草本植物根系對邊坡淺層穩定性影響研究

馮國建,朱維偉

(昆明學院 城鄉建設與工程管理學院,云南 昆明 650214)

草本植物根系對邊坡淺層穩定性影響研究

馮國建,朱維偉

(昆明學院 城鄉建設與工程管理學院,云南 昆明 650214)

為研究草本植物根系對邊坡淺層穩定性的影響，在假設滑坡體為長方體的條件下，通過對植物根系加固邊坡的力學原理進行分析，推導了植物根系對邊坡淺層穩定性的安全系數公式，并計算分析了坡度、滑坡體尺寸以及根土面積比對邊坡穩定性的影響。結果表明：隨著邊坡坡度及滑坡體尺寸的增加，邊坡的穩定系數將減小。并且，植物護坡的坡體安全系數要大于無防護坡體的安全系數。隨著根-土面積比的增大，坡體的穩定系數逐漸增加，說明植物根系能增加邊坡的穩定性。

安全系數；坡度；滑坡體尺寸；根-土面積比

在邊坡的治理過程中，如何將工程建設與環境保護相結合，成為巖土工作者關心的熱點問題。將植被護坡與傳統護坡方式相結合，已成為現今治理邊坡淺層穩定的有效手段，并認為植物根系增加了土體的抗剪強度，從而對邊坡穩定性起到增強作用，國內外學者對這一問題進行了一定研究[1-5]。周正軍等[2]利用理正巖土及數值模擬軟件研究植物根系的加筋作用，分析邊坡坡頂加筋、坡腳加筋及全坡面加筋3種情況下邊坡穩定安全系數，探討植物根系對邊坡淺層穩定的影響。李云鵬等[3]選取重慶縉云山馬尾松和四川大頭茶兩種樹種，比較分析根面積比率、根系位置范圍以及根系角度等因素對土體抗剪強度指標的影響，結果表明針葉樹種根系分布范圍較廣且存在更多與剪切方向成60°的根系，表現出更好的固坡作用。孫發政[6]認為，類蘆地下部分根系發達，能形成強大的根網，可應用于水土保持、固土護坡。此外，還有學者研究了柳杉[7]、狗牙根等植物根系對邊坡穩定的影響[8]，并且也有將植物應用于邊坡侵蝕及邊坡生態工程中的實例[9,10]。以上研究成果，從不同角度認為植物根系能增強土體的抗剪強度，有利于邊坡穩定。筆者在考慮根系對土體抗剪強度影響的基礎上，結合摩爾-庫侖強度準則，假定滑坡體為長方體，考慮滑坡體底面及側面的抗剪強度，對滑坡體的穩定安全系數進行計算。

1 基本假定

在進行邊坡穩定性分析時，滑動面按平面或者圓弧滑動面來進行研究。此次研究為使問題得到簡化，進行假定：(1)在長期的地球內外引力作用下，當層面與坡面基本平行時，坡面處于相對平衡狀態。當坡面表層受到裂隙發育及降水影響時，會產生沿軟弱層面滑動的淺層滑坡。因此，假設滑動面為平面，該平面有一定滑動深度，且與坡面平行，即把滑坡體的形狀近似簡化為長方體。(2)在進行滑坡分析時，不考慮地下水對邊坡穩定的影響。(3)由于草本植物的根系重度明顯小于土體的重度，因此，在計算中不考慮草本植物根系的重度，即假定 γ根-土=γ土體

2 公式推導

對于土質邊坡而言，常用的邊坡穩定分析方法是基于極限平衡理論的極限平衡法，基于極限平衡法，得到邊坡淺層穩定的分析方法。根據試驗假定，得到極限平衡法模型示意圖(圖1)。

圖1 極限平衡法模型示意圖Fig.1 The sketch map of the limit equilibrium method

由圖1可知，淺層滑坡體的下滑力為

T=Wsinα=γBLzcosαsinα

(1)

抗滑力由3部分組成，分別為滑動面的抗剪切力、滑坡體兩個側面土體的抗剪切力和側面上根系的抗剪切力，剪切力的大小分別為τLB、τc(2L+B)zcosα和Δατ(2L+B)zcosα。

式(1)中：T—下滑力，(KN)；W—滑體自重，(KN)；α：坡度；L—滑坡體沿斜坡方向長度，(m)；B—滑坡體的寬度，(m)；z—滑坡體的深度，(m)；τ—滑動面上土體的抗剪強度，(kPa)；τc—滑坡體側面土體的抗剪強度，(kPa)；Δτ—滑坡體側面根系對土體抗剪強度的增量，(kPa)。

根據摩爾-庫侖準則，土體的抗剪強度指標之間有如下關系：

τ=c+σtanφ=c+γzcosαtanφ

(2)

式(2)中：c—土的粘聚力，(kPa)；γ—土體的重度，(kN/m3)；φ—土體的內摩擦角，(O)。

在滑坡體滑動過程中，滑坡體側面在滑動方向上沒有覆土，不考慮正應力，只考慮作用于根-土之間的粘結力。結合摩爾-庫侖準則，滑坡體側面土體的抗剪強度為

τc=c

(3)

對草本根系抗剪切強度的預測采用廣泛使用的Wu等建立的根系增大土壤抗剪切強度的力學模型，即

Δτ=Tr(Ar/A)(sinθ+cosθtanφ)

(4)

(5)

結合式(1)～(5)，可得邊坡淺層滑動的安全系數為

(6)

