降雨对土坡与植被体系及抗滑桩的影响

邓友生， 许文涛， 刘华飞， 姚志刚

(湖北工业大学 土木工程与建筑学院， 湖北 武汉　430068)



降雨对土坡与植被体系及抗滑桩的影响

邓友生， 许文涛， 刘华飞， 姚志刚

(湖北工业大学 土木工程与建筑学院， 湖北 武汉430068)

[摘要]针对南方地区降雨频繁导致滑坡灾害，首先阐述了降雨对土坡表面与深部的影响及降雨入渗的计算模型；其次分析降雨对护坡植被的影响，研究了降雨对抗滑桩的影响，并指出存在的问题；最后提出植被体系与抗滑桩协同护坡的设计概念和一些措施来减少降雨对土坡的不利影响。

[关键词]降雨； 植被体系； 抗滑桩； 计算模型

1概述

修建公路穿山越岭，难免会遇到边坡防护的问题。目前国内外广泛利用植被体系对边坡浅层进行生态防护，即生态护坡。生态护坡是利用植被含水固土的原理稳定浅层边坡美化生态环境的一种技术。生态护坡可以防止或减少边坡水土流失，快速恢复工程建设破坏的生态环境，并且随着植物的生长发育对保持坡面稳定性和抗侵蚀方面的作用会越来越大。如果是常年降雨比较频繁的地区，采用植被护坡，由于根系与土生物作用，可以维持土体一定程度的强度。

在边坡工程地质条件差以及全年降雨量比较大的地区，由于雨水入渗导致土体性质发生变化，坡体安全系数降低，单纯地进行植被护坡往往达不到工程效果，因此有必要采取工程措施提高边坡整体稳定性。微型桩指直径小于300 mm的钻孔灌注桩。微型桩在地基处理、基坑支护等方面得到了大量使用，而在处理滑坡的研究与应用方面相对较少[1]。微型桩由于施工机具小，对土层适应性强；施工振动、噪声小，桩位布置灵活；长细比大，单桩耗用材料少；采用二次注浆工艺，与同体积灌注桩相比，承载力较高，随着公路建设的发展，作为抗滑桩护坡也逐渐增多[2]。

降雨入渗边坡，坡土浸泡软化，可能导致其基质吸力变小；同时雨水加重坡体自重，加剧诱发滑坡。本文通过研究降雨对护坡微型桩群与植被体系的影响，提出微型群桩与植被体系协同护坡的设想，以供边坡综合防护设计参考。

2降雨对边坡土体的影响

降雨对坡体的影响主要体现在对坡体浅层和坡体深部两个方面。

2.1降雨对坡体浅层的作用

降雨对坡体浅层的影响主要是对坡体表面侵蚀、基质吸力和孔隙水压力的影响。一般认为一场降雨引起的雨水入渗对滑坡体的影响主要是浅层的[3]。近年来，随着国内外研究人员对降雨侵蚀力简易算法的不断改进，其简易算法开始从年雨量和月雨量转向日雨量。王万中根据我国降雨侵蚀力R值区域分布的特征，编制了中国降雨侵蚀力等值线图，进行了降雨侵蚀力分区[4]。章文波等分析了我国降雨侵蚀力空间变化特征[5]，还简化了我国确定侵蚀力的计算方法。黄凤琴等指出，修正通用土壤侵蚀方程是目前应用最广泛的土壤侵蚀经验模型，若与地理信息系统技术相结合，更能反映土壤侵蚀的空间分布[6]。周家文等通过对降雨入渗条件下边坡的稳定性分析得出，在降雨过程中，雨水入渗导致土体孔隙水压力的增大，基质吸力变小，边坡的安全系数逐渐下降，降雨停止后由于水流继续下渗，边坡的安全系数可能继续降低，但随着排水孔不断排水，孔隙水压力逐渐减小，基质吸力逐渐增大边坡表层暂态饱和区逐渐消散，安全系数也会慢慢恢复到降雨之前状态[7]。李涛等人研究了强降雨对路堤边坡渗流及稳定性的影响，降雨入渗将引起路堤内部地下水位线上升，在达到饱和含水量的区域内基质吸力丧失，降雨停止后慢慢恢复安全系数也将得到一定程度的增大[8]。郭志远等通过对降雨条件下非饱和土质边坡稳定性分析后得出[9]，随着雨水的入渗，非饱和土边坡浅层吸力明显降低，土体有效抗剪强度降低，见图1。采用比较缓的边坡形式，虽然斜坡段降雨入渗量增加了，但边坡整体抗滑力仍较陡坡时大，故在降雨影响下放缓坡度后的边坡安全系数仍呈增大趋势见图2。

