植被固坡实验设计及固坡效果分析 赵吉坤 ，刘 琦 ，朱小春 （１南京农业大学江苏工学院，江苏 南京南京２１００３１；２江苏省智能化农业装备重点实验室， １０００１１） ２１００３１；３中国水利电力对外公司，北京摘 要：植被在不同的坡度上生长的情况都是不同的，在控制土壤含根量相同的情况下进行不同坡 度土壤的直剪试验得出土壤的抗剪强度，通过对比得出不同坡度下植被固坡效果的优劣，再通过三 轴实验得到土壤的应力应变曲线，得到土壤在饱和情况下的剪切破坏曲线，从而得出不同坡度下植 被的固坡效果，得出植被固坡的最优坡度范围。结果发现其坡角在２３。左右时，坡体稳定性最好， 且具有最优承载性能，坡角在３Ｏ。一４０。区间时，植被固坡效果稳定。 关键词：植被固坡；抗剪强度；应力应变曲线；最优固坡坡度 在工程建设当中，边坡以自然或者人工开挖形 成的斜坡组成基本的地理环境，同时也是最为常见 的的工程形式。然而山体滑坡的频频发生给高速公 路、水利设施等工程的建设和运营管理带来了一系 列的隐患与风险，从而成为工程建设者急需解决的 问题。因此，必须高度重视工程边坡稳定性的设 计，避免滑坡灾害的出现…。 植物根系固坡是一种常见的增强边坡稳定性的 护坡效果以及植被的恢复效果。郝彤琦 研究得出 根土复合体抗剪强度是会随含根量的增加而不同程 度的增加。因此含根量是影响边坡抗剪强度的重要 原因之一 ，要想研究其他变量与坡体稳定性的关 系，首先要控制的就是土体当中的含根量。 近年来由于植被护坡的优势凸显，植被固坡方 面的研究也在不断加深，但国内外学者研究的主要 方面停留在植被种类的选择以及植被混合种植等， 方法 ，通过在坡体上种植一定数量的相应种类的 却始终没有注意到坡角也是影响植被护坡的重要因 素之一，通过控制土壤当中植被的含根量，植被种 类，土壤种类以及含水率，使得坡度成为实验的唯 一植物，对土壤进行加筋锚固，在土壤浅层形成加筋 网络作用 ，利用植物根系的生物软措施 ，从而 可以在一定程度上起到拦截斜面径流，减少土壤侵 蚀的作用。在实际水利工程当中，边坡都具有一定 变量，研究在不同坡度下根土复合体的抗剪强度 与应力应变曲线，从而得到不同坡度下植被对坡体 的固护作用，得出最优坡度，并研究固坡力学特 性，探寻植被固坡规律，为实际水土工程提供富有 的倾角，就比如说高速公路两边的道路边坡，堤坝 以及隧道工程中基坑的深层开挖，要保证工程质量 就要确保边坡稳定性和边坡的抗震性能 。如今国 内外学者已经在根系固坡效果的力学模型、根系的 抗拉、根一土复合体 抗剪强度、边坡的稳定性分 析等方面取得了一些研究成果” ，在分析根一土 参考价值的数据和理论支持。 ｌ 实验试样的采集与实验 实验所研究的对象选择大面积种植细叶结缕草 的南京佛手湖公园的坡体，细叶结缕草是禾本科结 复合体的抗剪强度的实验中，较多数据都表明，根 一土复合体是可以明显提高土体的抗剪强度 “ 。 缕草，属暖地型草坪 ，一般生长较快，根量大， 护坡效果好，常常被用作高速公路等边坡上的种植 植被。实验土样采集情况如图１所示。 我国作为世界上滑坡较多的国家之一 ，近几年生 态护坡的工程开始了大量的应用，并得到了较好的 ●基金项目：南京农业大学校级教研教改项目 （２０１３Ｙ０５７）；江苏省农机基金项目（ＧＸＺ１４００３）资助；江苏省 自然科学基金项目（ＢＫ２０１０４５７）资助。 ●第一作者：赵吉坤（１９７７一），男，山东茌平人，博 士，副教授，硕士生导师，主要从事固体材料破坏与防灾减灾 研究。 ●收稿日期：２０１５—０６—２３ （ａ）实验采集土样 一ｌ０１— 高 校 实 验 室 工 作 研 究 （ｂ）南京佛手湖坡体 图１ 实验土样采集情况 对于研究不同坡度下植被的固坡效果，选择的 坡度范围在３０。～４０。之间，共取五个角度进行实验 研究，分别是１７．３５。，２３．１６。，２９．２９。，３３．２５。， ３８．４７。。