嵇曉雷 楊平

(江蘇開放大學，南京，210036) (南京林業(yè)大學)

近年來，隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和居民生活水平的提高，各地基礎設施建設不斷完善。然而在邊坡防護方面、邊坡失穩(wěn)、塌方等事故不斷出現(xiàn)，如何對邊坡進行防護以提高邊坡穩(wěn)定性逐漸受到人們的重視。目前傳統(tǒng)的護坡技術，諸如擋土墻、錨桿噴漿、混凝土砌塊等無法為植被提供良好生長環(huán)境，邊坡原有的自然植被難以恢復，破壞了自然平衡，使基礎建設與環(huán)境保護之間的矛盾日益突出，另一方面，降雨及風化作用直接作用于無植被坡體，加劇坡體腐蝕，不利于坡體穩(wěn)定[1]。而生態(tài)護坡技術則是使用植物根系固結土體，增強土體的抗剪強度，增強邊坡淺層穩(wěn)定性[2]。此外，植物蒸騰作用能夠增加土體吸力，防止水土流失[3-4]。由于植被護坡同時具有工程防護和環(huán)境美化的效果，因此近年來逐漸受到眾多專家學者的重視。

早在19世紀時，歐洲就采用枝干壓條、樹枝捆垛等[5]生態(tài)固土護坡方法。1944年，Harrison通過控制植物生長時間和草種，研究公路邊坡草皮鋪設方案[6]。20世紀70年代，“日本綠地工程學會”將植物防護作為恢復生態(tài)，保護環(huán)境的重要措施，植物防護開始向機械化轉變[7]。近年來，我國的邊坡生態(tài)防護技術與高分子材料與肥料學，研究出土工格室、三維網(wǎng)格植草等技術[5]。

目前,關于植物護坡作用機理的研究成果主要集中在根系的固土作用、根土相互作用的力學效應、根系的抗拉拔力及植物固土護坡的機理方面。Greenway定性分析了植被護坡的有利與不利因素，認為兩種作用同時存在，一方面樹木自重及所受風荷載作用在邊坡上引起坡面失穩(wěn)，另一方面，根的錨固作用可使坡面穩(wěn)定性增強，對坡面穩(wěn)固起到積極作用[8]。程洪等[9]指出合適的樹種是決定植被固坡作用的關鍵條件，此外，作者還指出只有樹根穿過土體的滑動面并深入滑動面以下的土體時才能起到錨桿和抗滑樁的作用。Waldron et al.[10]、Gary et al.[11]、認為土體的抗剪強度隨著單位土體中根的含量、體積、根土面積比的增加而提高。李建興等[12]研究發(fā)現(xiàn)植被護坡時，根系的存在均能顯著增大土體內(nèi)摩擦角及黏聚力，同時根系長度和表面積能夠很好地表征土體抗剪強度。吳鵬等[13]通過試驗發(fā)現(xiàn)當根系采用不同的布置模式時，對于邊坡的加固效果及穩(wěn)定性影響不同。

大量研究表明[14-15]，降雨是引發(fā)邊坡失穩(wěn)，造成塌方、滑坡等事故的最主要因素，而植物莖葉對雨水具有攔截作用，可以通過減少到達坡面的降雨量及雨滴初動能削弱降雨對邊坡的侵蝕作用[16-17]，同時植物根系可以有效控制水土流失，提高土體抗剪強度及淺層邊坡穩(wěn)定性[18-20]。

目前,大量研究只考慮了降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響及植被固土的作用，尚未對降雨條件下不同根系布置模式對邊坡穩(wěn)定性進行針對性研究。本文采用數(shù)值模擬的方法，利用PLAXIS 3D有限元軟件模擬了不同根系布置模式在降雨條件下的邊坡位移及穩(wěn)定性，分析了不同根系布置模式下，降雨后邊坡產(chǎn)生的最大位移、邊坡失穩(wěn)滑動面、失穩(wěn)時邊坡塑性點分布以及邊坡最小安全系數(shù)的區(qū)別，為植物根系固土方法提供一定理論支持和依據(jù)。

1 有限元模型的建立

本文采用PLAXIS 3D有限元軟件中的摩爾—庫倫本構模型進行了數(shù)值模擬，排水類型選為排水[17]，邊坡土體選用素填土，含水率取25.35%，重度取18.37 kN/m3，黏聚力取11.95 kPa，摩擦角取22.36°，彈性模量取10 MPa，泊松比取0.3。參考國內(nèi)外眾多邊坡防護的實際工程案例，以坡度1.0∶1.5建立模型對比邊坡穩(wěn)定性，同時考慮到邊坡位移的影響范圍，盡可能減小邊界效應的影響，模型深度取20 m，邊坡左側取50 m邊界，右側取35 m邊界，模型示意圖見圖1。

