西宁地区黄土边坡植被根系协同护坡试验及模拟研究

孟繁兴 李 辉 蒋宁山 刘成奎

（1.青海大学土木工程学院，青海 西宁 810016；2.青海省建筑建材料学研究院有限责任公司，青海 西宁 810016；3.青海省高原绿色建筑与生态社区重点实验室，青海 西宁 810016）

0 引言

随着青海省春季气温逐渐升高，导致各地区出现冰雪消融、冻土开化等现状，极易引发土体崩塌、滑坡及水土流失等问题。因此为了加强冻融期地质灾害的防范工作，采用植被生态护坡的治理方案来增强土体稳定性是极其必要的。董晓宏等[1]探究了杨凌地区重塑黄土在冻融后的剪切强度变化规律，得到了在含水率相同的条件下，3~5 次循环后黄土的黏聚力将降至最低，随后逐渐趋于稳定，相反内摩擦角变化不是很明显。杨亚川[2]提出了“根-土复合体”的概念，指出了根-土复合体的正应力与抗剪强度的关系满足库伦定律，通过试验得出了土体抗剪强度与含根量的关系。陈辉[3]研究了植被根系对黄土边坡稳定性及固土效果的影响，通过直剪试验、模型试验及数值模拟得出了植被根系可明显提高黄土的抗剪强度。

1 试验设计

青海省西宁市年平均气温为-5.1℃~9.0℃，气候特征为日照时间长、日气温差较大，年气温差较小。因此选取的黄土是在青海省西宁市城北区青海大学南门外的山坡，土体类型为粉土。得到的物理性质指标见表1。

表1 土体物理性质指标

1.1 材料选取

该研究根据研究区内环境、气候以及土壤的特点，选择耐寒性好、根系发达、能更好地吸收水分的三种含有植物根系（披碱草、锦鸡儿、华北米蒿）的黄土以及不含植物根系的原状黄土。

1.2 试验步骤

试验步骤如下：1）将试验区密封带回的不含植物根系的黄土进行106 ℃烘干处理且经过孔径为0.25 mm 的土工筛，与制备好的蒸馏水和3 种植物在不同含根量梯度（0.5%、1%、1.5%）下按一定比例进行充分混合，制备3 种根-土复合体试样和一种不含根系的黄土试样，将4 组试样同环刀一起用保鲜膜做密封处理，随后放入冻融循环箱，温度范围为-15℃~15℃，时间为12 h。通过试验发现，初次冻融循环对土体强度和内部结构的影响最大，随着次数增多，在第三次冻融循环后对土体的影响越来越小，并逐渐趋于稳定。因此，以第三次冻融循环后的试样作为研究对象，得到4 种在冻融条件下完成的试样。然后用同样的方法制作四组在常温条件下的试样，以研究常温和冻融条件下不同根系在不同环境下对土体的影响。2）直剪试验采用青海大学的ZJ 型应变控制式直剪仪，在正压力为50kPa、100kPa、150kPa、200kPa 4 个等级下进行多组试验，剪切应变速率控制为2.4 mm/min，测力计率定系数为1.706，在试样进行剪切时，每隔10 s 得出1 组测力计读数，直到试样剪切完全破坏后终止读数，以0.01 mm 为单位，计算各个试样的抗剪强度，再以垂直压力作为横坐标，抗剪强度作为纵坐标，得出黏聚力和内摩擦角的数值。

2 室内试验的结果与分析

姚亚兰等学者[4-6]研究发现，含根量越大，土体黏聚力越大且有最佳含根量的存在使根-土复合体抗剪强度达到最大值，对土体的增强效果最大。因此该试验通过直剪试验得出的结论，选取正压力P=100 kPa、P=200 kPa 时的抗剪强度、黏聚力和内摩擦角4 组数据进行研究。将3 种根-土复合体试样在含根量为0.5%、1%、1.5%得出的4 组数据与不含根系的素土做差，讨论3 种试样随着含根量的增大是否对土体产生增强或抑制作用。当做差的结果等于零时，说明该含根量下对土体的作用为零；当做差的结果小于零时，说明此含根量下对土体会有抑制作用；反之，当做差的结果大于零时，说明该含根量对土体有增强作用。将得到的结果绘制成图形，可知在常温和冻融2 种条件下3 种根-土复合体试样对土体的作用情况。

