文摘

种植灌木和树木在geogrid-reinforced斜坡上是一个重要的生态护坡方法经常在南方多雨地区实施。首先,分析土工格栅和根系的soil-fixing原理演示了使用复合植被灌木和树木的可行性与土工格栅加固边坡。使用侑士在贵州高速公路项目,我们进行了在不同工作条件下的边坡的稳定性分析和不同的强化方式。我们确定生态保护方法相结合的复合土工格栅的植被可以有效提高边坡的稳定性。生态边坡在降雨条件下的最大位移与原坡相比降低了82%,和整体稳定性提高了35%。四个因素影响边坡稳定:灌木加固的深度、锚固深度的树木,树木的分布,土工格栅的间距。这些4因素3水平正交分析考虑实施。以下以获得最佳组合是保证生态保护在降雨条件下:一种灌木加固深度0.6米,树锚固深度3 m,网格间距0.4米,和top-sparse bottom-dense树分布。合并后的护坡原理应用到侑士在贵州高速公路项目,和强大的加固护坡效果观察。

1。介绍

在降雨条件下,暴露了山坡上的耐蚀性减少,水土流失增加,容易诱发重大自然灾害如滑坡(1,2]。生态护坡的努力同时考虑工程保护和环境美化,在中国被广泛使用。植物根系的作用下,地表土壤暴露的斜率是合并,以及抗剪强度增加。植物叶片的蒸腾作用和吸根也改善表层土壤的吸水,停止地面径流,防止冲刷,这有助于水土保持。然而,根整合边坡稳定性的贡献是有限的,而不是适用于不稳定或欠稳定的斜坡上。随着土工合成材料的发展,土工格栅已广泛用于边坡工程由于其明显的加固效果和相对经济性质(3]。因此,灌木和树木的种植geogrid-reinforced斜坡可以提高斜坡的稳定性和突出的生态效益保护工作,因为它是一个重要的边坡管理方法在多雨地区。

目前,许多学者进行了各种研究土工格栅和根钢筋斜坡。其中,数值模拟技术可以直观地分析岩石和土壤内的失效机理和广泛用于边坡稳定性分析。例如,太阳等人利用有限元软件Midas-GTS模拟加筋土边坡的性能,并将数值模拟结果与监测数据来验证数值模拟技术可以可靠地分析geogrid-reinforced斜坡(4,5]。张等人采取了实际工程的土工格栅加固边坡为例,分析了边坡的稳定性,和土工格栅加固方案优化6,7]。杨等人讨论了土壤的植物根系的力学机制整合和比较稳定的草,灌木,乔木,复合植被强化下斜坡。他们指出,复合植被加固效果要明显高于单一植被(8]。沃尔德伦等人进行了剪切试验对加固土壤和指出,加强土壤主要产生强化效应通过改进原有的凝聚力的土壤9- - - - - -11]。苏等人进行了拉伸试验的根系。根直径的影响在阿伯根的安克雷奇是定量分析(12]。Abdi等人计算土壤中植物根系的空间分布;他们发现灌木的根主要分布0.6以下的斜坡,和树木的根可能达到3米长(13,14]。然而,这些研究没有考虑土工格栅和根系的影响斜坡的水力特性。

降雨入渗是诱发边坡不稳定的一个重要因素15,16]。基于非饱和渗流理论,张等人建立了一个加固土质边坡水力耦合数值计算模型,研究了降雨入渗对应力、位移、孔隙压力geogrid-reinforced土斜坡(17,18]。张等人分析了root-fixed土壤在降雨条件下的渗流场分布,发现当根系继续吸收水分,非饱和土的抗剪强度也增加(19,20.]。吴等人研究了吸力的大小和分布产生的植物根系在土壤和指出,植物能显著增加土壤吸干和多雨条件下(21]。王等人进行了降雨条件下边坡模型试验,认为植物根系提高土壤的水力特性和减少降雨对坡面径流的影响(22- - - - - -24]。歌等人提出了一个复合土壤处理和护坡方法使用geocell结构和麦秸的强化,这可以有效地减少土壤侵蚀的坡(25]。

