馮國(guó)建,王婷婷

(昆明學(xué)院 建筑工程學(xué)院 昆明市 650214)

邊坡的失穩(wěn)破壞是一種常見(jiàn)的、多發(fā)的自然地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)其治理一般采用水泥、混凝土、石材等傳統(tǒng)工程材料進(jìn)行加固，但這種處理方式導(dǎo)致坡體原有植被遭到破壞，且隨著護(hù)坡材料的老化，防護(hù)效果逐漸減弱。在當(dāng)前倡導(dǎo)生態(tài)文明的背景下，生態(tài)護(hù)坡已成為邊坡防護(hù)的一種主要方式，成為邊坡防護(hù)工程的發(fā)展方向[1]。對(duì)于生態(tài)邊坡，卜宗舉[2]設(shè)計(jì)了一種能夠考慮植物根系加筋作用的邊坡穩(wěn)定性算法，并分析計(jì)算了種植不同類型植物以后的邊坡不同位置的穩(wěn)定性。許銳[3]基于黑沙蒿護(hù)坡效應(yīng)的分析，總結(jié)了陜北黃土邊坡各坡度下適宜的初期護(hù)坡植物物種。嵇曉雷[4]根據(jù)植物天然生長(zhǎng)形態(tài)特征，建立植物根系數(shù)值模型，研究主側(cè)根夾角度數(shù)不同的根系模型對(duì)邊坡表層土體穩(wěn)定性的影響。孫紅[5]應(yīng)用CHASM軟件研究植被類型等因素對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，指出在提高邊坡安全系數(shù)方面，植草優(yōu)于植樹。多數(shù)學(xué)者指出由于植物根系的存在，對(duì)土體具有加筋作用，增加了土體的粘聚力，從而提高了生態(tài)邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)[6-7]。但多數(shù)的研究沒(méi)有考慮邊坡坡向的問(wèn)題，而坡向是重要地形因子之一[8]，坡向不同，植物的受光方向、光照強(qiáng)度及光照時(shí)數(shù)會(huì)存在差異，從而影響不同坡向邊坡的植物生長(zhǎng)發(fā)育條件，從而導(dǎo)致邊坡植物根系長(zhǎng)度、分布特征等存在差異。因此，有必要考慮邊坡坡向?qū)ψo(hù)坡植物根系入土深度的影響，研究不同坡向情況下的生態(tài)邊坡穩(wěn)定性。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

某高速公路是國(guó)家規(guī)劃的西部大開發(fā)八大通道之一的滬陜高速公路的重要一段，自東向西依次穿越信陽(yáng)市、駐馬店市、南陽(yáng)市，全長(zhǎng)183km，年均降雨量703.6～1173.4mm，每年的7～9月為豐水期、12月-3月為枯水期，年平均氣溫14.4～15.7℃，最熱月平均氣溫為26.9～28.0℃，最冷月平均氣溫為0.5～2.4℃。年日照時(shí)間為1897.9～2120.9h，年無(wú)霜期220～245d。沿線土壤類型多樣，主要分布有填砂類、亞粘土類、風(fēng)化巖類、全風(fēng)化巖等。該區(qū)域植物資源十分豐富，常見(jiàn)的邊坡綠化植物包括紫花苜蓿、紫穗槐、白三葉、黑麥草、高羊茅、燕麥等。

1.2 根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)測(cè)定

某高速公路邊坡護(hù)坡植物包括入侵雜草和人工恢復(fù)植物，雖然入侵雜草適應(yīng)性強(qiáng)，根系發(fā)達(dá)，生長(zhǎng)速度快，但其在同一坡向的根長(zhǎng)、根干重都較小，說(shuō)明入侵雜草比人工恢復(fù)植物不良生境的適應(yīng)能力要弱。因此，有必要進(jìn)行人工恢復(fù)植物的研究。刺槐(Robinia pseudoacacia L.)為落葉喬木，具有生長(zhǎng)速度快、萌芽能力強(qiáng)、耐干旱等特點(diǎn)，是主要的水土保持造林樹種之一。本論文以刺槐為例進(jìn)行根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究。