3 實例計算

根據前述穩定系數的影響因素，改變式(6)中的一個或者幾個參數，而其他參數保持不變，定量分析各參數對邊坡淺層穩定性的影響。假定土體重度為γ=14.7 kN/m3，粘聚力c=2.5 kPa，土體內摩擦角φ=26.8°。以下分析坡度、滑體尺寸、根系的加強作用對邊坡穩定性的影響。

3.1 坡度對邊坡穩定的影響

潛在滑移面深度z=1.5 m，滑坡體寬度B=5 m，滑坡體沿斜坡方向長度L=3 m，根系的平均抗拉強度Tr=10.5 MPa，根系的面積比。改變坡體的坡角，根據式(6)分別計算無根系土體與有根系土體的穩定安全系數(表1)。

結果表明：無根系邊坡與有根系邊坡的安全系數均隨著邊坡坡度的增加而逐漸減小。并且，在相同的坡度條件下，有根系邊坡的安全系數是大于無根系邊坡的安全系數的(表1)。說明，由于根系的存在，能提高坡體的穩定性。

表1 坡度變化時無根系土體與有根系土體的安全系數Table1 The safety parameters of soil and root-soil composite

3.2 滑坡體尺寸對邊坡穩定的影響

結果表明，在相同的滑坡體條件下，有根系滑坡體的安全系數要高于無根系滑坡體的安全系數。無論是有根系土體還是無根系土體，滑坡體尺寸越大，安全系數越小。

3.3 根土面積比對邊坡穩定的影響

潛在滑移面深度z=0.5 m，滑坡體寬度B=5 m，滑坡體沿斜坡方向長度L=3 m，根系的平均抗拉強度Tr=10.5 MPa，坡度為45°，改變根土面積比，根據式(6)分別計算無根系土體與有根系土體的穩定安全系數(表3)。

表2 滑坡體長度和寬度變化時無根系土體與有根系土體的安全系數Table2 The safety parameters of soil and root-soil composite based on the variation of slope length and depth

表3 根-土面積比變化時邊坡的穩定安全系數Table3 The safety parameter of slope under the variation of root-soil area ratio

隨著根土面積比的增加，邊坡穩定安全系數呈正比例關系增加(表3)，說明植物根系密度越大，邊坡越穩定。因此，在進行護坡植物選擇時，應盡量選擇根系密度大的植物。

4 結論

通過分析根系對邊坡的淺層穩定性可知，植物根系能提高邊坡穩定：

(1)在坡度及滑坡體尺寸相同的條件下，由于根系的加固作用，有根系的邊坡穩定安全系數要大于無根系邊坡的安全系數。

(2)邊坡的安全系數與根土面積比呈正相關關系，隨著邊坡中植物根系的增加，邊坡穩定安全系數也隨之增加。

通過理論公式計算了植物根系作用下邊坡的穩定安全系數，指出植物根系對提高邊坡穩定性具有重要作用，但缺少與現場實測數據的對比分析。在以后的工作中，應注重理論與試驗數據的相互驗證研究，提出符合工程實際的理論模型，更好指導生態邊坡的計算、設計及施工工作。

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[2] 周正軍，許文年，夏振堯，等.植物根系對土質邊坡淺層穩定性影響分析[J].人民長江，2011，42(7)：82-85.

[3] 李云鵬，張會蘭，王玉杰，等.針葉與闊葉樹根系對土壤抗剪強度及坡體穩定性的影響[J].水土保持通報，2014，34(1)：40-45.

[4] 肖本林，羅壽龍，鄧友生，等.根系生態護坡的機理及試驗研究[J].湖南大學學報(自然科學版)，2011，38(5)：19-23

[5] 于小娟，張濤.航道植物生態護坡固土模式與結構穩定性研究現狀及發展[J].四川建筑科學，2014，40(3)：144-148.

[6] 孫發政.類蘆的固土護坡性狀及其生產應用價值[J].草原與草坪，2004(1)：66-69.

[7] 李曉鳳，陳麗華，宋恒川，等.柳杉不同樹齡根系加筋作用對邊坡穩定性的影響[J].四川農業大學學報，2013，31(3)：258-263.

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[9] 李義強，王英宇，宋桂龍，等.厚層基材噴播技術在北方半干旱區巖石邊坡植被恢復中的應用——以京承高速公路(三期)植被恢復工程為例[J].草原與草坪，2012，32(3)：58-64.

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Effect of herbaceous plant roots on stability of shallow soil in slope

FENG Guo-jian,ZHU Wei-wei

(DepartmentofUrbanandRuralConstructionandEngineeringManagement,KunmingUniversity,Kunming650214,China)

To study the effect of herbaceous plant roots on slope stability under the condition assuming the landslide as rectangle,the mechanics principle of slope reinforced by herbaceous plant roots were analyzed,and the plant roots on the stability of shallow slope safety coefficient formula was deduced,and then the influence of slope on grade,size of landslide,area ration of roots with soil was calculated and analyzed.The results showed that with the increase of grade and the size of landslide,the stability factor of slope decreased.And the slope safety coefficient with plant protection was greater than the safety factor without plant protection.With the increase of the area of root and soil，the stability of the slope coefficient increased

Safety parameter;grade;size of landslide;area ration of roots and soil

2015-03-20；

2015-04-21

云南省高校優勢特色重點學科(生態學)建設；云南省教育廳科學研究“公路邊坡工程綠化與景觀創意設計的可拓方法研究(2014Y385)”；昆明學院校級“云南省護坡植物根系的分布形態及固土力學機理研究(XJL14012)”項目資助

馮國建(1979-)，男，天津人，副教授，博士，主要研究方向為環境巖土。 E-mail：fengguojian2000@163.com

U 416.14

A

1009-5500(2015)04-0023-04