曹艷偉

（鄂爾多斯市科技事業(yè)發(fā)展中心，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017000）

0 引言

土質(zhì)邊坡工程在凍融循環(huán)、干濕循環(huán)等環(huán)境營(yíng)力與自重、水力等機(jī)械荷載共同作用下易出現(xiàn)多種工程病害，多數(shù)土質(zhì)邊坡工程均采用圬工材料進(jìn)行防護(hù)，有效提高了土質(zhì)邊坡的抗侵蝕能力以及穩(wěn)定性，但缺乏與周?chē)匀画h(huán)境的協(xié)調(diào)、極大降低工程的美觀(guān)性。近幾年，植物護(hù)坡理念獲得更多工程界與學(xué)術(shù)界研究者的關(guān)注，已取得一些顯著成績(jī)。

研究表明根系有助于提高土體抗剪強(qiáng)度，根系的分布形態(tài)、延伸度以及與土體接觸面積對(duì)根系復(fù)合土的抗剪強(qiáng)度影響顯著，進(jìn)而影響邊坡的穩(wěn)定性[1-2]。一些學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)研究深根對(duì)邊坡的錨固作用，結(jié)果表明根系能夠延長(zhǎng)邊坡土體的破壞過(guò)程，對(duì)邊坡起到一定錨固作用，但有效錨固深度有限[3]。大多數(shù)學(xué)者主要針對(duì)植物根系對(duì)邊坡土體內(nèi)摩擦角、黏聚力、抗剪強(qiáng)度的影響以及對(duì)邊坡土體的錨固作用展開(kāi)研究，而針對(duì)根系對(duì)邊坡土體應(yīng)力場(chǎng)影響情況的研究相對(duì)較少。

依據(jù)實(shí)際工程資料及大量參考文獻(xiàn)，本文利用ABAQUS有限元軟件構(gòu)建土質(zhì)邊坡的裸坡模型與植被邊坡模型，通過(guò)計(jì)算分析根系對(duì)土質(zhì)邊坡力學(xué)性能的影響，有助于揭示植被護(hù)坡機(jī)理。

1 裸坡計(jì)算分析

1.1 裸坡模型構(gòu)建

依據(jù)工程資料與相關(guān)文獻(xiàn)[1-3]，選擇土質(zhì)邊坡坡高10 m、坡度1：1.5進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。采用理想線(xiàn)彈塑性Mohr-Coulomb模型構(gòu)建裸坡模型。土質(zhì)邊坡的物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1 物理力學(xué)指標(biāo)

利用ABAQUS有限元軟件，按照上述邊坡尺寸及土體物理力學(xué)指標(biāo)建立裸坡數(shù)值模擬計(jì)算模型，如圖1所示。

圖1 裸坡模型

1.2 結(jié)果分析

計(jì)算結(jié)果如圖2所示，分別為裸坡水平方向應(yīng)力場(chǎng)與豎向應(yīng)力場(chǎng)分布圖。從圖中可以看出，邊坡為裸坡?tīng)顟B(tài)時(shí)，水平與豎向均為壓應(yīng)力且隨深度方向呈遞增趨勢(shì)。應(yīng)力分布趨勢(shì)符合土力學(xué)中土體在自重作用下應(yīng)力分布狀態(tài)。

圖2 計(jì)算結(jié)果

2 植被邊坡計(jì)算分析

2.1 植被邊坡模型構(gòu)建

基于所構(gòu)建的裸坡模型，利用ABAQUS有限元軟件相關(guān)操作切割出根系控位。根系類(lèi)型為榆樹(shù)根，根據(jù)參考文獻(xiàn)[1，3]根的直徑選為10 cm、長(zhǎng)度為6 m，根系的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表2所示。

表2 根系的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

構(gòu)建植被邊坡模型時(shí)，根系與土體之間的接觸采用面對(duì)面離散型，法向模型選為硬接觸，根據(jù)參考文獻(xiàn)[1，3]根系與土體之間的摩擦系數(shù)為0.53。所構(gòu)建的植被邊坡模型如圖3所示。

圖3 植被邊坡模型

2.2 結(jié)果分析

圖4、圖5分別為植被邊坡水平方向與豎向應(yīng)力場(chǎng)分布云圖及根系部位放大圖。植被邊坡在水平方向與豎向的應(yīng)力均存在正負(fù)值，沿深度方向應(yīng)力由正值逐漸過(guò)渡為負(fù)值，在根系附近一定深度處土體正負(fù)值應(yīng)力分布于根系兩側(cè)。從局部放大圖中可以看出，根系的正應(yīng)力值明顯小于土體的，表明根系受拉情況弱與邊坡土體。

圖4 水平方向應(yīng)力分布

圖5 豎向應(yīng)力分布

與裸坡應(yīng)力場(chǎng)分布對(duì)比分析，植被邊坡中根系顯著改變邊坡土體應(yīng)力場(chǎng)分布狀態(tài)，沿邊坡深度方向應(yīng)力由正值逐漸過(guò)渡為負(fù)值，表明根系有利于提高土體抵抗壓縮變形性能，增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

1）裸坡土體水平方向與豎向均為壓應(yīng)力，隨深度增加呈現(xiàn)遞增現(xiàn)象，與土力學(xué)中土體在自重作用下的應(yīng)力場(chǎng)分布一致；

2）植被邊坡土體水平方向與豎向應(yīng)力沿深度均由正值逐漸過(guò)渡為負(fù)值；

3）植被邊坡中根系周?chē)欢ㄉ疃忍幫馏w正負(fù)值應(yīng)力分布于根系兩側(cè)，且根系受拉情況明顯小于土體；

4）根系顯著改變邊坡土體應(yīng)力場(chǎng)分布狀態(tài)，有助于提高邊坡土體抗壓縮變形能力及穩(wěn)定性。