鄧友生， 許文濤， 劉華飛， 姚志剛

(湖北工業(yè)大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院， 湖北 武漢　430068)

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降雨對土坡與植被體系及抗滑樁的影響

鄧友生， 許文濤， 劉華飛， 姚志剛

(湖北工業(yè)大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院， 湖北 武漢430068)

[摘要]針對南方地區(qū)降雨頻繁導(dǎo)致滑坡災(zāi)害，首先闡述了降雨對土坡表面與深部的影響及降雨入滲的計(jì)算模型；其次分析降雨對護(hù)坡植被的影響，研究了降雨對抗滑樁的影響，并指出存在的問題；最后提出植被體系與抗滑樁協(xié)同護(hù)坡的設(shè)計(jì)概念和一些措施來減少降雨對土坡的不利影響。

[關(guān)鍵詞]降雨； 植被體系； 抗滑樁； 計(jì)算模型

1概述

修建公路穿山越嶺，難免會(huì)遇到邊坡防護(hù)的問題。目前國內(nèi)外廣泛利用植被體系對邊坡淺層進(jìn)行生態(tài)防護(hù)，即生態(tài)護(hù)坡。生態(tài)護(hù)坡是利用植被含水固土的原理穩(wěn)定淺層邊坡美化生態(tài)環(huán)境的一種技術(shù)。生態(tài)護(hù)坡可以防止或減少邊坡水土流失，快速恢復(fù)工程建設(shè)破壞的生態(tài)環(huán)境，并且隨著植物的生長發(fā)育對保持坡面穩(wěn)定性和抗侵蝕方面的作用會(huì)越來越大。如果是常年降雨比較頻繁的地區(qū)，采用植被護(hù)坡，由于根系與土生物作用，可以維持土體一定程度的強(qiáng)度。

在邊坡工程地質(zhì)條件差以及全年降雨量比較大的地區(qū)，由于雨水入滲導(dǎo)致土體性質(zhì)發(fā)生變化，坡體安全系數(shù)降低，單純地進(jìn)行植被護(hù)坡往往達(dá)不到工程效果，因此有必要采取工程措施提高邊坡整體穩(wěn)定性。微型樁指直徑小于300 mm的鉆孔灌注樁。微型樁在地基處理、基坑支護(hù)等方面得到了大量使用，而在處理滑坡的研究與應(yīng)用方面相對較少[1]。微型樁由于施工機(jī)具小，對土層適應(yīng)性強(qiáng)；施工振動(dòng)、噪聲小，樁位布置靈活；長細(xì)比大，單樁耗用材料少；采用二次注漿工藝，與同體積灌注樁相比，承載力較高，隨著公路建設(shè)的發(fā)展，作為抗滑樁護(hù)坡也逐漸增多[2]。

降雨入滲邊坡，坡土浸泡軟化，可能導(dǎo)致其基質(zhì)吸力變?。煌瑫r(shí)雨水加重坡體自重，加劇誘發(fā)滑坡。本文通過研究降雨對護(hù)坡微型樁群與植被體系的影響，提出微型群樁與植被體系協(xié)同護(hù)坡的設(shè)想，以供邊坡綜合防護(hù)設(shè)計(jì)參考。

