活木樁聯合草本防護邊坡穩定性數值研究

2019-05-28 08:15:14趙歡樂朱愛軍周鴻軻雷明妍

水力發電 2019年12期

趙歡樂，朱愛軍，2，周鴻軻，雷明妍

(1.貴州大學土木工程學院，貴州貴陽 550025；2.貴陽建筑勘察設計有限公司，貴州貴陽 550081)

0 引言

目前，工程建設項目明顯增多，如各城市規劃的高新產業園區、脫貧攻堅工作中的搬遷安置房及配套設施、拉進城市距離的高鐵動車線路等，這些項目存在大量邊坡工程。出于安全及視覺考慮，需要對其中部分邊坡進行加固、修復、綠化，除了使用錨桿、錨索、混凝土、土釘等外，從保護生態及自然景觀角度出發，對于一些邊坡宜采用生態手段進行防護。其中，有一種就是坡體植入活木樁并種上草本植物的護坡手段，并于2006年在貴州玉銅公路K146+085～K146+179段實施，效果明顯[1]。

活木樁-植草護坡問題屬于多學科交叉的研究課題，涉及林學、土壤學、力學等，各方向關注的焦點不同。巖土工程主要關注根與土的相互作用，以及最終參與抵抗、消減坡體滑動、侵蝕等問題。Holch、Waldron、T.Liang等[2-4]對植物根系的力學性質進行了研究，通過室內、現場試驗推導出根系的抗拉、抗剪等公式。Normaniza Osman &S.S.Barakbah等[5]研究總結了土層中根系的分布區域，以及根與土體的相互作用。解明曙、王禮先等[6-7]研究了根系的固土與保水能力。陳潮、李雪爾、曹小紅等[8-10]通過研究考慮根系的邊坡穩定性問題指出，植被對邊坡淺層滑動治理效果顯著。徐中華、王云、郝由之等[11-13]采用有限元軟件模擬活木樁護坡問題，彌補了現場試驗周期長、可視化低等缺點，最終給出了活木樁較優樁長、樁徑、植入位置等參數。

但是，以上研究未對根型的影響進行探討，也未分析根系的受力和變形。為此，本文對活木樁、活木樁根型、聯合草本防護的邊坡穩定性問題進行研究。

1 數值計算模型

本文在總結前人研究出的活木樁較優固坡參數的基礎上，以貴州省玉銅公路某坡高H為5 m，坡率1∶1的土質邊坡為依托，依據鄭穎人提出的數值計算模型尺寸要求[14]，最終確定邊坡計算模型(見圖1)。活木樁樁徑0.08 m，樁長1.5 m，樁間距1.0 m，整個坡面植入8根與豎直方向呈55°的樁[11]，從坡腳至坡頂依次編號為1號～8號；根系直徑為0.02 m，植草層厚度0.3 m。材料參數見表1[8，11-12]。

圖1 邊坡計算模型(單位：mm)

表1 材料參數

土體、樁及根系的本構模型為理想彈塑性模型，計算中采用Mohr-Coulomb強度屈服準則。邊坡模型采用四邊形網格并進行局部加密，單元類型為平面應變CPE4單元，左右邊界對x方向進行約束，底部邊界對x、y方向進行約束，其他為自由邊界。依據嚴小龍等[15]，考慮活木樁有鯡骨型、二分枝型和分枝鯡骨型等3種(見圖2)，采用桿T2D2單元模擬，并假定不可壓縮。為保證各部件間的變形協調，根系與樁之間綁定約束，然后樁-根體嵌入土中。

圖2 活木樁根型(單位：mm)

2 邊坡穩定性分析

2.1 僅植入活木樁

進行數值分析前，用理正巖土軟件算得自然邊坡的安全系數為0.083，與ABAQUS軟件算得的0.081相差不大，兩者滑面吻合，滑面深度約2.0 m，屬于淺層滑動破壞，可以認為所建模型以及采用的計算方法可行。

為驗證徐中華、王云等[11-12]提出的活木樁傾斜植入坡體的固坡效果好，將樁按豎直和55°角2種方法植入坡內。活木樁植入方式比較見圖3。圖3中，左圖為塑性區，右圖為位移。從圖3可知，豎直植入時邊坡安全系數基本不變，而考慮55°角植入邊坡安全系數為1.125，增長了4.07%，與徐中華、王云等結論相符。相比豎直植入，傾斜植入活木樁最大塑性區向邊坡深層移動，坡頂塑性區后移至離坡頂3.66 m處，滑面改徑。坡體在塑性區貫通的過程中位移不斷增大，豎直植入活木樁中2、3號樁嚴重變形，而傾斜植入的活木樁與土體結合效果更好，有效限制了滑體的擴散，最大位移僅出現在坡腳局部。因此，傾斜植入方式更利于邊坡穩定。

