坡度對含根坡體穩定性的影響

坡度對含根坡體穩定性的影響

朱海麗1, 2， 宋 路1， 李國榮1， 胡夏嵩1, 2， 盧海靜1， 趙玉嬌1

(1.青海大學地質工程系，青海西寧 810016；2. 中國科學院青海鹽湖研究所，青海西寧 810008)

摘要為了定量化分析在不同坡度條件下植被根系對邊坡穩定性的貢獻，采用不固結不排水三軸壓縮試驗測定研究區不含根土體及2種灌木植物根-土復合體的抗剪強度參數，應用極限平衡法分析不同坡度對邊坡穩定性的影響。通過算例分析，發現當坡度在25°以下時，有根系邊坡的穩定系數比素土邊坡的穩定系數增大1倍以上；當坡度在25°～50°之間時，種植灌木四翅濱藜的邊坡穩定性較種植檸條錦雞兒邊坡平均增加38%，其中四翅濱藜可提高邊坡穩定系數1.38～0.80，檸條錦雞兒提高邊坡穩定系數在1.03～0.56之間，植物根系對邊坡土體發揮著重要的加筋和錨固作用；當邊坡坡度超過55°時，2種灌木植物根系對邊坡穩定性的影響相對較小。

關鍵詞含根坡體；坡角；根系；穩定系數

中圖分類號S181

基金項目國家自然科學

作者簡介朱海麗(1977- )，女，江蘇溧陽人，副教授，博士，從事邊坡生態防護與濱河生態方面的教學與科研。

收稿日期2015-06-16

Influence of Slope Angle on Root Containing Slope Stability

ZHU Hai-li1,2, SONG Lu1, LI Guo-rong1et al (1. Department of Geological Engineering, Qinghai University, Xining, Qinghai 810016; 2. Qinghai Institute of Salt Lakes, Chinese Academy of Sciences, Xining, Qinghai 810008)

AbstractIn order to make a quantitative analysis of the contribution of root system on slope stability under the condition of different slope angle, unconsolidated and undrained triaxial compression test were used to measure the shear strength parameters of soil and root-soil composite in the study area, then analyzed the influences of slope angle on slope stability by limit equilibrium method. The results showed that the stability coefficient of root containing slope was higher more than one time than soil slope when the slope angle was lower than 25°. The slope stability of planting Atriplex canescens was average increased 38% than slope of planting Caragana korshinskii when the gradient was range from 25°to 50°. Atriplex canescens and Caragana korshinskii can increase slope stability coefficient 1.38-0.80 and 1.03-0.56 respectively, which indicated that root system have significant roles of reinforcement and anchoring on soil mass. During the slope angle was higher than 55°, the influence of two kinds of shrubs on slope stability was relatively lesser.

Key words Root containing slope; Slope angle; Root system; Stability coefficient

國內外大量研究表明，植物的存在對于有效防治坡面水土流失、淺層滑坡，降低邊坡土體龜裂程度，減少邊坡表層土體流失，增加邊坡表層土體穩定性等起著重要作用[1]。植物根系穿過土體，與土體顆粒相互接觸、穿插和纏繞，與土體顆粒之間形成一種天然的根-土復合體[2]。根-土復合體的強度對坡體的穩定性起著重要作用[3-11]，是準確評價根系增強坡體穩定性的必要條件。其中，Lin等[4]利用三維有限元法(3D)對臺灣桃源的桂竹(Phyllostachysbambusoides)坡地進行了模擬，結果表明當坡體為陡坡50°～70°時，桂竹對邊坡穩定性的影響不大；與緩坡<25°和陡坡>40°相比，桂竹對緩坡土體的抗剪強度貢獻較大。肖本林等[6]利用有限元軟件ADINA對30°和40°坡度情況下刺槐林(Robiniapseudoacacia)對邊坡應力和應變場分布的影響進行了模擬計算，結果表明刺槐群根系能改善邊坡淺層土體的應力、應變場，使坡體淺層更趨于穩定，坡度的增加會導致坡腳應力增大，坡肩處逐漸產生拉應力且拉應力逐漸增大，應變集中區的范圍也擴大。Thomas等[11]采用蒙特卡洛法研究了水平根、散生根和主直根3種根型對邊坡坡度依次為0°、5°、35°和45°邊坡穩定性的影響，認為主直根型對坡度為45°坡體穩定性貢獻相對較大，其根-土復合體抗剪強度為15.08 kPa。目前，有關植被增強邊坡土體抗剪強度、提高邊坡穩定性的研究很多，但是對于邊坡角度對于含根坡體穩定性的定量化研究相對較少。為此，筆者主要通過進行室內三軸剪切試驗的方法，獲取不含根土體及根-土復合體的抗剪強度參數，應用極限平衡法算例分析坡角對邊坡穩定性的影響，從而對生態防護邊坡的坡度設計提供一定的理論基礎。

