土坡裂隙防治：植被防护的计算方法

堤坝及岸坡中的裂缝往往是危及土工建筑物安全的主要灾害之一。向阳坡裂隙一般较发育,背阴坡气候变化小,裂隙相对发育较均匀。非饱和土岸坡在干湿循环作用下产生裂缝,破坏了土的完整性和均匀性,为地表水的下渗和土中水分的蒸发提供了通道,加剧了干缩湿胀循环,导致微结构胶结破坏,抗剪强度降低,继而在雨水入渗下因膨胀软化而发生滑坡,这是岸坡工程中最常见的破坏方式。一般边坡上部裂隙以垂直向为主,坡面下部则以向下倾斜或水平向为主,这样容易构成上陡下缓的组合贯通裂隙,不利于边坡的稳定。

岸坡土中的裂缝大致可以分为3类:①整体变形引起的大裂缝,例如滑坡前坡顶开裂及坡脚隆起面上的裂缝和地面不均匀沉降引起的裂缝；②卸荷引起的不均匀膨胀或回弹以及拉裂或剪切破坏引起的裂缝；③黏土表面的干缩裂缝。第一类裂缝的数量有限,分析时可以逐条跟踪。而第二类和第三类裂缝数量众多,目前的分析手段只能把含裂缝的土当作等效连续介质,相应地增大其渗透系数和降低其变形模量。在稳定分析中强度指标的选取,深层滑动可以不考虑裂缝的影响,浅层滑动则取软弱面的强度参数进行分析[231](沈珠江,2006)。

如何解决堤坝及岸坡中的裂缝问题,多年来一直是国内外岩土力学专家致力研究的重大课题。然而,对这种普遍发生的现象人们却几乎还没有较为全面合理的分析方法。堤坝及岸坡中裂缝的研究目前基本上处于宏观调查分析的判断和模型试验上,需要花费大量的人力、物力和财力,所得到的试验结果又往往囿于试验、环境等的变化及土本身的复杂性,导致试验结果的离散性较大。商业软件中一般通过在有限元中设立Goodman单元来模拟岩体的弱结构面。在进行裂缝的数值模拟过程中,单元的尺寸需要很小,随着裂缝的增加又要重新划分单元,这大大降低了有限元的效率。离散元方法可以较好地描述岩体裂隙的力学行为、裂隙的张开和块体破裂过程。但它对于裂隙土由于水的入渗引起应变软化的物理特征由于缺少了可变形块体模型的完备性而不能合理地进行模拟。国外的研究者从线弹性断裂力学出发研究黏土表面裂缝的形成过程,例如早期的有限元分析大多致力于裂缝的形成、愈合的模拟。断裂力学则围绕裂缝的发展机制开展裂缝传播方向和过程的研究,假定开裂方向与目前主拉应变的方向相关,因此会发生裂缝方向的旋转或边翼裂缝的再生。

要真正把握堤坝及岸坡中的裂缝变形与破坏规律,对土工建筑物可能产生的破坏进行准确的预测和采取适当的工程对策,必须从裂隙土的变形机理上综合考虑,建立合适的理论分析模型、变形控制理论和数值分析计算方法。这样才能正确地确定裂隙土的变形性态和破坏规律。通过寻求一种分析计算方法,结合理论、试验及数值模拟来研究堤坝及岸坡中的裂缝的发生和发展,以求在细观裂缝发展和宏观力学性能之间架起一座桥梁。研究由于土的非均匀性和微破裂过程引起的非均匀应力场、应变场的时间与空间分布规律,从而求得裂隙土变形、破坏的全过程。这不仅对于土力学理论有重要的创新意义,而且对于土工建筑物的设计施工、灾害预测与防治也有着迫切的实际工程意义,理论价值和应用前景非常巨大。

假定失水过程土处于等向受力状态,表现为非线性弹性变形特征。根据Kodikara等(2004)[232]的研究思路,收缩应力Δσsh和收缩应变Δεsh的应力应变关系可以写成(www.xing528.com)

式中:E为切线弹性模量；ν为泊松比；Δs为由于失水导致的吸力增量；H为与吸力相关的切线变形模量。

在应力开始增加初期,可以认为变形很小,Δεsh=0。因此有

此时收缩应力对应一个负值的拉应力,因而土即将开始开裂。忽略外界的摩擦约束作用,在无其他外荷作用的情况下,土初始受拉并伴随一个对应的收缩应变Δεsh=Δs/H。拉应力随着应变增加,当达到土抗拉强度时,土开裂并且裂缝形成。

通过以上土坡裂隙发展机理分析,结合第3章植被例如香根草根系生态护坡可以提高土的抗剪和抗拉强度的研究结果不难发现,利用香根草等植被防护土坡可以控制裂隙的产生、减小裂隙对土坡变形的影响。