图1　吸力与含水率关系图[11]Figure 1　Relational graph of suction and moisture

图2　 不同坡率边坡降雨前后安全系数变化关系图[11]Figure 2　Changed safety factor relation graph of different 　　　slope rate before and after the rain

2.2降雨对坡体深部的作用

降雨对坡体深层的影响非常复杂，如坡体存在大孔隙、裂隙等可以提供水分快速运移的通道，则可补给地下水。林鲁生等人指出持续的强降雨有可能因为引起地下水位上涨，或者相对隔水层以上出现暂时性地下水，而导致边坡失稳乃至出现滑坡现象[10]。孙建平等人采用有限元方法和极限平衡法，建立了边坡渗流与稳定性分析耦合模型，探讨了降雨对滑坡体渗流场及稳定性的影响，当降雨入渗引起坡体渗流场显著变化且大范围的孔隙水压力升高时，最容易导致深层滑坡失稳[11]。李汝成等人通过模拟实验，监测边坡土体中孔隙水压力、边坡土压力和变形进行，得出强降雨会导致边坡表层产生裂缝，而裂缝的出现使得雨水进入下部土体，使泥岩的软化崩解向深部推进[12]。坡体深部如果有承压水或者含水层，则这一层土体由于浸泡软化，容易形成滑动面，当这一层主要是细沙和粉砂，则降雨入渗可能导致土体的突然液化。

2.3降雨入渗的计算模型

降雨入渗是指水分在土体非饱气带中的运动过程，入渗量取决于降雨强度、持续时间、土体初始含水量、以及表面径流量[13]，其基本的力学平衡方程与水、空气质量守恒方程[14]如下：

(1)

(2)

(3)

式中：σij为总应力；δij为Kronecker符号；ua为孔隙气压力；bi为体积力；ρw和ρa分别为水和空气密度；n为孔隙率；Si为饱和度；vwi和vai分别为水和空气速度；H为亨利系数。

降雨入渗是一个很复杂的过程，人们提出了多种雨水入渗土体的渗流计算模型主要有3种： ①经验模型； ②Green-Ampt模型； ③Richards方程模型。

经验模型建立了入渗率与稳定入渗率的经验关系式，这种经验性公式缺乏物理基础，但由于应用简便，得到了广泛的应用[15]

Green-Ampt模型在反映土壤水分入渗特性上比达西定律简单，在实际中得到了广泛应用。但该模型将基质作用和重力作用截然分开不能较真实反映实际情况[16]。

Richards方程模型提出了著名的入渗公式，该公式得到了入渗试验资料的验证，具有重要的实际参考价值，但是现有的基于Richards方程的计算方法，割裂开了降雨和渗流这个完整的过程，不能真实地反映降雨入渗过程[17]

国内很多学者对以往的入渗模型进行了改进并取得了相应成果，谭新等人将雨水入渗与饱和区的地下水运动，两者联系起来建立了统一的方程[18]，并列举二维情况进行了分析，其控制方如下：

(4)

式中符号含义可参见文献[18]。梁冰等人根据岩土饱和-非饱和渗流理论[19]，利用SEEP渗流有限元程序计算的基本方程，得到持续降雨条件下，不同时刻坡体内孔隙水压力分布特点。其控制方程如下：

(5)

