陳 飛， 鐘連祥， 郭 順， 李小雙

(1.江西理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院， 江西 贛州 341000； 2.江西省礦業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江西 贛州 341000)

生態(tài)護(hù)坡是通過(guò)在坡面種植植物或配合工程措施，利用植物根系的加筋、錨固等作用對(duì)邊坡淺層進(jìn)行防護(hù)加固，使之既能滿(mǎn)足對(duì)邊坡淺層穩(wěn)定的要求，又能恢復(fù)被破壞的自然生態(tài)環(huán)境的護(hù)坡方式[1]。近幾十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)不同的試驗(yàn)方法及數(shù)值模擬等手段對(duì)植物固土護(hù)坡的力學(xué)效應(yīng)進(jìn)行了大量的研究，研究結(jié)果表明：植物根系的加筋、錨固作用能夠有效提高邊坡的整體穩(wěn)定性，其根—土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度在一定程度上與根系特征、根系含量和土體性質(zhì)等因素有關(guān)[2-9]。

原地浸礦法是通過(guò)浸礦劑(硫酸銨溶液)將吸附在天然埋藏條件下的風(fēng)化礦體的稀土離子置換出來(lái)并回收稀土元素的新型采礦方法，是目前被人們普遍認(rèn)可的開(kāi)采技術(shù)[10]。針對(duì)離子型稀土礦原地浸礦后邊坡的破壞特征及邊坡的穩(wěn)定性分析已有較為廣泛的研究，而植物對(duì)稀土礦山邊坡的加固效應(yīng)研究還較少。另外，離子型稀土礦山邊坡經(jīng)原地浸礦開(kāi)采后，其土壤具有表層疏松、土層淺薄、土壤涵蓄水能力低和植被難以生長(zhǎng)等特點(diǎn)[11]，在實(shí)際工程應(yīng)用中，若單純依靠植物護(hù)坡，由于植物生長(zhǎng)初期根系尚未成型，邊坡在經(jīng)歷一次又一次的雨水侵蝕后，不僅草籽容易被沖刷掉且邊坡也易發(fā)生滑坡、水土流失及垮塌等地質(zhì)災(zāi)害。因此，本文開(kāi)展狗牙根根系與稀土礦山邊坡砂質(zhì)黏土的復(fù)合體抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究，并探討土壤含水率和含根量對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響，在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建一種以竹格為工程措施材料，狗牙根為生態(tài)護(hù)坡手段的“竹格+狗牙根”的生態(tài)護(hù)坡模式，分析原地浸礦采場(chǎng)邊坡在該生態(tài)護(hù)坡模式防護(hù)下的穩(wěn)定性狀況，深入研究竹格中的竹樁長(zhǎng)度、間距及直徑對(duì)邊坡整體穩(wěn)定性的具體影響。本研究將生態(tài)環(huán)境和邊坡防護(hù)能力有效結(jié)合起來(lái)，形成一個(gè)既能提高邊坡整體穩(wěn)定性，防治水土流失，又能維持生態(tài)平衡的生態(tài)護(hù)坡模式，以期為離子型稀土礦山的生態(tài)防護(hù)提供理論依據(jù)和新方法。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用土樣取自江西省龍南縣足洞河流域某廢棄稀土礦山邊坡表層的砂質(zhì)黏土，取樣深度為0.2～0.4 m，土樣取回后，立即按照《公路土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)原狀土進(jìn)行物理性質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定。經(jīng)土工試驗(yàn)分析得出其天然含水率ω為25.39%(重量百分?jǐn)?shù))，天然密度ρ為1.73 g/cm3，土粒比重Gs為2.69，液限ωl為45.1%，塑限ωp為28.6%，塑性指數(shù)為16.5。

試驗(yàn)選用的植物為離子型稀土礦山邊坡常用的護(hù)坡植物狗牙根(Cynodondactylon)。狗牙根為禾本科多年生地被植物，極耐熱和抗旱，能夠適應(yīng)具有一定酸性的土壤，目前常被作為離子型稀土礦山邊坡的防護(hù)植物。在研究區(qū)選取一塊場(chǎng)地進(jìn)行狗牙根的種植，待狗牙根生長(zhǎng)5個(gè)月后采用整株挖掘法對(duì)狗牙根根系進(jìn)行采集，將采集回來(lái)的根—土復(fù)合體中的根系取出，洗凈根系表面其它雜質(zhì)后，稱(chēng)其質(zhì)量并用游標(biāo)卡尺測(cè)其直徑。本文定義整株挖掘法采集回來(lái)的狗牙根根系質(zhì)量與土的質(zhì)量的比值為根系質(zhì)量分?jǐn)?shù)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)得出狗牙根根系質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%～1.5%，根系直徑主要分布在0.5～1 mm。

