)揮微型樁的抗拉強(qiáng)度和微型樁與地基承載力的優(yōu)勢(shì)來(lái)抵抗滑坡推力。

3.1.2試驗(yàn)研究

Andrew等[15]通過(guò)大規(guī)模的模型試驗(yàn)研究了微型樁群在護(hù)坡中的荷載作用機(jī)理，指出微型樁和地表的連系梁結(jié)合起來(lái)，微型樁抗滑結(jié)構(gòu)可很大程度地提高邊坡的穩(wěn)定性；Rollins等[16]通過(guò)試驗(yàn)研究微型群樁的群樁效應(yīng)及其在水平荷載作用下對(duì)樁體的影響；而B(niǎo)ruce等[17]對(duì)側(cè)向受力的微型樁群的研究表明，當(dāng)排間距達(dá)7～8倍樁徑時(shí)，忽略排間的群樁效應(yīng)。當(dāng)垂直于受力方向的列間距達(dá)3倍樁徑時(shí)，忽略列間的群樁效應(yīng)。

國(guó)內(nèi)，許多專(zhuān)家學(xué)者對(duì)微型樁加固滑坡也進(jìn)行了一系列模型試驗(yàn)。孫書(shū)偉等[13]利用基于相似理論對(duì)微型樁群與普通抗滑樁抗滑特性進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)研究；閆金凱等[18-19],梁烔等[20]進(jìn)行了邊坡與微型樁相互作用的大型物理模型試驗(yàn)，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(shù)豐[21]以陜西略陽(yáng)鳳凰山滑坡為例對(duì)汶川地震滑坡微型樁防治工程進(jìn)行了深入模擬試驗(yàn)研究；陳正等[22]利用有限元軟件研究豎向荷載對(duì)微型樁水平承載性能的影響；李宏輝[23]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及數(shù)值分析得到樁長(zhǎng)、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(duì)微型樁單樁及群樁進(jìn)行了水平荷載試驗(yàn)，結(jié)果表明斜樁基礎(chǔ)能有效地減小水平荷載引起的位移。

以上國(guó)內(nèi)外關(guān)于微型樁用于巖土體邊坡加固方面的相關(guān)理論研究并不多，有的是把微型樁作為樁基來(lái)研究的，其結(jié)果能否應(yīng)用于邊坡治理尚有待進(jìn)一步試驗(yàn)證明，而大部分研究?jī)H僅針對(duì)微型樁的工程護(hù)坡而言，沒(méi)有考慮植被護(hù)坡的參與。

3.2植被體系護(hù)坡力學(xué)機(jī)理

植被護(hù)坡主要依靠坡面植物的地下根系及地上莖葉的作用來(lái)達(dá)到固土護(hù)坡的作用。根系數(shù)量多、相互交織成網(wǎng)狀，通過(guò)根系與土的摩擦、咬合、黏附等作用，提高土體的黏聚強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度[24]。根系和土體共同組成一種特殊的復(fù)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(zhǎng)對(duì)土體有一個(gè)擴(kuò)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(jìn)土體固結(jié)，根-土復(fù)合材料共同抵抗土體變形。根系受拉而提高土體側(cè)向約束力，增強(qiáng)土體抗剪強(qiáng)度，減小邊坡變形，提高邊坡穩(wěn)定性。實(shí)際上，植被不會(huì)影響土體的摩擦角，它主要靠增加土體的黏聚力來(lái)增加土體抗剪強(qiáng)度[25]。植被體系的主要作用有根系的力學(xué)效應(yīng)、水文效應(yīng)。

3.2.1力學(xué)效應(yīng)

(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(yù)應(yīng)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(duì)邊坡巖土體的加固作用相對(duì)較微弱，主要是為了防止坡面水土流失。土-須根形成的復(fù)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(cuò)綜盤(pán)結(jié)。根的加筋作用是通過(guò)根在土-根復(fù)合材料中的約束作用來(lái)增加土體的側(cè)限壓力和土體抗剪強(qiáng)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(qiáng)度、張拉系數(shù)、長(zhǎng)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(lèi)植物的垂直根系，屬于深根，木本植物的根系相對(duì)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(dá)到5 m以上[26]。主根可以貫穿邊坡體淺層的松散風(fēng)化帶，深入堅(jiān)硬的土層中，對(duì)土體起到預(yù)應(yīng)力錨桿的作用。根系中，側(cè)根根系具有斜向牽引效應(yīng)，以側(cè)根牽引力的形式，提高根際土層斜向抗張拉強(qiáng)度[27]。須根又具有黏結(jié)、摩擦等作用。通過(guò)主根、側(cè)根、須根在土體中形成根網(wǎng)，使土體發(fā)生固結(jié)，使土體強(qiáng)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(dǎo)致滑移面的剪應(yīng)力增大到極限狀態(tài)，從而對(duì)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(duì)邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生的超載影響。故在植被護(hù)坡設(shè)計(jì)時(shí)，一般不宜在邊坡中種植大型喬木，在坡腳種植相對(duì)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(yīng)

