植物防护对路堤边坡稳定性的影响研究

赵呈冉

(兰州铁道设计院有限公司,甘肃 兰州 730000)

随着人们环保意识的逐渐增强,利用生态技术对道路边坡进行防护的呼声越来越高,尤其是国外环保意识较强的一些国家,更是将其列入国家法规。生态边坡防护是一种通过植被根系提高土体抗剪强度,进而提高边坡稳定性的绿色防护技术。

针对边坡的生态防护性问题,国内外学者通过理论分析、数值模拟、室内试验和现场测试进行了大量的研究,如肖盛燮等[1]根据植被护坡作用机制和应力、应变模式分析,建立加固作用力学模型,导出植物根系的抗滑力一般计算式,并推导植物根系加固能力的计算式;赵志明等[2]利用室内试验和数值模拟研究了工程初期和植被长成后边坡绿色防护层的稳定性;彭书生等[3]通过理论分析探讨了植被增加边坡降水入渗对边坡深层稳定性的影响;孙红等[4]借助CHASM软件探讨了植被类型、降水、填土材料内摩擦角等因素对边坡稳定性的影响;言志信等[5]在深入分析植物根系加固边坡力学机制的基础上,探讨了根系对边坡抗剪强度和稳定性的影响;张翔宇等[6]利用室内模型试验研究了狗牙根加筋土主应力差与轴向应变的关系;嵇晓雷等[7]利用数值模拟分析了植物根系分形维数与边坡土体位移场的关系;陈良杰等[8]利用室内模型试验测试了不同种类、不同直径、不同长度的根系的抗拉强度;卜宗举[9]利用数值分析研究了水平与竖向植物根系对边坡加固的影响;宗全利等[10]利用室内土工试验研究了红柳、甘草、骆驼刺、芦苇、胡杨、白刺6种植被根系抗拉强度及抗剪强度与根系直径的关系,并建立了土-根相互作用模型;奚灵智等[11]通过室内直剪试验剖析了黑麦草加固黏土原状土中根系含量和含水率对其抗剪性能的影响;陈辉[12]利用数值模拟、室内直剪试验以及模型试验分析了植被根系对黄土边坡稳定性及固土效果的影响;蒋希雁等[13]借助室内剪切试验,剖析了坡体含水率、含根量以及边坡坡度对浅层边坡稳定性的影响;王一冰等[14]利用室内直剪模型试验探讨了根系倾角对坡土强度的影响。

综上所述,前人的研究成果给路堤边坡植被防护提供了一些指导,但主要集中在植被根系防护机理、植被根系抗拉强度等方面,对于植被根系的布置位置、植被根型等对边坡稳定性的影响鲜有研究。因此,有必要对其进行深入的剖析。研究利用数值仿真技术,探讨了植被位置、植被深度、植被根型等参数对边坡稳定性的影响,从而为铁路路堤边坡防护设计提供了参考。

1 数学模型

1.1 土体本构模型

土体是由气体、液体和固体颗粒组成的一种天然散体材料,其应力应变关系具有很强的非线性特征,即在小应变条件下处于弹性状态,而当应力大于屈服极限后,土体则处于塑性状态。选取摩尔库伦模型模拟土体的力学行为(见图1),该模型遵守摩尔库伦失稳准则和拉伸失稳准则,其剪切屈服函数和拉应力屈服函数分别为

(1)

ft=σ3-σt,

(2)

上述函数分别符合非关联流动法则和相关联流动法则,对应地,其计算公式分别为

gs=σ1-σ3Nφ,

(3)

gt=-σ3,

(4)

其中:Nφ=(1+sinφ)/(1-sinφ);c为粘聚力;φ为摩擦角;σt为抗拉强度。

图1 摩尔库伦强度准则Fig.1 Mohr-coulomb strength criterion

1.2 植被根系本构模型

植被的根系属于柔性材料,一般仅考虑其抗拉性能,而不考虑其抗压性能。因此,选择与植被根系力学特性较为类似的锚索单元对其进行仿真,在模拟过程中对参考植被根系的力学参数进行了设置。

1.3 边坡安全系数求解

根据安全系数可将边坡的稳定性划分为3类:稳定状态(安全系数K>1.0)、滑动状态(安全系数K<1.0)和临界状态(安全系数K=1.0)。采用强度折减法对边坡的稳定性进行分析,主要思路为:不断降低边坡岩土体抗剪强度参数,使其稳定性达到临界状态,最终得到安全系数。求解过程中粘聚力和摩擦角的折减计算公式分别为

(5)

(6)

