趙歡樂(lè)，朱愛(ài)軍，2，周鴻軻，雷明妍

(1.貴州大學(xué)土木工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；2.貴陽(yáng)建筑勘察設(shè)計(jì)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081)

0 引 言

目前，工程建設(shè)項(xiàng)目明顯增多，如各城市規(guī)劃的高新產(chǎn)業(yè)園區(qū)、脫貧攻堅(jiān)工作中的搬遷安置房及配套設(shè)施、拉進(jìn)城市距離的高鐵動(dòng)車線路等，這些項(xiàng)目存在大量邊坡工程。出于安全及視覺(jué)考慮，需要對(duì)其中部分邊坡進(jìn)行加固、修復(fù)、綠化，除了使用錨桿、錨索、混凝土、土釘?shù)韧猓瑥谋Ｗo(hù)生態(tài)及自然景觀角度出發(fā)，對(duì)于一些邊坡宜采用生態(tài)手段進(jìn)行防護(hù)。其中，有一種就是坡體植入活木樁并種上草本植物的護(hù)坡手段，并于2006年在貴州玉銅公路K146+085～K146+179段實(shí)施，效果明顯[1]。

活木樁-植草護(hù)坡問(wèn)題屬于多學(xué)科交叉的研究課題，涉及林學(xué)、土壤學(xué)、力學(xué)等，各方向關(guān)注的焦點(diǎn)不同。巖土工程主要關(guān)注根與土的相互作用，以及最終參與抵抗、消減坡體滑動(dòng)、侵蝕等問(wèn)題。Holch、Waldron、T.Liang等[2-4]對(duì)植物根系的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究，通過(guò)室內(nèi)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)推導(dǎo)出根系的抗拉、抗剪等公式。Normaniza Osman &S.S.Barakbah等[5]研究總結(jié)了土層中根系的分布區(qū)域，以及根與土體的相互作用。解明曙、王禮先等[6-7]研究了根系的固土與保水能力。陳潮、李雪爾、曹小紅等[8-10]通過(guò)研究考慮根系的邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題指出，植被對(duì)邊坡淺層滑動(dòng)治理效果顯著。徐中華、王云、郝由之等[11-13]采用有限元軟件模擬活木樁護(hù)坡問(wèn)題，彌補(bǔ)了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)周期長(zhǎng)、可視化低等缺點(diǎn)，最終給出了活木樁較優(yōu)樁長(zhǎng)、樁徑、植入位置等參數(shù)。

但是，以上研究未對(duì)根型的影響進(jìn)行探討，也未分析根系的受力和變形。為此，本文對(duì)活木樁、活木樁根型、聯(lián)合草本防護(hù)的邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行研究。

1 數(shù)值計(jì)算模型

本文在總結(jié)前人研究出的活木樁較優(yōu)固坡參數(shù)的基礎(chǔ)上，以貴州省玉銅公路某坡高H為5 m，坡率1∶1的土質(zhì)邊坡為依托，依據(jù)鄭穎人提出的數(shù)值計(jì)算模型尺寸要求[14]，最終確定邊坡計(jì)算模型(見(jiàn)圖1)?；钅緲稑稄?.08 m，樁長(zhǎng)1.5 m，樁間距1.0 m，整個(gè)坡面植入8根與豎直方向呈55°的樁[11]，從坡腳至坡頂依次編號(hào)為1號(hào)～8號(hào)；根系直徑為0.02 m，植草層厚度0.3 m。材料參數(shù)見(jiàn)表1[8，11-12]。

圖1 邊坡計(jì)算模型(單位：mm)

表1 材料參數(shù)

土體、樁及根系的本構(gòu)模型為理想彈塑性模型，計(jì)算中采用Mohr-Coulomb強(qiáng)度屈服準(zhǔn)則。邊坡模型采用四邊形網(wǎng)格并進(jìn)行局部加密，單元類型為平面應(yīng)變CPE4單元，左右邊界對(duì)x方向進(jìn)行約束，底部邊界對(duì)x、y方向進(jìn)行約束，其他為自由邊界。依據(jù)嚴(yán)小龍等[15]，考慮活木樁有鯡骨型、二分枝型和分枝鯡骨型等3種(見(jiàn)圖2)，采用桿T2D2單元模擬，并假定不可壓縮。為保證各部件間的變形協(xié)調(diào)，根系與樁之間綁定約束，然后樁-根體嵌入土中。

圖2 活木樁根型(單位：mm)

2 邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 僅植入活木樁

進(jìn)行數(shù)值分析前，用理正巖土軟件算得自然邊坡的安全系數(shù)為0.083，與ABAQUS軟件算得的0.081相差不大，兩者滑面吻合，滑面深度約2.0 m，屬于淺層滑動(dòng)破壞，可以認(rèn)為所建模型以及采用的計(jì)算方法可行。