同时实验取得的所有土样的含根量始终控 制一致，通过对实验土样根系的根长、根重、根体 积进行测量，利用计算公式得出土样的根密度，并 采用ＨＢ一１０１ ２０２型电子控温远红外干燥箱对土样 进行含水率（质量分数）测试，利用经纬仪进行坡 度测量，液塑限仪进行液塑限的测定以及液塑限指 数的计算，并通过基本体积质量的测定计算出土粒 比重，如表１所示。 表１土样物理指标 １．１根土复合体的直剪试验 直剪试验的实验样本采用环刀进行直接取样， 实验共分为三次取样，其控制的唯一变量是含水 率，三次取样的含水率分别是２３．５％，２４．８％以及 ２６．７％，每次取样的样本共有五组，五个坡度分别 对应一组，每组的根土复合体土样在控制含根量一 致的前提下各取六个样本进行不同剪切压力下的直 剪试验。 １．２根土复合体饱和土样的三轴试验 三轴试验的实验样本采用取土器进行原状土取 样，取样的样本含水率控制为２４．８％，取一次样， 样本同为五组，对应相应坡度，在控制与直剪试样 根密度相同的情况下每组取四个试样，进行三轴不 固结不排水实验（ｕｕ）得出应力应变关系曲线。 ２实验数据与结果 ２．１ 直剪实验数据与结果 通过直剪试验得出五组不同坡度下根土复合体 的抗剪强度指标，将不同坡度同一压强下的土壤剪 切试验数据放置在一起，形成一组ＸＹ型点划线， 再将不同垂直压力下形成的点划线放置在同一个数 一１０２一 据分析图上，就会得到图２的数据图形。 旧 慧 容 图２不同坡度下土样直剪试验数据对比图（含水率２４．８％） 从图２来看，图像呈现倒Ｖ的形式的，按边坡 角度增大的方向，抗剪强度呈现先增后减的变化趋 势，在中间坡度也就在坡度为２３．１６时抗剪强度具 有明显的增大趋势，从而呈现峰值的状态，从而说 明了将植被种植在坡度为２３度左右时，所得到的根 土复合体具有最大的抗剪强度，此时的坡体最为稳 定，可以承受的剪切强度最大。同时坡度在３Ｏ。～ ４０。之问时，同一剪切压力下的抗剪强度并不存在 明显的差异，而是趋于稳定的，同一坡度下的土样 在不同剪切压力下的抗剪强度也是按规律上升，从 而说明坡度的增大与减小是不会影响到坡体的抗剪 效果。这样的结果可以给予高速公路、高架、水利 设施等边坡建设一定的建议，如在建立边坡时，如 果边坡的角度要求范围在３０。～４０。之间，那么并不 需要为了提高边坡的稳定性，而提高或降低坡度， 考虑边坡建设的经济性因素就好，寻找最经济的边 坡建设即可。 因为直剪试验进行的是原状土不饱和土壤试样 的实验，而含水率会影响根土复合体的抗剪强 度 ，所以，为了排除含水率对实验规律的影响， 我们在控制土样的根密度和实验坡度相同时，分别 对含水率为２３．５％，以及２６．７％进行五组土样的采 集和直剪试验，并做出与２４．８％同类型的数据图像 两种含水率条件下的土样进行直剪试样的结果如图 ３（ａ）和图３（ｂ）所示： ∞ 簧 ｊ永 （ａ）土壤含水率为２３．５％ 赵吉坤，等：植被固坡实验设计及固坡效果分析 量 、、 醺 襁 辐 （ｂ）土壤含水率为２６．７％ 图３ 不同坡度下土样直剪试验数据对比 将图３（ａ）和图３（ｂ）的实验数据与图２的 试验数据对比可以发现，图３（ａ）中所有点的抗剪 强度数值相对增大而图３（ｂ）所有点的抗剪强度数 值相对减小，即含水率的增大使得所有根土复合体 的抗剪强度减小，同理，含水率的减小使得抗剪强 度增大，但含水率变化后土样直剪试验所得到的坡 度与抗剪强度关系曲线形状并没有发生较大的变 化，图像依旧呈现倒Ｖ型状态，并在２３．１６。坡度时 抗剪强度呈现峰值状态，在３０。～４０。之间时，坡体 ∞ 柏 侣 仲 中所得的根土复合体的抗剪强度随坡度的增加趋于 稳定的趋势。因此可以得出结论：含水率只会影响 根土符合体的抗剪强度大小而并不影响坡度与根土 复合体抗剪强度之间形成的规律。 ２．２三轴试验数据与结果 在直剪试验中已经得出含水率并不影响坡体与 抗剪强度之间形成的规律，故三轴实验仅针对含水 率为２４．８％的土样进行实验和数据处理。 