活木樁根型比較見圖4。從圖4可知，以55°角將活木樁植入邊坡后，3種生根情況下的邊坡安全系數分別為1.131、1.144、1.135，較無根情況均有所提高，分別提高了0.53%、1.69%和0.88%，這是因為活木樁生根后，根系在土體中的加筋和牽引作用的體現。因為根型不同，模擬結果存在差異，鯡骨型、分枝鯡骨型的延伸方向大體一致，即便是分枝鯡骨型有不同方向的須根，也因長度、直徑較小，對邊坡維穩貢獻小，僅對表層土體有較好的加固效果，兩者安全系數的增加率接近。而二分枝型的邊坡安全系數之所以比另外兩者大，是因為它的須根較為分散，伸向土體各個方向，生長過程穿透土粒間隙，將松散土體聚攏形成整體性更強的樁-根-土復合體，從而增強了邊坡土體的整體性。因此，二分枝型更利于邊坡穩定，且根-土界面有機物的膠結作用、生物化學作用形成的根-土復合介質，提高了土體部分區域摩擦力和粘聚力，使得有根工況邊坡安全系數有所提高。

圖3 活木樁植入方式比較

圖4 活木樁根型比較

此外，通過對比塑性云圖，二分枝型塑性區明顯有別于另外兩者，由于其對土體的加筋和牽引作用強，導致根系加固范圍大，更利于坡體穩定，因此在1、2號樁間出現分叉，1條在1號樁頂處貫通，另1條越過1號樁底向坡前擴展并貫通，塑性區也相應擴大。二分枝型的滑體位移大于另外兩者，整個位移云圖分布區間接近，層次清楚，很好地體現坡體漸進破壞模式。其次，因二分枝型的抓土能力強，使得滑動面貫通過程中，滑面下部分區域土體也隨之移動，坡腳1號樁周圍也出現0.40 m的位移，像是坡體滑動擠壓坡腳土體形成的位移，由此說明該情況坡體滑動阻礙大，相比另外兩者更難滑動。因此，二分枝型固坡效果優于鯡骨型和分枝鯡骨型。

圖6 活木樁-植草情況

2.2 僅植草

實際工程中，活木樁不是獨立存在的，樁間多種植花草類的草本植物。草本植物的存在同樣對邊坡的穩定性有影響，外露部分能有效阻止雨水直接沖刷坡體，根系與土壤結合形成整體性較強的淺層復合體。嵇曉雷[16]指出，根-土復合體內摩擦角與原有土體基本一致，粘聚力增長范圍為25.28%～101.69%。因此，本文將根系的粘聚力以5%的梯度從25%一直增加到100%進行模擬，得到粘聚力增長率與邊坡安全系數的關系(見圖5)。從圖5可知，隨著粘聚力的增長，安全系數階梯型增加，粘聚力增加1倍時，安全系數提高2.31%，可以認為粘聚力與安全系數正相關。數據擬合得到安全系數與粘聚力增長率的關系式如下

y=A+Bx2+Cx0.5+De(-x)

(1)

式中，y為安全系數；x為粘聚力增長率；參數A、B、C、D為系數，分別取1.062 6、0.006 4、0.030 5、0.018 4。

圖5 粘聚力與安全系數關系

2.3 活木樁-植草護坡結構

活木樁為二分枝根型，表層根-土復合體粘聚力為19 kPa。邊坡塑性區及位移見圖6。從圖6可知，該情況下邊坡破壞時剪出口移至坡腳前方，坡頂塑性區后移，1號樁樁頂及樁底應變最大，并集中于一點，坡腳塑性區移到坡腳前1倍樁長范圍內。可以認為，草本根系的作用使得表層土體的整體性增強，邊坡安全系數為1.179，比自然邊坡增加了9.07%、無根系情況增加了4.80%、二分枝根型情況增加了3.06%。邊坡的最大位移為1.392 m，滑體在滑出口處受阻向上滑出。

樁和根系變形見圖7。從圖7可知，坡體內1、2、3、4號樁發揮著主要作用。1號樁變形明顯且樁底根系受拉嚴重，因為1號樁下部穿越滑裂面，滑體滑出帶動1號樁上部運動，下部牽引，活木樁張拉，張拉過程抵消了部分下滑力。1號～8號樁樁身應力見圖8。從圖8可知，1號樁上部受到較大應力，2號～4號樁下部受力大，這與其未穿越滑裂面有關，其他樁受力不明顯。由此可以認為，活木樁-植草護坡結構在坡面中下部發揮著主要作用。

圖7 活木樁及根系位移

圖8 1～8號樁樁身應力

如果活木樁根系發達，根系間就會相互纏繞。當纏繞到一定程度，多根樁就能共同抵抗坡體滑動。理想情況下，所有根系連在一起在形成網的效果最好(見圖9)。模擬后發現，邊坡的安全系數從之前的1.179提高到1.238，增長了5.00%，整個塑性區向坡體深層移動，最終在距離坡頂約5 m處貫通。坡體位移最大為1.275 m，集中在坡腳區域，根系位移范圍在0.840～1.267 m之間。相比其他情況下，活木樁及根系整體性更強，無明顯扭曲，體現了活木樁在根系纏繞下較好的受拉特性。