為驗(yàn)證徐中華、王云等[11-12]提出的活木樁傾斜植入坡體的固坡效果好，將樁按豎直和55°角2種方法植入坡內(nèi)。活木樁植入方式比較見(jiàn)圖3。圖3中，左圖為塑性區(qū)，右圖為位移。從圖3可知，豎直植入時(shí)邊坡安全系數(shù)基本不變，而考慮55°角植入邊坡安全系數(shù)為1.125，增長(zhǎng)了4.07%，與徐中華、王云等結(jié)論相符。相比豎直植入，傾斜植入活木樁最大塑性區(qū)向邊坡深層移動(dòng)，坡頂塑性區(qū)后移至離坡頂3.66 m處，滑面改徑。坡體在塑性區(qū)貫通的過(guò)程中位移不斷增大，豎直植入活木樁中2、3號(hào)樁嚴(yán)重變形，而傾斜植入的活木樁與土體結(jié)合效果更好，有效限制了滑體的擴(kuò)散，最大位移僅出現(xiàn)在坡腳局部。因此，傾斜植入方式更利于邊坡穩(wěn)定。

活木樁根型比較見(jiàn)圖4。從圖4可知，以55°角將活木樁植入邊坡后，3種生根情況下的邊坡安全系數(shù)分別為1.131、1.144、1.135，較無(wú)根情況均有所提高，分別提高了0.53%、1.69%和0.88%，這是因?yàn)榛钅緲渡?，根系在土體中的加筋和牽引作用的體現(xiàn)。因?yàn)楦筒煌?，模擬結(jié)果存在差異，鯡骨型、分枝鯡骨型的延伸方向大體一致，即便是分枝鯡骨型有不同方向的須根，也因長(zhǎng)度、直徑較小，對(duì)邊坡維穩(wěn)貢獻(xiàn)小，僅對(duì)表層土體有較好的加固效果，兩者安全系數(shù)的增加率接近。而二分枝型的邊坡安全系數(shù)之所以比另外兩者大，是因?yàn)樗捻毟^為分散，伸向土體各個(gè)方向，生長(zhǎng)過(guò)程穿透土粒間隙，將松散土體聚攏形成整體性更強(qiáng)的樁-根-土復(fù)合體，從而增強(qiáng)了邊坡土體的整體性。因此，二分枝型更利于邊坡穩(wěn)定，且根-土界面有機(jī)物的膠結(jié)作用、生物化學(xué)作用形成的根-土復(fù)合介質(zhì)，提高了土體部分區(qū)域摩擦力和粘聚力，使得有根工況邊坡安全系數(shù)有所提高。

圖3 活木樁植入方式比較

圖4 活木樁根型比較

此外，通過(guò)對(duì)比塑性云圖，二分枝型塑性區(qū)明顯有別于另外兩者，由于其對(duì)土體的加筋和牽引作用強(qiáng)，導(dǎo)致根系加固范圍大，更利于坡體穩(wěn)定，因此在1、2號(hào)樁間出現(xiàn)分叉，1條在1號(hào)樁頂處貫通，另1條越過(guò)1號(hào)樁底向坡前擴(kuò)展并貫通，塑性區(qū)也相應(yīng)擴(kuò)大。二分枝型的滑體位移大于另外兩者，整個(gè)位移云圖分布區(qū)間接近，層次清楚，很好地體現(xiàn)坡體漸進(jìn)破壞模式。其次，因二分枝型的抓土能力強(qiáng)，使得滑動(dòng)面貫通過(guò)程中，滑面下部分區(qū)域土體也隨之移動(dòng)，坡腳1號(hào)樁周圍也出現(xiàn)0.40 m的位移，像是坡體滑動(dòng)擠壓坡腳土體形成的位移，由此說(shuō)明該情況坡體滑動(dòng)阻礙大，相比另外兩者更難滑動(dòng)。因此，二分枝型固坡效果優(yōu)于鯡骨型和分枝鯡骨型。

圖6 活木樁-植草情況

2.2 僅植草

實(shí)際工程中，活木樁不是獨(dú)立存在的，樁間多種植花草類的草本植物。草本植物的存在同樣對(duì)邊坡的穩(wěn)定性有影響，外露部分能有效阻止雨水直接沖刷坡體，根系與土壤結(jié)合形成整體性較強(qiáng)的淺層復(fù)合體。嵇曉雷[16]指出，根-土復(fù)合體內(nèi)摩擦角與原有土體基本一致，粘聚力增長(zhǎng)范圍為25.28%～101.69%。因此，本文將根系的粘聚力以5%的梯度從25%一直增加到100%進(jìn)行模擬，得到粘聚力增長(zhǎng)率與邊坡安全系數(shù)的關(guān)系(見(jiàn)圖5)。從圖5可知，隨著粘聚力的增長(zhǎng)，安全系數(shù)階梯型增加，粘聚力增加1倍時(shí)，安全系數(shù)提高2.31%，可以認(rèn)為粘聚力與安全系數(shù)正相關(guān)。數(shù)據(jù)擬合得到安全系數(shù)與粘聚力增長(zhǎng)率的關(guān)系式如下

y=A+Bx2+Cx0.5+De(-x)