1材料與方法

1.1試驗材料 供試土樣取自青海省西寧市城東區小寨北山的試驗種植區內。土樣為粉質黏土。土樣的物理力學性質指標為：土壤密度1.28 kg/m3,孔隙度54.82%,含水率12.8%,液限23.64%,塑限18.12%,酸堿度(pH)8.13,顆粒d<0.05占64.90%，顆粒d<0.01占21.88%,顆粒d<0.002占5.74%。試驗根系材料為西寧市城東區小寨北山試驗種植區檸條錦雞兒(Caraganakorshinskii)、四翅濱藜(Atriplexcanescens)2種灌木植物根系。這兩種灌木植物具有較強的抗寒、抗旱特性，且根系發達，是青藏高原寒旱環境防風固沙、保持水土的優勢灌木植物種[12]。

1.2試驗方法 用南京土壤儀器廠生產的TCK-1型三軸試驗測量控制儀分別測定土體、2種灌木植物根-土復合體抗剪強度。試驗中三軸試樣為重塑試樣，直徑為61.8 mm，高度為125 mm。試樣含水量為12.8%，濕密度為1.28 g/cm3。試驗分為2種灌木根-土復合體和素土兩種情況。對于含根土的試樣制備，采用垂直方向加根和水平方向加根的方式。每個試樣中垂直放置灌木主根4根，平均長度為120 mm，平均根徑為1.66 mm；灌木側根分三層均勻水平放置在試樣中，每層根量為0.235 g，平均根徑為0.48 mm，根長統一約為50 mm。為了盡量模擬實際情況，制樣所用根系材料均為新鮮根系。為了保證試驗的準確性，每組取4個相同的試件，分別在圍壓10、20、30和40 kPa下進行試驗。對于同一組試樣，在τ-σ應力平面圖上繪制摩爾應力圓，并且繪制不同圍壓下破壞應力圓的包絡線，得素土及根-土復合體抗剪強度指標黏聚力(c)和內摩擦角(φ)。

1.3邊坡穩定系數與坡角的關系

1.3.1邊坡穩定系數的定義[13]。極限平衡法中穩定系數的定義是沿整個滑面的抗剪強度(τf)與滑面上實際剪應力(τ)之比值，即

(1)

引入Mohr-Coulomb條件，則穩定系數可以表示為：

(2)

式中，c為土體的實際黏聚力；φ為土體的實際內摩擦角；cc為土在臨界狀態下的凝聚力；φc為土在臨界狀態下的內摩擦角；σ 為實際的法向應力分量。

1.3.2算例分析含根系坡體的穩定系數。現假設有一淺層邊坡表層土體的厚度為h，長度為l，坡角為α(圖1 )，土體容重為γ，則邊坡表層土體質量Q=γhl。含根坡體分別為種植有灌木檸條錦雞兒和四翅濱藜的土質邊坡，考慮根系在邊坡表層土體中的作用深度，假設h=1 m，則式(2)可表示為：

(3)