三轴试验将同一组的试样分别在ｌＯＯｋｐａ， ２００ｋｐａ，３００ｋｐａ的围压之下进行三轴剪切试验，得 到土样在不同围压下的应力应变曲线，以及同组试 样的强度包线。将１７．３５。，２３．１６。，２９．２９。， ３３．２５。，３８．４７。坡度对应土样分别编号为一组到五 组。试验结果如图所示： 轴向应变／％ （ａ）第１组 ∞ 旦 ｊｌｌｌｊ （ｂ）第２组 四 ＼ ：ｌ１１】３ Ｏ 曼 ＼ ｊ｝ｌ】ｊ ∞ 应第 ３ 佰变组 ５ １０ １Ｓ ２０ 柏 轴向应交／％ （ｄ）第４组 砖 ＼ 颤 躲 （ｅ）第５组 图４土样的应力应变曲线 图４（ａ）是坡角为１７．３５。土样的应力应变曲 线，曲线呈现三个阶段，平缓不增长阶段，急剧增 加阶段以及平稳增加阶段。平缓不增长阶段，应变 值显著增大但主应力差值不发生变化，土样变形明 显；急剧增加阶段，应变增加不大的情况下主应力 差值急剧增加，说明剪切破坏期间，剪切应变在该 一１ ０３一 ５ 高 校 实 验 室 工 作研 究 阶段时承受最多的荷载力；最后平稳增加阶段，应 变增加速度较快，应力差值缓慢增大，是剪切的最 后阶段，土样变形明显直至土样应变达到１５％，土 样剪切破坏。 第一组土样与第二组土样数据通过对比可以发 现，在相等时相同的轴向应变下坡角为２３．１６。的土 样相对于坡角为１７．３５。的土样的主应力差值都有大 小不等的增大，增大即说明同样的变形情况下可以 承载的荷载值更大，抗剪的能力更强。 第三组的实验土样数据在同样的轴向应变下相 对于第两组土样的主应力差有了明显的减小，说明 坡角为２９．２９。的边坡承载能力低于坡角为２３．１６。的 边坡。同时第三组土样的应力应变曲线与前两组之 问有个明显的差别，出现在应变值较小时，主应力 差不是像前两组一样呈现较为平缓的形状，而是急 剧增长，通过对根系的研究在坡角为２９．２９。的边坡 上，植被的生长方式主要是横向生长，因此在应变 变化不大时应力差值已经急剧增加，但最终该坡度 下的根土复合体的承载能力并不是最大的。 霄 ＼ 挺 图５ 土样破坏时应变值与坡角的关系线 从第二组土样开始到第五组土样，在相同的轴 向应变值下，随着坡度的增加，其土样的主应力差 值呈现递减的趋势，从而说明了土样的承载能力也 是呈现着递减的趋势，承载能力在边坡角度为２３度 左右时呈现最大值，边坡稳定性最好。 通过对比五组实验数据可以发现，饱和土样在 剪切破坏即应变值达到１５％的时候，依旧是在２３。 左右时达到应力承受的峰值，也就是当坡体在２３。 左右时，相对于其他的坡角可以承受更大的荷载效 应，对于高速公路的边坡建设便可以利用这一实验 结果，通过改变边坡角度来提高边坡所能承受的荷 载，从而提高高速公路、水利设施的荷载承受 能力。 ３ 结 论 本次实验主要是通过采集不同坡度下同种植被 生长的根土复合体，在控制含水率，根密度等影响 试样抗剪强度的情况下，使得坡度成为实验的唯一 １ ０４—— 变量，从而研究坡度与根土复合体抗剪强度以及荷 载承受之间的规律，主要得出以下两点结论： （１）边坡坡度在２３。左右时根土复合体的抗剪 强度最大，边坡可以承受的剪切强度最大，抗剪性 能最好，最为稳定。 （２）边坡坡度在３０。～４Ｏ。之间时，坡角的变化 几乎不会影响到边坡的抗剪性能。在高速公路、高 架、水利设施等工程实践当中，在３０。～４０。坡角范 围之间，边坡的稳定性改变甚微，坡角的选择主要 根据边坡建设的合理性与经济性来决定。 （３）２３。左右的边坡其根土复合体的饱和土样 具有较大的应力承受值，可以承受更大的荷载效 应，该角度边坡的建设可以有效防止大承载量高速 公路边坡的滑坡危害，以达到最佳的预防效果。 ●参考文献： ［１］赵文辉．高速公路滑坡成因及治理措施［Ｊ］．石家庄铁道大学 学报（自然科学版），２０１５（ＳＩ）：２４８—２５０． ［２］周军平，桂 勇，罗嗣海，等．植被对边坡稳定性影响的研 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