微型桩群-土-植被协同护坡体系研究述评

邓友生,姚志刚,刘华飞,许文涛

( 湖北工业大学 土木工程与建筑学院，武汉　430068)



微型桩群-土-植被协同护坡体系研究述评

邓友生,姚志刚,刘华飞,许文涛

( 湖北工业大学 土木工程与建筑学院，武汉430068)

摘要：工程地质条件和雨水作用等因素往往决定着边坡防护合理的设计方式。通过研究国内外边坡护坡技术的研究现状，指出微型桩-土-植被协同护坡体系设计方法的研究意义。首先，从施工、成本、环境、安全等角度考虑，与其它单一护坡方式相比较，阐述了协同护坡体系具有多方面的优点；其次，着重从理论与实验研究阐述微型桩-土共同护坡的力学机理,从力学效应、水文效应与计算模型3个方面探索植被体系护坡的力学机理，分析了雨水对土质边坡的侵蚀与破坏作用；最后，展望了协同护坡体系的应用前景，并阐明了今后的研究方向。

关键词：微型桩群；植被体系；协同护坡； 雨水作用； 土质边坡

1研究背景

近年来，随着我国经济的快速发展，基础设施大量建设，特别是高等级别公路及山区高速公路的建设，产生了大量的路堑与路基边坡，破坏了原有地貌土壤植被系统的生态平衡，导致地表裸露，土壤抵抗雨水侵蚀能力下降，水土流失加剧，生态破坏日趋严重。调查研究表明，由于公路建设导致长江中下游每年新增加水土流失5 000万t以上。公路建设，不可避免会产生许多边坡工程，加剧了生态的退化。如果处治不力，将对周围环境与公路本身产生不可逆转的严重恶果，给人民生活、生产带来危害，如滑坡、泥石流等严重的灾害。在我国南方地区，普遍降雨频繁且持续时间长，降雨是诱发滑坡的主要直接原因之一，也是危害边坡工程稳定性的重要因素。随着人们生活水平的日益提高，生活居住与出行环保意识的增强，人们对生存环境提出了更高的要求，其意识已经从单纯注重工程建设开始向工程建设与环境保护兼顾的方向逐步转变，从单纯强调边坡的工程防护开始向重视边坡的植被防护转移。2000年10月11日，国务院向各省、市、自治区、国务院各部委、各直属机关等下发了《国务院关于进一步推进全国绿色通道建设的通知》[1]，使得生态护坡成为国家层面关注的科学问题。对大量的裸露边坡进行生态防护成为不可回避的问题。然而，公路边坡的立地条件通常比较复杂，如果不进行边坡稳定加固工程措施处理，植被很难在边坡上生长；反之，边坡上的植被有利于边坡的水土保持与浅层稳定及环境美化。本文根据国内外一些护坡模式及设计的经验，提出关于微型桩群-土-植被协同护坡体系(以下简称协同护坡体系)的设计思路，为研究边坡稳定加固和环境美化提供参考。

2协同护坡体系的特点

现代岩土工程中，边坡护坡理论和措施都在不断的完善，基本朝着轻型、小型、绿色环保型、经济型、可持续型方向发展。协同护坡体系，改变了边坡土体作为单一材料的工程特性，将微型桩与植被一同增强土颗粒间的凝聚力、坡体整体性和抗震性能。由于植物根系深度的限制，对深层土体的固结作用有限，故护坡中采用微型桩，克服了植被对土体作用的局限性。微型桩本身柔性大、强度高、协同变形明显。协同护坡体系可以承担更大的荷载，边坡的稳定性得到显著提高。其特点主要体现在以下几个方面:

