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        活木樁聯(lián)合草本防護(hù)邊坡穩(wěn)定性數(shù)值研究

        2019-05-28 08:15:14趙歡樂朱愛軍周鴻軻雷明妍
        水力發(fā)電 2019年12期
        關(guān)鍵詞:粘聚力木樁根型

        趙歡樂,朱愛軍,2,周鴻軻,雷明妍

        (1.貴州大學(xué)土木工程學(xué)院,貴州 貴陽 550025;2.貴陽建筑勘察設(shè)計(jì)有限公司,貴州 貴陽 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。出于安全及視覺考慮,需要對其中部分邊坡進(jìn)行加固、修復(fù)、綠化,除了使用錨桿、錨索、混凝土、土釘?shù)韧?,從保護(hù)生態(tài)及自然景觀角度出發(fā),對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)、侵蝕等問題。Holch、Waldron、T.Liang等[2-4]對植物根系的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究,通過室內(nèi)、現(xiàn)場試驗(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]通過研究考慮根系的邊坡穩(wěn)定性問題指出,植被對邊坡淺層滑動(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)坡問題,彌補(bǔ)了現(xiàn)場試驗(yàn)周期長、可視化低等缺點(diǎn),最終給出了活木樁較優(yōu)樁長、樁徑、植入位置等參數(shù)。

        但是,以上研究未對根型的影響進(jìn)行探討,也未分析根系的受力和變形。為此,本文對活木樁、活木樁根型、聯(lián)合草本防護(hù)的邊坡穩(wěn)定性問題進(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(見圖1)。活木樁樁徑0.08 m,樁長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為1號~8號;根系直徑為0.02 m,植草層厚度0.3 m。材料參數(shù)見表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x方向進(jìn)行約束,底部邊界對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)?;钅緲吨踩敕绞奖容^見圖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)貫通的過程中位移不斷增大,豎直植入活木樁中2、3號樁嚴(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M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,也因長度、直徑較小,對邊坡維穩(wěn)貢獻(xiàn)小,僅對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,生長過程穿透土粒間隙,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,通過對比塑性云圖,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號樁間出現(xiàn)分叉,1條在1號樁頂處貫通,另1條越過1號樁底向坡前擴(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)面貫通過程中,滑面下部分區(qū)域土體也隨之移動(dòng),坡腳1號樁周圍也出現(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,得到粘聚力增長率與邊坡安全系數(shù)的關(guān)系(見圖5)。從圖5可知,隨著粘聚力的增長,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。

        樁和根系變形見圖7。從圖7可知,坡體內(nèi)1、2、3、4號樁發(fā)揮著主要作用。1號樁變形明顯且樁底根系受拉嚴(yán)重,因?yàn)?號樁下部穿越滑裂面,滑體滑出帶動(dòng)1號樁上部運(yùn)動(dòng),下部牽引,活木樁張拉,張拉過程抵消了部分下滑力。1號~8號樁樁身應(yīng)力見圖8。從圖8可知,1號樁上部受到較大應(yīng)力,2號~4號樁下部受力大,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

        本文在對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倍樁長范圍內(nèi)。

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