農村公路邊坡防護的生態輕型樁最優間距研究

摘要 生態輕型樁作為一種新型邊坡防護技術，能利用植物根系加固土體，具有低碳高效、環保節能等優點。文章分析影響生態輕型樁間距的因素，并基于建模分析法及固土強度最大原則，利用Midas GTS NX軟件建立某農村公路邊坡三維模型，計算生態輕型樁對邊坡縱、橫向的土體加固作用，提取剪應力差與樁心距離的關系曲線，建立固土距離計算模型，計算出樁間距的最優數值，旨在為類似工程應用提供參考。

關鍵詞 農村公路項目；生態防護；生態輕型樁；穩定性；樁間距

中圖分類號 U417.1 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）13-0036-03

0 引言

傳統邊坡防護方法成本高、耗能多、效率低。近年來出現一種新型邊坡防護技術——生態輕型樁，其原理是利用植物根系加固土體，具有低碳高效、環保節能等優點。生態輕型樁的間距設計是影響其防護效果的關鍵因素，目前尚無統一標準，因此，有必要深入分析邊坡防護的生態輕型樁最優間距設計方法。該文運用建模分析法及固土強度最大原則確定生態輕型樁最優固土距離，為公路邊坡生態輕型樁間距的優化設計提供思路[1]。

1 生態輕型樁間距的影響因素分析

生態輕型樁間距不合理會降低其防護效果。影響生態輕型樁間距的因素主要包括：

（1）邊坡坡度。邊坡坡度越大，土體越不穩定，生態輕型樁間距應相應減小，以增加其抗滑能力。

（2）樁徑。樁徑越大，生態輕型樁的固土作用越強，生態輕型樁間距可適當增大，以節約成本。

（3）土體性質。土體性質包括土體密實度、內摩擦角、黏聚力等，會影響土體強度及變形特性。土體性質較差時，生態輕型樁間距應相應減小，以提高固土效果。

（4）生態輕型樁與土體的相互作用。生態輕型樁和土體間存在剪切力、正應力傳遞，且隨著距離增加而衰減。生態輕型樁與土體之間的相互作用越強，所需生態輕型樁間距越小[2]。

2 生態輕型樁固土模型建立

生態輕型樁固土間距受多種因素影響，變量多且難取舍。該文采用Midas GTS NX軟件建立巖土結構模型，有助于解決此類復雜的非線性問題[3-4]。該文利用Midas GTS NX構建某農村公路邊坡三維模型，設置相應本構模型、邊界條件及荷載條件，邊坡橫斷面如圖1所示。

根據圖1可知，邊坡橫斷面為三級邊坡，上部坡度為1∶1.5，中部坡度為1∶2，下部坡度為1∶1.25，邊坡模型及應力提取方向如圖2所示，生態輕型樁布置在邊坡中部，樁體與坡面垂直，樁長設為0.8 cm，樁徑為0.1 m，樁心與邊坡邊界距離均為10 m。邊坡模型材料參數如表1所示。

3 樁間距分析

3.1 縱向固土距離確定

選擇模型中邊坡縱向剪應力作為研究對象，與未使用生態輕型樁時的縱向剪應力作對比，以明確其土體加固效果。繪制使用/未使用生態輕型樁兩種情況下的邊坡剪應力（圖3）以及邊坡縱向剪應力差與縱向樁心距離的關系曲線（圖4），其中以樁心為原點，橫坐標為縱向樁心距離，縱坐標為剪應力[5]。

從圖3中可以看出，未使用生態輕型樁時，邊坡縱向剪應力恒定，大小為14.630 kPa，使用生態輕型樁時，樁心處剪應力最小，為13.866 kPa，距離樁心距離越遠，剪應力越大，增大到與未使用生態輕型樁時的剪應力相等后增幅可忽略不計，表明以樁心為中心的特定區域內，生態輕型樁能顯著減小剪應力作用。

圖4為邊坡縱向剪應力差的變化情況，據圖可知生態輕型樁對邊坡縱向剪應力的影響，有樁、無樁情況下的剪應力差都會隨著樁心距離的變化而變化。樁心處剪應力差最大為0.776 kPa，說明生態輕型樁對邊坡土體有最大的加固作用。隨著樁心距離的增加，剪應力差逐漸減小，直到縱向距離樁心0.45 m時，剪應力差降至0 kPa，說明生態輕型樁對邊坡土體的加固作用消失。因此，0.45 m為固土距離，該距離反映了生態輕型樁在邊坡縱向上的土體加固范圍[6-7]。

3.2 生態輕型樁橫向固土距離分析

3.2.1 邊坡橫向上部固土距離分析

為分析生態輕型樁對邊坡橫向的加固作用，提取邊坡模型中生態輕型樁橫向上部剪應力，與無生態輕型樁時的剪應力進行比較分析。以輕型樁為樁心，以與樁心橫向距離為橫坐標，以坡體剪應力為縱坐標，分析方向相同時，使用生態輕型樁、未使用生態輕型樁時邊坡坡體橫向剪應力（圖5），剪應力差與樁心距離的關系（圖6）。