(1) 降雨截流。一部分降雨被存儲(chǔ)在樹(shù)葉和樹(shù)干上，經(jīng)重新蒸發(fā)，回到大氣中，減少了到達(dá)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(dá)坡面的降雨強(qiáng)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(guò)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(qiáng)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(guān)系[30]。雨水入滲邊坡土體，通過(guò)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(qiáng)土體抗剪能力，提高了邊坡穩(wěn)定性。

3.2.3計(jì)算模型

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

國(guó)內(nèi)專(zhuān)家學(xué)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(xué)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(kù)倫破壞準(zhǔn)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(guò)設(shè)計(jì)了能在室內(nèi)和野外進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)試分析的測(cè)試系統(tǒng)對(duì)側(cè)根與土壤間摩擦型根土黏合鍵的力學(xué)作用機(jī)制進(jìn)行探討，研究表明該系統(tǒng)各項(xiàng)性能能夠滿足根系對(duì)土壤牽引效應(yīng)研究的測(cè)試要求，摩擦型根土黏合鍵破壞模型計(jì)算與室內(nèi)測(cè)試結(jié)果吻合較好；姜志強(qiáng)等[35]將深粗根系視為錨桿，淺細(xì)根系和周?chē)耐馏w作為均勻復(fù)合材料，建立了有限元計(jì)算模型，分析了根土復(fù)合介質(zhì)的強(qiáng)度參數(shù)對(duì)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(jié)合作為一種特殊復(fù)合材料的概念，并對(duì)林木群根護(hù)坡功能及提高坡面抗滑能力進(jìn)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(qiáng)度，認(rèn)為植物根系能夠增加土體的抗剪強(qiáng)度，且穿過(guò)滑動(dòng)面根系的數(shù)量對(duì)邊坡的穩(wěn)定性起主要作用；Khalilnejad等[38]的研究表明植被對(duì)土坡穩(wěn)定性的影響是通過(guò)土壤的吸附力、有效應(yīng)力、孔隙壓力和黏聚力來(lái)攔截，剪應(yīng)力在坡腳以“拔力”的形式體現(xiàn)，此處群根對(duì)抵抗“拔力”有重要作用，如圖1所示。

圖1　根系在坡腳的護(hù)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(jìn)行了試驗(yàn)，表明刺槐植株的側(cè)根抗拉強(qiáng)度最大值遠(yuǎn)大于主根的抗拉強(qiáng)度最大值，與工程結(jié)構(gòu)常用的鋼材HPB235的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值210 MPa相比，該試驗(yàn)植株的根系可提供1/4～1/2的鋼筋拉力；對(duì)林木群根進(jìn)行數(shù)值模擬結(jié)果表明在邊坡頂部和底部適當(dāng)間距的植株可以減小邊坡頂部張拉區(qū)范圍和邊坡剪應(yīng)力區(qū)范圍；劉秀萍等[41]通過(guò)試驗(yàn)比較了有根系土壤與無(wú)根系土壤的抗剪強(qiáng)度；張謝東等[42]以隨州—岳陽(yáng)高速公路中段工程建設(shè)為工程背景，開(kāi)展根土復(fù)合體根系錨固效應(yīng)模型的力學(xué)試驗(yàn)研究，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)，推導(dǎo)植物根系分布密度與黏聚力的函數(shù)關(guān)系式。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于植被護(hù)坡研究較多，但是，大多沒(méi)有與工程措施相結(jié)合(如微型樁)，故并不完善，由于根系長(zhǎng)度有限，對(duì)于有滑坡潛在危險(xiǎn)的土坡，還需要工程防護(hù)。

