植物根系對土質邊坡淺層穩定性影響分析第42卷第7期2011年4月人民長江YangtzeRiverVo1.42.No.7Apr.,2011文章編號:1001—4179(2011)07—0082—04植物根系對土質邊坡淺層穩定性影響分析周正軍，許文年，夏振堯,蔡顯楊(1.三峽大學土木與建筑學院，湖北宜昌443002;2.三峽大學三峽庫區地質災害教育部重點實驗室，湖北宜昌443002)摘要:植被護坡工程中，先鋒植物發達的根系能對邊坡土體產生一定程度加筋作用而提高邊坡的淺層穩定.用理正巖土軟件和Ansysl0.0數值計算軟件，計算分析了一簡單土坡潛在薄弱面的位置和狀態.再以根系加筋理論為基礎考慮邊坡坡頂加筋，坡腳加筋和全坡面加筋3種工況，分析了根系加筋對邊坡土體穩定性提高的幅度以及根系加筋對邊坡體影響范圍，以此來評價護坡植被根系提高土質邊坡淺層穩定的效應，并為先鋒物種的選取和搭配提供相應理論依據.關鍵詞:植被護坡;先鋒植物;根系加筋;邊坡穩定性中圖法分類號:TU457文獻標志碼:A通過在坡面上建植人工基材,引入先鋒物種能夠對邊坡植被恢復起到很好的過渡作用….先鋒物種宜選用抗逆性強的草本植物或矮灌木L它們能快速覆蓋邊坡表面以防止雨水侵蝕,并且,植物根系分布在土體中能改善土體的物理力學性能,加固邊坡表層土體,提高邊坡淺層穩定性，并為鄉土物種的栽植創造條件J.本文著重以植物根系加筋作用為基礎，探討護坡先鋒植物根系對土質邊坡淺層穩定性的影響.1根系加筋作用提高土體強度機理根據植物根系形態的不同，分為側根，垂直根和須根.護坡先鋒植物主要采用草本植物和小灌木，多為淺層分布細根系植物.從根系加固的土力學模型來看，在植被護坡工程中，植物淺細根系與土體可看作共同受力，協調變形的根一土加筋復合體.大量試驗和研究表明,根系的存在增加了土體的剪切強度，根系與土壤的相互作用對于提高坡面土體的抗剪能力具有重要的意義.目前，主要有兩種觀點揭示這種復合體的力學特性變化機理，分別是準黏聚力原理，摩擦加筋原理.植物根系加筋固土作用主要體現在根系能提高根一土復合體的黏聚力和內摩擦角，黏聚力提高尤為顯著?黏聚力的提高增強了加筋土層的強度，提高了巖土質邊坡的淺層穩定性.圖1為與剪切面呈任意角度的根系受力圖示..，式1為根系增大土壤抗剪切強度的力學模型.一圈1單根加筋力學模型△Jr=(ETicos+ETisin~btantp)A/A(1)一rctan［】(2)式中,△［為根系增強土體強度平均值;T為單根抗拉強度;為根系變形后與水平向夾角;為巖土體內摩擦角;A/A為根系面積比;z為根系延伸方向與剪切面收稿日期:2010一10一15基金項目：國家自然科學基金項目(50879043);國家水體污染控制與治理科技重大專項課題(2008ZX07104—003-03)作者簡介:周正軍，男，碩士研究生,主要從事邊坡生態防護方面研究.E—mai1:zhouzhengjun66@126.corn第7期周正軍，等:植物根系對土質邊坡淺層穩定性影響分析83初始夾角;x/H為剪切變形比.由式1可知,若不考慮根系之間的強度和尺寸差異，根土相互作用可以看成纖維加筋土的模式.表1列出了幾種常見護坡先鋒植物生長1a后根系在土層中的有效深度.表1幾種常見護坡植物根系有效深度?"cm種類根系有效深度種類根系有效深度野牛草30檸條錦雞兒68紫羊毛4O霸王72四翅濱藜110香根草200早熟禾302淺層根系加固土體數值模擬以植物根系加筋固土機理為基礎,兼顧植物根系在土體中的實際分布和作用范圍，用有限元數值軟件來模擬和評價植物根系加筋作用對于提高邊坡淺層穩定性的尺度效應.2.1原始邊坡穩定性分析現有1:1的邊坡，坡高5m,y=20kN/m,E=100MPa,u=0.33,黏聚力C=10kN/m,內摩擦角=18..用極限平衡法和有限單元法計算原始邊坡的穩定系數，找出邊坡原始薄弱面.極限平衡法分析中普遍采用莫爾一庫侖破壞準則，而Ansysl0.0軟件在模擬求解中為了保證計算的收斂性采用D-P破壞準則.