2 邊坡位移影響對比

實際工程中，降雨在導致土體抗剪強度減小的同時會降低邊坡穩(wěn)定性。此外，不同的根系布置模式對于邊坡的加固效果及穩(wěn)定性影響不同。因此有必要對降雨條件下不同根系布置模式時的邊坡位移進行對比研究。本文選取降雨強度為5 mm/h，降雨時間為1 d，降雨采用PLAXIS 3D軟件中的降雨量進行模擬，該程序可以指定由天氣變化引起的常規(guī)豎向回灌及入滲。此外，參考筆者已開展的試驗研究，分別將1.4 g、直徑1.2 mm的夾竹桃根系按照水平、傾斜、豎直、相交和混合5種方式均勻布置于直徑為39.1 mm，高度為80 mm的圓柱體土體試樣中[21]，如圖2所示。根據(jù)已開展的夾竹桃根系加筋土三軸剪切試驗，取上述5種根系布置模式時植被護坡土體參數(shù)如表1所示[21]。為了研究降雨條件下植被護坡對邊坡位移的影響，將邊坡表層0.6 m的土體按照表1中的參數(shù)進行加固模擬。

表1 土體在不同根系布置模式時的土體參數(shù)

根系護坡條件下降雨后邊坡產(chǎn)生位移是一個逐步進行的過程，PLAXIS 3D軟件可以通過激活或關閉幾何模型中的荷載、土層、降雨量等，以此實現(xiàn)根系護坡條件下降雨的過程。為了模擬結果能夠真實的反應根系護坡邊坡降雨后的實際位移情況，將其過程分為3個步驟。第1步：生成邊坡，初始地應力平衡同時將此過程產(chǎn)生的位移歸零；第2步：將邊坡表層0.6 m的土體分別置換為表2中的土體，模擬根系護坡(無根系護坡時不進行土體置換)；第3步：采用降雨量模式模擬降雨。

圖3為無植被護坡邊坡在降雨后產(chǎn)生的位移云圖，由圖3可以看出此時邊坡最大位移達到了16.60 mm，且邊坡變形主要集中在坡面位置，最大變形發(fā)生在邊坡中心。邊坡產(chǎn)生較大變形的原因是由于滲流作用，降雨后邊坡土體含水率增加，土體強度降低，邊坡產(chǎn)生了整體下滑的趨勢。

圖4為根系采用水平布置方式時降雨1 d后的邊坡位移計算結果。如圖所示，降雨后邊坡產(chǎn)生的位移為1.88 mm，與未采用植被護坡時的邊坡位移相比減小了88.7%。因此在降雨條件下，根系采用水平布置方式能夠顯著減小邊坡失穩(wěn)破壞區(qū)域位移，且采用植被護坡時，降雨條件下邊坡位移主要集中在坡頂部分區(qū)域，坡體及邊坡表面的穩(wěn)定性增強。

植被根系采用傾斜、豎直、相交及混合的布置模式時，降雨1 d后邊坡位移云圖分別見圖5-圖8所示。

對比上述邊坡位移云圖可以看出，降雨條件下根系采用傾斜、豎直、相交及混合布置模式時邊坡最大位移分別為2.09、1.68、1.56、1.55 mm，根系采用不同布置模式均可大幅度減小降雨引起的邊坡位移，但不同根系布置模式對邊坡位移的控制效果有顯著區(qū)別。此外，根系不同布置模式時邊坡位移模式接近，邊坡最大位移均發(fā)生在坡頂位置，且坡面及坡腳位置位移較小。

降雨后不同根系布置模式護坡時邊坡產(chǎn)生的最大位移及與未進行植被護坡相比的位移減小率見表2。由表2可以看出，各根系布置模式下對邊坡位移的控制效果由大到小依次為混合根系、相交根系、豎直根系、水平根系、傾斜根系，位移顯著減小，減小率分別為90.7%、90.6%、89.9%、88.7%、87.4%。因此實際工程中，當采用根系護坡時，根系應優(yōu)先選用混合及相交布置模式，盡可能減小降雨后產(chǎn)生的邊坡位移，避免較大位移引起邊坡滑坡等災害事故。

