灌木根系对风化花岗岩欠稳定公路边坡动态稳定性影响机制

高 谦,阎宗岭,谭 玲,杨光清

（1.贵州省贵阳公路管理局,贵州 贵阳 550001; 2.招商局重庆交通科研设计院有限公司,重庆 400067）

0 引言

花岗岩风化壳土体粗粒含量较多，内部结构松散，裂隙发育，力学性质受水的影响显著，抗水冲蚀能力较差。风化花岗岩边坡主要发生冲蚀和崩塌、软弱面的楔形破坏、沿垂直软弱面的倾覆破坏[1]。边坡工程防护措施实施后可立即产生加固和防护效果，但边坡稳定性是一个动态的过程，当坡体受到外力作用，加固与防护结构部分失效，雨水的入渗增加土体自重并降低内摩擦角，都增加了边坡发生滑坡的风险，便使边坡的稳定状态发生变化，甚至失稳。

生态防护是风化花岗岩边坡加固防护的重要形式之一，随着公路运营，边坡上的灌木、乔木生长迅速，甚至可以覆盖整个坡面，其根系深入风化花岗岩边坡土体中，进而对土体的强度、降雨的入渗、边坡土体水分的迁移产生一定的影响。

1 边坡的动态稳定性变化过程

1.1 边坡动态稳定性

边坡的动态稳定性指的是其稳定性随着时间推移在内部和外界影响因素共同作用下呈现的动态变化特征。边坡的稳定性会在如图1 所示的边坡的动态稳定性全过程中，处于一个或多个不同的阶段，甚至是全过程循环变化。

图1 边坡动态稳定性全过程

E.Hoek 和J.W.Bray 所提出的边坡典型破坏模式[2]，边坡的稳定性是由岩土体的内部力学性质、几何参数以及外界环境因素共同影响的。

影响边坡稳定性的因素是会伴随着时间的推移并受到其他外界因素的影响而不断变化的，就是说影响因素是时间的函数，边坡稳定性是呈现出动态变化特征。

1.2 边坡渐进性破坏过程

边坡由稳定状态直至发生失稳破坏的过程并不是瞬时突发的，而是坡体在内因和外因的共同作用下从区域变形蠕变向整体变形积累、演变的。对于边坡渐进机理失稳破坏的全过程主要分为3个破坏阶段[3]，如图2 所示。

图2 三段破坏理论示意图

渐进性破坏过程：

（1）边坡由稳定直至失稳的变化过程中，首先是从主滑段BC 某一点产生滑动初始裂缝开始。

（2）随后坡体在内外因素影响下，初始裂缝会逐渐向B 点或者C 点扩展延伸。

（3）扩展至B、C 两点后，主滑段裂缝贯通，若继续扩展则会导致AB段发生拉裂破坏、CD段发生挤压破坏。

1.3 欠稳定边坡

边坡破坏过程中，BC 段贯通后会产生向下滑动趋势挤压CD 段，此时滑动面由C 点逐渐向D 点扩展，CD段滑动面在BC 段挤压作用下逐渐贯穿，当边坡前缘到达破坏强度临界值时，此时边坡处于极限平衡状态，就是欠稳定状态。

依据《建筑边坡工程技术规范》（GB50330—2013）中以稳定性系数作为边坡稳定性评级标准，从定量分析的角度将边坡稳定性划分为稳定、基本稳定、欠稳定和不稳定，如表1 所示。

表1 边坡稳定性状态划分

2 灌木影响欠稳定边坡稳定性的机制

2.1 典型灌木植被选取

选择具有代表性的两种护坡灌木植被（紫穗槐、夹竹桃），其植被形态特征如图3 所示。

2.2 灌木植物生长规律

紫穗槐和夹竹桃的植株高度基本均为1～5 m，叶片的形状和大小差异变化较大，叶片长度基本均为10～15 cm，但叶片宽度变化范围不同，紫穗槐叶片宽度一般为0.6～2.0 cm，夹竹桃叶片宽度一般为2～2.5 cm。

两种代表性灌木植物均属于典型的直根深根性品种，相关研究成果和资料表明，两种植物的主直根分布平均深度可达到0.75～1.5 m，直径一般为15～20 mm，主直根上有较为明显的一级、二级侧根，地下40～80 cm 处侧根分布发达，侧根最大平均直径约为6 mm[4-6]。