(1) 造价低，工期短，适用性强。布置形式灵活，可根据设计需要布置于坡脚、坡中或坡顶。微型桩排列样式多样，桩体轴线走向可以竖直或倾斜[2]。

(2) 微型桩孔径小。微型桩对周围岩土体扰动小，对基础和地基土产生的附加应力较小，可提高边坡土体稳定性。

(3) 施工噪音小，开挖面积小，避免造成大面积土体破坏。

(4) 抗震能力较强[3]。微型桩-土-植被形成复杂的受力机理，可有效抵抗水平荷载[4]，尤其斜桩[5]，抗震效果显著增强。

(5) 植被降低噪声、光污染，缓解驾驶员和行人视觉疲劳，有利于行车安全。

(6) 在地面进行微型桩施工及种植植被，施工安全程度高。

3微型桩群护坡与植被体系护坡

3.1微型桩群-土共同护坡的力学机理

微型桩又称树根桩，是在20世纪50年代由意大利Lizzi首次采用的[6]。其桩径一般<300 mm，且布置方式灵活多样，类似树根分布，国内有些学者称其为树根桩。桩体采用压浆方法，将高标号水泥砂浆或细石混凝土与加筋材料压入孔中，根据不同的设计要求，桩体加筋材料可采用劲性的材料，如钢筋、钢棒、钢管、型钢等或以上材料的组合成分[2]。顶部连系结构采用钢筋混凝土材料，桩顶承台的作用提高了微型桩群的整体刚度。一般情况下，微型桩主要有3大用途：①作为地基基础；②用于基坑支护；③边坡稳定加固。本文着重阐述边坡稳定加固工作原理。

微型桩加固边坡的工作机理：由于微型桩本身具有一定抗弯刚度和抗剪强度，它在岩土体内部分布的空间中作为微型桩-土复合体的骨架。水泥砂浆或混凝土的注入，在一定的范围内，使微型桩与微型桩之间的岩土体更加紧密起来，提高岩土体的黏聚力和内摩擦角，增大阻力，岩土体的整体强度显著提高[7]。桩群均匀分布，使整个边坡串联成一个有机的整体，形成一个具有更大刚度的复合体，共同构成一个整体来共同承担外荷载。桩体贯穿滑动面以下，深入到基岩或深土层，相当于悬臂抗滑桩，利用桩的一定抗弯性能抵抗土体压力。实质上，通过改良周围岩土体的力学性能，对微型桩与微型桩之间土体的变形起到了约束作用，抵抗边坡的下滑力。

在受力分析过程中，并非微型桩与土分别承担荷载或者简单的荷载迭加计算，而是存在微型桩结构自身承载力、岩土体的自身承载能力，还包括土-土，微型桩-土，微型桩-微型桩相互作用。此时，在滑面以上的土层中，微型桩-土复合体共同抵抗滑坡推力，其中微型桩通过桩间土体应力传递、分担荷载的作用，将不稳定土体应力传递到稳定岩土体中，达到降低应力集中的目的。在滑面以下的土层中，微型桩直接承受滑坡推力的作用，体现其抗剪能力，使整个边坡达到力学平衡，稳定岩土体边坡。

3.1.1理论研究

研究微型桩的护坡机理主要针对其抗滑承载力进行研究，即主要研究其在坡体复杂滑坡荷载作用下变形特性。William[8]采用极限平衡理论和有限元分析了微型桩群护坡的稳定性；Richards等[9]研究分析了单根微型桩和微型桩群的横向受载工作变形和力学性能，证实了微型桩及微型桩群在水平荷载作用下有较好的力学性能；Cantoni等[10]假定网状微型桩与内部土体形成致密的复合加强体且体系内部不受拉应力，提出了网状微型桩加固斜坡的设计方法，但该法局限性较强而难以推广。

国内微型桩应用的历史比较短，对它的承载能力还没有充分的认识，也没有一个完善的理论。杨文智[11]对微型桩水平承载性状进行系统研究；户巧梅[12]研究了微型桩加固边坡的内力计算方法；孙书伟等[13]对微型桩结构加固边坡受力机制和设计计算理论进行深入研究；周德培等[14]对微型桩组合结构的研究表明，微型桩与土形成的抗滑机制不同于一般的抗滑桩，其抗滑效果不是由微型桩的整体抗弯能力来实现的，而是通过发挥微型桩的抗拉强度和微型桩与地基承载力的优势来抵抗滑坡推力。

