植物護坡技術的力學機理及有限元分析

梁 天 河

(華南理工大學土木與交通學院，廣東 廣州 510641)

植物護坡技術的力學機理及有限元分析

梁 天 河

(華南理工大學土木與交通學院，廣東 廣州 510641)

從加筋作用與錨固作用兩方面，介紹了植物護坡的力學機理，并通過建立有限元計算模型，分析了植物護坡技術對邊坡穩定性的提升效果，指出在經濟條件允許的情況下，對整個邊坡采用植物護坡可較大程度提升邊坡的穩定性，在經濟受限情況下，應首選加筋防護坡面。

植物護坡，力學機理，有限元，穩定性

0 引言

在園林工程中，山體是園內基本地形和景觀背景的重要組成，在傍山車道、觀景平臺等基礎設施的建設過程中，大量的挖山平地、采石取土，破壞了地形地貌和原生植被，形成很多土體裸露的邊坡。坡面由于風化、脹縮循環及表面徑流沖蝕等原因發生破壞，影響邊坡的穩定性，造成水土流失，對園林的生態保護和環境生態景觀產生了消極的影響，需及時治理。

傳統的邊坡防護措施，如漿砌塊石、噴錨支護等，在我國20世紀80年代后大規模城市建設階段，提供了造價低廉、可靠的工程解決方案。但是，傳統的邊坡防護措施已經不能滿足今天園林工程對景觀性和生態保護的要求。

植物護坡是一種古老的邊坡治理方法，其運用有很久的歷史，但直到近二十幾年才被作為一種工程技術方法進行系統的研究[1,2]。植物護坡技術是在被治理的邊坡上播種植物，利用植物根系與巖石、土體的相互作用，形成根土復合體，從而提高邊坡的穩定性，達到加固目的的邊坡治理技術，可單獨作為坡面防護的形式，也可與拱形骨架等其他結構形式形成聯合防護結構。

本文通過介紹植物護坡的力學機理，結合有限元分析，分析了植物護坡技術對邊坡的加固效果。

1 植物護坡的力學機理

王可鈞[3](1998)指出，植物的根系想要發揮固坡作用，必須穿過邊坡的潛在滑動面(見圖1)。最理想的情況是能伸進基巖的裂隙中，以發揮樁和錨桿的作用，從而將土中的剪切作用變成植物根的拉伸作用。

因此，不是所有的根系都能起到提高邊坡穩定性的作用，不僅如此，同一植物的不同根系，對土體的加固作用也是不同的。姜志強[4]、付海峰等[5]將植物根系分成細淺根和深粗根，認為細淺根對周圍土體起加筋作用，深粗根對土體起錨固作用。李國榮[6]將根系分成主根和側根，認為主根對土體起錨固作用，側根對周圍土體起到加筋作用?？傮w而言，植物根系對土體的加固作用主要有加筋作用和錨固作用兩種。

1.1 加筋作用

植物根系在土層中的生長有水平、豎直兩個方向，兩個方向的根系縱橫交錯，形成根系網絡，植物根系網絡與土體共同形成了根—土復合體，根系對土體起到加筋作用，加筋作用的機理可以用準粘聚力理論解釋。

準粘聚力理論由加筋土和未加筋土的三軸對比試驗得到[7]，素土和根土復合體的強度包線見圖2，由于加筋，土體獲得了“準粘聚力”Δc。植物根系生長于土體中，根系網絡與土體共同受力、協調變形，其強度包括土體本身的抗剪強度、根系的抗拉強度和根—土之間的摩阻力，相對素土，抗剪強度得到了提高。

1.2 錨固作用

王可鈞[3]分析了植物根系的抗拉能力、生長方向以及植物根系與土坡穩定性之間的關系，指出植物根只有在足夠伸長而又不被拉出時，才能充分發揮其抗拉強度，達到最大限度地提高土層等效抗剪強度的效果。

如圖3所示，當土體中發生剪切時，相互錯動的土層帶動了植物根系的變形和伸長，植物的根與土體之間的摩擦力將土層中的剪應力轉化為植物根系的拉應力，減小了土層中的有效剪應力，提升了土體的穩定性。

