活木桩联合草本防护边坡稳定性数值研究

赵欢乐，朱爱军，2，周鸿轲，雷明妍

(1.贵州大学土木工程学院，贵州 贵阳 550025；2.贵阳建筑勘察设计有限公司，贵州 贵阳 550081)

0 引 言

目前，工程建设项目明显增多，如各城市规划的高新产业园区、脱贫攻坚工作中的搬迁安置房及配套设施、拉进城市距离的高铁动车线路等，这些项目存在大量边坡工程。出于安全及视觉考虑，需要对其中部分边坡进行加固、修复、绿化，除了使用锚杆、锚索、混凝土、土钉等外，从保护生态及自然景观角度出发，对于一些边坡宜采用生态手段进行防护。其中，有一种就是坡体植入活木桩并种上草本植物的护坡手段，并于2006年在贵州玉铜公路K146+085～K146+179段实施，效果明显[1]。

活木桩-植草护坡问题属于多学科交叉的研究课题，涉及林学、土壤学、力学等，各方向关注的焦点不同。岩土工程主要关注根与土的相互作用，以及最终参与抵抗、消减坡体滑动、侵蚀等问题。Holch、Waldron、T.Liang等[2-4]对植物根系的力学性质进行了研究，通过室内、现场试验推导出根系的抗拉、抗剪等公式。Normaniza Osman &S.S.Barakbah等[5]研究总结了土层中根系的分布区域，以及根与土体的相互作用。解明曙、王礼先等[6-7]研究了根系的固土与保水能力。陈潮、李雪尔、曹小红等[8-10]通过研究考虑根系的边坡稳定性问题指出，植被对边坡浅层滑动治理效果显著。徐中华、王云、郝由之等[11-13]采用有限元软件模拟活木桩护坡问题，弥补了现场试验周期长、可视化低等缺点，最终给出了活木桩较优桩长、桩径、植入位置等参数。

但是，以上研究未对根型的影响进行探讨，也未分析根系的受力和变形。为此，本文对活木桩、活木桩根型、联合草本防护的边坡稳定性问题进行研究。

1 数值计算模型

本文在总结前人研究出的活木桩较优固坡参数的基础上，以贵州省玉铜公路某坡高H为5 m，坡率1∶1的土质边坡为依托，依据郑颖人提出的数值计算模型尺寸要求[14]，最终确定边坡计算模型(见图1)。活木桩桩径0.08 m，桩长1.5 m，桩间距1.0 m，整个坡面植入8根与竖直方向呈55°的桩[11]，从坡脚至坡顶依次编号为1号～8号；根系直径为0.02 m，植草层厚度0.3 m。材料参数见表1[8，11-12]。

图1 边坡计算模型(单位：mm)

表1 材料参数

土体、桩及根系的本构模型为理想弹塑性模型，计算中采用Mohr-Coulomb强度屈服准则。边坡模型采用四边形网格并进行局部加密，单元类型为平面应变CPE4单元，左右边界对x方向进行约束，底部边界对x、y方向进行约束，其他为自由边界。依据严小龙等[15]，考虑活木桩有鲱骨型、二分枝型和分枝鲱骨型等3种(见图2)，采用杆T2D2单元模拟，并假定不可压缩。为保证各部件间的变形协调，根系与桩之间绑定约束，然后桩-根体嵌入土中。

图2 活木桩根型(单位：mm)

2 边坡稳定性分析

2.1 仅植入活木桩

进行数值分析前，用理正岩土软件算得自然边坡的安全系数为0.083，与ABAQUS软件算得的0.081相差不大，两者滑面吻合，滑面深度约2.0 m，属于浅层滑动破坏，可以认为所建模型以及采用的计算方法可行。

为验证徐中华、王云等[11-12]提出的活木桩倾斜植入坡体的固坡效果好，将桩按竖直和55°角2种方法植入坡内。活木桩植入方式比较见图3。图3中，左图为塑性区，右图为位移。从图3可知，竖直植入时边坡安全系数基本不变，而考虑55°角植入边坡安全系数为1.125，增长了4.07%，与徐中华、王云等结论相符。相比竖直植入，倾斜植入活木桩最大塑性区向边坡深层移动，坡顶塑性区后移至离坡顶3.66 m处，滑面改径。坡体在塑性区贯通的过程中位移不断增大，竖直植入活木桩中2、3号桩严重变形，而倾斜植入的活木桩与土体结合效果更好，有效限制了滑体的扩散，最大位移仅出现在坡脚局部。因此，倾斜植入方式更利于边坡稳定。

活木桩根型比较见图4。从图4可知，以55°角将活木桩植入边坡后，3种生根情况下的边坡安全系数分别为1.131、1.144、1.135，较无根情况均有所提高，分别提高了0.53%、1.69%和0.88%，这是因为活木桩生根后，根系在土体中的加筋和牵引作用的体现。因为根型不同，模拟结果存在差异，鲱骨型、分枝鲱骨型的延伸方向大体一致，即便是分枝鲱骨型有不同方向的须根，也因长度、直径较小，对边坡维稳贡献小，仅对表层土体有较好的加固效果，两者安全系数的增加率接近。而二分枝型的边坡安全系数之所以比另外两者大，是因为它的须根较为分散，伸向土体各个方向，生长过程穿透土粒间隙，将松散土体聚拢形成整体性更强的桩-根-土复合体，从而增强了边坡土体的整体性。因此，二分枝型更利于边坡稳定，且根-土界面有机物的胶结作用、生物化学作用形成的根-土复合介质，提高了土体部分区域摩擦力和粘聚力，使得有根工况边坡安全系数有所提高。