1.2 試驗(yàn)方法

為探究在不同含根量和含水率條件下狗牙根根系對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響，本次試驗(yàn)使用重塑土摻根制樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)。試驗(yàn)處理因素有土壤含水率和摻根量，其中土壤含水率設(shè)3個(gè)水平：25%，28%，31%；摻根量設(shè)5個(gè)水平：0.0%,0.2%,0.5%,0.8%,1.1%。分15組(其中3組為不參入根系的素土組)，每組4個(gè)試樣。這15組試樣分別為在上述含水率梯度下分別摻入上述質(zhì)量分?jǐn)?shù)狗牙根根系的試樣。采用南京寧曦土壤儀器有限公司生產(chǎn)的ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀對(duì)這15組試樣分別在100,200,300,400 kPa的垂直壓力下進(jìn)行室內(nèi)直剪試驗(yàn)，求得破壞時(shí)的剪應(yīng)力，繪制剪應(yīng)力和垂直壓力的關(guān)系曲線(xiàn)，利用庫(kù)侖定律τ=c+tanφ求得試樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(黏聚力和內(nèi)摩擦角)。

通過(guò)前期大量的試算，發(fā)現(xiàn)竹格中的竹樁長(zhǎng)度、間距和直徑這3個(gè)因素的變化對(duì)“竹格+狗牙根”生態(tài)護(hù)坡模式的固坡效果影響較為顯著，因此通過(guò)在有限元邊坡模型中改變竹樁長(zhǎng)度、間距和直徑這3個(gè)參數(shù)來(lái)探討它們對(duì)支護(hù)效果的影響，并利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法來(lái)尋找各個(gè)因素間的內(nèi)在變化規(guī)律，因素水平的取值范圍應(yīng)能夠反映實(shí)際的工程情況，這樣正交試驗(yàn)出來(lái)的結(jié)果才具有實(shí)際意義，根據(jù)毛竹圓竹實(shí)際生長(zhǎng)過(guò)程中所能達(dá)到的最大直徑和毛竹圓竹在竹齡、竹稈部位的力學(xué)性能變異規(guī)律并結(jié)合錨桿在邊坡中的實(shí)際工程應(yīng)用，綜合確定竹樁長(zhǎng)度的取值為1，2，3 m，竹樁水平間距的取值為2，2.5，3 m，豎直間距均為2 m，最下一排竹樁距離坡底均為1 m，竹樁直徑的取值為8，12，16 cm。本文正交試驗(yàn)根據(jù)影響因素及其水平個(gè)數(shù)采用4因素3水平正交試驗(yàn)表 ，多出的1個(gè)因素輪空不計(jì)。因素、因子取值及水平次序見(jiàn)表1。

表1 正交試驗(yàn)分析因素水平表

1.3 試樣制備

由于試驗(yàn)所用土樣較松散，采集根—土復(fù)合體原狀土相對(duì)困難，本次試驗(yàn)采用重塑土來(lái)制備試驗(yàn)所需的根—土復(fù)合體試樣，為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，重塑土樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)與原狀土一致。

將風(fēng)干后的狗牙根根系統(tǒng)一剪成2 cm的小段，然后按照原狀土的天然密度、天然含水率和各試驗(yàn)組不同含根量要求稱(chēng)量土樣與根系，試驗(yàn)所用的環(huán)刀尺寸高度2 cm，直徑6.1 cm。為相對(duì)準(zhǔn)確的模擬狗牙根根系在土體中的隨機(jī)生長(zhǎng)狀態(tài)，本試驗(yàn)采用一次性成樣的方法制備根—土復(fù)合體試樣，即將狗牙根根系均勻的拌入土中，然后用環(huán)刀制樣，放入壓樣器中壓實(shí)。