表2 不同根系布置時邊坡位移及位移減小率

3 邊坡穩(wěn)定性

3.1 強度折減法原理

邊坡穩(wěn)定性有限元計算中常采用強度折減法計算穩(wěn)定性系數(shù)F[22]。即在理想彈塑性有限元計算中，將邊坡土體抗剪切強度參數(shù)按一定比例逐步折減直至其達到破壞狀態(tài)。在PLAXIS 3D有限元軟件中，程序可以自動根據(jù)彈塑性計算結果得到破壞滑動面(土體發(fā)生塑性應變和位移突變的地帶)，并得到邊坡的強度儲備安全系數(shù)F。即：

c′=c/F,tanφ′=tanφ/F。

(1)

強度折減法不需要假定滑動面的形狀及位置，亦無需進行條分，當邊坡強度參數(shù)折減至邊坡達到不穩(wěn)定狀態(tài)時，非線性有限元靜力計算將不收斂，此時的折減系數(shù)就是穩(wěn)定安全系數(shù)。

3.2 邊坡失穩(wěn)滑動面

圖9為根系采用混合布置模式時邊坡偏應變增量分布云圖，其反映了潛在滑動面可能的分布區(qū)域，根系采用其他布置模式時潛在滑動面區(qū)域與混合根系布置模式接近，由于篇幅所限，不再贅述。由偏應變增量分布云圖可以看出滑動面范圍大約在邊坡上坡頂5 m(二分之一坡高)延伸至坡腳處。

3.3 邊坡失穩(wěn)時塑性點對比

圖10和圖11分別為無植被護坡及根系采用混合布置模式時邊坡部分塑性點分布圖。對比兩種情況發(fā)現(xiàn)采用植被護坡可以有效減小邊坡坡腳及坡頂位置的塑性點數(shù)量，有利于增強邊坡表層穩(wěn)定性，但對整個邊坡的塑性點分布影響較小。此外，各種根系布置模式下邊坡塑性點分布較為接近，因此其他邊坡塑性點分布圖在此不再贅述。

3.4 邊坡整體安全性對比

采用PLAXIS 3D有限元軟件的安全性分析對邊坡穩(wěn)定性進行研究時，可以得到各工況下邊坡安全系數(shù)F，如表3所示。

表3 不同根系布置模式下的安全系數(shù)

由表3看出，在坡度1.0∶1.5的情況下，不同根系布置模式下邊坡最小安全系數(shù)與素坡的邊坡最小安全系數(shù)相比變化幅度很小，即有無植被護坡及采用何種根系布置模式對邊坡最小安全系數(shù)影響較小，其原因是由于采用植被護坡時，根系加固的區(qū)域并未深入邊坡的滑動面，無法提高邊坡整體穩(wěn)定性。因此，實際工程中當邊坡整體安全性能不滿足要求時，僅采用植被護坡無法有效提高邊坡安全系數(shù)，此時可考慮聯(lián)合植被護坡和傳統(tǒng)護坡方式，如錨桿護坡的綜合護坡方式提高邊坡整體安全系數(shù)。

4 結論與討論

本文采用PLAXIS 3D有限元軟件,通過研究降雨后邊坡最大位移、失穩(wěn)滑動面、失穩(wěn)時塑性點分布以及最小安全系數(shù)的區(qū)別，分析了不同根系布置模式對降雨條件下邊坡穩(wěn)定性的影響。數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，根系護坡可以增強降雨條件下的邊坡穩(wěn)定性，但不同根系布置模式對邊坡穩(wěn)定性的影響有顯著差異。主要結論如下：降雨條件下不同根系布置模式對邊坡位移控制效果不同，由大到小依次為混合根系、相交根系、豎直根系、水平根系、傾斜根系，其中混合及相交根系布置模式時位移減小率達分別達到了90.7%和90.6%。建議實際工程中選用混合或相交的根系布置模式，減小降雨引發(fā)的邊坡位移。不同根系布置模式下邊坡潛在失穩(wěn)滑動面均位于上坡頂5 m(二分之一坡高)到坡腳處，說明根系布置模式對滑動面范圍影響很小。根系護坡加固了邊坡表面土體的抗剪強度，減少了表層土體的塑形點分布，但不同根系布置模式對邊坡塑形點分布則無影響。邊坡坡度比為1.0∶1.5時，是否采用根系護坡或采用不同根系布置模式對邊坡最小安全系數(shù)無顯著影響，其原因是根系護坡下根系加固區(qū)域并未深入到邊坡滑動面，無法提高邊坡整體穩(wěn)定性。