这些研究主要集中在单筋的影响模式和单因素对边坡变形和稳定性。很少有研究边坡加固与土工格栅复合植被。改进的经济和生态效益的双重需求,联合生态护坡技术已广泛成为边坡处理的最优选择。然而,其工作性能更加复杂,影响因素很多。没有明确的理解设计方案对斜坡种植灌木和树木由土工格栅加固。特别是在降雨条件下,它具有重要意义量化各种影响因素对机械和水力特性的生态斜坡。因此,推广这种技术在工程,有必要研究复合植被的稳定性降雨条件下土工格栅加固。

2。土工格栅和根系的土壤固定机制

常见的加固材料、土工格栅和根系影响土壤和根系的力学性能作为活性介质。他们可以从不同土壤深度吸收水分通过植物叶片的蒸腾作用,增加土壤吸力,非饱和土水力特性的变化。我们分析了土工格栅的土壤固定机制和基于机械和液压的根系土壤属性如下。

2.1。机械活化行为

土工格栅和根系有高强度的优点。植入后在土壤中,根与土壤改善其抗拉和抗剪强度,增强土壤。因此,它的机械性能可以定量地分析了加固土理论,主要包括两种类型:摩擦的加固原理和quasi-cohesive力机制。

摩擦强化的原则是增强材料牢牢地固定土壤体内作用下的土压力;当土壤的相对位移的身体和增强材料时,滑移力将转移到增强材料。由于土壤和肌腱之间的摩擦和肌腱的抗拉强度高,土壤变形可以是有限的,这提高了土壤的稳定性。部分d_l增强土壤的选择进行分析,如图1: 在哪里F摩擦阻力,σ_n的有效应力作用于增强材料,f摩擦系数,b和d_l增强材料的宽度和长度,然后呢d_T增强材料的拉伸力。当F>d_T,增强土壤处于稳定状态,反之亦然不稳定。

quasi-cohesion背后的机制是把钢筋土作为一种复合材料。增援部队围压扮演类似的角色,这限制了土壤变形。加强土壤主要产生强化效应通过改善土壤的原有的凝聚力。如图2,加筋土的强度包络线平行于无钢筋的土壤,只有与纵轴的交点是明显不同的。当围压σ₃是常数和土壤达到最终平衡状态,最大主应力加强土壤明显大于最大主应力σ₁无钢筋的土壤,增强土壤的强度明显提高。当最大主的力量是常数,最小主应力无筋土可以利用其强度包络线计算。图2显示,是明显大于σ₃,这表明肌腱可以限制土壤变形,增加封闭压力。围压的增加被定义如下:

从公式(2)和(3),我们得到 Δ在哪里c是quasi-cohesive力量,φ是在土体内摩擦角,Δ吗σ₁最大主应力差。

2.2。水力性能

不像其他增强材料,根系统,是一种积极的强化,可以发挥钢筋的机械作用和锚定,吸收水从不同土壤深度通过植物叶片的蒸腾作用,降低土壤的孔隙水压力,改善土壤吸力,非饱和土的渗透特性的变化。因此,根系对土壤水力特性的影响可以使用不饱和渗透理论,定量地分析了主要反映在两个方面。

一方面,基于不饱和理论,建立了抗剪强度公式考虑基质吸力(26]: 在哪里τ,σ,c,φ剪切应力、主应力、凝聚力和内摩擦角的土壤序列,分别是矩阵吸入,孔隙气压力,孔隙水压力,θ是体积含水量,θ_年代是饱和含水量,θ_r残余含水量。这个公式表明,植物根系能增加土壤吸力,降低孔隙水压力,从而增加土壤的抗剪强度。

另一方面,非饱和土的吸力与渗透系数之间的关系可以描述如下: 在哪里K_年代是饱和渗透系数,年代=μ_一个− ,b= ln (10⁶),y吸入的哑变量积分,θ′的导数θ。从这个公式,土壤吸力与渗透系数负相关。各种土壤渗透系数的变化曲线与吸在图3表明土壤的渗透系数随吸力增大而减小。因此,生态边坡可以增加土壤吸力,降低根吸力的作用下渗透系数。在降雨期间,它可以减少雨水的入渗,减少土壤侵蚀的风险。