2 結(jié)果與分析

2.1 黏聚力、內(nèi)摩擦角與含根量關(guān)系分析

圖1為不同含水率條件下試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角隨含根量不同的變化特征。由圖1可知，同一含水率條件下，狗牙根根系加筋土的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ隨根系含量的增加而呈增大的趨勢(shì)，當(dāng)含根量從0增加到1.1%時(shí)，25%含水率條件下，根系土的黏聚力從11.52 kPa增加到25.37 kPa，黏聚力增量(用Δc表示)為13.85 kPa，而內(nèi)摩擦角的增量(用Δφ表示)僅為2.7°；28%含水率條件下，根系土的黏聚力從8.27 kPa增加到20.1 kPa，增量Δc為11.83 kPa，增量Δφ為2.2°；31%含水率條件下，根系土的黏聚力從6.2 kPa增加到12.7 kPa，增量Δc為6.5 kPa，增量Δφ為1.9°。由上述分析可知，不論是根系土的黏聚力增量還是內(nèi)摩擦角增量均隨根系土含水率的增大而減小，在本試驗(yàn)設(shè)定的含水率梯度下，狗牙根根系對(duì)含水率為25%的土體加筋效果最顯著。

圖1 黏聚力、內(nèi)摩擦角與含根量關(guān)系

另外從以上數(shù)據(jù)可以看出，在不同含水率條件下，隨著根系含量的提高，土體黏聚力的提升作用均要顯著強(qiáng)于內(nèi)摩擦角，因此，根系對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的提升主要是黏聚力增加的結(jié)果，這和張興玲等[12]、鄭啟萍等[13]的研究結(jié)果是相一致的。分析其原因是因?yàn)樵嚇又写嬖诖怪备?，在剪切過(guò)程中剪切面必須通過(guò)根系，故根系對(duì)試樣具有一定的約束作用，此外，根系的彈性模量和抗拉強(qiáng)度都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于素土，當(dāng)試樣發(fā)生剪切破壞時(shí)，根系可以增加土體抵抗變形的能力，而對(duì)于內(nèi)摩擦角φ來(lái)說(shuō)，根系與土粒之間的接觸面積并不會(huì)因?yàn)楦岛康脑黾佣@著增大，所以φ值受根系含量變化的影響較小。由圖1還可以看出，在不同含水率條件下，根系土黏聚力在含根量達(dá)到0.5%時(shí)其增加幅度呈下降趨勢(shì)，此時(shí)再增加根系含量并不能顯著增強(qiáng)根系土的黏聚力，即存在一最優(yōu)含根量。

由圖1可知，試樣的黏聚力和含水率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即黏聚力隨含水率的增大而降低，這是因?yàn)橥亮Ｅc根系、土粒與土粒之間的膠結(jié)物質(zhì)會(huì)隨含水率的增大而被溶解，進(jìn)而導(dǎo)致黏結(jié)力降低[7]。當(dāng)含水率由25%增加到28%時(shí)，素土組的黏聚力從11.52 kPa下降到8.27 kPa，下降率為28%，當(dāng)含水率由28%增加到31%時(shí)，試樣黏聚力的下降率由素土組的25.03%增加到0.2%含根量的40.22%，表明當(dāng)含水率增加到一定程度時(shí)，根系對(duì)土體的加筋效果顯著減小。在有摻根時(shí)，如1.1%含根量的根系土黏聚力從25.37 kPa下降到20.10 kPa，下降率為20.7%，表明根系不僅具有顯著的加筋作用而且可以減緩試驗(yàn)土體的水敏性。

2.2 “竹格+狗牙根”的生態(tài)護(hù)坡模式數(shù)值模擬分析

2.2.1 “竹格”式生態(tài)防護(hù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介 本文在考慮原地浸礦采場(chǎng)邊坡立地條件的基礎(chǔ)上，構(gòu)建一種適合植物生長(zhǎng)和能夠增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性的“竹格”式生態(tài)防護(hù)結(jié)構(gòu)，提出了“狗牙根+竹格”的生態(tài)護(hù)坡模式，在發(fā)揮狗牙根的加筋作用及生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的同時(shí)，“竹格”既能夠保證狗牙根的正常生長(zhǎng)，又可以增強(qiáng)邊坡的整體穩(wěn)定性。

“竹格”式生態(tài)防護(hù)結(jié)構(gòu)由竹子格構(gòu)框架、竹樁和竹子排水管3部分組成。其具有以下特點(diǎn)：

(1) 竹子格構(gòu)框架和竹樁、竹子排水管連接后可在邊坡表層形成一柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)，不僅能夠有效防止邊坡表層土的滑移，在一定程度還可以降低雨水對(duì)坡面的沖刷作用。

