草及灌木根系對(duì)不同土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性影響分析

陳懌旸，孫樹林,2，王恩喜，劉 博，劉 俊，李 方

(1.河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211100；2.河海大學(xué) 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；3.南京工程高等職業(yè)學(xué)校 地質(zhì)工程系，江蘇 南京 210035)

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草及灌木根系對(duì)不同土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性影響分析

陳懌旸1，孫樹林1,2，王恩喜1，劉 博1，劉 俊1，李 方3

(1.河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211100；2.河海大學(xué) 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；3.南京工程高等職業(yè)學(xué)校 地質(zhì)工程系，江蘇 南京 210035)

通過建立土邊坡有限元模型，運(yùn)用強(qiáng)度折減法，針對(duì)砂、粘土兩種土質(zhì)邊坡及有無降雨情況，分析植被根系對(duì)不同土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明：植被根系能有效的提高邊坡的安全系數(shù)；坡角的變化不影響植被根系對(duì)邊坡安全系數(shù)的提高；在降雨條件下，邊坡穩(wěn)定性會(huì)有一定程度的降低，但植被根系仍能提高邊坡的安全系數(shù)。

強(qiáng)度折減法；草根系；灌木根系；砂土邊坡；粘土邊坡；安全系數(shù)

由于降雨和植被的破壞而產(chǎn)生的滑坡在頻頻發(fā)生。[1-2]為了能更好地了解植被根系如何提高邊坡穩(wěn)定性，很多學(xué)者對(duì)此展開了研究。GENT[2]發(fā)現(xiàn)當(dāng)根系直徑小于0.9 mm，邊坡的抗拉強(qiáng)度有顯著的提高，而當(dāng)根系直徑大于1.0 mm，則影響不大；BAETS[3]研究發(fā)現(xiàn)提高根系的密度及長度密度在對(duì)抗集中水流侵蝕時(shí)的作用比提高植被覆蓋率作用更明顯；周群華[4]發(fā)現(xiàn)當(dāng)根系分布在邊坡的中上部且數(shù)量多時(shí)，能更好的提高邊坡的穩(wěn)定性；YAN Z X[5]發(fā)現(xiàn)在淺層邊坡植被通過與土體之間的摩擦力對(duì)提高土體的抗剪強(qiáng)度起到了非常重要的作用。本文通過建立有限元二維模型，旨在分析不同種類植被的根系，不同邊坡的幾何形狀(不同坡角)以及降雨情況共同作用對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

1　模型的建立

1.1概化模型的建立

圖1為某土邊坡的概化模型，假設(shè)邊坡面為線性。

本文中模型坡高H固定位10 m，坡角α從18°變化至35°。將考慮砂土及粘土兩種土質(zhì)邊坡情況，其力學(xué)性質(zhì)見表1。

表1　砂、粘土力學(xué)參數(shù)表

1.2邊界條件

邊坡的下邊界為既不能產(chǎn)生水平位移也不能產(chǎn)生豎直位移的固定邊界，邊坡的側(cè)邊界為智能產(chǎn)生豎直位移的固定邊界，同時(shí)將邊界盡量遠(yuǎn)離邊坡，從而減小邊界條件對(duì)模型產(chǎn)生的影響。

1.3植被根系作用的設(shè)置

CR=tR(cosθtanφ+sinθ)

(1)

其中tR是土體的平均抗拉強(qiáng)度；θ是土體的剪切角。本文將植被的作用通過附加的凝聚力CR運(yùn)用于模型中。根據(jù)WU T H的研究結(jié)果繪圖，如圖2所示，在邊坡表面兩種植被均能提供2kPa的附加凝聚力，并且隨著深度的增加而減小。草的根系在0.5m處產(chǎn)生的附加凝聚力降為0；而灌木的根系在1m處產(chǎn)生的附加凝聚力降為0。

由于附加凝聚力CR會(huì)隨著深度的增加而減小，本文的模型對(duì)邊坡的表層進(jìn)行更細(xì)微的劃分，來更好地反映出這種變化，并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖3所示。

1.4初始條件

初始條件的模擬即為初始應(yīng)力條件的模擬，初始應(yīng)力狀態(tài)分為初始孔隙水應(yīng)力和初始自重應(yīng)力。由于邊坡面不是水平面，初始自重應(yīng)力的模擬要在計(jì)算過程中模擬，在計(jì)算過程中將ΣMweight設(shè)為1，即可以在第一步計(jì)算過程中加載自重應(yīng)力。

