对比分析植物固坡与灌浆固坡的原理和适用环境

　　传统边坡防护措施以工程防护为主，如全坡面锚杆喷浆、护面墙等，这些措施虽然具有防护功能，但吞噬了绿色，严重破坏了路域生态环境和公路景观。随着时代的发展和科技的进步，植物根系固坡方式逐渐进入人们的视野。一般而言，随着植物生长，植物根系越来越发达，其固坡作用就会越来越明显。但大多数植物根系分布在地表以下1.5m深度范围内，某些深根植物的根系甚至可以达到5m以下深度；而在2m以下深度范围内，无论单根直径，还是根系的总体密度都大幅度减小，故其加固效果就十分有限。

　　因此，植被可以抑制表层水土流失及浅层滑坡，但对于深层滑坡的防治则效果不明显。浅层破坏一般发生在2～3m岩土体范围内，尤以纯土体边坡、具有覆盖土层的边坡为主。3～10m次深层破坏往往规模较大，滑动面处于较深的位置，对其进行灌浆固坡无疑是一个较好的选择，因为其灌浆深度、灌浆孔位置可以人为控制。但传统的灌浆材料为水泥砂浆，是刚性材料，其抗压强度高、抗拉强度低，往往通过抗剪发挥加固作用；而化学类有机高分子灌浆材料能使结石体具有部分植物根系特点，属于半刚性材料，可受拉、压、弯的共同作用，不会发生脆性破坏。

　　本文对植物根系固坡和化学类有机高分子灌浆材料固坡方式进行对比研究和分析，可为类似工程边坡处治提供参考。

　　1、植物根系固坡原理及其适用范围

　　1.1植物根系固坡的力学原理

　　1.1.1根系固坡的力学分析与适用条件

　　植物根系对坡体稳定性的影响程度与根的直径、长度以及根的延伸方向有关。植物的根必须穿过边坡的可能滑移面（最理想的情况是能伸进基岩的裂隙中，或者扎入较稳定土层），这样根系才能起到锚固土体的作用。禾本科、豆科植物和小灌木在地下0.75～1.5m深处有明显的土壤加强作用，树木根系的锚固作用可影响到地下更深的岩土层。试验表明，同一树种根的直径越细，则抗拉强度越高，其相关公式为

　　Tr=nTm（1）式中：

　　Tr为树根的抗拉强度，MPa；D为树根的直径，mm；n、m为给定树种参数，树种不同，n、m的参数也不同，n的范围为29.1～87，m的范围为-0.76～-0.45。

　　对于直径2～50mm的各种类型树根，其抗拉强度约为8～80MPa。

　　随着树木的生长，树木根系单根的强度会越来越大，较粗的树木根系有一定的抗剪强度。乔木根系的抗剪强度的对数与根系直径之间有较好的线性相关关系。

　　1.1.2土体中根系受力破坏特点

　　根的抗拉强度随植物种类的不同而有区别，但一般都较土壤的抗拉、抗剪力大许多倍，特别是林木根系，所以大多数植物的根系在土体破坏时，比如滑坡发生时，基本都被拉出，说明根系与岩土体间的摩擦（或锚固）起着控制作用。

　　1.1.3植物侧根的作用

　　周跃对植物侧根的作用做了很多研究。他对云南松进行了观测研究，并得出“在地表以下40cm的土层中侧根密集，一般占总根系生物量的60%以上，这些侧根顺坡延伸，相互盘绕，与土壤一起形成基本与坡面平行的根际土层”的结论。周跃把乔木侧根对土体的作用称为斜向牵引效应。根据根－土间存在的摩擦型粘合键的破坏实质，得出植物侧根的斜向牵引效应可增强表面土层抗张强度的结论，并预测了根所能提供的最大抗张力。单根在受力拉断时的拉断力为：

　　Fb=ArT（2）。

　　式中：Tr为根的拉断力；Ar为根的横截面面积；T为根的抗张强度。

　　在给定面积的土壤中，拉断所有的根的拉力为：

　　? ∑Fb=∑(niFbi)=π/4(niDi2Ti)(3)