考慮兩種計算結果的可比性,在利用Ansysl0.0軟件進行計算時將D—P準則參數轉化成等價莫爾一庫侖破壞準則,并采用強度折減理論試算得出最終穩定系數.采用外接圓屈服準則計算的安全系數要比莫爾一庫侖等面積圓屈服準則計算的結果大倍"，如表2所示.對原始邊坡利用兩種方法進行計算，得到邊坡穩定系數如下表3中所示.表2不同內摩擦角時的7/值/(?)'7/(.)/(.)01.10O401.367701.521101.165501.428801.546201.233601.521901.555301.301表3原始邊坡穩定系數具體方法邊坡安全系數具體方法邊坡安全系數瑞典條分法1.171Janbu法1.207簡化Bishop法1.206有限元強度折減法1.233對比表3結果可知,利用有限元強度折減法求邊坡穩定系數,不僅能夠得到滿意的結果,同時還能直觀反映邊坡的變形，變化趨勢以及坡體薄弱部位.邊坡變形是邊坡在重力作用下的變形趨勢(見圖2);圖3中,邊坡的塑性區出口離坡頂處3m左右，塑性帶出口寬近0.5m,塑性區入口在坡腳處，其寬度近1.0m,沿坡面發展，并出現明顯應力集中現象.因此現考慮在邊坡上種植護坡植物,考慮根系對土體的加固作用，潛在滑面會發生遷移，邊坡自穩系數會發生變化.圖2邊坡變形圈3邊坡失穩極限塑性區參考常見護坡植物根系在土中有效分布深度和生長趨勢，基于根系加筋土體幅度,在如下幾類工況中利用強度折減法進行探討...考慮植物根系提高邊坡土體黏聚力幅度5個梯度值:20%,40%,60%,80%.100%;加筋深度3個幅度值:0.5,1.0,1.5nl;3種工況:坡頂加筋，坡腳加筋，全坡加筋.2.2植物根系加筋作用對邊坡穩定性影響草本植物根系在0?0.5m土層深度范圍內對邊坡土體進行加筋，在坡頂植草，坡腳植草和全坡面植草3種工況下，邊坡穩定性系數與加筋黏聚力提高之間的關系如圖4;在0?1.01TI和0?1.5m深度范圍內對邊坡土體進行加筋,邊坡穩定系數與加筋黏聚力提高之間的關系分別如圖5,6.圖4—6中,3種工況下邊坡淺層穩定性與草本植物根系加筋邊坡土體的能力呈正相關關系，說明在一定范圍內隨著黏聚力提高，邊坡穩定系數呈近線性增長.這主要是因為:①加筋層土體強度增大，潛在滑面上抗滑力提高，邊坡穩定系數增大，穩定性增強.②根系生長在邊坡體中，根系與邊坡土體形成根一土復人民長江合體.有根系加筋作用的土層，土體的延性提高，抵抗變形的能力增強，延緩了潛在滑動面貫通，邊坡穩定性提高.③根系加筋作用提高了邊坡表層土體強度，減少了坡面微裂縫形成,特別是坡頂張拉裂縫的發展，邊坡體保持相對完整,使表層土體受力相對均勻,邊坡整體穩定性增強.圖4邊坡穩定系數與黏聚力增幅間的關系(0.5in)圖5邊坡穩定系數與黏聚力增幅間的關系(1.0m)黏聚力提禹憾匪/%圖6邊坡穩定系數與黏聚力增幅間的關系(1.5m)3種工況中全坡種植植物時植物根系加固作用最明顯，但整體上提高邊坡土體穩定性幅度不高，提高范圍在10%?17%.出現這種現象的原因在于:①邊坡體由于自重作用產生趨向臨空面的位移，土體在塑性變形區貫通時邊坡體發生滑移破壞，而塑性帶入口和出口分別在坡腳和坡頂一定位置.沿著全坡面種植植物，根系對這兩個薄弱區土體進行加筋,提高了土體的強度，邊坡體穩定性提高.②參考幾種常見護坡植物根系分布深度可知，植被只對邊坡土體起淺層加固作用，實際穿過潛在滑面的根系有限，只在邊坡局部有一定程度作用，在塑性區的入口和出口處體現尤為明顯.因此根系對邊坡體穩定性提高幅度是有限的,當超過一定范圍，根系加筋作用對于提高邊坡穩定性的增率將變得不明顯.圖4中對比坡頂加筋和坡腳加筋兩種工況，在0?0.5m深度范圍內坡頂加筋提高邊坡穩定性效果總體上要相對明顯.這是因為坡腳為邊坡變形塑性發展區入口，而坡頂為邊坡塑性發展區出口.在人口處坡體受到集中力作用,土體應力相對較大,對這一部分土體考慮根系加筋作用，在根系提高土體強度幅度不大的條件下,坡腳加筋效果也不如坡頂加筋明顯.