3.1.2试验研究

Andrew等[15]通过大规模的模型试验研究了微型桩群在护坡中的荷载作用机理，指出微型桩和地表的连系梁结合起来，微型桩抗滑结构可很大程度地提高边坡的稳定性；Rollins等[16]通过试验研究微型群桩的群桩效应及其在水平荷载作用下对桩体的影响；而Bruce等[17]对侧向受力的微型桩群的研究表明，当排间距达7～8倍桩径时，忽略排间的群桩效应。当垂直于受力方向的列间距达3倍桩径时，忽略列间的群桩效应。

国内，许多专家学者对微型桩加固滑坡也进行了一系列模型试验。孙书伟等[13]利用基于相似理论对微型桩群与普通抗滑桩抗滑特性进行对比试验研究；闫金凯等[18-19],梁烔等[20]进行了边坡与微型桩相互作用的大型物理模型试验，主要研究微型桩的受力分布规律及微型桩的破坏模式等；王树丰[21]以陕西略阳凤凰山滑坡为例对汶川地震滑坡微型桩防治工程进行了深入模拟试验研究；陈正等[22]利用有限元软件研究竖向荷载对微型桩水平承载性能的影响；李宏辉[23]通过现场试验及数值分析得到桩长、截面刚度等因素影响微型桩的水平承载特性；龚健等[5]在软土地基中对微型桩单桩及群桩进行了水平荷载试验，结果表明斜桩基础能有效地减小水平荷载引起的位移。

以上国内外关于微型桩用于岩土体边坡加固方面的相关理论研究并不多，有的是把微型桩作为桩基来研究的，其结果能否应用于边坡治理尚有待进一步试验证明，而大部分研究仅仅针对微型桩的工程护坡而言，没有考虑植被护坡的参与。

3.2植被体系护坡力学机理

植被护坡主要依靠坡面植物的地下根系及地上茎叶的作用来达到固土护坡的作用。根系数量多、相互交织成网状，通过根系与土的摩擦、咬合、黏附等作用，提高土体的黏聚强度、抗剪强度[24]。根系和土体共同组成一种特殊的复合材料，其中土体本身是一种多相、多组分、非匀质的基体相材料，根系是增相材料。根系的生长对土体有一个扩张挤压作用，从而增加根-土的摩擦阻力。另外，根系将土体颗粒紧紧地包裹在一起，可以促进土体固结，根-土复合材料共同抵抗土体变形。根系受拉而提高土体侧向约束力，增强土体抗剪强度，减小边坡变形，提高边坡稳定性。实际上，植被不会影响土体的摩擦角，它主要靠增加土体的黏聚力来增加土体抗剪强度[25]。植被体系的主要作用有根系的力学效应、水文效应。

3.2.1力学效应

(1) 须根的加筋作用。草本植物根系属于浅根，根系以须根为主，可视为带预应力的三维加筋材料，主要分布在地表以下0～30 cm的范围内[26]。对边坡岩土体的加固作用相对较微弱，主要是为了防止坡面水土流失。土-须根形成的复合体可以看作是加筋土，但与工程中的加筋材料分布相比较，浅层根系分布错综盘结。根的加筋作用是通过根在土-根复合材料中的约束作用来增加土体的侧限压力和土体抗剪强度。另外，须根的加筋作用主要取决于植被根系的分布密度、抗拉强度、张拉系数、长度与直径的比率、表面粗糙程度等因素。

(2) 粗根的锚固。粗根指乔灌类植物的垂直根系，属于深根，木本植物的根系相对于草本植物根系根茎要粗。另外，一般可深入地表以下3～5 m，有的可以达到5 m以上[26]。主根可以贯穿边坡体浅层的松散风化带，深入坚硬的土层中，对土体起到预应力锚杆的作用。根系中，侧根根系具有斜向牵引效应，以侧根牵引力的形式，提高根际土层斜向抗张拉强度[27]。须根又具有黏结、摩擦等作用。通过主根、侧根、须根在土体中形成根网，使土体发生固结，使土体强度提高。

(3) 超载作用。超载指自身重量较大的植被作为超限荷载作用到边坡体上，导致滑移面的剪应力增大到极限状态，从而对坡体稳定性产生不利影响。在以往研究中，由于草本植物和大多数的灌木的自重作用影响微小[28]，而忽视大型乔木自重对边坡稳定性产生的超载影响。故在植被护坡设计时，一般不宜在边坡中种植大型乔木，在坡脚种植相对重而密的灌木，在坡顶种植草本植物，可提高边坡稳定性。

