乔木护坡效果物理模型试验研究

2022-02-06姜彤李龙飞薛雷黄坤丁昊王昊宇

科学技术与工程 2022年35期

姜彤, 李龙飞, 薛雷, 黄坤, 丁昊, 王昊宇

(1.华北水利水电大学地球科学与工程学院，郑州 450046； 2.中国科学院地质与地球物理研究所，中国科学院页岩气与地质工程重点实验室，北京 100029； 3.中国科学院地球科学研究院，北京 100029； 4.中国地质大学(北京)工程技术学院，北京 100083)

基础设施建设为中国的经济和社会发展做出了巨大贡献，但在水电、交通等工程建设过程中形成了大量的边坡，其对工程安全造成威胁的同时，还对生态环境有一定破坏作用[1-3]。传统的边坡支护工程(如浆砌石护坡、抗滑桩、锚杆等)造价较高且无法起到改善生态环境的作用[4]。近年来随着国家对生态环境保护的日益重视，有关植被护坡的研究和应用越来越多。大量研究表明，植被的存在能够有效防治坡面水土流失，降低边坡土体的龟裂程度，增加边坡表层土体的稳定性，一定程度可修复生态系统、弥补传统护坡工程的不足[5-6]。

就植被护坡机理而言，目前关于植被护坡的研究主要集中在力学效应和水文效应两方面。在力学效应方面，植被固土护坡主要表现在深层主直根系对土体的锚固与浅层散生根系对土体的加筋作用。20世纪70年代，Wu等[7]基于Mohr-Coulomb准则提出了根系提高土体抗剪强度的理论模型，即WWM(Wu-Waldron-model)模型。之后，Pollen等[8]通过试验对WWM模型进行了修正，建立了一种动态纤维束模型(fibre-bundle model，FBM)，可考虑剪切过程中根系逐根断裂的情况。宗全利等[9]、付江涛等[10]通过根土复合体室内直剪试验与根系抗拉抗拔试验研究了根系对于土体抗剪强度的影响。Mao[11]提出了一种新的根系固土强度预测模型，可将根部失效顺序、根部失效模式、荷载分配规律以及根系直径变化纳入其中，综合评判植被根系对土体的加固效果。Ji等[12]从能量角度出发提出了一种新的纤维束模型来表征根-土作用机制，并通过4种植被根系的原位直剪试验验证了该模型的合理性。在水文效应方面，主要对地面植被覆盖层、茎叶等截留降雨改变地表径流进行研究。赵记领等[13]通过室外天然降雨和室内人工降雨边坡模型试验，研究了肾蕨和细叶结缕草支护下边坡模型内部土壤含水率变化，发现植被主要通过拦截降雨形成地表径流、改变雨水渗透路径、影响边坡土体的渗透性来保护坡体。Zhang等[14]通过离心机试验研究了根系在侧向荷载下的倾倒行为，并将地下水位考虑其中，发现地下水可通过改变根系结构的受力路径对根系强度和刚度产生强烈影响。张俊云[15]采用现场降雨的方法对植被截留量、坡表径流量等因子进行了分析，提出了岩质边坡植被根层土壤贮水量的基本要求。

就植被护坡效果而言，Ng等[16]通过离心机模型试验，量化分析了根系形态对浅层边坡稳定性的水文和力学影响，发现心形根系能够提供最好的护坡效果。刘亚斌等[17]通过草本和灌木组合根-土复合体原状样直剪试验，评价了6种组合根系的分布特征及其对土体抗剪强度的增强效应，发现草本和灌木组合能够增强土体黏聚力且通过改变根系组合形式能够进一步提升土体黏聚力。宋享桦等[18]进行了“裸露边坡”和“植被边坡”的室内模型暴雨对比试验，对比分析了3种草本植物对砂土边坡的护坡效果，发现狗牙根支护边坡稳定性最好，其次是四季青支护边坡，高羊茅支护边坡稳定性最差，四季青根系可有效防止边坡发生流塑性破坏。李国荣[19]等通过ANSYS软件对4种灌木的护坡效果进行了数值模拟研究，发现种灌木的坡体，其位移明显小于素土边坡，四翅滨藜、柠条锦鸡儿、霸王、白刺四种灌木支护下边坡的安全系数分别增强80.5%、48.7%、22.1%和8.0%。廖田婷等[20]通过FLAC3D软件对不同形态根系的水文效应进行分析，发现散生根型根系蒸腾作用最好，水平根型根系更能抵抗浅层雨水冲刷与渗透。Liang等[21]通过数值模拟手段研究了根土复合体强度对边坡稳定性的影响，发现其存在一个阈值，若超过此阈值，临界滑动面将绕过而非穿过植被根系加固区域。