初始孔隙水應(yīng)力的模擬則是通過模擬地下水位線來自動(dòng)生成地下孔隙水應(yīng)力。

1.5計(jì)算方法及失穩(wěn)判據(jù)

Android系統(tǒng)中含有很多涉及獲取用戶隱私的API（Sources點(diǎn)）以及隱秘的數(shù)據(jù)發(fā)送途徑（Sinks點(diǎn)），通過歸類整理并使用基于過程間數(shù)據(jù)流分析技術(shù)[5]的污點(diǎn)傳播算法，尋找從Sources點(diǎn)到Sinks點(diǎn)的傳播路徑，從而發(fā)現(xiàn)這些隱私泄露問題。

有限元強(qiáng)度折減法是一種用來計(jì)算邊坡穩(wěn)定系數(shù)及確定滑坡面的方法。首先給定一對(duì)凝聚力c和內(nèi)摩擦角ψ，將其應(yīng)用在有限單元中，得到邊坡的應(yīng)力應(yīng)變分布特征，再給出一個(gè)折減系數(shù)F，根據(jù)下面的公式(2)計(jì)算，將新得到的凝聚力和內(nèi)摩擦角帶入有限單元中分析，不斷增加折減系數(shù)F，使得邊坡趨于極限平衡狀態(tài)，當(dāng)邊坡處于極限平衡狀態(tài)，這時(shí)的折減系數(shù)就是邊坡的安全系數(shù)[7-9]。

(2)

有限元強(qiáng)度折減法邊坡失穩(wěn)判定以特征部位位移的突變性、塑性區(qū)的貫通性、數(shù)值計(jì)算的收斂性為準(zhǔn)則[10]。

2　結(jié)果分析

2.1植物根系對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響

(1)相同坡角不同植被根系對(duì)安全系數(shù)的影響

兩種植被根系對(duì)不同土邊坡的影響就是對(duì)邊坡表層土體增加了一個(gè)附加的凝聚力CR，CR能增強(qiáng)土體的抗剪強(qiáng)度，從而提高邊坡的安全系數(shù)。

從圖4、圖5中可以看出，草或灌木等植被的存在，對(duì)邊坡的安全系數(shù)有比較明顯的提高。在18°草砂土邊坡中，安全系數(shù)提高了6.45%；在18°灌木砂土邊坡中，安全系數(shù)提高了10.76%。而且圖中結(jié)果顯示，在坡角相同的條件下，灌木根系對(duì)邊坡穩(wěn)定性的增強(qiáng)效果更明顯。粘土邊坡結(jié)果圖也能得到相同的結(jié)論。

(2)不同坡角相同植物根系對(duì)安全系數(shù)的影響

在排除邊坡的土體巖性的情況下，植被的存在能提高邊坡的安全系數(shù)。如圖6所示，不論坡角如何變化，植被都能對(duì)邊坡的安全系數(shù)有一個(gè)明顯的提高。而且從圖中可以得出，植被的存在能增大邊坡處于極限平衡狀態(tài)下坡角的大小。

2.2植物根系對(duì)邊坡變形的影響

植被根系的存在能一定程度的提高邊坡的穩(wěn)定性。如圖7所示，可以看出兩種邊坡變形范圍無明顯變化，在無植被邊坡中最大的變形量可以達(dá)到7.6cm，而在有植被的邊坡中最大的變形量只有2.2cm，減少了71%。結(jié)果表明，植被根系能夠有效的提高邊坡的穩(wěn)定性。

2.3根系在降雨情況下對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響

降雨會(huì)導(dǎo)致土體邊坡產(chǎn)生滲流，導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性降低，通過模擬降雨過程來分析降雨過程中植被根系的影響。如圖8所示，相比較沒有降雨的情況下，邊坡的安全系數(shù)有一定程度的下降。

從圖9可以看出，雖然降雨條件會(huì)使得邊坡穩(wěn)定性降低，但在同樣降雨的情況下，灌木邊坡還是能提高邊坡的安全系數(shù)，增強(qiáng)邊坡的穩(wěn)定性。