3.2.2水文效应

(1) 降雨截流。一部分降雨被存储在树叶和树干上，经重新蒸发，回到大气中，减少了到达坡面降雨量。另一部分雨水经茎叶形成二次降雨，降低了到达坡面的降雨强度，从而降低滴溅能量[29]。避免雨滴破坏土体发生分离、破裂、位移及引起土体片蚀、沟蚀等。

(2) 防治水土流失。植被的根茎和叶子，增加了地表的粗糙程度。叶子使径流减小，流速减缓，冲刷能力降低，有效地过滤径流中的土粒等沉淀物。另外，根衰老或死亡后收缩而留出空隙，使地表径流能顺着通道、空隙渗入土体。土体冲蚀的强弱取决于径流流速的大小、径流所具有的能量[30]。

(3) 降低土体孔隙水压力。边坡的失稳与土体的孔隙水压力大小有着密切关系[30]。雨水入渗边坡土体，通过植被吸收、蒸发等途径减少边坡体内水分，基质吸力增大，提高内聚力，增加土体颗粒间的接触程度，增强土体抗剪能力，提高了边坡稳定性。

3.2.3计算模型

Wu等[31-32]、Waldron[33]提出并推导了根系护坡的第一个力学模型的理论计算公式。该模型认为植物根系产生的土体抗剪强度的增量与根系的平均抗拉强度和根横截面面积比成正比。

国内专家学者，如周德培等[1]建立了草本植物根系和木本植物的垂直、水平根系与土壤相互作用的力学模型，定量分析了草本植物根系的三维加筋作用；刘跃明等[34]基于摩尔-库伦破坏准则建立了极限平衡条件下摩擦型根土黏合键破坏模型，他们通过设计了能在室内和野外进行实时测试分析的测试系统对侧根与土壤间摩擦型根土黏合键的力学作用机制进行探讨，研究表明该系统各项性能能够满足根系对土壤牵引效应研究的测试要求，摩擦型根土黏合键破坏模型计算与室内测试结果吻合较好；姜志强等[35]将深粗根系视为锚杆，浅细根系和周围的土体作为均匀复合材料，建立了有限元计算模型，分析了根土复合介质的强度参数对边坡整体稳定性的影响。

Gray等[36]最早提出把根系与土壤结合作为一种特殊复合材料的概念，并对林木群根护坡功能及提高坡面抗滑能力进行了大量的研究；Beek等[37]采用FDM法研究了含根土体的抗剪强度，认为植物根系能够增加土体的抗剪强度，且穿过滑动面根系的数量对边坡的稳定性起主要作用；Khalilnejad等[38]的研究表明植被对土坡稳定性的影响是通过土壤的吸附力、有效应力、孔隙压力和黏聚力来拦截，剪应力在坡脚以“拔力”的形式体现，此处群根对抵抗“拔力”有重要作用，如图1所示。

图1　根系在坡脚的护坡效果Fig.1　Roots in slope toe for slope protection

肖本林等[39-40]以汉宜高速公路边坡的刺槐根系进行了试验，表明刺槐植株的侧根抗拉强度最大值远大于主根的抗拉强度最大值，与工程结构常用的钢材HPB235的强度设计值210 MPa相比，该试验植株的根系可提供1/4～1/2的钢筋拉力；对林木群根进行数值模拟结果表明在边坡顶部和底部适当间距的植株可以减小边坡顶部张拉区范围和边坡剪应力区范围；刘秀萍等[41]通过试验比较了有根系土壤与无根系土壤的抗剪强度；张谢东等[42]以随州—岳阳高速公路中段工程建设为工程背景，开展根土复合体根系锚固效应模型的力学试验研究，通过现场和室内力学试验，推导植物根系分布密度与黏聚力的函数关系式。

