某高速公路不同坡向情況下的邊坡穩定性分析研究

馮國建,王婷婷

(昆明學院 建筑工程學院 昆明市 650214)

邊坡的失穩破壞是一種常見的、多發的自然地質災害，對其治理一般采用水泥、混凝土、石材等傳統工程材料進行加固，但這種處理方式導致坡體原有植被遭到破壞，且隨著護坡材料的老化，防護效果逐漸減弱。在當前倡導生態文明的背景下，生態護坡已成為邊坡防護的一種主要方式，成為邊坡防護工程的發展方向[1]。對于生態邊坡，卜宗舉[2]設計了一種能夠考慮植物根系加筋作用的邊坡穩定性算法，并分析計算了種植不同類型植物以后的邊坡不同位置的穩定性。許銳[3]基于黑沙蒿護坡效應的分析，總結了陜北黃土邊坡各坡度下適宜的初期護坡植物物種。嵇曉雷[4]根據植物天然生長形態特征，建立植物根系數值模型，研究主側根夾角度數不同的根系模型對邊坡表層土體穩定性的影響。孫紅[5]應用CHASM軟件研究植被類型等因素對邊坡穩定性的影響，指出在提高邊坡安全系數方面，植草優于植樹。多數學者指出由于植物根系的存在，對土體具有加筋作用，增加了土體的粘聚力，從而提高了生態邊坡的穩定安全系數[6-7]。但多數的研究沒有考慮邊坡坡向的問題，而坡向是重要地形因子之一[8]，坡向不同，植物的受光方向、光照強度及光照時數會存在差異，從而影響不同坡向邊坡的植物生長發育條件，從而導致邊坡植物根系長度、分布特征等存在差異。因此，有必要考慮邊坡坡向對護坡植物根系入土深度的影響，研究不同坡向情況下的生態邊坡穩定性。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

某高速公路是國家規劃的西部大開發八大通道之一的滬陜高速公路的重要一段，自東向西依次穿越信陽市、駐馬店市、南陽市，全長183km，年均降雨量703.6～1173.4mm，每年的7～9月為豐水期、12月-3月為枯水期，年平均氣溫14.4～15.7℃，最熱月平均氣溫為26.9～28.0℃，最冷月平均氣溫為0.5～2.4℃。年日照時間為1897.9～2120.9h，年無霜期220～245d。沿線土壤類型多樣，主要分布有填砂類、亞粘土類、風化巖類、全風化巖等。該區域植物資源十分豐富，常見的邊坡綠化植物包括紫花苜蓿、紫穗槐、白三葉、黑麥草、高羊茅、燕麥等。

1.2 根土復合體抗剪強度指標測定

某高速公路邊坡護坡植物包括入侵雜草和人工恢復植物，雖然入侵雜草適應性強，根系發達，生長速度快，但其在同一坡向的根長、根干重都較小，說明入侵雜草比人工恢復植物不良生境的適應能力要弱。因此，有必要進行人工恢復植物的研究。刺槐(Robinia pseudoacacia L.)為落葉喬木，具有生長速度快、萌芽能力強、耐干旱等特點，是主要的水土保持造林樹種之一。本論文以刺槐為例進行根土復合體抗剪強度試驗研究。

由于在整個生長季中，刺槐快速生長的月份主要集中在每年的4月-6月，因此，在2017年7月-8月在某高速公路不同段選取5年生的10株刺槐植物進行野外挖掘，這10株植物的平均樹高為6.05m，平均胸徑為5.70cm。以選取的刺槐樹根基處為中心，將刺槐的地上部分伐倒，然后根據刺槐根系具有水平根系發達、主根較短的特點，從根基處向外1m范圍內自上而下進行挖掘，同時將挖掘到的刺槐根系以及挖出的根部土體帶回試驗室進行試驗研究。對挖掘到的土體采用烘箱法測定其含水量，為蒸發掉土體中的強結合水，烘箱的設定溫度為105℃，測定出的陰坡和陽坡的土壤含水量分別為22.9%和20.1%。對挖掘到的根徑含量進行統計，得到刺槐植物的根徑含量最多的是5～10mm的根系。根據含水量和根徑含量，在試驗室內進行重塑土的直剪試驗。采用環刀法制作純土和根土復合體試樣，制作的試樣內徑為61.8mm，高為20mm，試樣的含水量取陰坡和陽坡的平均含水量21.5%，天然重度為18.5kN/m3。已有研究結果指出植物根系的含量是土體抗剪強度增幅的決定性因素，隨著根系數量增加，土體抗剪強度隨之增強，但土體的抗剪強度不會隨著根系含量的提高而持續增加，而是存在最優含根量[9]。因此，對于根土復合體試樣，試樣內的刺槐根系數量為1根、根徑為5.1mm，垂直放置在試樣的中心位置。根據文獻[10]的研究方法對制作好的試樣進行直剪試驗，測定純土以及根土復合體的粘聚力和內摩擦角這兩個抗剪強度指標。

1.3 生態邊坡穩定性數值模擬方法

采用FLAC數值模擬軟件進行生態邊坡穩定性研究，模型設置的邊界條件為：邊坡的左右兩個側面采用法向約束，底面采用固定約束，不考慮地下水及降雨、開挖等對邊坡的影響。土體采用摩爾-庫倫破壞準則，且植物根系入土深度內的土體粘聚力采用前述直剪試驗的根土復合體的抗剪強度。在進行數值模擬時，由于植物根系重度明顯小于土體的重度，因此忽略植物根系對土體重度的影響，取土體的天然重度為18.5kN/m3。在陽坡和陰坡，刺槐的主根根系入土最大深度分別為50.2cm和62.4cm。通過改變陰坡和陽坡的邊坡坡度以及坡高來分析邊坡穩定安全系數的變化情況。