由于在整個(gè)生長(zhǎng)季中，刺槐快速生長(zhǎng)的月份主要集中在每年的4月-6月，因此，在2017年7月-8月在某高速公路不同段選取5年生的10株刺槐植物進(jìn)行野外挖掘，這10株植物的平均樹高為6.05m，平均胸徑為5.70cm。以選取的刺槐樹根基處為中心，將刺槐的地上部分伐倒，然后根據(jù)刺槐根系具有水平根系發(fā)達(dá)、主根較短的特點(diǎn)，從根基處向外1m范圍內(nèi)自上而下進(jìn)行挖掘，同時(shí)將挖掘到的刺槐根系以及挖出的根部土體帶回試驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)研究。對(duì)挖掘到的土體采用烘箱法測(cè)定其含水量，為蒸發(fā)掉土體中的強(qiáng)結(jié)合水，烘箱的設(shè)定溫度為105℃，測(cè)定出的陰坡和陽(yáng)坡的土壤含水量分別為22.9%和20.1%。對(duì)挖掘到的根徑含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到刺槐植物的根徑含量最多的是5～10mm的根系。根據(jù)含水量和根徑含量，在試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行重塑土的直剪試驗(yàn)。采用環(huán)刀法制作純土和根土復(fù)合體試樣，制作的試樣內(nèi)徑為61.8mm，高為20mm，試樣的含水量取陰坡和陽(yáng)坡的平均含水量21.5%，天然重度為18.5kN/m3。已有研究結(jié)果指出植物根系的含量是土體抗剪強(qiáng)度增幅的決定性因素，隨著根系數(shù)量增加，土體抗剪強(qiáng)度隨之增強(qiáng)，但土體的抗剪強(qiáng)度不會(huì)隨著根系含量的提高而持續(xù)增加，而是存在最優(yōu)含根量[9]。因此，對(duì)于根土復(fù)合體試樣，試樣內(nèi)的刺槐根系數(shù)量為1根、根徑為5.1mm，垂直放置在試樣的中心位置。根據(jù)文獻(xiàn)[10]的研究方法對(duì)制作好的試樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)，測(cè)定純土以及根土復(fù)合體的粘聚力和內(nèi)摩擦角這兩個(gè)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

1.3 生態(tài)邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬方法

采用FLAC數(shù)值模擬軟件進(jìn)行生態(tài)邊坡穩(wěn)定性研究，模型設(shè)置的邊界條件為：邊坡的左右兩個(gè)側(cè)面采用法向約束，底面采用固定約束，不考慮地下水及降雨、開挖等對(duì)邊坡的影響。土體采用摩爾-庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則，且植物根系入土深度內(nèi)的土體粘聚力采用前述直剪試驗(yàn)的根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度。在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，由于植物根系重度明顯小于土體的重度，因此忽略植物根系對(duì)土體重度的影響，取土體的天然重度為18.5kN/m3。在陽(yáng)坡和陰坡，刺槐的主根根系入土最大深度分別為50.2cm和62.4cm。通過(guò)改變陰坡和陽(yáng)坡的邊坡坡度以及坡高來(lái)分析邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的變化情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 根土復(fù)合體直剪試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)直剪試驗(yàn)，測(cè)定出純土的粘聚力為29.30kPa，添加植物根系以后構(gòu)成的根土復(fù)合體的粘聚力變?yōu)?4.65kPa，粘聚力增加了45.35kPa；測(cè)定出純土和根土復(fù)合體的內(nèi)摩擦角分別為26.53°和27.34°。純土和根土復(fù)合體的粘聚力和內(nèi)摩擦角對(duì)比圖如圖1所示。

圖1 純土和根土復(fù)合體的粘聚力與內(nèi)摩擦角柱狀對(duì)比圖

從圖1的柱狀對(duì)比圖可以看出，在土體內(nèi)添加刺槐植物根系以后，土體的粘聚力變化較大，而內(nèi)摩擦角變化較小，粘聚力的增加幅度要大于內(nèi)摩擦角的增加幅度。針對(duì)植物根系對(duì)土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響，黃鋼[11]通過(guò)對(duì)原狀土和無(wú)根擾動(dòng)土進(jìn)行直剪試驗(yàn)，指出隨著含根量的增加，土體的黏聚力增大，而內(nèi)摩擦角提高并不明顯。以上試驗(yàn)結(jié)果均表明植物根系提高了土體的粘聚力，這與本文的研究結(jié)果是一致的，印證了本研究的正確性。

2.2 FLAC數(shù)值模擬分析結(jié)果

假設(shè)陽(yáng)坡的邊坡高度為2m，坡度為25°，應(yīng)用FLAC數(shù)值模擬軟件進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性模擬，得到該種情況下的穩(wěn)定安全系數(shù)為2.38。采用同樣的方法，得到邊坡高度為2.5m、3m、3.5m以及坡度為30°、35°和40°情況下陽(yáng)坡和陰坡的穩(wěn)定安全系數(shù)。