(2) 竹樁和竹子排水管打入土層后，起到一定的擠土效應(yīng)，對(duì)于表層土壤松散的稀土礦邊坡具有積極的作用，能夠提高其土體的抗剪強(qiáng)度，進(jìn)而提高邊坡的整體穩(wěn)定性，另外，草籽基材置于竹樁內(nèi)能夠避免雨水對(duì)草籽的直接沖刷，竹樁內(nèi)的基材滿(mǎn)足植物生長(zhǎng)所需的養(yǎng)分，克服了稀土礦邊坡土壤呈酸性，土層淺薄，保水能力差，植物難以生長(zhǎng)的特點(diǎn)，同時(shí)待植物成功長(zhǎng)成后，根系可以通過(guò)竹樁開(kāi)的孔洞深入土層內(nèi)，進(jìn)而與護(hù)坡結(jié)構(gòu)及土層形成一牢固的柔性保護(hù)層，具有較強(qiáng)的抗拉和抗剪能力，起到顯著的加筋作用，并能夠抑制地表徑流及減緩雨水對(duì)坡面的沖刷，進(jìn)而防止水土流失和提高邊坡的整體穩(wěn)定性。

2.2.2 計(jì)算模型 以江西省龍南縣足洞河流域某廢棄稀土礦山邊坡為研究對(duì)象，采用二維平面應(yīng)變模型分析“竹格+狗牙根”的生態(tài)護(hù)坡模式對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

土體采用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型和Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則，將狗牙根根土復(fù)合體視為均質(zhì)材料進(jìn)行模擬分析[14]，厚度為30 cm。已有研究表明不論是竹片還是圓竹均有較強(qiáng)的抗壓、抗剪和抗彎能力[15]，因此采用梁?jiǎn)卧M竹樁。

擬研究邊坡坡高8 m，坡比1∶1.5，通過(guò)對(duì)該區(qū)域地勘資料的分析，該邊坡巖土層自上而下依次可分為砂質(zhì)黏土、全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖和基巖，其中砂質(zhì)黏土厚約0.5～2.6 m，全風(fēng)化層厚約5～11 m，強(qiáng)風(fēng)化層厚約1.8～3.2 m。根據(jù)鄭穎人等[16]對(duì)有限元法中邊坡計(jì)算范圍的建議，本文邊坡有限元模型坡腳距離右端邊界的距離為坡高的1.5倍，坡頂距離左端邊界的距離為坡高的2.5倍，上下邊界總高為2倍坡高。

2.2.3 計(jì)算參數(shù) 根據(jù)前期素土和狗牙根根土復(fù)合體室內(nèi)直剪試驗(yàn)結(jié)果，本文選取25%含水率和1.1%含根量情況下的抗剪強(qiáng)度力學(xué)指標(biāo)，竹樁力學(xué)參數(shù)的選取采用張丹等[15]的研究成果。具體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)

2.2.4 模擬結(jié)果分析 在進(jìn)行正交試驗(yàn)之前，本文依托理正巖土6.5和Midas軟件分別采用極限平衡法和強(qiáng)度折減法對(duì)上述計(jì)算模型在無(wú)支護(hù)情況下的安全系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，極限平衡法計(jì)算出的安全系數(shù)Fs為1.461，采用強(qiáng)度折減法計(jì)算出的安全系數(shù)Fs為1.525，兩者安全系數(shù)的差值僅為0.064，說(shuō)明采用強(qiáng)度折減法對(duì)本計(jì)算模型進(jìn)行分析其結(jié)果是可靠的，當(dāng)僅采用狗牙根根系護(hù)坡時(shí)，利用強(qiáng)度折減法計(jì)算出的安全系數(shù)Fs為1.532，表明狗牙根根系對(duì)邊坡雖能起到一定的加固作用，但效果不是很明顯，這是因?yàn)槠涓抵饕植荚谶吰聹\層，所能影響的區(qū)域主要為坡面以下30 cm范圍內(nèi)。

本文依據(jù)上述計(jì)算模型和L9(34)正交試驗(yàn)方案，采用Midas GTS NX軟件中的強(qiáng)度折減法對(duì)該邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬分析，選取穩(wěn)定性安全系數(shù)Fs作為本次正交試驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，并利用正交試驗(yàn)方法的直觀分析法對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析，直觀分析結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 正交試驗(yàn)與極差分析結(jié)果

由表3可知，竹樁長(zhǎng)度、竹樁直徑和竹樁間距對(duì)邊坡穩(wěn)定的敏感性依次減小，當(dāng)竹樁長(zhǎng)度取值3.0 m，竹樁間距取值2.5 m，竹樁直徑取值8 cm時(shí)，安全系數(shù)為較優(yōu)取值水平，由此可以得出，竹樁間距并不是越小越好，當(dāng)間距取得過(guò)密時(shí)可能引起群樁效應(yīng)，反而不利于邊坡的穩(wěn)定，其可能存在一最優(yōu)間距，本文經(jīng)直觀分析得出竹樁間距最優(yōu)值在2.5 m附近。由于竹樁取材于圓竹，當(dāng)直徑越大時(shí)，空心直徑越大，反而影響其力學(xué)性質(zhì)，因此竹樁直徑不宜取得過(guò)大，當(dāng)然也不是越小越好。