4雨水作用

Faisal等[43]模擬降雨條件下，凈水壓力變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。Faisal等[44]研究雨季暴雨短時(shí)間使地下水位發(fā)生變化，邊坡土體干濕循環(huán)導(dǎo)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(shí)，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(yàn)表明邊坡的破壞類(lèi)型與其含水量大小有關(guān)，且主要存在2種破壞類(lèi)型：一種是含水量較小時(shí)形成的拉裂縫破壞，另一種是含水量較大時(shí)形成的整體滑塌破壞。同時(shí)，含水量與邊坡的最大穩(wěn)定高度呈非線性關(guān)系。程永輝等[50]研制了一套可在離心機(jī)中進(jìn)行降雨模擬的裝置，并通過(guò)離心模型試驗(yàn)，模擬了降雨條件下典型膨脹土邊坡失穩(wěn)破壞的全過(guò)程，獲得了降雨條件下膨脹土邊坡失穩(wěn)的機(jī)理；錢(qián)紀(jì)蕓等[51]研制的離心場(chǎng)降雨設(shè)備，進(jìn)行了黏性土邊坡降雨離心模型試驗(yàn)，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(jī)理；胡文利等[53]研究土體不同的含水率對(duì)土-植被復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的大小的影響。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于微型樁群護(hù)坡或植被體系護(hù)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(jìn)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(qiáng)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(hù)坡體系作用機(jī)理及設(shè)計(jì)方法，具有重要意義。

5展望

預(yù)計(jì)到2020年，全國(guó)公路通車(chē)?yán)锍虒⑦_(dá)到260萬(wàn)～300萬(wàn)km，高等級(jí)公路總里程將達(dá)到65萬(wàn)km，高速公路通車(chē)總里程將達(dá)到7萬(wàn)km以上[54]。修建公路將產(chǎn)生了大量的路塹與路基邊坡，對(duì)這些邊坡采用協(xié)同護(hù)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(dá)到固坡效益、生態(tài)效益和景觀效益。因此，協(xié)同護(hù)坡體系研究具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)于協(xié)同護(hù)坡體系機(jī)理研究在工程中合理的設(shè)計(jì)、應(yīng)用及其受力變形機(jī)制等還存在以下問(wèn)題仍有待繼續(xù)深入研究：

(1) 在反復(fù)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(duì)基質(zhì)吸力的影響及對(duì)土體強(qiáng)度的損傷與恢復(fù)狀態(tài)。

(2) 天然降雨時(shí)，雨水在微型樁、土與植被根系組成協(xié)同護(hù)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(dòng)力破壞機(jī)制。

參考文獻(xiàn)：

[1]周德培, 張俊云. 植被護(hù)坡工程技術(shù)[M]. 北京:人民交通出版社, 2003:1-2.

[2]王喚龍. 微型樁組合抗滑結(jié)構(gòu)受力機(jī)理與防腐性研究[D]. 成都:西南交通大學(xué), 2011.

[3]楊靜. 微型樁加固邊坡的動(dòng)力響應(yīng)特征及抗震計(jì)算方法研究[D]. 成都:西南交通大學(xué), 2012.

[4]吳璋, 何坤, 王增琪, 等. 微型樁的被動(dòng)錨固作用機(jī)理[J]. 煤田地質(zhì)與勘探, 2012, 40(6):53-57.

[5]龔健, 陳仁朋, 陳云敏, 等. 微型樁原型水平荷載試驗(yàn)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2004，23(20):3541-3546.

[6]SHIELDS D R, PE M. Buckling of Micropiles[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2007, 133(3):334-337.

[7]張丹丹. 微型組合抗滑樁的作用機(jī)制[D]. 青島:中國(guó)海洋大學(xué), 2012.

[8]WILLIAM K H. Micropiles for Slope Stabilization[C]∥Geo Trends ASCE, Denver, Colorado. November 5,2010:78-90.

[9]RICHARDS J R, THOMAS D, ROTHBAUER M J. Lateral Loads on PinPiles(Micro-piles)[C]∥ Proceedings of Sessions of the Geo. Support Conference: Innovation and Cooperation in Geo-industry. American Society of Civil Engineers. Florida, United States, January 29-31, 2004.

[10]CANTONI R, COLLOTTA T, GHIONNA V,etal. A Design Method for Reticulated Micropiles Structure in Sliding Slopes[J]. Ground Engineering, 1989,22(4): 41-47.