2降雨對邊坡土體的影響

降雨對坡體的影響主要體現(xiàn)在對坡體淺層和坡體深部兩個(gè)方面。

2.1降雨對坡體淺層的作用

降雨對坡體淺層的影響主要是對坡體表面侵蝕、基質(zhì)吸力和孔隙水壓力的影響。一般認(rèn)為一場降雨引起的雨水入滲對滑坡體的影響主要是淺層的[3]。近年來，隨著國內(nèi)外研究人員對降雨侵蝕力簡易算法的不斷改進(jìn)，其簡易算法開始從年雨量和月雨量轉(zhuǎn)向日雨量。王萬中根據(jù)我國降雨侵蝕力R值區(qū)域分布的特征，編制了中國降雨侵蝕力等值線圖，進(jìn)行了降雨侵蝕力分區(qū)[4]。章文波等分析了我國降雨侵蝕力空間變化特征[5]，還簡化了我國確定侵蝕力的計(jì)算方法。黃鳳琴等指出，修正通用土壤侵蝕方程是目前應(yīng)用最廣泛的土壤侵蝕經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，若與地理信息系統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合，更能反映土壤侵蝕的空間分布[6]。周家文等通過對降雨入滲條件下邊坡的穩(wěn)定性分析得出，在降雨過程中，雨水入滲導(dǎo)致土體孔隙水壓力的增大，基質(zhì)吸力變小，邊坡的安全系數(shù)逐漸下降，降雨停止后由于水流繼續(xù)下滲，邊坡的安全系數(shù)可能繼續(xù)降低，但隨著排水孔不斷排水，孔隙水壓力逐漸減小，基質(zhì)吸力逐漸增大邊坡表層暫態(tài)飽和區(qū)逐漸消散，安全系數(shù)也會(huì)慢慢恢復(fù)到降雨之前狀態(tài)[7]。李濤等人研究了強(qiáng)降雨對路堤邊坡滲流及穩(wěn)定性的影響，降雨入滲將引起路堤內(nèi)部地下水位線上升，在達(dá)到飽和含水量的區(qū)域內(nèi)基質(zhì)吸力喪失，降雨停止后慢慢恢復(fù)安全系數(shù)也將得到一定程度的增大[8]。郭志遠(yuǎn)等通過對降雨條件下非飽和土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析后得出[9]，隨著雨水的入滲，非飽和土邊坡淺層吸力明顯降低，土體有效抗剪強(qiáng)度降低，見圖1。采用比較緩的邊坡形式，雖然斜坡段降雨入滲量增加了，但邊坡整體抗滑力仍較陡坡時(shí)大，故在降雨影響下放緩坡度后的邊坡安全系數(shù)仍呈增大趨勢見圖2。

圖1　吸力與含水率關(guān)系圖[11]Figure 1　Relational graph of suction and moisture

圖2　 不同坡率邊坡降雨前后安全系數(shù)變化關(guān)系圖[11]Figure 2　Changed safety factor relation graph of different 　　　slope rate before and after the rain

2.2降雨對坡體深部的作用

降雨對坡體深層的影響非常復(fù)雜，如坡體存在大孔隙、裂隙等可以提供水分快速運(yùn)移的通道，則可補(bǔ)給地下水。林魯生等人指出持續(xù)的強(qiáng)降雨有可能因?yàn)橐鸬叵滤簧蠞q，或者相對隔水層以上出現(xiàn)暫時(shí)性地下水，而導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)乃至出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象[10]。孫建平等人采用有限元方法和極限平衡法，建立了邊坡滲流與穩(wěn)定性分析耦合模型，探討了降雨對滑坡體滲流場及穩(wěn)定性的影響，當(dāng)降雨入滲引起坡體滲流場顯著變化且大范圍的孔隙水壓力升高時(shí)，最容易導(dǎo)致深層滑坡失穩(wěn)[11]。李汝成等人通過模擬實(shí)驗(yàn)，監(jiān)測邊坡土體中孔隙水壓力、邊坡土壓力和變形進(jìn)行，得出強(qiáng)降雨會(huì)導(dǎo)致邊坡表層產(chǎn)生裂縫，而裂縫的出現(xiàn)使得雨水進(jìn)入下部土體，使泥巖的軟化崩解向深部推進(jìn)[12]。坡體深部如果有承壓水或者含水層，則這一層土體由于浸泡軟化，容易形成滑動(dòng)面，當(dāng)這一層主要是細(xì)沙和粉砂，則降雨入滲可能導(dǎo)致土體的突然液化。

2.3降雨入滲的計(jì)算模型

降雨入滲是指水分在土體非飽氣帶中的運(yùn)動(dòng)過程，入滲量取決于降雨強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間、土體初始含水量、以及表面徑流量[13]，其基本的力學(xué)平衡方程與水、空氣質(zhì)量守恒方程[14]如下：