由于剪切作用，原本垂直于剪切面的根產生了一個偏角θ，伸長的根內部產生徑向拉力Tr，植物根的抗拉強度與根的直徑存在如下關系：

Tr=nDm。

其中，Tr為根的抗拉強度，MPa；D為根的直徑，mm；m，n均為給定樹種的經驗常數。

2 植物護坡加固效果的有限元計算

2.1 模型建立及參數選取

為了分析植物護坡技術對邊坡穩定性的提升效果，采用有限元計算對比素土邊坡和采用護坡植物技術加固邊坡的穩定性。視邊坡為平面應變問題，建立如圖4所示的幾何模型。其中，模型被分成4個部分，即①邊坡坡腳、②邊坡坡面、③邊坡坡頂及④無加筋部分。通過對邊坡不同部分的加筋，分析植物種植位置對邊坡穩定性的影響。

為簡化計算，視根—土復合體為均質材料，采用Mohr-Coulomb屈服準則。約束模型底邊的水平、豎直兩個方向的位移和兩側邊界的水平位移，邊坡表面為自由面。計算時僅考慮自重應力，有限元網格如圖5所示。

李國榮[6]在人工堆積的土質邊坡上種植了4種灌木進行研究，采集了植物根系的生長指標，并采用三軸試驗對根—土復合體的物理力學參數進行了試驗。本文選用該試驗中的檸條錦雞兒根的參數進行計算，見表1。該植物的主根長度為(3.7±0.45)m，取3.5 m計算。

表1 計算模型參數

2.2 計算結果分析

計算素土及在不同位置加筋的情況下，邊坡的安全系數，結果

如表2所示。可見，在邊坡的各個位置通過植物護坡進行加固，邊坡穩定性都有不同程度的提升。在對邊坡不同位置單獨加筋的情況下，由有限元計算結果可知，加筋對邊坡穩定性的提升效果從大到小依次為：坡面加筋>坡頂加筋>坡腳加筋，坡面加筋提升效果較為顯著，可達19.17%。同時，在條件允許的情況下，采用植物護坡技術對整個邊坡進行防護，其邊坡安全系數相較于邊坡個別部位單獨防護的安全系數最多提升27%。

表2 不同加筋位置的安全系數

因此，在條件允許的情況下，可采用植物護坡技術對整個邊坡進行防護，可起到最優的護坡效果。在經濟條件受限的情況下，應優先選擇坡面加筋的形式，以獲得更好的經濟效益和較為良好的邊坡加固效果。

3 結語

在邊坡上種植護坡植物，一方面，植物根系在土中生長，豎直、水平兩個方向生長的根系形成根系網絡，根系網絡與土體共同受力、協調變形，從而起到加筋作用。另一方面，植物根系穿過邊坡潛在滑動面，在邊坡滑動破壞的過程中，通過土體與根系間的摩擦力，將土層中的剪應力轉化為植物根系的拉應力，減小了土體中的有效應力，提高了土體的穩定性。

通過有限元計算分析可知，在經濟條件允許的情況下，對整個邊坡采用植物護坡技術進行防護，邊坡穩定性有較大程度的提升。在經濟條件受限的情況下，應首選對坡面進行加筋防護。

[1] 劉世奇,陳靜曦，王吉利.植物護坡技術淺析[J].土工基礎,2003(3):49-51.

[2] 趙廣琦.植物護坡及其生態效應研究[J].水土保持學報,2007(6):60-64.

[3] 王可鈞，李焯芬.植物固坡的力學簡析[J].巖石力學與工程學報,1998(6):687-691.

[4] 姜志強，孫樹林，程龍飛.根系固土作用及植物護坡穩定性分析[J].勘察科學技術,2005(4):12-14.

[5] 付海峰,姜志強，張書豐.植物根系固坡效應模擬及穩定性數值分析[J].水土保持通報,2007(1):92-94，98.

[6] 李國榮.青藏高原東北部黃土區灌木植物根系護坡效應的數值模擬[J].巖石力學與工程學報,2010(9):1877-1884.

[7] 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(10):2041-2045.

Mechanical mechanism and finite element analysis of plant slope protection technology

Liang Tianhe

(CollegeofCivil&Traffic,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510641,China)

Starting from two aspects of reinforcing effect and anchorage, the paper introduces mechanical mechanism of plant slope protection. Through establishing finite element computation model, it analyzes the effect of plant slope protection technology for improving the slope stability, and finally puts forward some suggestions: applying plant slope protection technology can greatly improve the slope stability for the whole slope within the economic monetary constraints; it is a priority to select reinforcing protection slope surface within limited monetary constraints.

plant slope protection, mechanical mechanism, finite element, stability

1009-6825(2017)01-0088-02

2016-10-26

梁天河(1990- )，男，在讀碩士

S157

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