2.3 灌木对欠稳定坡体稳定性影响机制

灌木植物是通过地下根系和地表茎叶对欠稳定坡体的稳定性产生影响的，主要分为地下根系的力学效应以及地上茎叶的水文效应。

灌木植物的根系按照力学效应可分为主直根（深根系）和侧根（浅根系）。主直根的生长可以深入边坡土体内部较深处，根系表面与土体之间产生摩阻力，起到锚固土体的作用，强壮的根系可穿过土体表层对下层的岩土层进行锚固。斜向分布的侧根，通过表面摩阻力对土体起到斜向牵引的作用，提高土体的抗拉强度，有效抑制土体中张拉应力的产生，提高土体的抗拉裂能力[7]。

灌木植物的茎叶对欠稳定边坡表层的影响如下：

2.3.1 降低坡体孔隙水压力

边坡的稳定性与土体内部的孔隙水压力关系密切，水是诱发边坡失稳的主要因素之一。灌木植物茎叶的蒸腾作用可以加速根系所吸取的浅层边坡土体水分的蒸发，增加边坡的稳定性。

2.3.2 缓冲降雨动能，减弱冲击溅蚀

降雨冲击会产生一定的动能，会将土体击散，被水流冲走。如果边坡坡面存在植被，则会以两种不同的形式降低落在坡面雨滴的动能，一种是少量雨水会被茎叶阻隔，叶片上的雨水以蒸发的形式返回大气循环，另一种是雨滴顺着植物的茎秆缓慢流到边坡表面，而此时雨滴所蕴含的动能几乎为零，因此能缓解雨滴溅蚀边坡土体表面[8]。

2.3.3 减缓地表径流，降低水土流失

可见，降雨会对裸露的边坡坡面土体造成冲击、溅蚀、剥离，而雨后会在裸露坡面形成地表径流冲刷坡面，带走被分离的土体，降低边坡稳定性。边坡坡面植被的根系和茎叶能减少坡面径流流速和流量，抑制地表径流[9]，从而控制水土流失。

3 灌木根系对欠稳定边坡稳定性的影响评价

采用ANSYS 建立欠稳定边坡和灌木根系的数值模型，基于强度折减法分析欠稳定边坡在裸坡情况、坡面存在灌木植被情况下对欠稳定边坡动态稳定性变化的影响规律。

3.1 欠稳定边坡模型建立

风化花岗岩边坡模型如图4 所示，坡比1 ∶1、坡高20 m、坡顶长20 m、坡底长80 m，地基厚15 m，两侧边界的水平位移为零，下侧边界竖向位移约束为零。

3.2 灌木根系模型建立

依据文中灌木植物生长规律及灌木对欠稳定边坡稳定性影响机制，建立灌木根系计算模型时主要考虑起锚固作用的主根和牵引作用的侧根。为方便计算，将主根简化为沿坡面垂直方向延伸分布，将侧根简化为沿坡面水平方向延伸分布，其简化模型及计算所需主要数据如图5 所示。

图5 灌木植物根系模型

3.3 裸露边坡稳定性分析

为了分析坡面植被在不同情况下对动态稳定性的影响，首先根据建立的风化花岗岩边坡模型，选用如表2所示的物理力学参数，计算确定坡面无植被情况下的稳定性。

表2 花岗岩物理力学参数

在ANSYS 有限元计算软件中，以平面应变四边形为结构单元，左右两侧边界设置为水平约束，底部边界设置为固定约束，裸露边坡有限元计算模型，采用强度折减法计算边坡安全系数[10]。

以迭代计算结果的收敛性和位移云图塑性区域贯通共同作为边坡整体失稳的判定依据，该风化花岗岩边坡在坡面无植被的情况下所计算出的稳定性系数为Fs=1.067 6。结果表明，在塑性区域贯通（即坡体失稳）之前稳定系数接近1.05，即可认为该边坡在塑性区域即将贯通之前处于欠稳定状态。