[11]楊文智. 微型樁水平承載性狀研究[D]. 北京:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京), 2011.

[12]戶(hù)巧梅. 微型樁加固邊坡的內(nèi)力計(jì)算[D]. 西安:長(zhǎng)安大學(xué), 2009.

[13]孫書(shū)偉, 朱本珍, 馬惠民, 等. 微型樁群與普通抗滑樁抗滑特性的對(duì)比試驗(yàn)研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2009, 31(10):1564-1570.

[14]周德培, 王喚龍, 孫宏偉. 微型樁組合抗滑結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)理論[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2009, 28(7):1353-1362.

[15]ANDREW Z BECKMANN. Load Transfer in Micro-Piles for Slope Stabilization from Test of Large-Scale Physical Models[D]. Columbia: University of Missouri-Columbia，2006.

[16]ROLLINS K M, OLSEN R J, EGBERT J J,etal. Pile Spacing Effects on Lateral Pile Group Behavior: Load Tests [J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2006, 132(10):1262-1271.

[17]BRUCE D A, CADDEN A W, SABATINI P J. Practical Advice for Foundation Design-micropiles for Structural Support [C]∥ Proceedings of Geo-Frontiers Congress 2005: Contemporary Issues in Foundation Engineering. American Society of Civil Engineers. Austin, Texas, United States, January 24-26, 2005:1-25.

[18]閆金凱. 滑坡微型樁防治技術(shù)大型物理模型試驗(yàn)研究[D]. 西安:長(zhǎng)安大學(xué)，2010.

[19]閆金凱, 殷躍平, 門(mén)玉明, 等. 滑坡微型樁群樁加固工程模型試驗(yàn)研究[J]. 土木工程學(xué)報(bào)，2011, 44(4):120-128.

[20]梁炯. 滑坡災(zāi)害防治技術(shù)微型樁群樁物理模擬試驗(yàn)[D]. 西安:長(zhǎng)安大學(xué)，2010.

[21]王樹(shù)豐. 汶川地震滑坡微型樁防治工程研究——以陜西略陽(yáng)鳳凰山滑坡為例[D]. 西安:長(zhǎng)安大學(xué), 2010.

[22]陳正, 劉宇, 梅國(guó)雄. 既有豎向荷載對(duì)微型樁水平承載特性的影響[J]. 南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2011, 33(1):101-105.

[23]李宏輝. 微型樁水平承載特性的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與數(shù)值模擬分析[J]. 南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2013, 18 (5): 89-92.

[24]周云艷，陳建平，王曉梅. 植物須根固土護(hù)坡的復(fù)合材料理論研究[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 32(18):103 -106.

[25]言志信, 曹小紅, 蔡漢成, 等. 植被護(hù)坡中根土相互作用機(jī)制研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J]. 蘭州大學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2010, 46(增1):148-151.

[26]周云艷, 陳建平, 王曉梅. 植被護(hù)坡中植物根系的阻裂增強(qiáng)機(jī)理研究[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(理學(xué)版), 2009, 55(5):613-618.

[27]余芹芹, 喬娜, 胡夏嵩, 等. 植物根-土復(fù)合體固坡力學(xué)效應(yīng)及模型研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J]. 中國(guó)水土保持, 2011，(7):51-54.

[28]王玲玲. 植被護(hù)坡技術(shù)的機(jī)理分析[J]. 山西建筑, 2010, 36(20):348-349.

[29]宋慶豐, 黃小蕓, 劉宇. 植被護(hù)坡功能淺析[J].四川建筑. 2009, 29(4):85-89.

[30]張瑩.淺析植物護(hù)坡水文效應(yīng)[J]. 科技資訊,2011，(6):152-153.

[31]WU T H. Investigation of Landslides on Prince of Wales Island[R]. USA: Ohio State University, 1976.

[32]WU T H，MCKINNELL W P，SWANSTON D N. Strength of Tree Roots and Landslides on Prince of Wales Island，Alaska[J]. Canadian Geotechnical Journal, 1979, (1):19-33.

[33]WALDRON L J. The Shear Resistance of Root-permeated Homogeneous and Stratified Soil[J]. Soil Science Society of America Journal, 1977, (4): 843-849.

[34]劉躍明, 張?jiān)苽? 周躍. 側(cè)根的根土黏合鍵模型及牽引效應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)[J]. 南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2003, 27(1):50-54.