国内外关于植被护坡研究较多，但是，大多没有与工程措施相结合(如微型桩)，故并不完善，由于根系长度有限，对于有滑坡潜在危险的土坡，还需要工程防护。

4雨水作用

Faisal等[43]模拟降雨条件下，净水压力变化对边坡稳定性的影响。Faisal等[44]研究雨季暴雨短时间使地下水位发生变化，边坡土体干湿循环导致残积土坡不稳定，边坡中植被降低渗透和改变吸附力。Wang等[45-48]的研究都证实，水是造成岩土损伤及边坡破坏的决定因素。姚裕春等[49]研究的不同含水量土质边坡的离心模型试验表明边坡的破坏类型与其含水量大小有关，且主要存在2种破坏类型：一种是含水量较小时形成的拉裂缝破坏，另一种是含水量较大时形成的整体滑塌破坏。同时，含水量与边坡的最大稳定高度呈非线性关系。程永辉等[50]研制了一套可在离心机中进行降雨模拟的装置，并通过离心模型试验，模拟了降雨条件下典型膨胀土边坡失稳破坏的全过程，获得了降雨条件下膨胀土边坡失稳的机理；钱纪芸等[51]研制的离心场降雨设备，进行了黏性土边坡降雨离心模型试验，初步探讨了降雨条件下边坡变形和破坏规律；孙永帅等[52]研究了雨水渗流基本理论及降雨入渗影响边坡稳定的机理；胡文利等[53]研究土体不同的含水率对土-植被复合体抗剪强度的大小的影响。

目前，国内对于微型桩群护坡或植被体系护坡的研究大都局限在“干态”或土体天然含水量的非饱和状态下进行的。在降雨条件下，微型桩与土与植被相互间界面的接触变得松弛，浅层边坡土体的强度下降，它们之间的握裹力下降。因此，研究微型桩群-土-植被协同护坡体系作用机理及设计方法，具有重要意义。

5展望

预计到2020年，全国公路通车里程将达到260万～300万km，高等级公路总里程将达到65万km，高速公路通车总里程将达到7万km以上[54]。修建公路将产生了大量的路堑与路基边坡，对这些边坡采用协同护坡体系固坡，为植被的生存创造了良好、稳定的环境，可达到固坡效益、生态效益和景观效益。因此，协同护坡体系研究具有广阔的应用前景。

关于协同护坡体系机理研究在工程中合理的设计、应用及其受力变形机制等还存在以下问题仍有待继续深入研究：

(1) 在反复降雨条件下，受大气温度、湿度影响下作用，非饱和土-饱和土含水量的变化对基质吸力的影响及对土体强度的损伤与恢复状态。

(2) 天然降雨时，雨水在微型桩、土与植被根系组成协同护坡体系中渗透、吸收特性。

(3) 在地震作用下，土坡中微型桩-土-植被根系的动力破坏机制。

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(编辑：赵卫兵)

A Review of the Synergistic System of Micropile-Group-Soil-Vegetation for Slope Protection

DENG You-sheng，YAO Zhi-gang，LIU Hua-fei，XU Wen-tao

(School of Civil Engineering & Architecture, Hubei University of Technology, Wuhan430068, China)

Abstract:Complex factors such as engineering geological conditions and rainfall usually determine the design of slope protection. According to the status of slope protection research, the significance of researching on the design methods of synergistic slope protection system of micropiles group-soil-vegetation is pointed out. Firstly, compared with other single means of slope protection in the aspects of construction, cost, environment, and safety, the new system has many obvious advantages. Subsequently, the mechanical mechanism of micropile-soil and the vegetation slope protection system were elaborated respectively from mechanical effects, hydrological effects and calculation models, and some problems are pointed out as well. Furthermore, the erosion and damage of soil slope under rainfall action are analyzed. Finally, the prospects of the application of the synergistic system in China are presented, and further research topics are suggested.

Key words:micropiles group; vegetation system; synergistic system of slope protection; rainfall action; soil slope

中图分类号：TU457

文献标志码：A

文章编号：1001-5485(2016)05-0036-06

doi:10.11988/ckyyb.201501612016,33(05):36-41

作者简介：邓友生(1969-),男，湖南桂阳人，教授，博士生导师，从事基础工程的教学与科研工作，(电话)027-59750498(电子信箱)dengys2009@126.com。

基金项目：国家自然科学基金项目(51378182)

收稿日期：2015-03-06;修回日期：2015-04-10