3.1 常温条件下3种根-土复合体试样随含根量增大的变化图

由图1~图4 可知，在常温条件下：1）披碱草试样的抗剪强度和内摩擦角变化量随含根量增大而增加，在含根量0.5%时有最小值且小于零，对土体的抑制作用最大。抗剪强度变化量在含根量为0.5%~1.0%时和内摩擦角变化量在含根量为1.0%~1.5%时，对土体的抑制作用逐渐减弱，并在某一点达到零，然后对土体的增强效果越来越大；黏聚力变化量随着含根量的增大先增加再变小，对土体的黏聚力一直有增强的效果，在含根量为1.0%时有最大值即最优含根量，此时对土体的增强效果最明显。2）华北米嵩试样在P=100 kPa 时的抗剪强度和黏聚力变化量随含根量的增大而增加，在含根量0.5%时有最小值且小于零，对土体的抑制作用最大，在含根量为1.0%~1.5%时抑制作用逐渐减弱，并在某一点达到零，然后对土体的增强效果越来越明显；在P=200 kPa 时的抗剪强度和内摩擦角变化量随含根量的增大而变小，在含根量为0.5%时，达到最大值，即最优含根量且大于零，对土体的增强效果最大。然后逐渐变小，并在含根量0.5%~1.0%的某一点达到零，对土体的抑制效果逐渐增大。3）锦鸡儿试样在P=100 kPa 时的抗剪强度和黏聚力变化量随含根量增大而降低，在P=100 kPa 时的抗剪强度变化量小于零，对土体一直保持抑制作用且抑制作用逐渐增大；黏聚力变化量在含根量0.5%时有最大值即最优含根量且大于零，对土体的增强效果最大，之后增强效果逐渐减小并在含根量为0.5%~1.0%的某一点达到零，后抑制效果越来越明显；在P=200 kPa 时的抗剪强度和内摩擦角的变化量随含根量的增大先增加再变小，在含根量为1.0%时有最大值即最优含根量且略大于零，对土体的增强效果最大，后增强效果逐渐减弱并趋于零。

图1 内摩擦角变化图

图2 黏聚力变化图

图3 抗剪强度p=100 kPa 时的变化

图4 抗剪强度p=200 kPa 时的变化图

3.2 冻融条件下随含根量的增大3种根-土复合体试样的各组变化图

由图5~图8 可知，在冻融条件下：1）披碱草试样的抗剪强度和黏聚力变化量随含根量的增大而增加。其中试样的抗剪强度变化量始终大于零，对土体一直有增强效果且增强效果越来越明显；黏聚力变化量在含根量0.5%有最小值且小于零，对土体的黏聚力抑制作用最大，随后在含根量0.5%~1.0%的某一点达到零，之后对土体的增强效果逐渐加强；内摩擦角先变小再增大，当含根量为 1.0%时有最小值且小于零，对土体的抑制作用最大，随后在含根量1.0%~1.5%的某一点达到零，之后对土体的增强效果逐渐加强。2）华北米嵩试样的黏聚力变化量随含根量的增大而增加，对土体一直具有增强效果且越来越明显；抗剪强度的变化量随含根量的增大先减少后增加，对土体一直有增强效果且增强效果先减弱后增大；内摩擦角变化量在含根量为0.5%时有最大值且大于零，对土体的增强效果最大，然后增强效果逐渐减弱，并在含根量为 1.0% 时达到0，之后对土体的抑制作用越来越明显。3）锦鸡儿试样的黏聚力变化量随含根量的增大而增加，对土体一直有增强效果且增强效果越来越明显；抗剪强度和内摩擦角变化量随含根量的增大先增加再变小，其中抗剪强度变化量大于零，对土体一直有增强效果且增强效果先增大后减弱，并在含根量为1.0%时有最大值，对土体的增强效果最大；内摩擦角变化量小于零，对土体一直保持抑制作用且抑制作用先减弱后逐渐增大。