式(3)對有根系邊坡和無根系邊坡都是適用的。由于有根系對邊坡的加筋作用，黏聚力提高，土體的實際內摩擦角也有所增大，則邊坡穩定系數提高了邊坡穩定系數提高值(ΔK值)。假設cr為有根系邊坡表層土體的黏聚力，c0為無根系邊坡表層土體的黏聚力，φr為有根系邊坡表層土體的內摩擦角，φ0為無根系邊坡表層土體的內摩擦角，γr為有根系邊坡表層土體的容重，γ0為無根系邊坡表層土體的容重，Kr為有根系邊坡表層土體的穩定系數，K0為無根系邊坡表層土體的穩定系數,則

(4)

2結果與分析

通過三軸壓縮試驗和常規物理試驗，得到研究選用的粉砂土抗剪強度指標、容重及檸條錦雞兒和四翅濱藜兩種灌木植物根-土復合體抗剪強度指標和含根土體容重，具體數值見表1。土的抗剪強度是由土的黏聚力和內摩擦角產生的。許多研究表明，加筋土的抗剪強度的增加完全是由于加筋土產生了黏聚力，而其內摩擦角變化很小[14-15]。該次試驗結果表明，根-土復合體的內摩擦角幾乎與素土的相同；與素土相比，根-土復合體的黏聚力增長非常明顯，其中四翅濱藜黏聚力大于檸條錦雞兒。

表1　邊坡穩定系數計算參數

由式(4)分別計算坡角為10°～90°時的ΔK。由表2可知，種植有兩種灌木植物的邊坡穩定系數提高值均隨坡度的增大而減小，且種植灌木四翅濱藜的邊坡較種植檸條錦雞兒的邊坡穩定系數提高值要大，說明四翅濱藜對淺層邊坡的加固作用較強。此外，根據計算結果，可得到ΔK與α關系的擬合曲線。

表2　不同坡度邊坡穩定系數提高值

由圖2可知,當邊坡坡度在25°以下時，有根系邊坡的穩定系數比素土邊坡的穩定系數增大1倍以上。素土邊坡和有根系邊坡均達到穩定，邊坡表層土體不進行防護即可達到穩定狀態，進行植被護坡主要可發揮綠化環境和防止雨水沖蝕的作用。當邊坡坡度在25°～50°之間時，種植灌木四翅濱藜的邊坡穩定系數比素土邊坡穩定系數增大1.38～0.80，而灌木檸條錦雞兒對邊坡穩定系數增大1.03～0.56。無根系邊坡為次穩定邊坡，需要對邊坡進行植被防護。當表層土體

邊坡為次穩定邊坡，需要對邊坡進行植被防護。當表層土體的植被生長良好時，其錯綜復雜的根系對整個土體起著重要的固持作用，在根系的膨壓作用下根系與表層土體間產生軸向壓力，從而與土體緊密黏合在一起，增大與土體接觸的表面積，使得根系與表層土體間的摩擦阻力增大，因此表現為有根系邊坡表層土體的穩定系數高于無根系邊坡表層土體穩定系數。當邊坡坡度超過55°時，兩種灌木植物根系邊坡的穩定系數比無根系邊坡的穩定系數增大約0.55，邊坡穩定性隨坡度變化平緩，基本為一限值。這與Lin等[4]研究結果相似。由此可知，當坡度不超過55°時，植物根系對提高土體的強度有重要作用。

3結論

(1)采用制作重塑試樣的方法，三軸壓縮試驗結果表明研究區四翅濱藜和檸條錦雞兒兩種灌木植物根-土復合體的內摩擦角幾乎與素土相同；與素土相比，兩種灌木植物根-土復合體的黏聚力增長非常明顯，其中四翅濱藜黏聚力大于檸條錦雞兒。

(2)種植有兩種灌木植物的邊坡穩定系數提高值均隨坡度的增大而減小，且種植灌木四翅濱藜的邊坡較種植檸條錦雞兒的邊坡穩定系數提高值要大。

(3)當邊坡坡度超過55°時，兩種灌木植物根系對邊坡的穩定作用基本達到一限值，表明當坡度不超過55°時，植物根系對提高邊坡穩定性具有一定作用。

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