其中:cd为折减后的粘聚力;φd为折减后的摩擦角;Fd为折减系数。

1.4 分析模型及计算工况

通过现场调查,植被的根系按照其形状可分为主直根、散生根和水平根3种类型,而每种根型又可以细分为垂直根、侧根和须根,在数值模拟中想要完全仿真植物的根系形状是非常困难的。因此,模拟过程中简化了根系形状,具体的几何分析模型以及简化根型如图2所示。图2中边坡高度H=5.0 m,坡率α=1∶1,植被主根距离坡脚的距离为S(m),主根从坡面伸入坡体的深度为L(m),植被根系与竖直方向的夹角为β(°)。路堤边坡土体参数为:土体天然重度γ=18.0 kN/m3,粘聚力c=30.0 kPa,内摩擦角φ=35.0°,杨氏模量E=10 MPa,泊松比μ=0.3。植被根系的参数为:直径D=1.0 cm,抗拉屈服强度Ft=35.0 MPa,抗压屈服强度Fc=0。数值模型重点分析了植被根系深度、位置、间距等对边坡稳定的影响。

图2 几何分析模型以及简化根型示意图Fig.2 Geometric analysis model and simplified root diagram

2 结果分析

2.1 竖直单根位置对边坡稳定性的影响

竖直单根布置在不同位置处的稳定系数如图3所示。由图3可以看出,根系位置对边坡稳定性的影响非常显著,随着根系远离坡脚,稳定系数呈先增大后减小的趋势,即近似呈“单驼峰”形分布。当S=1.0 m(S/H=0.2)时,稳定系数K最大,约为2.919,较无根系边坡的稳定系数(K=2.910)增加了0.31%;当S=5.0 m(S/H=1.0)时(即路肩),稳定系数K最小,约为2.911,增加了0.03%,增幅约为峰值稳定系数的10倍,产生上述现象主要与根系进入塑性区的长度有关。无根系时边坡的塑性应变云图如图4所示。不难看出,当S=1.0 m(S/H=0.2)时,根系贯穿整个塑性区,此时根系对边坡的锚固作用最强,相应的安全系数最高;而当S=5.0 m(S/H=1.0)时,根系在塑性区的最上方,此时根系对边坡的锚固作用最弱,对应的安全系数最低。

图3 竖直单根布置在不同位置处的稳定系数Fig.3 Slope stability coefficients of vertical single rootat different positions

注:图中的根系是位置示意图,仅说明S/H=0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0时根尖与塑性区的相对位置图4 无根系时边坡的塑性应变云图Fig.4 Plastic strain contour of slope without root system

2.2 竖直单根深度对边坡稳定性的影响

以根系在距坡脚1.0 m处为例,说明竖直单根深度对边坡稳定性的影响。竖直单根在不同深度条件下的边坡稳定系数如图5所示。很容易发现,随着根系深度的增加,边坡的稳定性呈递增趋势,近似呈“S”形分布。此外,还观察到,当根系深度较浅或较深时(对应L/H≤0.3或L/H≥0.7),稳定系数K随着根系深度的增加变化较为平缓;当根系深度适中时(对应0.3

图5 竖直单根在不同深度条件下边坡稳定系数Fig.5 Slope stability coefficient of vertical single rootat different depths

2.3 根系类型对边坡稳定性的影响

为了使3种根型对边坡稳定性的影响具有可比性,研究中将3种根型的累计总长度均取为5.0 m,仅在外形上存在差异。不同根型条件下边坡稳定系数如图6所示。不难看出,主直根型对边坡稳定性的影响最为显著,与无植被根系防护的边坡相比,稳定系数增加了约1.0%;水平根型对边坡稳定性的影响最微弱,稳定系数仅仅增加了0.17%;散生根型对边坡稳定性的影响居中,稳定系数增加了约0.58%。此外,从不同工况的塑性应变云图(见图7)可以看出,主直根型防护的边坡塑性应变区范围最小,其次是散生根型防护边坡,水平根型防护边坡塑性区范围最大,几乎与无根系防护边坡相当,这与稳定系数的规律一致。上述现象可能与植被根型的锚固作用强弱有关,水平根型虽然根系密度比较大,但根系长度较短,基本未深入到塑性应变区,相应地,对边坡的锚固作用也偏弱;而主直根系虽然密度较小,但主根较长,基本贯穿了整个塑性区,相应地对边坡的锚固作用较为显著。

图6 不同根型条件下边坡稳定系数Fig.6 Slope stability coefficient under differentroot-type conditions

图7 不同根型条件下边坡塑性应变云图Fig.7 Plastic strain contour of slope with different root-type conditions

3 结语

(1) 竖直单根位置对边坡稳定性的影响非常显著,随着根系远离坡脚,稳定系数呈先增大后减小的趋势,即近似呈“单驼峰”形分布,根系距坡脚的水平距离与坡高比值为0.2时稳定系数最大。

(2) 竖直单根随着根系深度的增加,边坡的稳定性呈递增趋势,即近似呈“S”形分布,当根系距坡脚的水平距离与坡高比值在0.3～0.7之间时,根系深度增加对边坡稳定性的锚固作用最明显。

(3) 不同根型对边坡锚固的效果明显不同,在总根系长度相等时,主直根型的锚固效果最好,散生型根次之,水平根型最差。