经过上述分析,作为增强材料、土工格栅和根系扮演钢筋锚的机械性能,和土壤固定原则是相同的。在实际工程实践中,由于植物根系分布的多样性,根系差距可以通过网格与网格交织在一起,形成一个联合的实体,它可以限制土工格栅与土的相对位移,防止根系退出来提高土壤的抗剪强度。同时,根系的吸水效果可以改善土壤的水力特性,增加土壤的抗剪强度,减少渗透系数,减少雨水对土壤的危害。总之,与土工格栅复合植被的生态护坡方法可以充分利用对根系和土工格栅加固和锚定效应,有效地减少水土流失的风险,并为推广提供了理论依据。

3所示。数值模拟相结合的生态护坡

3.1。工程背景

贵州侑士的第十部分高速公路从Majiao开始,天星镇Cengong县结束Yangtang河,天星镇Cengong县,总长度为8.155公里。有许多深基坑和高填地基梁沿整个招标部分,347万平方米的开挖和306万平方米的填充,全年降雨条件。因此,施工过程中的主要技术难点是丰富的降雨,困难与水土保持相关,和更高端、更大的斜坡。此外,紧急封锁这个项目是如何适应当地条件的绿色运输,确保安全,稳定,和绿色集成的前提,优化各种保护方法,实现最大的经济效益和生态效益。

3.2。数值模型的建立和验证

MIDAS / GTS提供了在各种工作条件下边坡稳定性分析,广泛用于边坡稳定性计算,计算精度已验证。因此,有限元软件Midas-GTS用于模拟联合生态护坡。一段的斜率侑士贵州高速公路被选为分析、斜坡填6米的高度和斜率为45°。实现最大的经济效益和生态效益,生态保护与土工格栅复合植被斜坡上执行。复合植被由灌木和树木的组合。灌木根主要分布在0.6 m边坡表面以下。为了便于仿真,阿伯根系统简化。的主要根杆垂直分布的长度3米,直径0.1米。根外侧对称分布的主要根源,斜坡平行,长度为0.6米,直径0.02米,水平种植间隔2米。土工格栅是6米长。 The layout spacing is 0.6 m. To reduce the influence of the size effect, the grid of the slope model is extended and converted according to the research of Zheng et al. on the calculation accuracy of numerical simulation [27]。具体的边坡形式和模型尺寸如图4。

由于发达的根系的灌木多样性和密度分布模式,他们可以与土壤和联锁成立一个联合质量。因此,灌木钢筋面积的土壤模拟根土复杂的形式。莫尔-库仑模型用于平原土壤,增强土壤。土工格栅和乔木根系都使用独立的弹性模型模拟。正常的约束是应用在模型底部固定约束和降雨边界强度的5毫米/小时顶部24 h,记录每6 h。初始水位4.5米。根据工程地质调查的报告和相应的引用,普通的机械参数和水力特性参数提供了土壤,增强土壤。其中,力学参数的土工格栅和树木的根系都从室内获得拉伸测试,如表所示1和2。

为了验证建立数值模型的准确性,进一步研究进行联合生态边坡。还原法和应力强度极限平衡方法计算原始边坡的稳定性。边坡的安全系数强度还原法获得的是1.890,这是接近1.906的安全系数计算的应力极限平衡方法。因此,数值模型可用于生态护坡相结合的稳定计算。

3.3。结果分析

图5显示了原始边坡的位移场和生态边坡下结合加固后24小时的降雨量。从图可以看到,斜率显著位移场变化下生态保护相结合。首先,位移值,原始边坡的最大位移与生态边坡是186.5毫米和33.4毫米,分别。,边坡位移降低82%。其次,原文的最大位移斜率位于山脚下,压力相对集中,整个滑脱效应和斜率展览。同时,敏感区域的生态边坡的最大位移变化和位于中层和上层部分的斜率。原因在于,在降雨的作用下,土壤的重量大幅上升;坡脚的土壤被雨水侵蚀最为严重,和原始边坡滑动从上到下有一个积分。然而,的共同作用下土工格栅和根系生态边坡位移斜率的脚趾完全限制。同时,根系的吸水效果降低了孔隙水压力在山脚下,提高土壤的抗剪强度脚下的斜率。然而,有效应力肌腱在中间和上部部分的斜率是相对较小,肌腱加固效果是有限的,和灌木之间的联系力加固区和平原土壤不足,很容易产生相对滑移和浅层危害斜率。

