岩质路堑边坡表层土体植被固坡的力学分析

王喜华

(西南石油大学 资源与环境学院，成都 610500)

岩质路堑边坡的绿色防护是指在岩质路堑坡面上施加的防护措施。如果边坡失稳，应先施以支挡加固，再做防护工程。岩质路堑边坡表层土体能否稳定，表层土体中有无根系及根系质量的大小与表层土体的抗剪强度关系如何，正是本文研究的内容。

目前研究根系土抗剪强度的测定方法主要有以下几种:直接剪切试验法、原位水平挤出法、全株根系拉拔试验法和室内模拟剪切试验法等。本文采用直接剪切试验，目的是测定有无根系土的抗剪强度并决定它们的内摩擦角和黏聚力，从而进行岩质路堑边坡表层土体植被固坡的力学分析。

1 有无根系岩质路堑边坡抗剪强度的测定

抗剪强度是内摩擦力和黏聚力之和。植被的根系，特别是根系在土层中向四周和纵深生长、穿插，盘根错节的根系使土颗粒牢固地联结在一起，形成一个牢固的空间整体。在深10～50 cm的范围内边坡已是由土和植物根系组成的复合材料，类似加筋土的性质。根据加筋土原理，土中加筋使土体强度提高。土和植物根系组成的“加筋土”，其强度同样也提高了。故土体的抗剪强度能较好地反映其稳定性。

本文结合渝怀(重庆至湖南怀化)铁路鱼嘴车站和江北车站的岩质路堑边坡的绿色防护工程，对有无根系岩质路堑边坡表层土体的抗剪强度进行了定量分析。试验采用不固结不排水(UU)剪切试验。部分试验记录见表1。图1为有无根系边坡表层土体抗剪强度的比较。

表1 边坡表层土体的抗剪强度测定记录

图1 有无根系岩质路堑边坡表层土体抗剪强度的比较

植被的根系使土体在根系的延伸范围内得以形成整体。根系在土中分布的密度，自地表向下逐渐减少、逐渐细弱。据挖验各种草根深入地表下最深达0.6～0.8 m，实际在根系盘结范围内，边坡土体已是由土和草根组成的复合材料。因此，在考虑边坡浅层土体强度时，应以土—根复合材料的强度作为依据。可以按加筋土原理分析有草根土的应力状态，即把土中草根的分布视为加筋材料分布，且为多维加筋。这种加筋为土层提供了附加“黏聚力”ΔC，其大小与草根密度、强度和土的颗粒性质有关。它使原土体的抗剪强度线向上推移了一个距离ΔC，使得有根系土体的抗剪强度大大提高了。

从图1可以看出，有根系边坡表层土体的抗剪强度明显大于无根系边坡表层土体的抗剪强度。试验结果证明植物根系对坡面表层土体有明显的加固作用。

应当说明的是，实际上有根系加筋土的 Cr值(有根系边坡表层土体的黏聚力)要比表中所列试验测量值要大得多。现场取土样时，由于草根盘结，十分困难。而且在制作试样时，会对一些根系进行切除，所以实际的Cr要大得多。这对边坡表层的加固是非常有利的。

2 有无根系边坡表层土体稳定系数与坡角关系分析

假设有一浅层边坡表层土体的厚度为h，长度为L，倾角为 α，边坡表层土体自重 Q=γhL，见图2。

图2 边坡表层土体受力分析

稳定系数可以用K表示，即

式中，C为土中黏聚力(kPa);γ为土的重度(kN/m3)。

此式对有根系边坡和无根系边坡都是适用的，由于根系对边坡的加筋作用，黏聚力C提高，φ也有所增大。假设有根系边坡表层土体稳定系数比无根系边坡表层土体稳定系数提高值为ΔK，两数比值为ΔK'，则

式中，Cr(C0)、φr(φ0)、γr(γ0)、Kr(K0)分别为有(无)根系边坡表层土体的黏聚力、内摩擦角、重度、边坡表层土体的稳定系数。

由试 验 求 得，tanφr=0.529，tanφ0=0.494，则tanφr-tanφ0=0.035。因 Cr=19.81 kPa，C0=11.57 kPa，γr=16.7 kN/m3，γ0=15.6 kN/m3，h=25 cm，则