(1)

式中，y為安全系數(shù)；x為粘聚力增長(zhǎng)率；參數(shù)A、B、C、D為系數(shù)，分別取1.062 6、0.006 4、0.030 5、0.018 4。

圖5 粘聚力與安全系數(shù)關(guān)系

2.3 活木樁-植草護(hù)坡結(jié)構(gòu)

活木樁為二分枝根型，表層根-土復(fù)合體粘聚力為19 kPa。邊坡塑性區(qū)及位移見(jiàn)圖6。從圖6可知，該情況下邊坡破壞時(shí)剪出口移至坡腳前方，坡頂塑性區(qū)后移，1號(hào)樁樁頂及樁底應(yīng)變最大，并集中于一點(diǎn)，坡腳塑性區(qū)移到坡腳前1倍樁長(zhǎng)范圍內(nèi)?？梢哉J(rèn)為，草本根系的作用使得表層土體的整體性增強(qiáng)，邊坡安全系數(shù)為1.179，比自然邊坡增加了9.07%、無(wú)根系情況增加了4.80%、二分枝根型情況增加了3.06%。邊坡的最大位移為1.392 m，滑體在滑出口處受阻向上滑出。

樁和根系變形見(jiàn)圖7。從圖7可知，坡體內(nèi)1、2、3、4號(hào)樁發(fā)揮著主要作用。1號(hào)樁變形明顯且樁底根系受拉嚴(yán)重，因?yàn)?號(hào)樁下部穿越滑裂面，滑體滑出帶動(dòng)1號(hào)樁上部運(yùn)動(dòng)，下部牽引，活木樁張拉，張拉過(guò)程抵消了部分下滑力。1號(hào)～8號(hào)樁樁身應(yīng)力見(jiàn)圖8。從圖8可知，1號(hào)樁上部受到較大應(yīng)力，2號(hào)～4號(hào)樁下部受力大，這與其未穿越滑裂面有關(guān)，其他樁受力不明顯。由此可以認(rèn)為，活木樁-植草護(hù)坡結(jié)構(gòu)在坡面中下部發(fā)揮著主要作用。

圖7 活木樁及根系位移

圖8 1～8號(hào)樁樁身應(yīng)力

如果活木樁根系發(fā)達(dá)，根系間就會(huì)相互纏繞。當(dāng)纏繞到一定程度，多根樁就能共同抵抗坡體滑動(dòng)。理想情況下，所有根系連在一起在形成網(wǎng)的效果最好(見(jiàn)圖9)。模擬后發(fā)現(xiàn)，邊坡的安全系數(shù)從之前的1.179提高到1.238，增長(zhǎng)了5.00%，整個(gè)塑性區(qū)向坡體深層移動(dòng)，最終在距離坡頂約5 m處貫通。坡體位移最大為1.275 m，集中在坡腳區(qū)域，根系位移范圍在0.840～1.267 m之間。相比其他情況下，活木樁及根系整體性更強(qiáng)，無(wú)明顯扭曲，體現(xiàn)了活木樁在根系纏繞下較好的受拉特性。

圖9 活木樁根系相互纏繞情況

3 結(jié) 語(yǔ)

本文在對(duì)活木樁及植草固坡效果模擬分析后，得到以下結(jié)論：

(1)傾斜植入的活木樁固坡效果優(yōu)于豎直植入活木樁；鯡魚型、二分枝型和二分枝鯡魚型活木樁中，二分枝根型更利于邊坡的穩(wěn)定，而另外2種根型對(duì)邊坡穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)相當(dāng)。

(2)植草情況下，將表層土體的粘聚力逐級(jí)提高后，安全系數(shù)階梯型增加。粘聚力增加1倍時(shí)，安全系數(shù)可提高2%左右。

(3)活木樁聯(lián)合草本防護(hù)邊坡安全系數(shù)比自然邊坡提高9%左右，比無(wú)根系情況提高5%左右，比二分枝根型情況提高3%左右?；钅緲对谄旅嬷邢虏堪l(fā)揮著主要作用，草本根系作用使得表層土體的整體性增強(qiáng)，受兩者相互作用影響，塑性區(qū)移到坡腳前1倍樁長(zhǎng)范圍內(nèi)。