式中符号含义和边界条件可参见文献[19]。并通过试验模拟得到了土-水特征曲线见图3。

图3　土-水特征曲线[18]Figure 3　Soil-water characteristic curves

由于有限差分方法的 FLAC3D软件专业性针对性强，在最近几年岩土工程分析中得到越来越广泛的应用，然而其在计算过程中将非饱和区与饱和区的渗透系数都取为1，这与非饱和渗流理论是相悖的。为弥补这一不足，蒋中明等人通过编写 FISH 函数完善了 FLAC3D软件的非饱和渗流计算功能[20]，并与已有研究成果进行对比分析，从而验证了FISH 函数实现边坡三维非饱和渗流计算结果的正确性。尹顺德等人，结合工程实例利用GA-NN模型，对降雨条件下的滑坡位移演化发展做出了精确的预测，对于指导现场施工和保证滑坡影响区内人民生命财产的安全发挥了重要作用[21]。

3雨水对植被护坡的影响

植被护坡在降雨条件下对坡体的保护体现在水文效应和力学效应，草本类根系和木本类水平根系对坡体有加筋效果，木本类垂直根系对坡体有锚固和阻滑的效果，提高了边坡土体抗剪强度。植物茎叶组织通过蒸腾作用，直接降低了坡面土体的水分和孔隙水压力，同时减小雨水入渗影响深度和降低土体水化时间，阻止了土体强度的进一步衰减。茎叶的阻隔作用可以消减雨滴溅蚀抑制雨水冲刷。有关植被护坡的作用如图4所示。

图4　植被与土体作用示意图Figure 4　Function diagram of vegetation and soils

3.1根-土复合体

植物生长发育离不开水土。植物根系对边坡土体的加固作用表现在，根与土体形成复合体增加了土体的抗剪强度，植物根系相互缠绕对土粒形成网兜包裹效应，削弱了降雨对坡体的侵蚀。Gray提出植物根系如同复合材料中的纤维一样与土壤紧密结合形成一个特殊复合材料[22]。国外应用比较广泛的是Wu-Waldron模型和Riproot模型。Wu考虑根系的物理作用，并以材料力学及土力学为基础建立了根一土相互作用模型[23]是国外最早提出的根-土复合体粘聚力增加值预估模型。Waldron以材料力学为基础，提出计算含有植物根系的土体的抗剪强度的理论[24]得出土体抗剪强度的增量和根面积比成正比。Riproot模型是基于早期的Wu-waklron模型提出的，它克服了Wu-waklron模型中根-土破坏形式的假设，更加真实的反映了根系破裂的过程[25]。国内一些学者也对该模型进行了研究，姜志强等，建立了根土有限元计算模型，指出随着根系的加密，边坡的稳定安全系数在增加，并指出根系密度对边坡整体稳定性的贡献存在一上限值[26]肖宏彬等人基于香根草根系分布和根系抗拉力的一系列试验，得到了以Weibull函数定义的根系抗拉力分布的计算结果与Riproot模型的计算值比较接近。为根-土复合体抗剪强度研究提供了理论基础[27]。

3.2降雨对根-土的影响

降雨会改变土体含水率，胡文利等人在不同含水率水平下根-土复合体抗剪强度试验研究中[28]，得出结论见表1。

表1 直剪试验结果统计表[28]Table1 Thestatisticsofthedirectsheartestresults试样情况含水率/%C值/kPaφ值/(°)无根815.2431.461011.0831.021623.6928.03有根87.9635.551018.5333.491615.1632.04

由上表数据分析可得：无论有根、无根情况下，含水率越大，内摩擦角值φ越小。所以，含水率与内摩擦角φ值呈负相关。当无根时，含水率越大，C值先减小后增大；当有根时，含水率越大，C值先增大后减小。在同一含水率下，有根情况下的φ值明显大于无根时的值，而C值却无规律，但在含水率为16%无根时达到最大值，加入根后，C值反而变小。由于试验土样数量有限，该实验不能完全揭示含水率不同对根-土复合体抗剪强度的影响。

李雄威等通过对植被根系作用下膨胀土的渗透和力学特性研究得出，植被根系的加筋作用和蒸腾、蒸发作用是从两个方面维持边坡稳定，并且在降雨过程中的发挥过程有先后顺序[29]。蒋必凤等人构建了公路边坡植被降雨截流所消减的降雨动能的理论模型，为公路边坡的设计和确定其类型提供了参考[30]。而彭书生等通过对植被增加边坡降雨入渗，对边坡稳定性影响研究得出，降雨入渗增加，增加土壤含水量，使土壤-根系复合体的强度减小，但是植被根系提高边坡土体的抗剪强度[31]，二者共同作用下复合体在降雨过程中的强度变化如何？还需进一步研究。

