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1、植物根系对土质边坡浅层稳定性影响分析第42卷第7期2011年4月人民长江YangtzeRiverVo1.42.No.7Apr.,2011文章编号:10014179(2011)07008204植物根系对土质边坡浅层稳定性影响分析周正军,许文年,夏振尧,蔡显杨(1.三峡大学土木与建筑学院,湖北宜昌443002;2.三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室,湖北宜昌443002)摘要:植被护坡工程中,先锋植物发达的根系能对边坡土体产生一定程度加筋作用而提高边坡的浅层稳定.用理正岩土软件和Ansysl0.0数值计算软件,计算分析了一简单土坡潜在薄弱面的位置和状态.再以根系加筋理论为基础考虑边坡坡顶加筋
2、,坡脚加筋和全坡面加筋3种工况,分析了根系加筋对边坡土体稳定性提高的幅度以及根系加筋对边坡体影响范围,以此来评价护坡植被根系提高土质边坡浅层稳定的效应,并为先锋物种的选取和搭配提供相应理论依据.关键词:植被护坡;先锋植物;根系加筋;边坡稳定性中图法分类号:TU457文献标志码:A通过在坡面上建植人工基材,引入先锋物种能够对边坡植被恢复起到很好的过渡作用.先锋物种宜选用抗逆性强的草本植物或矮灌木,它们能快速覆盖边坡表面以防止雨水侵蚀,并且,植物根系分布在土体中能改善土体的物理力学性能,加固边坡表层土体,提高边坡浅层稳定性,并为乡土物种的栽植创造条件J.本文着重以植物根系加筋作用为基础,探讨护坡先
3、锋植物根系对土质边坡浅层稳定性的影响.1根系加筋作用提高土体强度机理根据植物根系形态的不同,分为侧根,垂直根和须根.护坡先锋植物主要采用草本植物和小灌木,多为浅层分布细根系植物.从根系加固的土力学模型来看,在植被护坡工程中,植物浅细根系与土体可看作共同受力,协调变形的根一土加筋复合体.大量试验和研究表明,根系的存在增加了土体的剪切强度,根系与土壤的相互作用对于提高坡面土体的抗剪能力具有重要的意义.目前,主要有两种观点揭示这种复合体的力学特性变化机理,分别是准黏聚力原理,摩擦加筋原理.植物根系加筋固土作用主要体现在根系能提高根一土复合体的黏聚力和内摩擦角,黏聚力提高尤为显着.黏聚力的提高增强了加
4、筋土层的强度,提高了岩土质边坡的浅层稳定性.图1为与剪切面呈任意角度的根系受力图示,式1为根系增大土壤抗剪切强度的力学模型.一圈1单根加筋力学模型Jr=(Ticos+Tisinbtantp)A/A(1)一rctan】(2)式中,r为根系增强土体强度平均值;T为单根抗拉强度;为根系变形后与水平向夹角;为岩土体内摩擦角;A/A为根系面积比;z为根系延伸方向与剪切面收稿日期:2010一l0一l5基金项目:国家自然科学基金项目(50879043);国家水体污染控制与治理科技重大专项课题(2008ZX07104003-03)作者简介:周正军,男,硕士研究生,主要从事边坡生态防护方面研究.Email:zh
5、ouzhengjun66126.corn第7期周正军,等:植物根系对土质边坡浅层稳定性影响分析83初始夹角;x/H为剪切变形比.由式1可知,若不考虑根系之间的强度和尺寸差异,根土相互作用可以看成纤维加筋土的模式.表1列出了几种常见护坡先锋植物生长1a后根系在土层中的有效深度.表1几种常见护坡植物根系有效深度?cm种类根系有效深度种类根系有效深度野牛草30柠条锦鸡儿68紫羊毛4O霸王72四翅滨藜110香根草200早熟禾302浅层根系加固土体数值模拟以植物根系加筋固土机理为基础,兼顾植物根系在土体中的实际分布和作用范围,用有限元数值软件来模拟和评价植物根系加筋作用对于提高边坡浅层稳定性的尺度效应.