需指出的是，目前关于植被护坡机理的研究较多，而有关植被护坡效果的研究较少，其中又以针对草本和灌木护坡效果的研究较多，而针对乔木护坡效果的研究较少。因此，现采用3D打印技术快速构建了乔木根系模型，在此基础上基于自行设计的滑坡物理模型试验平台，对无根系加固、单排根系加固、双排根系加固和三排根系加固的多组滑坡模型开展物理模型试验研究，旨在对不同乔木根系长度与乔木布设排数的护坡效果进行分析，以期丰富乔木护坡效果评价方面的研究，为乔木护坡实际工程应用提供一定参考。

1 物理模型试验设计

1.1 试验材料

试验用土取自豫西地区，其颗粒级配曲线如图1所示，可将其定名为豫西粉土，其基本物理力学性质指标如表1所示。

图1 试验用土颗粒级配曲线Fig.1 Grading curve of soil samples

表1 试验用土物理力学性质指标

1.2 试验装置

如图2所示，试验系统由模型箱、三维激光扫描仪、高清摄像机、应力-应变数据采集系统等设备组成[22]。模型箱尺寸为120 cm × 50 cm × 80 cm，整体为钢制框架，侧面为两个有机玻璃。模型箱前缘安装牵引电机，通过牵拉引滑面诱发滑坡，牵引电机传动轴运动速度为0.15 mm/min。抗滑力通过模型箱前缘的拉压传感器测量，经由应力-应变数据采集系统进行采集记录，传感器量程为-1 000～1 000 N，精度为0.01 N。滑坡表面布置位移监测点，通过高清相机对试验进行全程录像，获取监测点位移。综上，本试验可综合获得坡体变形破坏过程中的抗滑力、坡体位移和坡体滑动面积等监测数据。

本研究滑坡物理模型是将筛分后的试验用土按照14%的含水率分层均匀填筑而成，坡角30°，土层厚度8 cm，在预设滑面上铺设镀铬铁丝网作为引滑面(倾角30°)，引滑面尺寸16.5 cm × 64.5 cm。

图2 模型试验系统示意图Fig.2 Schematic diagram of model testing system

1.3 根系模型构建

乔木根系类型繁多，不同种类乔木根系形态不同，但乔木根系的护坡作用主要可归结为主根锚固作用与侧根加筋作用[23-25]。柳杉在中高海拔地区分布广泛，其主根和侧根均较发达，在固土护坡时既有锚固作用，又有加筋作用，已被广泛应用于植被护坡工程中，故本试验选取柳杉作为研究对象，其根系自然形态如图3(a)所示[26]。借助犀牛等建模软件，可构建其根系3D数字模型[图3(b)]，据此通过3D打印机可实现试验所用根系的快速构建。本次根系制作采用极光尔沃A8S高精度熔融沉积型(fused deposition modeling，FDM)3D打印机，以根系数字模型为基础，通过聚乳酸材料(polylactic acid，PLA)逐层打印构造模型，具体根系打印流程如图4所示。

图3 根系形态Fig.3 Morphology of roots

1.4 物理模型试验方案

首先进行无根系支护模型试验，之后对根系长度为2.0、2.5、3.0 cm的根系分别进行单排、双排、三排布设的物理模型试验(沿坡向排距15 cm)，其中每排等间距布设3个根系(根系水平间距12.5 cm)，共计10组试验，具体试验方案如表2所示。

2 试验结果分析

为研究根系长度和布设排数对护坡效果的影响，将无根系组作为对照组，分别从抗滑力、坡体位移和滑动面积三个角度进行对比分析。

表2 试验方案

2.1 抗滑力分析

根系布设排数相同，根系长度对抗滑力的影响如图5所示，可看出：

图5 根系排数相同下根系长度对抗滑力的影响Fig.5 Effect of root length on anti-sliding force under the same root row number

(1)与无根系护坡相比，有根系护坡试验工况的抗滑力峰值总体呈现出增大且达到峰值时间延后的趋势。根系 2 cm 长乔木对于抗滑力的提升效果并不明显，其抗滑力峰值及达到峰值时间与无根系护坡相差不大。根系长度 2.5 cm乔木对抗滑力有了较为明显的提升效果，其抗滑力峰值及达峰时间较无根系护坡均有一定程度的提高，2.5 cm 根长-单排、2.5 cm根长-双排、2.5 cm根长-三排3种试验工况的抗滑力峰值与无根系护坡相比分别提高了10.69%、14.92%、34.35%，相应的到达峰值时间与无根系护坡相比分别延长了9.51%、41.96%、52.45%。根系长度 3.0 cm 乔木对抗滑力的提升效果最为明显，3.0 cm根长-单排、3.0 cm根长-双排、3.0 cm根长-三排3种试验工况的抗滑力峰值与无根系护坡相比分别提高了11.27%、41.20%、 51.46%，相应的达到峰值时间与无根系护坡相比分别延长了7.69%、87.41%、95.80%。

(2)单就有根系护坡试验工况而言，抗滑力峰值随根系长度增加而增大，抗滑力达到峰值时间随根系长度增加而延长。

（2）由（1）知，y=f（x）的图象与y轴交点的纵坐标为2，且各部分所在直线斜率的最大值为3，故当且仅当a≥3且b≥2时，f（x）≤ax+b在［0，+∞）成立，因此a+b的最小值为5。

