植被防护土坡研究：计算方法

普通的植被系统例如草皮或根系浅的植被只适于地表面层水土保持以及浅层土的防护,而要满足一定埋深土的稳定性要求,必须寻找到一种根系发达且较长的植物品种,这样才能同时满足浅层土和一定埋深土的稳定性的要求。岸坡自然风化的土体颗粒往往在雨水、径流和河流的水力冲刷下,以及受重力的作用极易形成冲刷侵蚀,很难留存,为此就需要寻求其他方法来提高坡土的强度和稳定性。另外,岸坡稳定对土的要求与植物的生长环境对土的要求更是一对矛盾。从植物的生长要求看,希望土疏松一些较好,便于植物根系生长；土的颗粒组成应以粉粒为主,黏粒和砂粒含量较低,即土为亚黏土或亚砂土；土中含有较丰富的腐殖质有机肥,以提高其肥力；p H值呈弱酸性至中性；土本身具有一定的透水性、透气性和渗水、保水能力；在夏天强烈的阳光照耀下,具有一定的保温、调温功能,不至于由于温度过高而危及植物的生存；有足够的水分、空气、活化养分和微生物,有足够的孔隙,能让植物的根系生长发育；而这些要求大部分又与岸坡浅层局部稳定性和深层整体稳定性的需要大相径庭。就岸坡稳定的要求来看,则希望土愈坚固愈好；土本身应具有一定的强度,能保持自身的稳定性,在自重和外部各种荷载的作用下,不致产生滑动破坏；土本身具有一定的抗冲刷能力,在暴雨或地表径流的作用下,不会形成表面冲蚀破坏等。

国内在岸坡防护与绿化方面同时进行的研究还比较少,多限于引进和模仿国外的岸坡防护与绿化方法。国内外也曾有研究者利用植被结合土工合成材料技术加固岸坡以防冲刷和水土流失[21](Theisen,1991)。如何利用植被防护土坡,同时生态加固浅层土和一定埋深土以提高其强度和稳定性,以及如何用生态的办法解决岸坡稳定对土的要求与植物的生长环境对土的要求这一对矛盾,而又不会造成新的环境问题或隐患,成为植被防护土坡需要研究的关键问题。

香根草[22～23](夏汉平和敖惠修,1998；徐礼熠等,2003)是一种依靠根段和截枝无性繁殖的多年生草本植物。它具有强盛的根系网络系统,根系生长速度快且长度较大,它的根系3～4个月可长至1m,一年可长至2～3m,多年可长至5m以上,被称为是“世界上具有最长根系系统的草本植物”。而且它在地面可长成茂密的绿色覆盖层,生长环境的温度范围较宽,气温在-15～50℃范围的地区都能正常生长。它对土壤的适应能力很强,能在非常贫瘠、强酸(p H值为3.8～4.0)或强碱(p H值为9.0～11.0)的土壤环境中正常生长。它具有抗盐性,能在盐分浓度很高的环境条件下存活生长。香根草的根系还具有吸收有害元素和重金属的功能。它还具有耐旱和抗涝能力,既能在年降雨量仅为200～300mm的干旱与半干旱地区存活生长,也能在年降雨量为5000～6000mm的温暖湿热地区正常生长。它在20世纪80年代后期被引入我国,不仅可以作为香料和驱虫剂原料,还被用来帮助水土保持。因此,可以利用香根草来同时加固岸坡浅层土和一定埋深的土(图1.1)以及利用其叶茎制作工艺品等(图1.2)。

图1.1　香根草在护坡工程中的应用

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图1.2　利用香根草叶茎制作的工艺品

目前土的高分子水溶性固化剂是近年来固化剂行列中的新兴产品,它不但具有传统固化剂的固化性能,而且由于其水溶性使它能与环境相容,无污染、环保性能好[24～27](胡孟春,1993；彭波等,2001；刘瑾等,2002；吴正,2003)。例如EN-1型高分子水溶性固化剂是美国近几年新开发的产品,已经被美国国家森林局推荐全美国使用,我国曾用该产品加固孝天公路的边坡工程。我国也相应开发出许多高分子水溶性固化剂产品如SH型高分子水溶性固化剂等。高分子水溶性固化剂的固化性能在于化学物质充满了土的孔隙后,能加强土颗粒间的相互作用,有助于其从游离态向结合态转化,从而将土颗粒黏结成一体,使土被加固成为具有一定结构和强度的固化体。高分子水溶性固化剂除了土的固化作用,还具有保水增肥的作用,可对植物提供独特的生长环境,高分子水溶性固化剂生态加固与植物护坡相结合可大大提高植物的成活率。因此若有条件,可以考虑利用高分子水溶性固化剂结合香根草等植被来进行岸坡土的生态加固。

目前国内外已经开展了一些利用植被防治水土流失以及利用高分子水溶性固化剂防沙治沙的研究工作,但大多仅是从生态学、地貌景观学、有机化学和材料学等学科角度去研究。高分子水溶性固化剂在土的加固应用中的研究很少,植被加固岸坡土的微观机理研究略有少许,几乎还没有人开展过岩土工程生态加固与植被防护相结合方面的研究。植被对于岸坡土的一些力学影响,只是通过有效应力原理进行解释；人们在对植被效应进行理论分析时还未能恰当地考虑其对土的强度与变形特性的影响,这还主要是因为定量化考虑植被效应仍然是一个未能解决的难题[28～31](Muir Wood等,1995；Operstein和Frydman,2000；Frei等,2003)。目前仅有的流行国内外的大多是经验性的“根系强度模型”,即只是简单化地开展一些拉拔实验方面的研究,然后再在设计中经验性地考虑根系一定的力学强度和“根系—土体”界面的黏结摩擦作用。这种考虑一般都是借鉴过去土力学中依照传统土的极限平衡理论进行分析边坡稳定性时常用的两种做法,即直接或间接地把植被效应理解为增加了植被土的黏聚力或者把植被效应理解为增加了植被土的内摩擦角。

然而,根系作为一种可变形活性体,不同部位由于伸长变形程度不同,其自身及周围土体往往会表现出不同的强度和变形特性,其力学机理和技术效果自然不同于传统的锚杆或土钉。倘若再依照传统的土体极限平衡理论进行分析明显不再合适,这是因为稳定分析时采用的刚塑性理论,假定土破坏时塑性区内的各点的剪应力同时达到抗剪强度,这种情况只有对理想塑性材料和应变硬化材料才有可能。而且,现在大家都已经逐渐认识到土的变形破坏一般是土的位移渐进发展到一定程度的结果。例如边坡的破坏滑移往往是先形成一个剪切区,然后从此区发展渐进地形成潜在的滑移面。再如,土在水分蒸发、降雨入渗的干湿循环的过程中历经裂隙产生、发展或闭合、缩小,最后吸力完全丧失的整个过程,往往也会使土渐进地变形破坏。土的这种渐进变形破坏的特征,正好吻合根系作为一种可变形体的物理特征。如果想定量化分析植被对岸坡生态防护的影响并在设计计算中有理有据而非经验性地加以考虑,就必须建立可靠的“生态加固土的理论分析模型”,必须开展植被防护土坡的计算理论的研究。

目前,关于植被防护土坡的计算理论研究的工作尚未有人深入研究过,还处于初步研究阶段,建立岸坡生态加固土体的强度与变形分析理论的任务非常迫切地摆在我们的面前。以岸坡生态加固理论和技术研究为主要指导思想,进行岸坡生态加固土的强度与变形分析研究,是近年来环境岩土工程与防灾减灾工程领域的新方向,也是生态防护复合型理论与技术研究迫切需要解决的课题。