4降雨对抗滑桩的影响

微型桩桩径在70～300 mm之间，长细比较大(一般大于30)，能够有效预防由于降雨导致的深层滑坡[32]。

4.1降雨对桩体的侵蚀

降雨会影响土壤pH值、地下水中硫酸盐含量、氯离子含量、土壤电阻率、土壤氧化还原电位等，这些因素都对混凝土结构和钢管桩耐久性有重要影响。一般地说，含盐量大，或pH值低，电阻率小，则腐蚀性大。侯敬会等人指出，土壤的透水性与混凝土遭受的侵蚀程度有直接关系，透水性越弱保护作用越明显；位于地下水位以下的钢筋混凝土桩，且长期处于弱透水性土壤环境中，其受到的侵蚀会相对有所缓解[33]。徐鼎新阐明钢管发生腐蚀的主要因素，推荐了国内外鉴别土与地下水对钢管桩腐蚀程度的“综合指标”[34]。邵伟等建立了氯离子侵蚀混凝土管桩寿命预测理论模型，对初始裂纹产生阶段的寿命预测模型进行了验证[35]。对于水下部分的钢管桩来说，阴极保护是防腐蚀的有效方法，邱枫等人把钢管桩作为一个整体用有限元法计算了几种条件下的电流分布情况和电位分态，为钢管桩阴极保护工程提供了重要参考[36]。

4.2降雨对桩-土影响

降雨必然会改变坡体土壤的含水率，而含水率的改变，又会对抗滑微型桩产生一定影响，陈强等在滑坡含水量对注浆钢管微型桩加固效果的影响中指出，当相同条件下的边坡含水量超过一定值后，注浆钢管微型桩加固失效[37]。于海等通过改变滑坡土体的含水率，进行了微型钢管桩的模型对比试验，得出含水率的变化，对微型桩组合结构的承载力抗滑力，和桩土的受力变形都会产生显著影响[38]。

目前，国内对于研究坡体含水量对微型抗滑桩护坡的研究甚少，因此有必要深入研究。

5结论与建议

① 在边坡防护中，植被根系提高边坡浅层土体抗剪强度，抗滑桩则提高坡体深层整体稳定性，两者协同护坡可以形成优势互补，这种综合设计既可以减轻降雨对边坡的危害，又可以美化环境。

② 降雨对边坡稳定性是不利的，在边坡设计中可采取一些适当措施来减小雨水对于边坡的侵蚀和冲刷，如增加坡面压实度、采取修筑平台截水、坡面

采用一些特殊形状砖体避免雨水汇集和局部冲刷；当坡高度一定时避开一些冲蚀强度最大的临界坡度，适当时候可以采用阶梯型坡面设计等。

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Influence of Rainfall on Soil Slope the System of Vegetation and Anti-slide Pile

DENG Yousheng， XU Wentao， LIU Huafei， YAO Zhigang

(School of Civil Engineering & Architecture， Hubei University of Technology， Wuhan， Hubei 430068， China)

[Abstract]Southern region of China is rainy frequently inducing to landslide disaster easily.Firstly，it was elaborated the influence of rainfall on surface and deep of slope and the calculation model of rainfall infiltration.Secondly，it was analyzed the influence of rainfall on vegetation that protect slope，and studied the influence of rainfall on anti-slide pile，and some problems are pointed out as well.Finally，that is put forward which the design concepts and some measures of the system of vegetation with anti-slide pile collaborative protect the slope that reduce the adverse effect of rainfall on slope.

[Key words]rainfall； system of vegetation； anti-slide pile； calculation model

[中图分类号]TU 44

[文献标识码]A

[文章编号]1674—0610(2016)02—0006—04

[作者简介]邓友生(1969—)，男，湖南桂阳人，博士(后)，教授，主要从事桩基工程的教学与研究工作。

[基金项目]国家自然科学基金资助项目(51378182)

[收稿日期]2014—12—23