有限元分析結(jié)果表明，素土邊坡的塑性滑移主要出現(xiàn)在砂質(zhì)黏土和全風(fēng)化花崗巖的交界處，而對(duì)于“竹格+狗牙根”(竹樁長(zhǎng)3 m，間距2.5 m，直徑8 cm)防護(hù)下的邊坡，其塑性滑移帶則出現(xiàn)在更深的土層中，表明“竹格+狗牙根”的生態(tài)護(hù)坡模式能夠限制邊坡坡面的剪切變形及有效防止邊坡表層土的滑移。

3 結(jié) 論

(1) 狗牙根根系在一定程度上能夠顯著提高離子型稀土礦邊坡表層砂質(zhì)黏土的黏聚力c值，而對(duì)內(nèi)摩擦角φ值影響較小，且黏聚力c值隨著含根量的增加而增大，但其增加幅度在含根量達(dá)到0.5%時(shí)呈下降趨勢(shì)，此時(shí)再增加根系含量并不能顯著增強(qiáng)根系土的黏聚力，即存在一最優(yōu)含根量。

(2) 根系土的黏聚力隨含水率的增加而降低，即黏聚力c與含水率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，本文通過(guò)對(duì)不同含水率條件下根系土直剪試驗(yàn)分析，得出狗牙根根系對(duì)含水率為25%的土體加筋效果最好，在實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)建立有效的排水系統(tǒng)，避免邊坡在降雨條件下受到雨水長(zhǎng)時(shí)間的浸泡。

(3) 由于狗牙根根系主要分布在邊坡淺層，所能影響的區(qū)域主要為坡面以下30 cm范圍內(nèi)，其對(duì)邊坡整體穩(wěn)定性的影響較小，當(dāng)僅采用狗牙根根系防護(hù)邊坡時(shí)，其安全系數(shù)相對(duì)于素土邊坡僅提高了2.6%，因此，對(duì)于自穩(wěn)能力不好的邊坡不能僅依靠草本植物來(lái)提高邊坡的穩(wěn)定性。

(4) 數(shù)值模擬和正交實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果表明“竹格+狗牙根”的生態(tài)護(hù)坡模式能夠顯著提高邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)，從而有效防止邊坡表層土的滑移。針對(duì)本文選取的典型邊坡，“竹格”式生態(tài)護(hù)坡結(jié)構(gòu)中竹樁的合理參數(shù)為：竹樁長(zhǎng)度3.0 m，竹樁間距2.5 m，竹樁直徑8 cm。

(5) 本文提出的“竹格”式生態(tài)護(hù)坡結(jié)構(gòu)具有提高邊坡整體穩(wěn)定性，減緩坡面沖刷，利于植物生長(zhǎng)，施工簡(jiǎn)單及造價(jià)低廉的特點(diǎn)，擁有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

直剪試驗(yàn)研究表明，在不同含根量和含水率條件下，植物根系的存在均能夠顯著提高土體的黏聚力，初步總結(jié)出了不同含水率、不同含根量對(duì)土體黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響規(guī)律，針對(duì)離子型稀土礦邊坡土壤具有表層疏松、土層淺薄、土壤涵蓄水能力低和植被難以生長(zhǎng)等特點(diǎn)，構(gòu)建了一種新型的“竹格”式生態(tài)防護(hù)結(jié)構(gòu)，提出了“竹格+狗牙根”的生態(tài)護(hù)坡模式，利用數(shù)值模擬分析法對(duì)該生態(tài)護(hù)坡模式的防護(hù)效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)并通過(guò)正交試驗(yàn)對(duì)“竹格”式生態(tài)護(hù)坡結(jié)構(gòu)中的竹樁參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，能夠?yàn)樵囼?yàn)區(qū)及相似地區(qū)淺層邊坡的生態(tài)防護(hù)提供理論依據(jù)和技術(shù)方法。本文沒(méi)有對(duì)不同含水率條件下的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，今后應(yīng)對(duì)該方面進(jìn)行深入的研究，為邊坡的生態(tài)防護(hù)提供更加科學(xué)的理論依據(jù)。