不同植被根系对河堤岸坡加固效果

(上海海防水利工程有限公司，上海 200940)

不同植被根系对河堤岸坡加固效果

余能海周雷王国林

(上海海防水利工程有限公司，上海 200940)

为分析不同植被根系对土体抗剪强度参数的影响及对河堤岸坡加固效果的影响，本文对含香根草、百喜草、狗牙根、紫花苜蓿根系土体和裸地进行直接剪切试验，并基于FLAC3D建立河堤岸坡模型，研究了不同植被加固条件下岸坡安全系数。结果表明：4种植被均能显著增强土体抗剪强度，且香根草增强效果最明显，狗牙根增强效果最弱；植被根系对河堤岸坡加固效果明显，不同类型植被根系加固河堤安全系数为香根草>百喜草>紫花苜蓿>狗牙根>裸地。

植被根系；岸坡加固；效果

近年来随着我国经济迅猛发展，大量土建项目上马，然而在工程建设中造成了大量裸露的边坡，裸露的边坡常伴随着严重的水土流失，降低了浅层边坡的抗滑稳定性[1-3]，采用植被对边坡进行加固，不仅能增大边坡稳定性，防止水土流失，而且对生态环境保护也有一定的积极作用[4-6]，因此，采用植被进行护坡逐渐成为目前重要研究课题之一。

国内外大量专家学者对不同植被根系土壤力学特性进行了研究。刘秀萍等[7]研究了植被根系与黄土组成的复合体力学特性，研究了根系大小与分布对其强度特征的影响，结果表明：复合体抗剪强度特征符合莫尔-库仑强度准则，试验含水率范围内，随含水率增大，复合体抗剪强度增大。Mattie等[8, 9]对根系加固土体的强度特征与土壤本身的力学特征和根系生物量间的关系进行了研究，结果表明：根系加固土体强度特性与土体本身力学特性和根系生物量间均存在明显的正比关系。周云艳等[10]对土壤强度特性与根系总长、根系的根表面积、根重和根长的关系进行了研究。

植被护坡技术是指根据植被涵水固土的原理对浅表层边坡进行加固的方法，是多学科交叉融合的新型防护技术。上世纪60年代，日本率先将液压喷播技术应用于护坡工程中，此后又先后研究了纤维土绿化工植被护坡法和高次团粒SF绿化工植被护坡法，推动了植被护坡的发展[11, 12]。我国植被护坡技术起步较晚，目前植被护坡仍以铺草皮等方法为主[13]，缺乏坡面下植被护坡效果的定量研究，难以对植被护坡技术进行有效指导。本文通过室内试验和数值模拟，定量分析了4种不同植被根系土体抗剪强度特性以及对河堤边坡稳定性的影响，以期为植被护坡工程设计提供相关依据。

1 试验材料与方法

试验材料为含香根草、百喜草、狗牙根和紫花苜蓿根系土体和裸地，试验区为亚热带季风气候，年平均气温19.50℃，年平均降雨量1346mm，植被于温室中育苗，待健壮后移至试验区，分别将香根草、百喜草、狗牙根和紫花苜蓿的种植土地编号为C1、C2、C3和C4，裸地对照组编号为C5，并将每个种植样区划分为3个小区，每个小区尺寸为4m×4m，每种植被重复种植三次，植被株行距为30cm×30cm，培育期间定期将试验区内杂草拔除，保证土体不受其他根系影响。植被培育八个月后，用环刀以株径为中心自上而下每隔10cm取一个原状样，每个取样点取三个样，其离地表层的距离分别为0～2cm、10～12cm和20～22cm，环刀尺寸为直径×高=31.80mm×20mm，试样取好后用环刀盒封装，避免土体发生扰动。对取回的试样进行直接剪切试验，试验围压分别为100kPa、200kPa、300kPa和400kPa，试验剪切速率为0.036mm/min，试验剪切位移达到5mm时停止剪切。

2 试验结果与分析

取应变值15%为土体破坏抗剪强度，拟合抗剪强度与固结应力关系曲线，得出不同植被根系土体抗剪强度参数内摩擦角、黏聚力(见表1)。

分析可知：随土层深度增大，含植被根系土体抗剪强度参数黏聚力与内摩擦角均减小，而裸地抗剪强度参数增大。这是由于随地层深度增大，植被根系密度逐渐减小，对土体加固效果逐渐减小，而深度越大，上覆土重越大，土体越密实，抗剪强度参数越大。不同植被根系土体抗剪强度参数均大于裸地抗剪强度参数，说明植被根系有增强土体的作用，且香根草对土体抗剪强度增强作用较明显，而狗牙根对土体增强效果较弱。这是由于植被根系与土体结合作用(如颗粒表面摩擦力以及根系与颗粒间的嵌入作用)增大了土体的咬合力作用，进而提高了土体颗粒的抗剪强度。