根据研究根土壤固定的机制,考虑的影响根系水力特性的斜率,减少不饱和强度的方法是用来计算不同的强化模式下的边坡稳定性。如图6自然的工作条件下,灌木强化斜率的影响有限,但树和土工格栅加固具有明显的效果。与原坡相比,边坡安全系数增加了6%和9%,分别。相结合的形式,与土工格栅复合植被的生态保护方法的安全系数最高,这是由增长12%相对于单一植被与土工格栅的加固效果。在降雨条件下,降雨仍在继续,灌木强化的效果大大提高,边坡安全系数经过24小时的降雨增加了6%。虽然灌木强化对边坡稳定性的贡献有限,它可以有效地减少降雨在坡的危害。其中,用土工格栅复合植被的生态保护方法仍然获得安全系数最高,高于35%的原始的斜率。

无论降雨发生时,复合植被与土工格栅加固模式具有最好的性能。的锚定作用下土工格栅和阿伯根系统,增强土壤的灌木可以与强化区域稳定层,使浅层土壤的稳定性。同时,根系穿过网格与网格差距,交织形成一个统一的实体。这个统一有效的角色土工格栅,根钢筋,锚、限制边坡变形、最大生态敏感地区边坡位移变化。它可以提高边坡的稳定性在自然的工作条件下,极大地减少降雨对边坡的危害。

4所示。优化相结合的生态护坡

目前,大多数研究生态边坡加固效果的单因素分析,同时与土工格栅复合植被的生态保护方法有多个因素和多层次,彼此影响。因此,与单因素分析相比,正交模型试验可以定量计算每个因素的影响程度在不同工作条件下生态边坡的稳定性。这个过程也可以获得最佳组合形式指导联合生态护坡技术在实际工程中的应用。

4.1。建立的正交模型

现有的研究基础上,以灌木加固深度、阿伯锚固深度、乔木分布形式,和土工格栅间距作为影响因素,我们设计了一个与4因素3水平正交模型试验,如表所示3。树木的分布形式包括统一(a),上层密度和较低的稀疏(b),和稀疏的上部和更低的密度(c)分布。特定的种植方法如图所示7。

4.2。正交试验结果

4因素3水平的9个组合在不同工作条件下数值计算结果如表所示4。范围在表中的计算结果进行了分析5。更大的极端差异表明这个因素对边坡稳定性的影响更大,可用于获取的程度不同的因素对生态边坡稳定性的影响在不同的工作条件和推导出最佳组合形式,报道在表5。

自然的工作条件下,树木锚固深度、最大的极端差异最小的极端差异和灌木加固深度。因此,每个因素的影响程度的稳定生态边坡如下:锚固深度的树>土工格栅间距>的形式分布的树>灌木的加固深度。与此同时,从图可以看出8(一个),边坡安全系数先增加然后减少与增加加固深度;边坡安全杆锚固深度的增加而增加;安全第一的斜率增加,然后稳定与土工格栅间距的减少。边坡安全系数的大小在不同形式的乔木分布遵循以下顺序:上稀疏和低密度>均匀分布>上密集和稀疏低。上述结果表明,浅层边坡的稳定性可以改善和增加加固深度。然而,当增强土壤的影响深度太大,中间连接力量是不够的,这就增加了风险的滑动浅斜坡和诱发浅层边坡不稳定。增加锚固深度和减少土工格栅的间距可以提高钢筋锚定效应的增强材料。然而,当网格的间距降低,加固效果不会改善。考虑到项目的经济效益,光栅的间距应该是0.6米。此外,敏感区域的边坡安全系数是在山脚下,和阿伯采用稀疏的上部和更低的密度分布,可有效发挥锚定的作用。 In summary, under natural working conditions, the optimal combination form is as follows: the reinforcement depth is 0.4 m, the anchorage depth is 3 m, the arbor is sparse on the top and dense at the bottom, and the grid spacing is 0.6 m.

