草本植物根系对边坡浅层稳定性影响研究

冯国建,朱维伟

(昆明学院 城乡建设与工程管理学院,云南 昆明 650214)

草本植物根系对边坡浅层稳定性影响研究

冯国建,朱维伟

(昆明学院 城乡建设与工程管理学院,云南 昆明 650214)

为研究草本植物根系对边坡浅层稳定性的影响，在假设滑坡体为长方体的条件下，通过对植物根系加固边坡的力学原理进行分析，推导了植物根系对边坡浅层稳定性的安全系数公式，并计算分析了坡度、滑坡体尺寸以及根土面积比对边坡稳定性的影响。结果表明：随着边坡坡度及滑坡体尺寸的增加，边坡的稳定系数将减小。并且，植物护坡的坡体安全系数要大于无防护坡体的安全系数。随着根-土面积比的增大，坡体的稳定系数逐渐增加，说明植物根系能增加边坡的稳定性。

安全系数；坡度；滑坡体尺寸；根-土面积比

在边坡的治理过程中，如何将工程建设与环境保护相结合，成为岩土工作者关心的热点问题。将植被护坡与传统护坡方式相结合，已成为现今治理边坡浅层稳定的有效手段，并认为植物根系增加了土体的抗剪强度，从而对边坡稳定性起到增强作用，国内外学者对这一问题进行了一定研究[1-5]。周正军等[2]利用理正岩土及数值模拟软件研究植物根系的加筋作用，分析边坡坡顶加筋、坡脚加筋及全坡面加筋3种情况下边坡稳定安全系数，探讨植物根系对边坡浅层稳定的影响。李云鹏等[3]选取重庆缙云山马尾松和四川大头茶两种树种，比较分析根面积比率、根系位置范围以及根系角度等因素对土体抗剪强度指标的影响，结果表明针叶树种根系分布范围较广且存在更多与剪切方向成60°的根系，表现出更好的固坡作用。孙发政[6]认为，类芦地下部分根系发达，能形成强大的根网，可应用于水土保持、固土护坡。此外，还有学者研究了柳杉[7]、狗牙根等植物根系对边坡稳定的影响[8]，并且也有将植物应用于边坡侵蚀及边坡生态工程中的实例[9,10]。以上研究成果，从不同角度认为植物根系能增强土体的抗剪强度，有利于边坡稳定。笔者在考虑根系对土体抗剪强度影响的基础上，结合摩尔-库仑强度准则，假定滑坡体为长方体，考虑滑坡体底面及侧面的抗剪强度，对滑坡体的稳定安全系数进行计算。

1 基本假定

在进行边坡稳定性分析时，滑动面按平面或者圆弧滑动面来进行研究。此次研究为使问题得到简化，进行假定：(1)在长期的地球内外引力作用下，当层面与坡面基本平行时，坡面处于相对平衡状态。当坡面表层受到裂隙发育及降水影响时，会产生沿软弱层面滑动的浅层滑坡。因此，假设滑动面为平面，该平面有一定滑动深度，且与坡面平行，即把滑坡体的形状近似简化为长方体。(2)在进行滑坡分析时，不考虑地下水对边坡稳定的影响。(3)由于草本植物的根系重度明显小于土体的重度，因此，在计算中不考虑草本植物根系的重度，即假定 γ根-土=γ土体

2 公式推导

对于土质边坡而言，常用的边坡稳定分析方法是基于极限平衡理论的极限平衡法，基于极限平衡法，得到边坡浅层稳定的分析方法。根据试验假定，得到极限平衡法模型示意图(图1)。

图1 极限平衡法模型示意图Fig.1 The sketch map of the limit equilibrium method

由图1可知，浅层滑坡体的下滑力为

T=Wsinα=γBLzcosαsinα

(1)

抗滑力由3部分组成，分别为滑动面的抗剪切力、滑坡体两个侧面土体的抗剪切力和侧面上根系的抗剪切力，剪切力的大小分别为τLB、τc(2L+B)zcosα和Δατ(2L+B)zcosα。

式(1)中：T—下滑力，(KN)；W—滑体自重，(KN)；α：坡度；L—滑坡体沿斜坡方向长度，(m)；B—滑坡体的宽度，(m)；z—滑坡体的深度，(m)；τ—滑动面上土体的抗剪强度，(kPa)；τc—滑坡体侧面土体的抗剪强度，(kPa)；Δτ—滑坡体侧面根系对土体抗剪强度的增量，(kPa)。

根据摩尔-库仑准则，土体的抗剪强度指标之间有如下关系：

τ=c+σtanφ=c+γzcosαtanφ

(2)

式(2)中：c—土的粘聚力，(kPa)；γ—土体的重度，(kN/m3)；φ—土体的内摩擦角，(O)。

在滑坡体滑动过程中，滑坡体侧面在滑动方向上没有覆土，不考虑正应力，只考虑作用于根-土之间的粘结力。结合摩尔-库仑准则，滑坡体侧面土体的抗剪强度为

τc=c

(3)

对草本根系抗剪切强度的预测采用广泛使用的Wu等建立的根系增大土壤抗剪切强度的力学模型，即

Δτ=Tr(Ar/A)(sinθ+cosθtanφ)

(4)

(5)

结合式(1)～(5)，可得边坡浅层滑动的安全系数为

(6)

3 实例计算

根据前述稳定系数的影响因素，改变式(6)中的一个或者几个参数，而其他参数保持不变，定量分析各参数对边坡浅层稳定性的影响。假定土体重度为γ=14.7 kN/m3，粘聚力c=2.5 kPa，土体内摩擦角φ=26.8°。以下分析坡度、滑体尺寸、根系的加强作用对边坡稳定性的影响。