根系长度相同时，根系布设排数对抗滑力曲线的影响如图6所示，可看出：

图6 根系长度相同下根系排数对抗滑力的影响Fig.6 Effect of root row number on anti-sliding force under the same root length

(1)与无根系护坡相比，有根系护坡试验工况的抗滑力峰值总体呈现出增大且达到峰值时间延后的趋势。单排乔木对抗滑力的提升效果并不明显，其抗滑力峰值及达到峰值时间与无根系护坡相差不大。双排乔木对抗滑力有了较为明显的提升效果，其抗滑力峰值及达峰时间较无根系护坡均有一定程度的提高，2.0 cm根长-双排、2.5 cm根长-双排、3.0 cm根长-双排3种试验工况的抗滑力峰值与无根系护坡相比分别提高了12.28%、14.92%、41.20%，相应的到达峰值时间与无根系支护对照组相比分别延长了18.89%、41.96%、87.41%。三排乔木对抗滑力的改善效果最为明显，2.0 cm根长-三排、2.5 cm根长-三排、3.0 cm根长-三排3种试验工况的抗滑力峰值与无根系护坡相比分别提高了17.87%、 34.35%、 51.46%，相应的达到峰值时间与无根系护坡相比分别延长了52.45%、74.83%、96.50%。

(2)单就有根系护坡试验工况而言，抗滑力峰值随根系布设排数的增加而增大，抗滑力达到峰值时间随根系排数的增加而延长。

此外，与无根系护坡相比，有根系护坡试验工况的抗滑力达到首次峰值后的衰减程度大大减小。以3.0 cm根长-三排试验工况为例，首次达到峰值后其抗滑力衰减至43.56 N，为其峰值抗滑力的78.47%，而无根系试验工况首次达到峰值后其抗滑力衰减至19.88 N，仅为其峰值抗滑力的54.24%。

2.2 坡体位移分析

如图7所示，使用直径1 cm的大头钉作为位移监测点, 选定滑坡裂缝发展的关键部位进行监测点布设。通过对实验过程中高清摄像机所拍摄系列照片进行后续处理，可得到不同试验工况的坡体位移随时间变化曲线(此处坡体位移指的是坡体所有监测点的位移均值)。

图7 坡体位移监测点示意图Fig.7 Control chart of slope displacement tracking points

与无根系护坡相比，有根系护坡试验工况的坡体位移总体呈现降低的趋势，且随着根系长度的增加和根系排数的增多，坡体位移下降的愈发明显。

根系布设排数相同，根系长度对位移的影响如图8所示，可看出：与无根系工况相比，单排根系护坡时[图8(a)]，根系长度2.0 cm和2.5 cm 2种试验工况对坡体位移的改善作用较小，根系长度3.0 cm试验工况的坡体位移有显著降低；双排根系护坡时[图8(b)]，坡体位移总体随着根系长度的增加而降低；三排根系护坡时[图8(c)]，根系长度2.0、2.5、3.0 cm 3种试验工况均对坡体位移的改善作用较为显著，其中2.5 cm根长-三排与3.0 cm根长-三排2种试验工况的坡体位移曲线逐步趋于重合，这说明根系布设排数较大时，持续增加根系长度并不能持续显著减小坡体位移。

图8 根系排数相同时不同根长坡体位移对比Fig.8 Comparison of slope displacements of different lengths of root under the same number of root rows

图9 根系长度相同时不同排数根系坡体位移对比Fig.9 Comparison of slope displacements of different rows of root under the same number of root length

2.3 滑动面积分析

以无根系护坡、3.0 cm根长-单排、3.0 cm根长-双排、3.0 cm根长-三排4种试验工况为例，根据试验过程中高清摄像机所拍摄系列照片对不同试验工况下的滑动面积进行研究。

图10为上述4种试验工况试验结束时的滑坡物理模型变形破坏照片，可看出：

图10 第2 600秒坡体表面照片Fig.10 Photos of slope surface at 2 600 s

图11 第2 600秒滑动区域所占比例Fig.11 Ratio of sliding area at 2 600 s

(1)无根系护坡后缘裂缝贯通整个模型箱，坡体发生了较为明显的大范围滑动，而有根系护坡试验工况后缘裂缝被限制在了两侧根系之间，中部和前缘裂缝的包络范围也相应减小。经统计知(图11)，无根系护坡的坡体滑动面积占整个坡面的76.26%，而3.0 cm根长-单排、3.0 cm根长-双排、3.0 cm根长-三排3种试验工况的坡体滑动面积分别占整个坡面的59.17%、55.43%、54.21%。换言之，与无根系护坡坡体相比，有根系护坡坡体的滑动面积显著减小。

(2)单就有根系护坡试验工况而言，坡体滑动面积随根系布设排数增加总体呈减小趋势(59.17%、55.43%、54.21%)，但降幅并不明显，推测这与根系长度、沿坡向根系布设排距、每排根系水平布设间距等因素有关。