ΔK、ΔK'与 α的关系曲线见图3和图4。

图3 ΔK与α的关系曲线

图4 ΔK'与α的关系曲线

由图3、图4及现场挖验植物根系可知:

1)当边坡坡度＜25°时，有根系边坡的安全系数比无根系边坡的安全系数增加在4以上，同时二者安全系数比在1.008以上。植被生长良好，乡土植物容易入侵，植被覆盖后侵蚀停止。无根系边坡和有根系边坡均是稳定的，称之为稳定边坡，边坡表层土体不进行防护即可达到稳定状态。进行表层土体的绿色防护，起到的作用主要是绿化环境和防止雨水冲蚀。

2)当边坡坡度在25°～55°之间时，有根系边坡的安全系数比无根系边坡的安全系数增大值约在2～4之间，同时二者安全系数比在1.005～1.008之间。无根系边坡为次稳定边坡，需要对边坡进行植被防护。当表层土体的植被生长良好时，草本植物根系形态呈立体构造，其错综复杂的根系对整个土体起着重要固持作用。在根系的膨压作用下，根系与表层土体间产生轴向压力，根系与土体紧密黏合在一起，增大了根系与土体接触的表面积，使得根系与表层土体间的摩擦阻力也增大，从而使有根系边坡表层土体的稳定系数明显高于无根系边坡表层土体的安全系数。

3)当边坡坡度超过55°时，有根系边坡的安全系数比无根系边坡的安全系数增大值约为2，同时二者安全系数比在1.005～1.000之间，基本上为一限值。随着坡度的变化，生长在坡面上的草本植物的根系，往往顺坡面向下方延伸，几乎不向坡面上方和土层深处延伸。因此，当坡面变陡，坡度增大时，根系分布层变薄。即使在坡面土体疏松，有利于根系侵入的良好基础条件下，仍会发生根系顺坡面向下方延伸的现象。可以认为坡面变陡，坡度增大时，草本植物的根系形态从立体构造变化为平面构造。正因为如此，在陡坡上引种草本植物时，其根系先端部位即使形成疏松的风化土层，根系也不能侵入，难以达到固定风化土层的目的。

3 有根系边坡表层土体剪应力与根系质量的关系

土中根系的含量不同决定了根系在土中的质量不同，根对土的加筋作用的效果也就不同，因而植被对边坡稳定性的影响程度也就不同。衡量根在土中的含量的一个常用指标是“根的面积比率”(Root Area Ratio简记为RAR)，它指的是在一个土层断面上(水平断面或垂直断面)根的截面面积与总断面面积的比率。另一种衡量土中根的含量的方法是“根的生物量集度”，即单位体积土中根的质量，它和RAR存在一定的转化关系。

本实验过程中用到的环刀体积均在64.106～64.307 cm3之间，所以本论文中为了方便起见，将根系质量解释为单个环刀体积内根系的质量，单位为g。江北车站有根系边坡表层土体剪应力与根系质量的关系见图5。

图5 江北车站根系质量与剪应力关系

可看出，根系质量的多少和抗剪强度的关系可用下列公式表示:

式中，x为根系质量(g);y为抗剪强度(kPa)。

上式对 x求导，得出 y'=a/x，可以看出，当 x→∞，y'趋于零，抗剪强度增加的幅度就会减小。这说明y=alnx+b是有界的，当x达到一定值时，抗剪强度的增加幅度为一个限值。

4 总结

1)有根系边坡表层土体的抗剪强度明显大于无根系边坡表层土体的抗剪强度。

2)在坡度不超过55°时，植物根系对提高土体的强度是不容置疑的。

3)根系在土体中的含量并不是越多土体的抗剪强度越高，当根系在土体中的含量达到一定限值后，抗剪强度基本为一定值。

边坡发生移动时，在克服土体本身的内聚力和内摩擦力的同时，还必须克服根系表面与土体间的摩擦力或根系的抗拉力。因此植被边坡是一种边坡防护的理想措施和方法，这也是根系固土护坡的实质所在。

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