[35]姜志強(qiáng), 孫樹(shù)林, 程龍飛, 等. 根系固土作用及植物護(hù)坡穩(wěn)定性分析[J].勘察科學(xué)技術(shù),2005，(4):12-14.

[36]GRAY D H, SOTIR R B. Biotechnical and Soil Bioengineering Slope Stabilization: A Practical Guide for Erosion Control[M]. New York: Wiley, 1996.

[37]BEEK L P H, WINT J, CAMMERAAT L H,etal. Observation and Simulation of Root Reinforcement on Abandoned Mediterranean Slopes[J]．Plant and Soil, 2005, 278: 55-74.

[38]KHALILNEJAD A, FAISAL H A, OSMAN N. Contribution of the Root to Slope Stability[J]. Geotechnical and Geological Engineering, 2012, (30): 277-288.

[39]肖本林, 羅壽龍, 鄧友生, 等. 根系生態(tài)護(hù)坡的機(jī)理及實(shí)驗(yàn)研究[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2011, 38(5):19-23.

[40]肖本林, 羅壽龍, 陳軍, 等. 根系生態(tài)護(hù)坡的有限元分析[J]. 巖土力學(xué), 2011, 32(6):1881-1885.

[41]劉秀萍, 陳麗華, 宋維峰. 林木根系與黃土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J]. 北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2006，(5): 67-72.

[42]張謝東, 石明強(qiáng), 沈雪香, 等. 高速公路生態(tài)防護(hù)根系固坡的力學(xué)試驗(yàn)研究[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版), 2008，32(1):59-61.

[43]FAISAL H A, MOHAMED T A, HASHIM S,etal. Relationship Between shear Strength and Soil Water Characteristic Curve of an Unsaturated Granitic Residual Soil[J]. American Journal of Environmental Science, 2006, 2(4):142-145.

[44]FAISAL H A, HUAT B B K, RAJOO R S K . Stability Analysis and Stability Chart for Unsaturated Residual Soil Slope[J]. American Journal of Environmental Science, 2006, 2(4):154-160.

[45]WANG G, SASSA K. Factors Affecting Rainfall-induced Flowslides in Laboratory Flume Tests[J]. Géotechnique, 2001, 51(7): 587-599.

[46]OCHIAI H, OKADA Y, FURUYA G,etal. A Fluidized Landslide on a Natural Slope by Artificial Rainfall[J]. Landslides, 2004, 1: 211-219.

[47]MORIWAKI H, INOKUCHI T, HATTANJI T,etal. Failure Processes in a Full-scale Landslide Experiment Using a Rainfall Simulator[J]. Landslides, 2004, 1(4): 277-288.

[48]ZHANG M. Centrifuge Modelling of Potentially Liquefiable Loose Fill Slopes With and Without Soil Nails[D]. Hongkong: Hongkong University of Science and Technology, 2006.

[49]姚裕春, 姚令侃, 王元?jiǎng)? 等. 水入滲條件下邊坡破壞離心模型試驗(yàn)研究[J]. 自然災(zāi)害學(xué)報(bào), 2004, 13(2):149-155.

[50]程永輝, 程展林, 張?jiān)? 降雨條件下膨脹土邊坡失穩(wěn)機(jī)理的離心模型試驗(yàn)研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，2011, 33(增1):409-414.

[51]錢(qián)紀(jì)蕓, 張嘎, 張建民. 降雨時(shí)黏性土邊坡的離心模型試驗(yàn)[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2009, 49(6): 829-833.

[52]孫永帥, 賈蒼琴, 王貴和. 降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響研究綜述[J]. 施工技術(shù), 2012，41(17):63-65.

[53]胡文利, 李為萍, 陳軍. 不同含水率水平下根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J]. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2011, 32(1):1-5.

[54]吳鳴, 趙明華. 可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)公路建研究[J]. 環(huán)境科學(xué)與管理, 2009, 34(10):143-147.

(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(lèi)號(hào)：TU457

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-5485(2016)05-0036-06

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

作者簡(jiǎn)介：鄧友生(1969-),男，湖南桂陽(yáng)人，教授，博士生導(dǎo)師，從事基礎(chǔ)工程的教學(xué)與科研工作，(電話)027-59750498(電子信箱)dengys2009@126.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51378182)

收稿日期：2015-03-06;修回日期：2015-04-10