2 結果與分析

2.1 根土復合體直剪試驗結果

通過直剪試驗，測定出純土的粘聚力為29.30kPa，添加植物根系以后構成的根土復合體的粘聚力變為74.65kPa，粘聚力增加了45.35kPa；測定出純土和根土復合體的內摩擦角分別為26.53°和27.34°。純土和根土復合體的粘聚力和內摩擦角對比圖如圖1所示。

圖1 純土和根土復合體的粘聚力與內摩擦角柱狀對比圖

從圖1的柱狀對比圖可以看出，在土體內添加刺槐植物根系以后，土體的粘聚力變化較大，而內摩擦角變化較小，粘聚力的增加幅度要大于內摩擦角的增加幅度。針對植物根系對土體抗剪強度指標的影響，黃鋼[11]通過對原狀土和無根擾動土進行直剪試驗，指出隨著含根量的增加，土體的黏聚力增大，而內摩擦角提高并不明顯。以上試驗結果均表明植物根系提高了土體的粘聚力，這與本文的研究結果是一致的，印證了本研究的正確性。

2.2 FLAC數值模擬分析結果

假設陽坡的邊坡高度為2m，坡度為25°，應用FLAC數值模擬軟件進行邊坡穩定性模擬，得到該種情況下的穩定安全系數為2.38。采用同樣的方法，得到邊坡高度為2.5m、3m、3.5m以及坡度為30°、35°和40°情況下陽坡和陰坡的穩定安全系數。

2.2.1坡度對邊坡穩定性的影響

4種坡度情況下的陰坡和陽坡的穩定安全系數及安全系數間的顯著性差異如圖2所示，結果表明，4種坡度的穩定安全系數在p<0.05水平下差異性顯著。由圖2可知，隨著坡度的增加，陽坡和陰坡的穩定安全系數均呈現下降趨勢，但整體趨勢是陰坡的穩定安全系數要高于陽坡。如當坡度由25°增加到30°時，陽坡的穩定安全系數比陰坡降低0.26。可以看出，坡度對邊坡穩定安全系數有影響。

圖2 不同坡度情況下的陰坡和陽坡的穩定安全系數注：圖中不同小寫字母表示不同坡度之間的差異顯著(p<0.05)，不同大寫字母表示同一坡度下不同坡向之間差異顯著(p<0.05)

2.2.2坡高對邊坡穩定性的影響

4種坡高情況下的陰坡和陽坡的穩定安全系數如圖3所示，對穩定安全系數進行差異顯著性分析，結果表明，4種坡高的穩定安全系數在p<0.05水平下差異性顯著。由圖3可知，隨著坡高的增加，陽坡和陰坡的穩定安全系數均呈現下降趨勢。在相同的坡高條件下，陰坡的穩定安全系數要高于陽坡。當坡高由2m增加到2.5m、3m、3.5m時，陽坡和陰坡的穩定安全系數分別降低了0.24、0.40、0.52和0.27、0.42、0.56，可以看出，坡高對邊坡穩定安全系數有影響。

圖3 不同坡高情況下的陰坡和陽坡的穩定安全系數注：圖中不同小寫字母表示不同坡高之間的差異顯著(p<0.05)，不同大寫字母表示同一坡高下不同坡向之間差異顯著(p<0.05)

3 討論與結論

刺槐的根系具有吸水作用，莖葉具有蒸騰作用，在這兩種作用下，邊坡土體內的水分會被消耗掉一部分，降低了土體的含水量，從而降低了土體的孔隙水壓力，導致土體粘聚力增加。另外，當邊坡發生變形乃至形成滑坡時，邊坡中的土體被剪切，此時的剪切面通過植物根系，由于植物根系在土體中起到了加筋的作用，因此，土體受到植物根系的約束作用，從而增加了土體的粘聚力。

在相同的坡度和坡高情況下，由于陰坡的植物根系入土深度比陽坡的深，陰坡的穩定安全系數要高于陽坡。在相同的坡向條件情況下，邊坡坡度以及坡高的變化會對邊坡穩定安全系數產生影響，隨著坡度增大和坡高增加，邊坡穩定性逐漸降低。其原因是坡向會影響邊坡水分蒸散的快慢，陽坡的水分蒸發和植物蒸散比較快，同時邊坡的水分來源主要依靠天然降水，對陽坡的水分供應不及時，影響陽坡植物的地上和地下部分的生長，而陰坡土壤的水分含量較高，刺槐根系生長狀況比陽坡好，由于根系的存在，提高了土體的粘聚力，使土體的抗剪強度有所增大，從而不容易造成土體結構的破壞，導致陰坡的植物根系固土效果會更好，提高了邊坡的穩定性。在相同的坡向情況下，坡度增大或者坡高增加，相應的邊坡土體自重增加，自重沿著坡面向下的分力就越大，即下滑力越大，若要保持邊坡的穩定性，則需要的抗滑力也越大。因此，在邊坡坡度和坡高增加的情況下，下滑力和抗滑力之間原有的平衡狀態被破壞，從而導致邊坡穩定安全系數降低。