(1)

(2)

(3)

式中：σij為總應(yīng)力；δij為Kronecker符號；ua為孔隙氣壓力；bi為體積力；ρw和ρa(bǔ)分別為水和空氣密度；n為孔隙率；Si為飽和度；vwi和vai分別為水和空氣速度；H為亨利系數(shù)。

降雨入滲是一個(gè)很復(fù)雜的過程，人們提出了多種雨水入滲土體的滲流計(jì)算模型主要有3種： ①經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?②Green-Ampt模型； ③Richards方程模型。

經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒⒘巳霛B率與穩(wěn)定入滲率的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，這種經(jīng)驗(yàn)性公式缺乏物理基礎(chǔ)，但由于應(yīng)用簡便，得到了廣泛的應(yīng)用[15]

Green-Ampt模型在反映土壤水分入滲特性上比達(dá)西定律簡單，在實(shí)際中得到了廣泛應(yīng)用。但該模型將基質(zhì)作用和重力作用截然分開不能較真實(shí)反映實(shí)際情況[16]。

Richards方程模型提出了著名的入滲公式，該公式得到了入滲試驗(yàn)資料的驗(yàn)證，具有重要的實(shí)際參考價(jià)值，但是現(xiàn)有的基于Richards方程的計(jì)算方法，割裂開了降雨和滲流這個(gè)完整的過程，不能真實(shí)地反映降雨入滲過程[17]

國內(nèi)很多學(xué)者對以往的入滲模型進(jìn)行了改進(jìn)并取得了相應(yīng)成果，譚新等人將雨水入滲與飽和區(qū)的地下水運(yùn)動(dòng)，兩者聯(lián)系起來建立了統(tǒng)一的方程[18]，并列舉二維情況進(jìn)行了分析，其控制方如下：

(4)

式中符號含義可參見文獻(xiàn)[18]。梁冰等人根據(jù)巖土飽和-非飽和滲流理論[19]，利用SEEP滲流有限元程序計(jì)算的基本方程，得到持續(xù)降雨條件下，不同時(shí)刻坡體內(nèi)孔隙水壓力分布特點(diǎn)。其控制方程如下：

(5)

式中符號含義和邊界條件可參見文獻(xiàn)[19]。并通過試驗(yàn)?zāi)M得到了土-水特征曲線見圖3。

圖3　土-水特征曲線[18]Figure 3　Soil-water characteristic curves

由于有限差分方法的 FLAC3D軟件專業(yè)性針對性強(qiáng)，在最近幾年巖土工程分析中得到越來越廣泛的應(yīng)用，然而其在計(jì)算過程中將非飽和區(qū)與飽和區(qū)的滲透系數(shù)都取為1，這與非飽和滲流理論是相悖的。為彌補(bǔ)這一不足，蔣中明等人通過編寫 FISH 函數(shù)完善了 FLAC3D軟件的非飽和滲流計(jì)算功能[20]，并與已有研究成果進(jìn)行對比分析，從而驗(yàn)證了FISH 函數(shù)實(shí)現(xiàn)邊坡三維非飽和滲流計(jì)算結(jié)果的正確性。尹順德等人，結(jié)合工程實(shí)例利用GA-NN模型，對降雨條件下的滑坡位移演化發(fā)展做出了精確的預(yù)測，對于指導(dǎo)現(xiàn)場施工和保證滑坡影響區(qū)內(nèi)人民生命財(cái)產(chǎn)的安全發(fā)揮了重要作用[21]。