2.2.1坡度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

4種坡度情況下的陰坡和陽(yáng)坡的穩(wěn)定安全系數(shù)及安全系數(shù)間的顯著性差異如圖2所示，結(jié)果表明，4種坡度的穩(wěn)定安全系數(shù)在p<0.05水平下差異性顯著。由圖2可知，隨著坡度的增加，陽(yáng)坡和陰坡的穩(wěn)定安全系數(shù)均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但整體趨勢(shì)是陰坡的穩(wěn)定安全系數(shù)要高于陽(yáng)坡。如當(dāng)坡度由25°增加到30°時(shí)，陽(yáng)坡的穩(wěn)定安全系數(shù)比陰坡降低0.26?？梢钥闯觯露葘?duì)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)有影響。

圖2 不同坡度情況下的陰坡和陽(yáng)坡的穩(wěn)定安全系數(shù)注：圖中不同小寫字母表示不同坡度之間的差異顯著(p<0.05)，不同大寫字母表示同一坡度下不同坡向之間差異顯著(p<0.05)

2.2.2坡高對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

4種坡高情況下的陰坡和陽(yáng)坡的穩(wěn)定安全系數(shù)如圖3所示，對(duì)穩(wěn)定安全系數(shù)進(jìn)行差異顯著性分析，結(jié)果表明，4種坡高的穩(wěn)定安全系數(shù)在p<0.05水平下差異性顯著。由圖3可知，隨著坡高的增加，陽(yáng)坡和陰坡的穩(wěn)定安全系數(shù)均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。在相同的坡高條件下，陰坡的穩(wěn)定安全系數(shù)要高于陽(yáng)坡。當(dāng)坡高由2m增加到2.5m、3m、3.5m時(shí)，陽(yáng)坡和陰坡的穩(wěn)定安全系數(shù)分別降低了0.24、0.40、0.52和0.27、0.42、0.56，可以看出，坡高對(duì)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)有影響。

圖3 不同坡高情況下的陰坡和陽(yáng)坡的穩(wěn)定安全系數(shù)注：圖中不同小寫字母表示不同坡高之間的差異顯著(p<0.05)，不同大寫字母表示同一坡高下不同坡向之間差異顯著(p<0.05)

3 討論與結(jié)論

刺槐的根系具有吸水作用，莖葉具有蒸騰作用，在這兩種作用下，邊坡土體內(nèi)的水分會(huì)被消耗掉一部分，降低了土體的含水量，從而降低了土體的孔隙水壓力，導(dǎo)致土體粘聚力增加。另外，當(dāng)邊坡發(fā)生變形乃至形成滑坡時(shí)，邊坡中的土體被剪切，此時(shí)的剪切面通過(guò)植物根系，由于植物根系在土體中起到了加筋的作用，因此，土體受到植物根系的約束作用，從而增加了土體的粘聚力。

在相同的坡度和坡高情況下，由于陰坡的植物根系入土深度比陽(yáng)坡的深，陰坡的穩(wěn)定安全系數(shù)要高于陽(yáng)坡。在相同的坡向條件情況下，邊坡坡度以及坡高的變化會(huì)對(duì)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)產(chǎn)生影響，隨著坡度增大和坡高增加，邊坡穩(wěn)定性逐漸降低。其原因是坡向會(huì)影響邊坡水分蒸散的快慢，陽(yáng)坡的水分蒸發(fā)和植物蒸散比較快，同時(shí)邊坡的水分來(lái)源主要依靠天然降水，對(duì)陽(yáng)坡的水分供應(yīng)不及時(shí)，影響陽(yáng)坡植物的地上和地下部分的生長(zhǎng)，而陰坡土壤的水分含量較高，刺槐根系生長(zhǎng)狀況比陽(yáng)坡好，由于根系的存在，提高了土體的粘聚力，使土體的抗剪強(qiáng)度有所增大，從而不容易造成土體結(jié)構(gòu)的破壞，導(dǎo)致陰坡的植物根系固土效果會(huì)更好，提高了邊坡的穩(wěn)定性。在相同的坡向情況下，坡度增大或者坡高增加，相應(yīng)的邊坡土體自重增加，自重沿著坡面向下的分力就越大，即下滑力越大，若要保持邊坡的穩(wěn)定性，則需要的抗滑力也越大。因此，在邊坡坡度和坡高增加的情況下，下滑力和抗滑力之間原有的平衡狀態(tài)被破壞，從而導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)降低。