坡度對(duì)含根坡體穩(wěn)定性的影響

朱海麗1, 2， 宋 路1， 李國(guó)榮1， 胡夏嵩1, 2， 盧海靜1， 趙玉嬌1

(1.青海大學(xué)地質(zhì)工程系，青海西寧 810016；2. 中國(guó)科學(xué)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(duì)邊坡穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)，采用不固結(jié)不排水三軸壓縮試驗(yàn)測(cè)定研究區(qū)不含根土體及2種灌木植物根-土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，應(yīng)用極限平衡法分析不同坡度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。通過算例分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)坡度在25°以下時(shí)，有根系邊坡的穩(wěn)定系數(shù)比素土邊坡的穩(wěn)定系數(shù)增大1倍以上；當(dāng)坡度在25°～50°之間時(shí)，種植灌木四翅濱藜的邊坡穩(wěn)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(wěn)定系數(shù)1.38～0.80，檸條錦雞兒提高邊坡穩(wěn)定系數(shù)在1.03～0.56之間，植物根系對(duì)邊坡土體發(fā)揮著重要的加筋和錨固作用；當(dāng)邊坡坡度超過55°時(shí)，2種灌木植物根系對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響相對(duì)較小。

關(guān)鍵詞含根坡體；坡角；根系；穩(wěn)定系數(shù)

中圖分類號(hào)S181

基金項(xiàng)目國(guó)家自然科學(xué)

作者簡(jiǎn)介朱海麗(1977- )，女，江蘇溧陽(yáng)人，副教授，博士，從事邊坡生態(tài)防護(hù)與濱河生態(tài)方面的教學(xué)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(guó)內(nèi)外大量研究表明，植物的存在對(duì)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(wěn)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(fù)合體[2]。根-土復(fù)合體的強(qiáng)度對(duì)坡體的穩(wěn)定性起著重要作用[3-11]，是準(zhǔn)確評(píng)價(jià)根系增強(qiáng)坡體穩(wěn)定性的必要條件。其中，Lin等[4]利用三維有限元法(3D)對(duì)臺(tái)灣桃源的桂竹(Phyllostachysbambusoides)坡地進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明當(dāng)坡體為陡坡50°～70°時(shí)，桂竹對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響不大；與緩坡<25°和陡坡>40°相比，桂竹對(duì)緩坡土體的抗剪強(qiáng)度貢獻(xiàn)較大。肖本林等[6]利用有限元軟件ADINA對(duì)30°和40°坡度情況下刺槐林(Robiniapseudoacacia)對(duì)邊坡應(yīng)力和應(yīng)變場(chǎng)分布的影響進(jìn)行了模擬計(jì)算，結(jié)果表明刺槐群根系能改善邊坡淺層土體的應(yīng)力、應(yīng)變場(chǎng)，使坡體淺層更趨于穩(wěn)定，坡度的增加會(huì)導(dǎo)致坡腳應(yīng)力增大，坡肩處逐漸產(chǎn)生拉應(yīng)力且拉應(yīng)力逐漸增大，應(yīng)變集中區(qū)的范圍也擴(kuò)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(duì)邊坡坡度依次為0°、5°、35°和45°邊坡穩(wěn)定性的影響，認(rèn)為主直根型對(duì)坡度為45°坡體穩(wěn)定性貢獻(xiàn)相對(duì)較大，其根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度為15.08 kPa。目前，有關(guān)植被增強(qiáng)邊坡土體抗剪強(qiáng)度、提高邊坡穩(wěn)定性的研究很多，但是對(duì)于邊坡角度對(duì)于含根坡體穩(wěn)定性的定量化研究相對(duì)較少。為此，筆者主要通過進(jìn)行室內(nèi)三軸剪切試驗(yàn)的方法，獲取不含根土體及根-土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，應(yīng)用極限平衡法算例分析坡角對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，從而對(duì)生態(tài)防護(hù)邊坡的坡度設(shè)計(jì)提供一定的理論基礎(chǔ)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料 供試土樣取自青海省西寧市城東區(qū)小寨北山的試驗(yàn)種植區(qū)內(nèi)。土樣為粉質(zhì)黏土。土樣的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)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(yàn)根系材料為西寧市城東區(qū)小寨北山試驗(yàn)種植區(qū)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(qiáng)的抗寒、抗旱特性，且根系發(fā)達(dá)，是青藏高原寒旱環(huán)境防風(fēng)固沙、保持水土的優(yōu)勢(shì)灌木植物種[12]。

1.2試驗(yàn)方法 用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的TCK-1型三軸試驗(yàn)測(cè)量控制儀分別測(cè)定土體、2種灌木植物根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度。試驗(yàn)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(yàn)分為2種灌木根-土復(fù)合體和素土兩種情況。對(duì)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(gè)試樣中垂直放置灌木主根4根，平均長(zhǎng)度為120 mm，平均根徑為1.66 mm；灌木側(cè)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(zhǎng)統(tǒng)一約為50 mm。為了盡量模擬實(shí)際情況，制樣所用根系材料均為新鮮根系。為了保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，每組取4個(gè)相同的試件，分別在圍壓10、20、30和40 kPa下進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)于同一組試樣，在τ-σ應(yīng)力平面圖上繪制摩爾應(yīng)力圓，并且繪制不同圍壓下破壞應(yīng)力圓的包絡(luò)線，得素土及根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力(c)和內(nèi)摩擦角(φ)。