在降雨条件下,每个因素的影响程度的稳定生态边坡如下:锚固深度的树>钢筋深度的灌木>土工格栅间距>的形式分布的树木。极端不同灌木加固深度产生了质的飞跃。因此,灌木强化的水力性能的影响斜率远远大于其力学性能。联合生态保护下,灌木钢筋可以有效地减少降雨对边坡稳定的危害,提高水力特性的斜率。从图可以看出8 (b)边坡安全系数,灌木加固深度、阿伯锚固深度、土工格栅间距是线性相关的,明显不同于自然的工作环境的趋势。更大深度的灌木钢筋对应更大程度的改善的水力特性对降雨灾害斜率和更好的保护。换句话说,当种植灌木在降雨的地区,应该使用植被根系较发达。同时,降雨增加的趋势土壤和电网之间的相对位移。这种强化效应可以有效地改善通过减少网格间距,所以网格间距应该是0.4米。在不同的乔木分布形式下,边坡安全系数遵循以下顺序:上稀疏和低密度>上密集和稀疏低>均匀分布。可以获得最优加固效果上稀疏和低密度种植方法。下部的根系更容易通过边坡的塑性区,充分发挥锚定效应的根系。然而,在降雨的作用下,displacement-sensitive区域的生态边坡发生了变化,和最大位移位于中层和上层部分的斜率。与自然的工作条件不同,因此上密度和下稀疏的种植方法可以提高浅层土壤之间的联系力和稳定层在中间和上部斜率,使浅损伤斜率,并比均匀分布。 In summary, under rainfall conditions, the optimal combination form is as follows: reinforcement depth of 0.6 m, anchorage depth of 3 m, sparse arbor at the top, dense arbor at the bottom, and grid spacing of 0.4 m.

上述分析表明,在自然降雨条件下,不同的程度的影响因素对生态边坡的稳定性是非常不同的,和获得的最佳组合形式也不同。因此,对于组合形式的生态边坡在不同的区域,对应的最佳组合形式应根据当地水文地质条件制定。

4.3。实际工程应用

我们应用的最佳组合形式从正交模型试验获得相应的实际工程验证相结合的优越性。

根据研究的强化模式与土工格栅复合植被,生态保护相结合的方法可以应用于侑士贵州高速公路的边坡工程。因此,土工格栅铺设在路基边坡的灌装部分,和植被组成的复合灌木和树木种植在斜率。网格间距为0.4 m,树木也被种植的密度稀疏的顶部和底部。图9显示了一个生态保护的网站图片报价部分。通过监控完成坡项目中,我们发现,在早期阶段的种植,土工格栅的强化提高了边坡稳定。随着植被生长期的进展,根系通过土工格栅的网格。植被和土工格栅是交织在一起的,共同钢筋和锚定。因此,强化复合植被和生态效益大大提高。在降雨条件下,灌木可以有效地削弱和减少溅蚀在山坡上的雨水。没有明显的土壤侵蚀发生,迅速恢复了和当地生态环境,取得了良好的加固和演示项目的生态效益。

5。结论

生态护坡技术的复合植被与土工格栅、理论分析、数值模拟、优化设计,并进行了实际应用。的机械和液压特性结合生态边坡综合评估。灌木浅根钢筋的影响,阿伯深根锚定,结合土工格栅加固边坡的稳定性是量化的。结合生态边坡的设计进行优化。所有的工作将有助于生态边坡工程的设计和应用。研究表明,(1)基于土壤加固理论和非饱和渗流理论,我们演示了使用复合植被灌木和树木的可行性与土工格栅加固边坡。(2)与土工格栅复合植被的生态保护方法明显优于单筋的方法。生态边坡在降雨条件下的最大位移原始边坡相比下降了82%,和整体稳定性增加了35%。(3)灌木强化有更大影响的水力特性斜率比其力学特性。阿伯根的锚固深度系统在确保边坡稳定中发挥着关键作用。土工格栅间距的加密可以减少降雨对边坡的危害。根据程度的各种因素对生态边坡的稳定性的影响,得到不同工况下的最佳组合形式。最优组合形式应用于实际项目,并取得了良好的加固和生态效益。(4)由于根分布形态的多样性,本研究简化了阿伯根系统,只能反映根系之间的空间关系和土工格栅。因此,未来的研究将研究如何更真正反映根系联合加固的实际效果和网格。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究受到了广大中国国家自然科学基金项目(51978249)。