3.4 灌木根系边坡稳定性分析

植物在不同的生长时期根系长度有所不同，数值模拟分析灌木植物根系在不同生长长度情况下，对欠稳定风化花岗岩裸露边坡的稳定性影响。绿化工程及坡面防护中灌木植株种植间距一般采用1～5 m，数值模拟计算中固定植株间距为3 m，从坡面中心位置沿坡面等间距上下模拟种植。木本植物的侧根提供的附加黏聚力一般为18～45 kPa，数值模拟采用中间值30 kPa。灌木根系材料的基本力学参数选取如表3 所示，灌木根系边坡有限元计算模型图如图6 所示。

表3 根系的力学参数

图6 有限元计算模型

3.4.1 生长长度影响

依据文中灌木植物生长规律中根系生长分布平均深度范围0.75～1.5 m，分别模拟计算灌木植物根系在0.8 m、0.9 m、1.0 m、1.1 m、1.2 m、1.3 m、1.4 m、1.5 m 时风化花岗岩边坡的稳定系数，分析在不同生长时期灌木植物根系对原欠稳定边坡稳定性的影响，其计算结果如表4所示。

表4 灌木根长与Fs 的关系表

从Fs计算结果分析可知，如图7 所示，根系在0.8～1.5 m 的不同长度生长情况下，都会使原裸露的风化花岗岩欠稳定边坡的稳定性系数有所增加。也就是说灌木植被根系长度变化对风化花岗岩欠稳定边坡稳定性影响呈现出增强的趋势。不同根系长度所对应的增强后的边坡稳定系数为1.075 4～1.076 7，相较于裸坡稳定系数增长了0.007 8～0.009 1，增长率为0.730 6%～0.852 4%。

图7 不同根系深度相对于裸坡稳定性系数变化图

3.4.2 植株密度影响

模拟计算分析结果表明根长在1.5 m 时稳定性系数增长最多，即为最佳长度。在模拟计算分析不同植株密度对裸露风化花岗岩欠稳定边坡的稳定性的影响时，固定根系长度为1.5 m，植株间距分别以1 m、2 m、3 m、4 m、5 m 布置。其计算结果如表5 所示。

表5 灌木根系间距与Fs 的关系表

从稳定性系数计算结果分析可知，如图8 所示，固定根系长度不变，原裸坡稳定系数在坡面植株密度不断变化的情况下均呈现出增强的趋势。植株间距为1 m、2 m 时对应的稳定系数分别为1.076 6、1.076 8，较裸坡稳定系数分别增加了0.009 0、0.009 2；植株间距为3 m时对应的稳定系数为1.077 3，较裸坡稳定系数增加了0.009 7；植株间距为4 m、5 m 时对应的稳定系数分别为1.077 1、1.076 9，较裸坡稳定系数分别增加了0.009 5、0.009 3。可以看出不同植株间距下稳定系数增加幅度呈先增加后降低的趋势，间距为3 m 时增加幅度达到最大，由此可知，当根系生长长度一定时，灌木植株提高风化花岗岩欠稳定边坡稳定性的最佳间距为3 m。

图8 不同根系间距相对于裸坡稳定性系数变化图

4 结论

基于风化花岗岩边坡稳定性动态变化特性，研究了灌木植被茎叶和根系对风化花岗岩欠稳定边坡稳定性的影响机制，分别建立裸坡、植被覆盖边坡、灌木根系简化示意模型及有限元计算模型，计算了在裸坡情况以及坡面存在灌木植被（植株同间距根系不同生长长度、固定根系长度不同植株间距）情况下边坡稳定性系数，并分析了灌木根系对风化花岗岩欠边坡动态稳定性影响规律，得到的主要结论如下：

（1）灌木植物的主直根系对于风化花岗岩边坡土体稳定性的影响范围为0.75～1.50 m。

（2）在灌木根系长度单一影响因素下，不同生长时期的根长都会增加风化花岗岩欠稳定边坡的稳定性系数，且增强风化花岗岩欠稳定边坡稳定性的最佳根长为1.5m。

（3）在灌木植株间距单一影响因素下，不同的坡面种植间距都会增加风化花岗岩欠稳定边坡的稳定性系数，且增强风化花岗岩欠稳定边坡稳定性的最佳间距为3 m。