摘要:帮写岩土工程论文在总结国内外植物固坡方面的研究成果的基础上,详细介绍植物固坡方法的机理、根的分布特征与强度特征、根加筋后土的抗剪强度变化以及植物加筋土边坡的稳定性,提出植物固坡机理研究中存在的问题,如研究植物对边坡稳定性作用的模型手段仍需改进、机制研究尚不系统、应用研究亟待扩展。
关键词:乔木根系;浅位滑坡;根的面积比率;生物量集度;无限滑动面模型；植物固坡
1 前言
随着人类生活水平和科技发展水平的提高,人们对环境的关注程度越来越大。评价一项工程的成败不再只是看技术方面的因素,而更从保护人类赖以生存的生态环境着眼。目前我国西南山区广泛采用的高边坡、高挡墙无疑对生态环境造成了程度不同的破坏,应该及时引进国外正在研究的植物加筋理论,丰富我国的挡墙设计理论和方法。
2 直根系的加筋作用机理
2•1 根对边坡稳定性作用的影响因素
根系对边坡土层的加固作用与根的分布形态、根在土中的含量和根的强度等因素有关。
2•1•1 根的分布形态
生长在一株植物上的根可以分为三种:侧根、垂直根和须根。植物根的形态决定了它对边坡稳定所起的作用,如垂直根和侧根所起的作用是不同的。一般来说,含有较多的垂直向下的穿过潜在剪切滑动面的强劲须根的根系,提高抗浅位滑坡的能力更强。
2•1•2 土中根的含量
土中根的含量不同,根对土的加筋作用的效果不同,因而植物对边坡稳定性的影响程度就不同。随着深度增加,根在土中的含量越来越少。衡量根在土中的含量的一个常用的指标是“根的面积比率”(Root Ar-ea Ratio简记为RAR),它指的是在一个土层断面上(水平断面或垂直断面)根的截面面积与总断面面积的比率。还有一种衡量土中根的含量的方法就是“根的生物量集度”,即单位体积土中根的质量,它和RAR存在一定的转化关系。
2•1•3 根的强度
根的强度受直径影响很大,很多研究表明,随着直径的增加,根的强度有降低的趋势。抗拉强度和直径之间存在如下关系:Tr=nDm(1)
式中 Tr———根的抗拉强度(MPa);D———根的直径(mm);n、m———对于给定树种的经验系数。
细小的根对土的抗剪强度的提高具有较大的贡献,这是由于细根不但具有较高的抗拉强度,而且由于比同样RAR的粗根具有较大的表面面积,所以和土之间的摩擦力较大,抵抗拉脱的能力较强。
2•2 垂直根与土壤相互作用的力学模型
现在常用的相对简单直观的根土作用模型是Waldron等提出的受力平衡模型[1],更加复杂的模型还有Shewbridge和Sitar于1990年提出的基于变形特征的加筋复合土体模型和Wu et al.1988年提出的考虑根的分布和分叉的随机性的统计模型。根纤维提高土的抗剪强度主要是通过根土接触面的摩擦力把土中的剪应力转换成根的拉应力来实现的,如图1。
假设根的表面受到足够的摩擦力和约束力使根不至于被拉出,则当土中有剪应力发生时,根的错动位移使根伸长从而使根内产生拉力TR,TR沿剪切面切线方向的分力可直接抵抗剪切变形,TR沿法线方向的分力可增加剪切面上的正应力,于是,根土复合体抗剪强度的增长为:Δs=tR[sinθ+cosθtan] (2)式中 Δs———抗剪强度增量;———土的内摩擦角;θ———剪切区的剪切变形的角度;tR———单位面积土中根产生的拉力。tR=TR(AR/A) (3)(AR/A) =∑niai/A(4)式中 ni———直径为第i级的根的数量;ai———直径为第i级的根的平均截面积。考虑根的抗拉强度是随直径变化的,所以根的平均抗拉强度可以由下式决定:TR=∑Tiniai∑niai(5)式中 Ti———直径为第i级的根的强度,于是:Δs=TR(AR/A)[sinθ+cosθtan] (6) 故土的抗剪强度的提高值Δs完全依赖于根的平均抗拉强度TR和根的面积比(AR/A)。这一预估土中有根时抗剪强度提高的理论模型也得到了室内试验和现场试验的验证。
2•3 根系对边坡稳定性的影响分析
2•3•1 无限滑动面模型
无限滑动面模型[2](如图2)适用于分析滑动面平行于坡面的浅位滑坡,对于容易发生浅层滑脱的砂质边坡尤其适用,因砂质边坡无粘聚力,表面附近的正应力较低,从而剪切抗力也低。无限滑动面模型对于下卧岩层较浅的易形成滑动面的淤积边坡也适用。