圖5,6中坡腳加筋效果相對坡頂加筋明顯，說明隨著加筋幅度的提高,加筋在塑性區的入口抵抗滑動面發展的能力增強，在這一部分考慮植物根系的作用相對明顯.2.3不同深度范圍根系加筋對邊坡穩定影響不同深度范圍內加筋，植物根系對邊坡穩定系數提高程度有所不同.圖7反映了全坡面種植護坡草本植物，在3個深度范圍內植物根系加筋與邊坡穩定系數提高之間的關系.從圖中可以看出,在黏聚力提高幅度不大的前提下，邊坡穩定系數提高幅度并不是隨著加筋深度的增加而增長，而是存在一個臨界加筋值(黏聚力提高40%左右)，超過這一臨界值，在黏聚力一定的情況下，高邊坡穩定系數隨加筋深度的增加而提高.所以在選擇先鋒植物時需要考慮植物根系的扎根范圍和其對土體加筋作用之間的協調關系,特別是要考慮根系的形態和入土能力,以最大限度發揮植物根系加筋提高邊坡穩定性的作用.圖7全坡面加筋黏聚力提高幅度與邊坡穩定系數的關系3結論與展望護坡植物根系在土層范圍內的加筋作用能提高邊坡的淺層穩定性，雖然提高的幅度有限，但是根系的作用突出了護坡植被在邊坡穩定方面所能起到的積極作用.第7期周正軍，等:植物根系對土質邊坡淺層穩定性影響分析85護坡植被根系提高邊坡穩定程度與根系對土體的加筋幅度有關,在一定范圍內加筋幅度越大，邊坡穩定系數提高越大.不同的植被種植情況下，根系提高邊坡穩定性最明顯工況為全坡面種植.坡頂種植和坡腳種植的加固效果隨根系延伸深度發生變化:在0?0.5in深度范圍,坡頂種植效果顯著;而0?1.0m和0?1.5In深度范圍，坡腳種植效果顯著.在實際工程中，基于護坡效應的完整性，護坡工程中通常沿全坡面植綠,植物根系加筋作用效果明顯.全坡面種植草本植物工況下,在黏聚力提高幅度不大的前提下，邊坡穩定系數提高幅度并不是隨著加筋深度的增加而增長,而是存在一個I臨界值(黏聚力提高40%左右)，超過這一臨界值,在黏聚力一定的情況下,加筋提高邊坡穩定系數隨加筋深度的增加而提高.植被護坡工程中，植物對邊坡淺層穩定影響是多方面的.雖然這里單獨考慮植被根系的加筋作用，凸顯了植被在護坡方面的好處,但是所考慮的工況是理想化的狀態,有必要進一步分析在有根系作用的情況下地下水的活動，以及植被生理生態活動,如根系吸水,葉片蒸騰等對邊坡淺層穩定的影響，這是一個復雜的過程.參考文獻：[1]趙方瑩，趙廷寧.邊坡綠化與生態防護技術[M].北京:中國林業出版社.2009.⑵吳少儒，許文年,王路根，等.噴射護坡綠化技術的物種選擇[J].中國水土保持.2006.(6):41—43.[3][4】[5][6】[7】[8][9][10][12][13][14][15][16]許文年，夏振堯,戴方喜，等.恢復生態學理論在巖質邊坡綠化工程中的應用[J].中國水土保持,2005,(4):31—33.楊亞川，莫永京,王之芳，等.土壤一草本植被根系復合體抗水蝕強度與抗剪強度的試驗研究[J].中國農業大學,1996,1⑵:31—38.陳昌富，劉懷星，李亞平.草根加筋土的室內三軸試驗研究[J].巖土力學,2007,28(10):2041?2045.程洪，顏傳盛,李建慶，等.草本植物根系網的固土機制模式與力學試驗研究(J].水土保持研究,2006,13(1):62—65.周錫九，趙曉峰.坡面植蘋防護的淺層加固作用[J].北方交通大,1995,199(2):143—146.張飛，陳靜曦,陳向波.邊坡生態防護中表層含根系土抗剪試驗研究[J].土工基礎,2006,5(3):25—28.程洪,張新全.草本植物根系網回土原理的力學試驗探究[J].水土保持通報,2002,22(5):20—23.胡夏嵩，李國榮,朱海麗，等.寒旱環境灌木植物根一土相互作用及其護坡力學效應[J].巖石力學與工程,2009,28(3):613—620.吳景海，王德群，陳環.土工合成材料加筋砂土三軸試驗研究[J].巖土工程,2000,22(2):199—204.楊果林，王永和.鋼筋(煤砰石)混凝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