從圖10可以看出，無論是否降雨，灌木邊坡都可提高邊坡安全系數(shù)，在無降雨條件下灌木根系對(duì)安全系數(shù)增長率高于降雨條件。從圖10中還可以得出隨著坡角的增大，植被根系對(duì)邊坡穩(wěn)定性的增大作用也隨之增強(qiáng)。

3　結(jié)論

1)植被對(duì)土體邊坡產(chǎn)生一個(gè)附加的凝聚力CR，從而提高邊坡的安全系數(shù)，并且增加邊坡極限平衡狀態(tài)下的臨界坡角。

2)植被對(duì)安全系數(shù)的提高不會(huì)隨著邊坡角度的變化而消失，即對(duì)任何邊坡角度，植被的存在都能提高邊坡的安全系數(shù)。

3)雖然降雨會(huì)降低邊坡的穩(wěn)定性，但在降雨的情況下，植被還能一定程度地提高邊坡的安全系數(shù)。降雨會(huì)減弱根系對(duì)安全系數(shù)的提高作用。

[1]KOKUTSE N K. Analyse Numérique de L’effet Mécanique de la Végétation Sur la Stabilité des Sols en Pente. Université de Lomé [J].Togo，2003：59.

[2]MARIE GENT，ALEXIA STOKES.The influence of cellulose content on tensile strength in tree roots[J].Plant and Soil，2005(278)：1-9.

[3]BAETS S DE，POESEN J.Effects of grass roots on the erodibility of topsoils during concentrated flow[J].Geomorphology，2006(76)：54-76.

[4]周群華,鄧衛(wèi)東.植物根系固坡的有限元數(shù)值模擬分析[J].公路,2007,12(12)：132-136.

[5]YAN Zhixin，SONG Yun.Preliminary study on interaction between plant frictional root and rock-soil mass [J].Technological Science，2010，53(7)：1938-1942.

[6]WU T H，MCKINELL W P.Strength of tree roots and landslides on Prince of Wales Island, Alaska[J].Can Geotech，1979，17(5)：19-33.

[7]李佳雨桐，侍克斌.基于PLAXIS強(qiáng)度折減法的土石壩壩坡穩(wěn)定性分析[J].水利科技與經(jīng)濟(jì)，2012，18(8)：30-32.

[8]吳麗君.有限元強(qiáng)度折減法有關(guān)問題研究及工程應(yīng)用[D].長沙：中南大學(xué)，2009.

[9]何 歡，付成華.強(qiáng)度折減法在邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用[J].河北工程大學(xué)學(xué)報(bào)：自然版，2015，32(3)：31-33.

[10]陳麗華，靳曉光.有限元強(qiáng)度折減法中邊坡三種失效判據(jù)的適用性研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2012，45(9)：136-146.

(責(zé)任編輯王利君)

Effect Analysis of Grass and Shrub Roots on Stability of Different Soil Slopes

CHEN Yiyang1，SUN Shulin1,2，WANG Enxi1，LIU Bo1，LIU Jun1，LI Fang3

(1.School of Earth Science and Engineering,Hohai University,Jiangsu Nanjing,211000,China;2.State Key Laboratory of Hydrology Water Resources and Hydraulic Engineering,Hohai University, Jiangsu Nanjing,210098,China;3.Department of Geologic Engineering,JiangSu Province Nanjing Engineering Vocational College,Jiangsu Nanjing,210035,China)

In this paper ,considering the effect of vegetation roots changes along with the depth of soil slope, establish finite element model , using the strength reduction method, ,focus on clay soil two kinds of soil slope and whether rain or not, to analyze the effects of different vegetation roots on the soil slope stability. The results showed that the vegetation roots can improve the safety coefficient of slope effectively; change of slope angle does not affect the raising of vegetation on the slope safety coefficient of slope; in the rainfall condition, the stability will be reduced to a certain extent, but the roots still can improve the relative safety coefficient of slope.

strength reduction method;grass roots;shrub roots;sandy soil slope;clayey soil slope;safety factor

2016-04-26

國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放研究基金資助項(xiàng)目(2005408911)；留學(xué)回國人員科研基金資助項(xiàng)目(20071108)；江蘇省環(huán)境保護(hù)廳項(xiàng)目(201029)。

陳懌旸(1994-)，男，江西新余人，碩士，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境地質(zhì)工程。

1673-9469(2016)03-0048-04

10.3969/j.issn.1673-9469.2016.03.010

TU43

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