图5 内摩擦角变化图

图6 黏聚力变化图

图7 抗剪强度p=100 kPa 时变化图

图8 抗剪强度p=200 kPa 时变化图

4 有限元ABAQUS 数值模拟分析

田佳等[7]利用有限元ABAQUS软件建立根-土复合体直剪试样的有限元数值模型，模拟计算的结果与室内试验的结果大致相同，因此证明通过建立有限元数值模型来模拟根-土复合体的直剪试验是可行的。

4.1 边坡模型参数的设置

现对边坡划分为加固区与非加固区两区域进行计算，其中加固区与非加固区采用不同的黏聚力与内摩擦角。

设置边坡模型尺寸长40m，高30m，坡高15m，坡度为450°。边坡加固区采用以4 节点平面应变四边形单元，非加固区采用以4 节点平面应变四边形单元为主，并含有少量3节点平面应变单元。因主要研究根-土混合，即只考虑加固区域内的变化情况，所以将加固区域设置为均质区域，沿斜坡垂直向下2m 的深度。

根土采用分离式边坡模型，加固区域的根系参数与土体在非加固区域的参数不同。

本次模拟土体弹性模量定为10 MPa，根系弹性模量为100 MPa。土体的泊松比数值为0.3，根系泊松比为0.25。根据室内直剪试验的结论得到土体模型的力学参数见表2，构建的模型尺寸如图9 所示，获得的边坡加固实体图和模型图如图10、图11 所示。

图9 边坡模型尺寸图

图10 边坡加固模型实体图

图11 边坡加固有限元模型图

表2 根系边坡加固模型参数

4.2 三种根-土复合体等效塑性应变分析

根据上面的变化图可知，三种根-土复合体试样在常温条件下随着含根量逐渐增大时内摩擦角或黏聚力变化量都存在最大值即最优含根量；冻融条件下三种试样的黏聚力变化量一直增大，没有最优含根量的存在。综上所述，该研究采用3 种植被边坡模型的根系加固层取对应常温条件下植被的最优含根量下的黏聚力与内摩擦角参数，见表3。

表3 三种根-土的边坡加固模型参数

由图12~图14 可知，三种植被试样等效塑性应变主要集中在坡中和坡底之间且随着加固区域内沿斜坡面越深，等效塑性应变也越来越大。其中沿坡面越深3 种试样达到的等效塑性应变最大值分别为2.161、1.759、1.900。披碱草试样的等效塑性应变区间为1.080~2.161；华北米蒿试样的等效塑性应变区间为1.026~1.759；锦鸡儿试样的等效塑性应变区间为1.109~1.900。

图12 披碱草试样边坡等效塑性应变图

图14 锦鸡儿试样边坡等效塑性应变图

5 结论

通过研究得到以下结论：1）随着正压力增加，抗剪强度在常温和冻融条件下都有明显提升。2）在常温条件下，三种试样在内摩擦角和黏聚力变化量上均有最优含根量，即在此含根量上对土体的增强效果最大。披碱草、华北米蒿、锦鸡儿三种试样最优含根量依次为1.0%、0.5%、0.5%。披碱草和锦鸡儿试样随含根量的增大内摩擦角变化不明显，而华北米蒿试样内摩擦角对土体的抑制作用越来越明显。3）在冻融条件下，三种试样随着含根量的增大抗剪强度和黏聚力变化量上均有明显增大。其中抗剪强度方面披碱草试样增大效果最明显，其次是华北米蒿和锦鸡儿试样；黏聚力变化量方面华北米蒿试样增大效果最明显，其次是锦鸡儿和披碱草试样。4）在等效塑性应变上，沿斜坡面越深，其值越大。由三种试样的参数和等效塑性应变图可知，黏聚力和内摩擦角均对等效塑性应变的大小有影响，黏聚力越小，内摩擦角越大，等效塑性应变也越来越大，导致的变形模量也越来越小。在三种试样中披碱草试样等效塑性应变值最大，其次为锦鸡儿试样和华北米蒿试样。

图13 华北米蒿试样边坡等效塑性应变图