6、2.1原始边坡稳定性分析现有1:1的边坡,坡高5m,y=20kN/m,E=100MPa,u=0.33,黏聚力C=10kN/m,内摩擦角=18.用极限平衡法和有限单元法计算原始边坡的稳定系数,找出边坡原始薄弱面.极限平衡法分析中普遍采用莫尔一库仑破坏准则,而Ansysl0.0软件在模拟求解中为了保证计算的收敛性采用DP破坏准则.考虑两种计算结果的可比性,在利用Ansysl0.0软件进行计算时将DP准则参数转化成等价莫尔一库仑破坏准则,并采用强度折减理论试算得出最终稳定系数.采用外接圆屈服准则计算的安全系数要比莫尔一库仑等面积圆屈服准则计算的结果大倍,如表2所示.对原始边坡利用两种方法进行计算,得
7、到边坡稳定系数如下表3中所示.表2不同内摩擦角时的7/值/(.)7/(.)/(.)01.10O401.367701.521101.165501.4288O1.546201.233601.52l901.5553O1.30l表3原始边坡稳定系数具体方法边坡安全系数具体方法边坡安全系数瑞典条分法1.171Janbu法1.207简化Bishop法1.206有限元强度折减法1.233对比表3结果可知,利用有限元强度折减法求边坡稳定系数,不仅能够得到满意的结果,同时还能直观反映边坡的变形,变化趋势以及坡体薄弱部位.边坡变形是边坡在重力作用下的变形趋势(见图2);图3中,边坡的塑性区出口离坡顶处3m左右,塑
8、性带出口宽近0.5m,塑性区入口在坡脚处,其宽度近1.0m,沿坡面发展,并出现明显应力集中现象.因此现考虑在边坡上种植护坡植物,考虑根系对土体的加固作用,潜在滑面会发生迁移,边坡自稳系数会发生变化.图2边坡变形圈3边坡失稳极限塑性区参考常见护坡植物根系在土中有效分布深度和生长趋势,基于根系加筋土体幅度,在如下几类工况中利用强度折减法进行探讨.考虑植物根系提高边坡土体黏聚力幅度5个梯度值:20%,40%,60%,80%.100%;加筋深度3个幅度值:0.5,1.0,1.5nl;3种工况:坡顶加筋,坡脚加筋,全坡加筋.2.2植物根系加筋作用对边坡稳定性影响草本植物根系在00.5m土层深度范围内对边
9、坡土体进行加筋,在坡顶植草,坡脚植草和全坡面植草3种工况下,边坡稳定性系数与加筋黏聚力提高之间的关系如图4;在01.01TI和01.5m深度范围内对边坡土体进行加筋,边坡稳定系数与加筋黏聚力提高之间的关系分别如图5,6.图46中,3种工况下边坡浅层稳定性与草本植物根系加筋边坡土体的能力呈正相关关系,说明在一定范围内随着黏聚力提高,边坡稳定系数呈近线性增长.这主要是因为:加筋层土体强度增大,潜在滑面上抗滑力提高,边坡稳定系数增大,稳定性增强.根系生长在边坡体中,根系与边坡土体形成根一土复人民长江合体.有根系加筋作用的土层,土体的延性提高,抵抗变形的能力增强,延缓了潜在滑动面贯通,边坡稳定性提高.
10、根系加筋作用提高了边坡表层土体强度,减少了坡面微裂缝形成,特别是坡顶张拉裂缝的发展,边坡体保持相对完整,使表层土体受力相对均匀,边坡整体稳定性增强.图4边坡稳定系数与黏聚力增幅间的关系(0.5in)图5边坡稳定系数与黏聚力增幅间的关系(1.0m)黏聚力提禹憾匪/%图6边坡稳定系数与黏聚力增幅间的关系(1.5m)3种工况中全坡种植植物时植物根系加固作用最明显,但整体上提高边坡土体稳定性幅度不高,提高范围在10%17%.出现这种现象的原因在于:边坡体由于自重作用产生趋向临空面的位移,土体在塑性变形区贯通时边坡体发生滑移破坏,而塑性带入口和出口分别在坡脚和坡顶一定位置.沿着全坡面种植植物,根系对这两
11、个薄弱区土体进行加筋,提高了土体的强度,边坡体稳定性提高.参考几种常见护坡植物根系分布深度可知,植被只对边坡土体起浅层加固作用,实际穿过潜在滑面的根系有限,只在边坡局部有一定程度作用,在塑性区的入口和出口处体现尤为明显.因此根系对边坡体稳定性提高幅度是有限的,当超过一定范围,根系加筋作用对于提高边坡稳定性的增率将变得不明显.图4中对比坡顶加筋和坡脚加筋两种工况,在00.5m深度范围内坡顶加筋提高边坡稳定性效果总体上要相对明显.这是因为坡脚为边坡变形塑性发展区入口,而坡顶为边坡塑性发展区出口.在人口处坡体受到集中力作用,土体应力相对较大,对这一部分土体考虑根系加筋作用,在根系提高土体强度幅度不大
12、的条件下,坡脚加筋效果也不如坡顶加筋明显.图5,6中坡脚加筋效果相对坡顶加筋明显,说明随着加筋幅度的提高,加筋在塑性区的入口抵抗滑动面发展的能力增强,在这一部分考虑植物根系的作用相对明显.2.3不同深度范围根系加筋对边坡稳定影响不同深度范围内加筋,植物根系对边坡稳定系数提高程度有所不同.图7反映了全坡面种植护坡草本植物,在3个深度范围内植物根系加筋与边坡稳定系数提高之间的关系.从图中可以看出,在黏聚力提高幅度不大的前提下,边坡稳定系数提高幅度并不是随着加筋深度的增加而增长,而是存在一个临界加筋值(黏聚力提高40%左右),超过这一临界值,在黏聚力一定的情况下,高边坡稳定系数随加筋深度的增加而提高
13、.所以在选择先锋植物时需要考虑植物根系的扎根范围和其对土体加筋作用之间的协调关系,特别是要考虑根系的形态和入土能力,以最大限度发挥植物根系加筋提高边坡稳定性的作用.图7全坡面加筋黏聚力提高幅度与边坡稳定系数的关系3结论与展望(1)护坡植物根系在土层范围内的加筋作用能提高边坡的浅层稳定性,虽然提高的幅度有限,但是根系的作用突出了护坡植被在边坡稳定方面所能起到的积极作用.第7期周正军,等:植物根系对土质边坡浅层稳定性影响分析85(2)护坡植被根系提高边坡稳定程度与根系对土体的加筋幅度有关,在一定范围内加筋幅度越大,边坡稳定系数提高越大.(3)不同的植被种植情况下,根系提高边坡稳定性最明显工况为全坡