3雨水對植被護(hù)坡的影響

植被護(hù)坡在降雨條件下對坡體的保護(hù)體現(xiàn)在水文效應(yīng)和力學(xué)效應(yīng)，草本類根系和木本類水平根系對坡體有加筋效果，木本類垂直根系對坡體有錨固和阻滑的效果，提高了邊坡土體抗剪強(qiáng)度。植物莖葉組織通過蒸騰作用，直接降低了坡面土體的水分和孔隙水壓力，同時(shí)減小雨水入滲影響深度和降低土體水化時(shí)間，阻止了土體強(qiáng)度的進(jìn)一步衰減。莖葉的阻隔作用可以消減雨滴濺蝕抑制雨水沖刷。有關(guān)植被護(hù)坡的作用如圖4所示。

圖4　植被與土體作用示意圖Figure 4　Function diagram of vegetation and soils

3.1根-土復(fù)合體

植物生長發(fā)育離不開水土。植物根系對邊坡土體的加固作用表現(xiàn)在，根與土體形成復(fù)合體增加了土體的抗剪強(qiáng)度，植物根系相互纏繞對土粒形成網(wǎng)兜包裹效應(yīng)，削弱了降雨對坡體的侵蝕。Gray提出植物根系如同復(fù)合材料中的纖維一樣與土壤緊密結(jié)合形成一個(gè)特殊復(fù)合材料[22]。國外應(yīng)用比較廣泛的是Wu-Waldron模型和Riproot模型。Wu考慮根系的物理作用，并以材料力學(xué)及土力學(xué)為基礎(chǔ)建立了根一土相互作用模型[23]是國外最早提出的根-土復(fù)合體粘聚力增加值預(yù)估模型。Waldron以材料力學(xué)為基礎(chǔ)，提出計(jì)算含有植物根系的土體的抗剪強(qiáng)度的理論[24]得出土體抗剪強(qiáng)度的增量和根面積比成正比。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-土破壞形式的假設(shè)，更加真實(shí)的反映了根系破裂的過程[25]。國內(nèi)一些學(xué)者也對該模型進(jìn)行了研究，姜志強(qiáng)等，建立了根土有限元計(jì)算模型，指出隨著根系的加密，邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)在增加，并指出根系密度對邊坡整體穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)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試驗(yàn)，得到了以Weibull函數(shù)定義的根系抗拉力分布的計(jì)算結(jié)果與Riproot模型的計(jì)算值比較接近。為根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度研究提供了理論基礎(chǔ)[27]。

3.2降雨對根-土的影響

降雨會(huì)改變土體含水率，胡文利等人在不同含水率水平下根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究中[28]，得出結(jié)論見表1。

表1 直剪試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表[28]Table1 Thestatisticsofthedirectsheartestresults試樣情況含水率/%C值/kPaφ值/(°)無根815.2431.461011.0831.021623.6928.03有根87.9635.551018.5333.491615.1632.04

由上表數(shù)據(jù)分析可得：無論有根、無根情況下，含水率越大，內(nèi)摩擦角值φ越小。所以，含水率與內(nèi)摩擦角φ值呈負(fù)相關(guān)。當(dāng)無根時(shí)，含水率越大，C值先減小后增大；當(dāng)有根時(shí)，含水率越大，C值先增大后減小。在同一含水率下，有根情況下的φ值明顯大于無根時(shí)的值，而C值卻無規(guī)律，但在含水率為16%無根時(shí)達(dá)到最大值，加入根后，C值反而變小。由于試驗(yàn)土樣數(shù)量有限，該實(shí)驗(yàn)不能完全揭示含水率不同對根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的影響。

李雄威等通過對植被根系作用下膨脹土的滲透和力學(xué)特性研究得出，植被根系的加筋作用和蒸騰、蒸發(fā)作用是從兩個(gè)方面維持邊坡穩(wěn)定，并且在降雨過程中的發(fā)揮過程有先后順序[29]。蔣必鳳等人構(gòu)建了公路邊坡植被降雨截流所消減的降雨動(dòng)能的理論模型，為公路邊坡的設(shè)計(jì)和確定其類型提供了參考[30]。而彭書生等通過對植被增加邊坡降雨入滲，對邊坡穩(wěn)定性影響研究得出，降雨入滲增加，增加土壤含水量，使土壤-根系復(fù)合體的強(qiáng)度減小，但是植被根系提高邊坡土體的抗剪強(qiáng)度[31]，二者共同作用下復(fù)合體在降雨過程中的強(qiáng)度變化如何？還需進(jìn)一步研究。