表1 不同植被类型土壤抗剪强度参数

3 计算模型与参数

为分析不同植被根系对堤岸边坡加固效果的影响，采用有限元软件对不同堤岸边坡稳定性进行模拟(计算模型如图1所示)，模型表层和底部的位移固定，左右两侧法向位移约束。河堤边坡高为15m，计算植被加固土层厚度为20cm，计算统计该模型单元个数为3486，单元节点个数为4279。

强度折减法是边坡工程中求取安全系数常用的方法之一，强度折减法的基本原理为：将岩土体材料的强度参数(黏聚力c和内摩擦角φ值)通过给定的折减系数R进行折减，从而得到一组新的黏聚力c′和内摩擦角φ′值，计算公式见式(1)和式(2)，并将折减后的参数重新代入进行循环计算，当边坡破坏时，对应的R即为其稳定系数，即Fs=R。强度折减法的结果合理性与其破坏判断标准的确定有关。目前，采用强度折减法判断岩土体稳定性的标准主要有三种：其一为以数值计算不收敛作为判断标准；其二为以滑面上塑性区贯通作为判断标准；其三为以特征部位的位移产生突变作为判断标准。本文以不平衡力发展是否收敛作为破坏判据标准。计算模型采用莫尔-库仑强度模型，植被根系加固土体强度参数取为表层20cm土体强度参数平均值(计算参数见表2)

(1)

(2)

图1 计算模型

植被类型内摩擦角/(°)黏聚力/kPa香根草23.840百喜草21.230狗牙根18.629紫花苜蓿19.724裸地13.218

4 计算结果与分析

不同植被根系加固河堤边坡安全系数如图2所示。可知，不同植被加固河堤边坡安全系数均大于裸地，不同类型植被根系加固河堤安全系数为香根草>百喜草>紫花苜蓿>狗牙根>裸地，与裸地相比，采用香根草、百喜草、狗牙根和紫花苜蓿植被加固的河堤边坡安全系数依次提高了23.60%、16.50%、7.10%和11%，说明植被根系对河堤有较好的加固效果。植被根系加固边坡的机理为植被能够对坡体进行锚固，进而增大土体的抗剪强度，能够更好地抵抗边坡的浅层滑动和崩塌。此外，土体抗剪强度参数越大，边坡抵抗径流破坏能力越强，边坡土体越不容易发生水土流失现象。此次计算忽略了植被根系对水土保持的影响，计算结果偏于安全。

图2 不同植被加固河堤边坡安全系数

5 结 论

通过对不同植被根系土体进行直接剪切试验，分析了不同植被根系对土体抗剪强度参数的影响，并基于强度折减法计算了不同植被根系加固河堤边坡安全系数，分析了不同植被根系对河堤边坡的加固效果。

主要结论如下：随土层深度增大，含植被根系土体抗剪强度参数黏聚力与内摩擦角均减小，而裸地抗剪强度参数增大；不同植被根系土体抗剪强度参数均大于裸地抗剪强度参数，说明植被根系有增强土体的作用，且香根草对土体抗剪强度增强作用较明显，而狗牙根对土体增强效果较弱；不同植被加固河堤边坡安全系数均大于裸地，不同类型植被根系加固河堤安全系数为香根草>百喜草>紫花苜蓿>狗牙根>裸地。

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ReinforcementEffectofRootSystemofDifferentVegetationonRiverLeveeBankSlope

YU Nenghai, ZHOU Lei, WANG Guolin

(ShanghaiHaifangHydraulicEngineeringCo.,Ltd.,Shanghai200940,China)

In the paper, direct shear tests are carried out on the root system soil containing vetiver, bahia grass, cynodon dactylon and alfalfa root as well asbare soil in order to analyze the influence of root system of different vegetation on soil shear strength parameter and the influence on river levee bank slope. River levee bank slope model is established on the basis of FLAC3D. The bank slope safety coefficient under different vegetation reinforcement conditions is studied. The results show that four vegetation categories can significantly enhance the soil shear strength,vetiver has the most prominent reinforcement effect, and cynodon dactylon has the weakest reinforcement effect. Vegetation root systems have prominent reinforcement effect on river levee bank slope. The safety coefficient of different vegetation root systems on river levee reinforcement isvetiver> bahia grass> alfalfa root> cynodon dactylon> bare land.

vegetation root system; bank slope reinforcement; effect

TV861

A

1673-8241(2017)09-0040-04

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.09.012