植物方法加固边坡主要是防止浅位滑坡的发生,故也可以采用无限滑动面模型分析其稳定性。用无限滑动面模型分析的边坡安全系数F是边坡滑动体的垂直深度H、渗流方向与水平方向的夹角θ的函数:http://www.51lunwen.org/ytgc/F=A(tan/tanβ)+B[(C+CR)/γH] (7)其中 A=(1-γu/cos2β) (8)B=1/(cos2βtanβ) (9)γu={(γw/γ)[1/(1+tanβtanθ)]} (10)
2•3•2 植物根的加筋效果分析
(1)无根加筋时边坡的稳定性在公式(7)中,如果土中无根,则CR=0,考虑砂土边坡C=0,则公式(7)变为:F=A(tan/tanβ) (11)
对于坡度为2∶1、内摩擦角为34°、不受外荷载(q0=0)的砂质边坡(C=0),可以计算出各种渗流方向下的安全系数,结果如图3所示。由图3可见,安全系数不受深度的影响,这在式(11)中也可以看出。
(2)土层中有根时边坡的稳定性在公式(7)中土的加筋效果CR可由实验室或现场剪切实验测得:由“探槽法”测得根的单位面积比RAR和根的强度,就可得到CR随深度H变化的关系,从而可得出不同深度处不同渗流方向的安全系数,如图4所示。
由图4可见,根的存在大大提高了浅土层(H<0•9 m)的稳定性,甚至对于有渗流的情况也是如此;在深度大于0•9 m时,根的加筋作用逐渐减弱直至消失,这时安全系数和无根加筋时趋于相同,这一方面是由于随着深度的增加根的单位面积比RAR减小,另一方面随着深度的增加粘聚力对总抗剪强度的贡献减小,即F与H成反比。
3 植物侧根的作用
周跃教授对植物侧根的作用做了很多研究工作,他通过对云南松的观测得出:在地表以下40 cm的土层中侧根密集,一般占总根系生物量的60 %以上,这些侧根顺坡延伸相互盘绕与土壤一起形成基本与坡面平行的根际土层。基于这样的分布特征,云南松侧根具有明显的水平牵引效应。根据根—土之间存在的摩擦型粘合键的破坏实质,得出植物侧根的斜向牵引效应可增强表面土层抗张强度的结论,并预测了根所能提供的最大抗张力。单根在受力拉断时的拉断力Fb为[3]:Fb=ArT(12)式中 Ar———根的横截面面积;T———根的抗张强度。在给定面积的土壤中,拉断所有的根的拉力为:∑Fb=∑(niFbi) =π4∑(niD2iTi) (13) 故在给定面积的土壤中所有侧根所能提供给土层的抗张强度的增量ΔτT为:ΔτT=∑Fb/Ab(14)式中Ab为给定土壤的垂直截面面积。
4 总结与展望
从上面的研究结论来看,少量根的存在就会提高土层的抗剪强度,从而对边坡的稳定性产生很大影响。但是,由于自然根系的形态和力学特征的复杂性,我们对根系加固边坡的机理和应用方面还有很多工作要做,主要有以下几个方面:
(1)根与土的相互作用机理还不很清楚。前人的研究只是通过现场观察发现边坡破坏时有的根被拉断,有的根被拔出,在具体的量值估计中也是在假设被拉断的基础上进行的。应该从根的形态出发结合微观力学和破坏力学的原理去分析摩擦型根土粘合键的破坏机理。
(2)根的形态问题。根的形态决定了根对边坡的加固作用的发挥。根的形态不仅受植物品种的限制,更受气候条件、土壤条件、水理条件以及边坡位置的影响,应该寻找更加合理可行的研究根的形态的方法。
(3)根对边坡的稳定性的研究都是以单树单根为基础研究的,然而植物对边坡的加固作用往往是群树群根的作用结果。在群树群根作用下,植物侧根的作用将不再是单树单根作用的简单组合,所以应该进一步研究群树群根对边坡的作用,以滑动体为对象建立模型。
(4)采用植物方法加固边坡是一种必然趋势,它适应人们日益提高环境水平的要求,但是目前还没有把植物方法定量地应用于边坡支挡结构物的设计。我国岩土工程工作者应该和植物学研究者结合起来,积累资料和经验,逐渐把植物方法应用到具体的工程实践中去,建设结构上安全、生态上协调的土木工程。
[参考文献]
[1] http://www.51lunwen.org/ytgc/Waldron,L.J.(1977).The Shear Resistance of Root-permeatedHomogeneous and Stratified Soil.Soil Science Society of Ameri-can Proceedings 41:843~849.
[2] 松冈元著,罗汀,姚仰平编译.《土力学》[M].北京,中国水利水电出版社,2001.3.
[3] 周跃等.乔木测根对土体的斜向牵引效应(Ⅰ原理和数学模型)[J].山地学报,1999,17(1):4~9.