4降雨對抗滑樁的影響

微型樁樁徑在70～300 mm之間，長細(xì)比較大(一般大于30)，能夠有效預(yù)防由于降雨導(dǎo)致的深層滑坡[32]。

4.1降雨對樁體的侵蝕

降雨會(huì)影響土壤pH值、地下水中硫酸鹽含量、氯離子含量、土壤電阻率、土壤氧化還原電位等，這些因素都對混凝土結(jié)構(gòu)和鋼管樁耐久性有重要影響。一般地說，含鹽量大，或pH值低，電阻率小，則腐蝕性大。侯敬會(huì)等人指出，土壤的透水性與混凝土遭受的侵蝕程度有直接關(guān)系，透水性越弱保護(hù)作用越明顯；位于地下水位以下的鋼筋混凝土樁，且長期處于弱透水性土壤環(huán)境中，其受到的侵蝕會(huì)相對有所緩解[33]。徐鼎新闡明鋼管發(fā)生腐蝕的主要因素，推薦了國內(nèi)外鑒別土與地下水對鋼管樁腐蝕程度的“綜合指標(biāo)”[34]。邵偉等建立了氯離子侵蝕混凝土管樁壽命預(yù)測理論模型，對初始裂紋產(chǎn)生階段的壽命預(yù)測模型進(jìn)行了驗(yàn)證[35]。對于水下部分的鋼管樁來說，陰極保護(hù)是防腐蝕的有效方法，邱楓等人把鋼管樁作為一個(gè)整體用有限元法計(jì)算了幾種條件下的電流分布情況和電位分態(tài)，為鋼管樁陰極保護(hù)工程提供了重要參考[36]。

4.2降雨對樁-土影響

降雨必然會(huì)改變坡體土壤的含水率，而含水率的改變，又會(huì)對抗滑微型樁產(chǎn)生一定影響，陳強(qiáng)等在滑坡含水量對注漿鋼管微型樁加固效果的影響中指出，當(dāng)相同條件下的邊坡含水量超過一定值后，注漿鋼管微型樁加固失效[37]。于海等通過改變滑坡土體的含水率，進(jìn)行了微型鋼管樁的模型對比試驗(yàn)，得出含水率的變化，對微型樁組合結(jié)構(gòu)的承載力抗滑力，和樁土的受力變形都會(huì)產(chǎn)生顯著影響[38]。

目前，國內(nèi)對于研究坡體含水量對微型抗滑樁護(hù)坡的研究甚少，因此有必要深入研究。

5結(jié)論與建議

① 在邊坡防護(hù)中，植被根系提高邊坡淺層土體抗剪強(qiáng)度，抗滑樁則提高坡體深層整體穩(wěn)定性，兩者協(xié)同護(hù)坡可以形成優(yōu)勢互補(bǔ)，這種綜合設(shè)計(jì)既可以減輕降雨對邊坡的危害，又可以美化環(huán)境。

② 降雨對邊坡穩(wěn)定性是不利的，在邊坡設(shè)計(jì)中可采取一些適當(dāng)措施來減小雨水對于邊坡的侵蝕和沖刷，如增加坡面壓實(shí)度、采取修筑平臺(tái)截水、坡面

采用一些特殊形狀磚體避免雨水匯集和局部沖刷；當(dāng)坡高度一定時(shí)避開一些沖蝕強(qiáng)度最大的臨界坡度，適當(dāng)時(shí)候可以采用階梯型坡面設(shè)計(jì)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

[中圖分類號]TU 44

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1674—0610(2016)02—0006—04

[作者簡介]鄧友生(1969—)，男，湖南桂陽人，博士(后)，教授，主要從事樁基工程的教學(xué)與研究工作。

[基金項(xiàng)目]國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51378182)

[收稿日期]2014—12—23