　　故在给定面积的土壤中，所有侧根所能提供给土层的抗张强度的增量为：

　　△τ=∑Fb/Ab

　　式中：△τ为侧根抗张强度增量； Ab为给定土壤的垂直截面面积。

　　1.2根系固坡的有效深度和范围

　　一般认为，根系的锚固作用有效深度在2m左右，即对坡体的浅表层作用明显。而解明曙通过对黄土地区生长的灌木－拧条（Caraganakorshinskii）根系做原位水平挤出法剪切测定结果，提出以单位剪切面积（A）中直径大于0.4cm的各根系横截面积之和（AR）所占比重（AR/A）大于0.1％为判定林木根系固坡力学强度有效范围的定量指标值。通过室外拉拔测试得出，乔木树种白榆固坡有效深度（HRf）与地径（D0）的关系式　　为：

　　Hrf=0.294+0.068D0（5）

　　(r=0.906)。

　　式中：HRf为固坡有效深度；D0为地径；r为相关关系的回归相关系数。

　　2、化学类有机高分子灌浆材料固坡原理及其适用范围

　　2.1化学类有机高分子灌浆材料固坡原理

　　近年来，灌浆处治技术得到较大的发展，已是一项成熟的技术。目前灌浆材料已从单一纯水泥浆，发展到各种掺合料水泥浆和各类化学浆材。化学浆材具有较高的抗冲击、抗压、抗弯、抗拉强度等。

　　灌浆固坡作为一种特殊的施工方法，其工期短、见效快、适用面广、设备简单、占地面积小、对环境影响小、易于控制，适用于绝大部分土体边坡的整治。其加固深度可以人为控制，可用于深层边坡加固。其对土体无过多的条件限制，可用于植物不能生长的土体边坡的加固处理。

　　2.2化学类有机高分子灌浆材料固坡有效深度分析

　　由于植物根系固坡主要适用于浅层边坡的防治性处理，一般治理深度不超过2m，且土体需适宜植物生长；而化学类有机高分子灌浆材料固坡中灌浆深度可以人为控制，且土体不需适宜植物生长，所以对于深层边坡加固治理，灌浆方式无疑是一个较好的选择。

　　灌浆体在坡体中的分布分别为上部、中部及下部，其计算模型如图1所示，参数如表1所示。

　　【图1】【表1】

　　由灌浆体固坡作用分析可知，灌浆体与锚杆不同，灌浆体截面直径可达1m左右，质量较重，容易增加滑体的重量，起助滑作用，因此，灌浆体半刚性固坡最佳位置为坡体中下部，且与坡面所成夹角小于60°效果较好。为此，在下面的模拟中，仅在治理范围中下部布设直径约1m的灌浆体组，以达到最佳治理效果。

　　治理深度分别为3、5、7、10m的坡体，在无灌浆体和有灌浆体时的折减破坏变形和塑性区如图2～9所示。

　　【图2】【图3】【图4】【图5】【图6】【图7】【图8】【图9】

　　材料，固坡时能承受拉、压、弯的共同作用，由于不会发生如水泥浆材等的脆性破坏，半刚性固坡效果会好于柔性固坡和刚性固坡。

　　2）单根植物根系柔性固坡和单根灌浆半刚性固坡在固坡最佳位置上也有区别，与锚杆固坡类似，植物根系不增加滑体重量，固坡最佳位置为坡体中上部；而化学类有机高分子灌浆材料半刚性固坡最佳位置为坡体中下部。

　　3）大多数植物根系分布在地表以下1.5m深度范围内，少数深根植物的根系可以达到5m以下的深度，但在2m以下深度范围内，无论单根的直径，还是根系的总体密度都大幅度减小，其加固效果也十分有限；化学类有机高分子灌浆材料固坡有效深度范围则为2～7m。

　　植物根系柔性固坡群根对边坡的作用是每根根系综合作用的结果，根系潜在位移变形图的面积之和越大，固坡效果越显着；化学类有机高分子灌浆材料半刚性固坡灌浆体不是越多越好，关键是发挥它的刚度，能具有牢固的固定段，否则灌浆体多余的自重还会成为潜在的隐患。（本文暂不提供插图）