1.3邊坡穩(wěn)定系數(shù)與坡角的關(guān)系

1.3.1邊坡穩(wěn)定系數(shù)的定義[13]。極限平衡法中穩(wěn)定系數(shù)的定義是沿整個(gè)滑面的抗剪強(qiáng)度(τf)與滑面上實(shí)際剪應(yīng)力(τ)之比值，即

(1)

引入Mohr-Coulomb條件，則穩(wěn)定系數(shù)可以表示為：

(2)

式中，c為土體的實(shí)際黏聚力；φ為土體的實(shí)際內(nèi)摩擦角；cc為土在臨界狀態(tài)下的凝聚力；φc為土在臨界狀態(tài)下的內(nèi)摩擦角；σ 為實(shí)際的法向應(yīng)力分量。

1.3.2算例分析含根系坡體的穩(wěn)定系數(shù)。現(xiàn)假設(shè)有一淺層邊坡表層土體的厚度為h，長(zhǎng)度為l，坡角為α(圖1 )，土體容重為γ，則邊坡表層土體質(zhì)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(zhì)邊坡，考慮根系在邊坡表層土體中的作用深度，假設(shè)h=1 m，則式(2)可表示為：

(3)

式(3)對(duì)有根系邊坡和無根系邊坡都是適用的。由于有根系對(duì)邊坡的加筋作用，黏聚力提高，土體的實(shí)際內(nèi)摩擦角也有所增大，則邊坡穩(wěn)定系數(shù)提高了邊坡穩(wěn)定系數(shù)提高值(ΔK值)。假設(shè)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(nèi)摩擦角，φ0為無根系邊坡表層土體的內(nèi)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(wěn)定系數(shù)，K0為無根系邊坡表層土體的穩(wěn)定系數(shù),則

(4)

2結(jié)果與分析

通過三軸壓縮試驗(yàn)和常規(guī)物理試驗(yàn)，得到研究選用的粉砂土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)、容重及檸條錦雞兒和四翅濱藜兩種灌木植物根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)和含根土體容重，具體數(shù)值見表1。土的抗剪強(qiáng)度是由土的黏聚力和內(nèi)摩擦角產(chǎn)生的。許多研究表明，加筋土的抗剪強(qiáng)度的增加完全是由于加筋土產(chǎn)生了黏聚力，而其內(nèi)摩擦角變化很小[14-15]。該次試驗(yàn)結(jié)果表明，根-土復(fù)合體的內(nèi)摩擦角幾乎與素土的相同；與素土相比，根-土復(fù)合體的黏聚力增長(zhǎng)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(wěn)定系數(shù)計(jì)算參數(shù)

由式(4)分別計(jì)算坡角為10°～90°時(shí)的ΔK。由表2可知，種植有兩種灌木植物的邊坡穩(wěn)定系數(shù)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(wěn)定系數(shù)提高值要大，說明四翅濱藜對(duì)淺層邊坡的加固作用較強(qiáng)。此外，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可得到ΔK與α關(guān)系的擬合曲線。

表2　不同坡度邊坡穩(wěn)定系數(shù)提高值

由圖2可知,當(dāng)邊坡坡度在25°以下時(shí)，有根系邊坡的穩(wěn)定系數(shù)比素土邊坡的穩(wěn)定系數(shù)增大1倍以上。素土邊坡和有根系邊坡均達(dá)到穩(wěn)定，邊坡表層土體不進(jìn)行防護(hù)即可達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，進(jìn)行植被護(hù)坡主要可發(fā)揮綠化環(huán)境和防止雨水沖蝕的作用。當(dāng)邊坡坡度在25°～50°之間時(shí)，種植灌木四翅濱藜的邊坡穩(wěn)定系數(shù)比素土邊坡穩(wěn)定系數(shù)增大1.38～0.80，而灌木檸條錦雞兒對(duì)邊坡穩(wěn)定系數(shù)增大1.03～0.56。無根系邊坡為次穩(wěn)定邊坡，需要對(duì)邊坡進(jìn)行植被防護(hù)。當(dāng)表層土體

邊坡為次穩(wěn)定邊坡，需要對(duì)邊坡進(jìn)行植被防護(hù)。當(dāng)表層土體的植被生長(zhǎng)良好時(shí)，其錯(cuò)綜復(fù)雜的根系對(duì)整個(gè)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(chǎn)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(xiàn)為有根系邊坡表層土體的穩(wěn)定系數(shù)高于無根系邊坡表層土體穩(wěn)定系數(shù)。當(dāng)邊坡坡度超過55°時(shí)，兩種灌木植物根系邊坡的穩(wěn)定系數(shù)比無根系邊坡的穩(wěn)定系數(shù)增大約0.55，邊坡穩(wěn)定性隨坡度變化平緩，基本為一限值。這與Lin等[4]研究結(jié)果相似。由此可知，當(dāng)坡度不超過55°時(shí)，植物根系對(duì)提高土體的強(qiáng)度有重要作用。

3結(jié)論

(1)采用制作重塑試樣的方法，三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果表明研究區(qū)四翅濱藜和檸條錦雞兒兩種灌木植物根-土復(fù)合體的內(nèi)摩擦角幾乎與素土相同；與素土相比，兩種灌木植物根-土復(fù)合體的黏聚力增長(zhǎng)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(wěn)定系數(shù)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(wěn)定系數(shù)提高值要大。

(3)當(dāng)邊坡坡度超過55°時(shí)，兩種灌木植物根系對(duì)邊坡的穩(wěn)定作用基本達(dá)到一限值，表明當(dāng)坡度不超過55°時(shí)，植物根系對(duì)提高邊坡穩(wěn)定性具有一定作用。

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