14、面种植.坡顶种植和坡脚种植的加固效果随根系延伸深度发生变化:在00.5in深度范围,坡顶种植效果显着;而01.0m和01.5In深度范围,坡脚种植效果显着.在实际工程中,基于护坡效应的完整性,护坡工程中通常沿全坡面植绿,植物根系加筋作用效果明显.(4)全坡面种植草本植物工况下,在黏聚力提高幅度不大的前提下,边坡稳定系数提高幅度并不是随着加筋深度的增加而增长,而是存在一个I临界值(黏聚力提高40%左右),超过这一临界值,在黏聚力一定的情况下,加筋提高边坡稳定系数随加筋深度的增加而提高.(5)植被护坡工程中,植物对边坡浅层稳定影响是多方面的.虽然这里单独考虑植被根系的加筋作用,凸显了植被在护坡方面
15、的好处,但是所考虑的工况是理想化的状态,有必要进一步分析在有根系作用的情况下地下水的活动,以及植被生理生态活动,如根系吸水,叶片蒸腾等对边坡浅层稳定的影响,这是一个复杂的过程.参考文献:1赵方莹,赵廷宁.边坡绿化与生态防护技术M.北京:中国林业出版社.2009.2吴少儒,许文年,王路根,等.喷射护坡绿化技术的物种选择J.中国水土保持.2006.(6):4143.34】56】7】89101213141516许文年,夏振尧,戴方喜,等.恢复生态学理论在岩质边坡绿化工程中的应用J.中国水土保持,2005,(4):3l一33.杨亚川,莫永京,王之芳,等.土壤一草本植被根系复合体抗水蚀强度与抗剪强度的试
16、验研究J.中国农业大学,1996,1(2):3l一38.陈昌富,刘怀星,李亚平.草根加筋土的室内三轴试验研究J.岩土力学,2007,28(10):20412045.程洪,颜传盛,李建庆,等.草本植物根系网的固土机制模式与力学试验研究(J.水土保持研究,2006,l3(1):6265.周锡九,赵晓峰.坡面植苹防护的浅层加固作用J.北方交通大,1995,199(2):143146.张飞,陈静曦,陈向波.边坡生态防护中表层含根系土抗剪试验研究J.土工基础,2006,5(3):2528.程洪,张新全.草本植物根系网回土原理的力学试验探究J.水土保持通报,2002,22(5):2023.胡夏嵩,李国荣,
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18、,24(3):343346.付海峰,姜志强,张书丰.植物根系固坡效应模拟及稳定性数值分析J】.水土保持通报,2007,27(1):9294.(编辑:郑毅)ResearchOilinfluenceofvegetationrootsonshallowstabilityofsoilslopeZHOUZhengjun,XUWennian一,XIAZhenyao一,CAIXianyang.(1.CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443002,China:2.KeyLaboratoryofG
19、eologicalHazardsonThreeGorgesReservoirAreaofMinistryofEducation,ChinaThreeGorgesUniversity,Ywhang443002,China)Abstract:Thedevelopedrootsofpioneerweedspeciesusedinthevegetationslopeprotectionprojectscanproduceacertaindegreeofreinforcementonthesoiltoimproveshallowlayerstabilityofsoilslope.Basedongeote
20、chnicalsoftwareLizhengandnumericalcalculationsoftwareAnsysl0.0,weanalyzethepositionandstateofthepotentialweakinterfaceofahomogeneoussoilslope.Thenwestudythestrengtheningamplitudeandtheinfluencingscopeoftherootsreinforcementbasedonthetheoryofrootsreinforcementconsidering3workconditions:reinforcementatslopetop,slopetoeandwholeslopesurfacerespectively.Therefore,theresultscanevaluatethestrengtheningeffectsofrootsreinforcement,andisvaluablefortheselectionandcollocationofproperpioneerweedspecies.Keywords:vegetationslopeprotection;pioneerweedspecies;rootreinforcement;slopestability