從圖5可以看出，兩種情況下，邊坡橫向上部剪應力變化趨勢大體相同，即樁心位置的橫向剪應力最大，且與橫向樁心距離成反比。無樁時，剪應力最大為14.919 kPa，有樁時，剪應力值最大為14.761 kPa，可見生態輕型樁可以降低邊坡橫向上部一定范圍內的剪應力。

從圖6中可以看出，有、無生態輕型樁時橫向上部剪應力差隨著與樁心距離變化而變化。使用生態輕型樁時，橫向距離樁心0.40 m區域內的剪應力小于未使用無生態輕型樁時的剪應力，0.40 m區域外二者的剪應力曲線重疊。剪應力差值隨著橫向樁心距離增大而增大，距離為0.71 m時，剪應力差最大，為0.044 6 kPa。隨后逐漸降低，距離為1.38 m時，剪應力差降至0 kPa，說明生態輕型樁對邊坡土體的加固作用消失，因此，1.38 m是生態輕型樁在橫向上部固土距離，反映了生態輕型樁在橫向上部的加固范圍[8]。

3.2.2 邊坡橫向下部固土距離分析

為分析生態輕型樁對邊坡橫向下部的土體加固作用，將使用無生態輕型樁時的邊坡模型橫向下部剪應力與無生態輕型樁時的剪應力進行比較分析，得到方向相同時有、無生態輕型樁時邊坡橫向下部剪應力（圖7）及剪應力差與橫向樁心距離的關系（圖8）。

從圖7～8中可以看出，生態輕型樁可降低邊坡橫向下部一定區域內的剪應力。橫向距樁心0.73 m區域內，有樁的邊坡剪應力小于無樁的邊坡剪應力。橫向距離樁心0.87 m時，剪應力差最大，說明生態輕型樁對邊坡土體有最大的加固作用。橫向距離樁心1.28 m時，剪應力差降至0 kPa，說明生態輕型樁對邊坡土體的加固作用消失。因此，1.28 m是生態輕型樁在橫向下部的固土距離，反映了生態輕型樁在橫向下部的加固范圍。

3.3 多級邊坡生態輕型樁最優間距分析

邊坡較高或較陡時需分多級放坡，因此，以最高一級邊坡為基準，考慮自重荷載和邊坡穩定性，計算三級邊坡在不同條件下的生態輕型樁樁間間距，具體結果見表2，包括三種坡度（1∶0.75，1∶1.00和1∶1.25）和兩種樁徑（10 cm、12 cm）下的生態輕型樁樁間距設計值。

根據表2可知，生態輕型樁的固土距離受到坡度、樁徑、邊坡等級等因素的影響。樁徑不變的前提下，樁距與坡度成反比；坡度不變的前提下，樁距與樁徑成正比，與邊坡等級成反比。為考慮這些因素對生態輕型樁固土距離的影響，建立如下固土距離計算模型：

y=k[msin（px+q）+n] （1）

式中，y——坡面不同方向固土距離（m）；p——邊坡坡度系數，取值范圍0～1，邊坡越陡取值越小；m——邊坡等級系數，取值范圍?1～1，與等級成反比；x——坡面不同方向與坡面縱向距離軸的夾角（rad）；k——植物根系指數，不同類型植物的k值不同，喬木k=0.829 5，灌木k=0.312 7，草本k=0.254 8；q——生態輕型樁樁徑關聯系數，取值范圍0～0.5，與樁徑成反比；n——常數項。

利用該公式求解生態輕型樁在邊坡中的最優固土距離ymin即固土強度最大的距離為最優固土距離，最佳樁間距=固土距離×2。

4 結語

生態輕型樁作為新型邊坡防護樁，其原理是借助植物根系加固土體。生態輕型樁的間距設計關系到最終防護效果。該文基于數值模擬方法研究了生態輕型樁的邊坡固土效果，探討了固土距離、剪應力差之間的內在關聯，主要結論如下：

（1）分析邊坡的坡度、坡高和生態輕型樁間距對邊坡穩定性的影響。

（2）采用強度折減法和Midas GTS NX軟件，計算了生態輕型樁防護下的邊坡在縱、橫方向上的剪應力差，根據固土強度最大原則，確定了縱、橫方向上的固土距離。

（3）考慮生態輕型樁樁徑、邊坡坡度和分級放坡的情況下建立了生態輕型樁固土距離計算模型，得到生態輕型樁的最優樁間距。

（4）該文提出的數值模擬分析方法可作為公路邊坡生態輕型樁間距設計的有效手段。

參考文獻

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