3.1 坡度对边坡稳定的影响

潜在滑移面深度z=1.5 m，滑坡体宽度B=5 m，滑坡体沿斜坡方向长度L=3 m，根系的平均抗拉强度Tr=10.5 MPa，根系的面积比。改变坡体的坡角，根据式(6)分别计算无根系土体与有根系土体的稳定安全系数(表1)。

结果表明：无根系边坡与有根系边坡的安全系数均随着边坡坡度的增加而逐渐减小。并且，在相同的坡度条件下，有根系边坡的安全系数是大于无根系边坡的安全系数的(表1)。说明，由于根系的存在，能提高坡体的稳定性。

表1 坡度变化时无根系土体与有根系土体的安全系数Table1 The safety parameters of soil and root-soil composite

3.2 滑坡体尺寸对边坡稳定的影响

结果表明，在相同的滑坡体条件下，有根系滑坡体的安全系数要高于无根系滑坡体的安全系数。无论是有根系土体还是无根系土体，滑坡体尺寸越大，安全系数越小。

3.3 根土面积比对边坡稳定的影响

潜在滑移面深度z=0.5 m，滑坡体宽度B=5 m，滑坡体沿斜坡方向长度L=3 m，根系的平均抗拉强度Tr=10.5 MPa，坡度为45°，改变根土面积比，根据式(6)分别计算无根系土体与有根系土体的稳定安全系数(表3)。

表2 滑坡体长度和宽度变化时无根系土体与有根系土体的安全系数Table2 The safety parameters of soil and root-soil composite based on the variation of slope length and depth

表3 根-土面积比变化时边坡的稳定安全系数Table3 The safety parameter of slope under the variation of root-soil area ratio

随着根土面积比的增加，边坡稳定安全系数呈正比例关系增加(表3)，说明植物根系密度越大，边坡越稳定。因此，在进行护坡植物选择时，应尽量选择根系密度大的植物。

4 结论

通过分析根系对边坡的浅层稳定性可知，植物根系能提高边坡稳定：

(1)在坡度及滑坡体尺寸相同的条件下，由于根系的加固作用，有根系的边坡稳定安全系数要大于无根系边坡的安全系数。

(2)边坡的安全系数与根土面积比呈正相关关系，随着边坡中植物根系的增加，边坡稳定安全系数也随之增加。

通过理论公式计算了植物根系作用下边坡的稳定安全系数，指出植物根系对提高边坡稳定性具有重要作用，但缺少与现场实测数据的对比分析。在以后的工作中，应注重理论与试验数据的相互验证研究，提出符合工程实际的理论模型，更好指导生态边坡的计算、设计及施工工作。

[1] 薛方.根-土相互作用及植被防护边坡浅层稳定性分析[D].成都：西南交通大学，2010.

[2] 周正军，许文年，夏振尧，等.植物根系对土质边坡浅层稳定性影响分析[J].人民长江，2011，42(7)：82-85.

[3] 李云鹏，张会兰，王玉杰，等.针叶与阔叶树根系对土壤抗剪强度及坡体稳定性的影响[J].水土保持通报，2014，34(1)：40-45.

[4] 肖本林，罗寿龙，邓友生，等.根系生态护坡的机理及试验研究[J].湖南大学学报(自然科学版)，2011，38(5)：19-23

[5] 于小娟，张涛.航道植物生态护坡固土模式与结构稳定性研究现状及发展[J].四川建筑科学，2014，40(3)：144-148.

[6] 孙发政.类芦的固土护坡性状及其生产应用价值[J].草原与草坪，2004(1)：66-69.

[7] 李晓凤，陈丽华，宋恒川，等.柳杉不同树龄根系加筋作用对边坡稳定性的影响[J].四川农业大学学报，2013，31(3)：258-263.

[8] 嵇晓雷，杨平.狗牙根根系形态对边坡稳定性的影响[J].福建农林大学学报(自然科学版)，2013，42(5)：531-535.

[9] 李义强，王英宇，宋桂龙，等.厚层基材喷播技术在北方半干旱区岩石边坡植被恢复中的应用——以京承高速公路(三期)植被恢复工程为例[J].草原与草坪，2012，32(3)：58-64.

[10] 党志强，刘洋，陈明新，等.主动柔性垂直绿化防护在岩石边坡工程中的应用[J].草原与草坪，2009(4)：50-53.

Effect of herbaceous plant roots on stability of shallow soil in slope

FENG Guo-jian,ZHU Wei-wei

(DepartmentofUrbanandRuralConstructionandEngineeringManagement,KunmingUniversity,Kunming650214,China)

To study the effect of herbaceous plant roots on slope stability under the condition assuming the landslide as rectangle,the mechanics principle of slope reinforced by herbaceous plant roots were analyzed,and the plant roots on the stability of shallow slope safety coefficient formula was deduced,and then the influence of slope on grade,size of landslide,area ration of roots with soil was calculated and analyzed.The results showed that with the increase of grade and the size of landslide,the stability factor of slope decreased.And the slope safety coefficient with plant protection was greater than the safety factor without plant protection.With the increase of the area of root and soil，the stability of the slope coefficient increased

Safety parameter;grade;size of landslide;area ration of roots and soil

2015-03-20；

2015-04-21

云南省高校优势特色重点学科(生态学)建设；云南省教育厅科学研究“公路边坡工程绿化与景观创意设计的可拓方法研究(2014Y385)”；昆明学院校级“云南省护坡植物根系的分布形态及固土力学机理研究(XJL14012)”项目资助

冯国建(1979-)，男，天津人，副教授，博士，主要研究方向为环境岩土。 E-mail：fengguojian2000@163.com

U 416.14

A

1009-5500(2015)04-0023-04