图3 活木桩植入方式比较

图4 活木桩根型比较

此外，通过对比塑性云图，二分枝型塑性区明显有别于另外两者，由于其对土体的加筋和牵引作用强，导致根系加固范围大，更利于坡体稳定，因此在1、2号桩间出现分叉，1条在1号桩顶处贯通，另1条越过1号桩底向坡前扩展并贯通，塑性区也相应扩大。二分枝型的滑体位移大于另外两者，整个位移云图分布区间接近，层次清楚，很好地体现坡体渐进破坏模式。其次，因二分枝型的抓土能力强，使得滑动面贯通过程中，滑面下部分区域土体也随之移动，坡脚1号桩周围也出现0.40 m的位移，像是坡体滑动挤压坡脚土体形成的位移，由此说明该情况坡体滑动阻碍大，相比另外两者更难滑动。因此，二分枝型固坡效果优于鲱骨型和分枝鲱骨型。

图6 活木桩-植草情况

2.2 仅植草

实际工程中，活木桩不是独立存在的，桩间多种植花草类的草本植物。草本植物的存在同样对边坡的稳定性有影响，外露部分能有效阻止雨水直接冲刷坡体，根系与土壤结合形成整体性较强的浅层复合体。嵇晓雷[16]指出，根-土复合体内摩擦角与原有土体基本一致，粘聚力增长范围为25.28%～101.69%。因此，本文将根系的粘聚力以5%的梯度从25%一直增加到100%进行模拟，得到粘聚力增长率与边坡安全系数的关系(见图5)。从图5可知，随着粘聚力的增长，安全系数阶梯型增加，粘聚力增加1倍时，安全系数提高2.31%，可以认为粘聚力与安全系数正相关。数据拟合得到安全系数与粘聚力增长率的关系式如下

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

(1)

式中，y为安全系数；x为粘聚力增长率；参数A、B、C、D为系数，分别取1.062 6、0.006 4、0.030 5、0.018 4。

图5 粘聚力与安全系数关系

2.3 活木桩-植草护坡结构

活木桩为二分枝根型，表层根-土复合体粘聚力为19 kPa。边坡塑性区及位移见图6。从图6可知，该情况下边坡破坏时剪出口移至坡脚前方，坡顶塑性区后移，1号桩桩顶及桩底应变最大，并集中于一点，坡脚塑性区移到坡脚前1倍桩长范围内。可以认为，草本根系的作用使得表层土体的整体性增强，边坡安全系数为1.179，比自然边坡增加了9.07%、无根系情况增加了4.80%、二分枝根型情况增加了3.06%。边坡的最大位移为1.392 m，滑体在滑出口处受阻向上滑出。

桩和根系变形见图7。从图7可知，坡体内1、2、3、4号桩发挥着主要作用。1号桩变形明显且桩底根系受拉严重，因为1号桩下部穿越滑裂面，滑体滑出带动1号桩上部运动，下部牵引，活木桩张拉，张拉过程抵消了部分下滑力。1号～8号桩桩身应力见图8。从图8可知，1号桩上部受到较大应力，2号～4号桩下部受力大，这与其未穿越滑裂面有关，其他桩受力不明显。由此可以认为，活木桩-植草护坡结构在坡面中下部发挥着主要作用。

图7 活木桩及根系位移

图8 1～8号桩桩身应力

如果活木桩根系发达，根系间就会相互缠绕。当缠绕到一定程度，多根桩就能共同抵抗坡体滑动。理想情况下，所有根系连在一起在形成网的效果最好(见图9)。模拟后发现，边坡的安全系数从之前的1.179提高到1.238，增长了5.00%，整个塑性区向坡体深层移动，最终在距离坡顶约5 m处贯通。坡体位移最大为1.275 m，集中在坡脚区域，根系位移范围在0.840～1.267 m之间。相比其他情况下，活木桩及根系整体性更强，无明显扭曲，体现了活木桩在根系缠绕下较好的受拉特性。

图9 活木桩根系相互缠绕情况

3 结 语

本文在对活木桩及植草固坡效果模拟分析后，得到以下结论：

(1)倾斜植入的活木桩固坡效果优于竖直植入活木桩；鲱鱼型、二分枝型和二分枝鲱鱼型活木桩中，二分枝根型更利于边坡的稳定，而另外2种根型对边坡稳定性的贡献相当。

(2)植草情况下，将表层土体的粘聚力逐级提高后，安全系数阶梯型增加。粘聚力增加1倍时，安全系数可提高2%左右。

(3)活木桩联合草本防护边坡安全系数比自然边坡提高9%左右，比无根系情况提高5%左右，比二分枝根型情况提高3%左右。活木桩在坡面中下部发挥着主要作用，草本根系作用使得表层土体的整体性增强，受两者相互作用影响，塑性区移到坡脚前1倍桩长范围内。