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《南京林业大学》 2013年
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基于植被根系分布形态的生态边坡稳定性研究

嵇晓雷  
【摘要】:植被根系固坡技术作为一门工程技术,已经在边坡防护工程中得到广泛应用,但是目前对其理论研究却滞后于工程实践中的应用。本论文在现有研究资料的基础上,综合应用分形理论、岩土工程边坡理论和植物生态理论,在系统研究摩擦型根土粘合键的破坏机理、植被根的形态模型、根土相互作用机理、力学模型等基础上,考虑复杂群根与土的共同作用,为定量计算植物根系对边坡稳定性提供理论依据和方法,同时通过不同根系形态与土相互作用的机理研究,为模拟植被根系固坡作用的新型人造结构物或加固方法提供理论依据。论文采用野外实地调研与室内试验相结合,试验研究与数值模拟相结合的研究方法,研究了狗牙根和夹竹桃根系的形态分布规律,根据根系形态特征,研发了计算不同植物根系分形维数的分形软件Fractal1.0。分析了两种植物倾斜、水平、垂直、相交、混合五种加根方式对土体强度的影响规律及两种植物根系对土体应力、应变的影响,揭示了根土相互物理作用的机理。并依据数值模拟中根系模型与实测根系形态的分形维数的关系,研究了植物根系分形维数与边坡土体位移场的关系,提出了基于分形维数的根系分布形态模型与土共同作用的植物方法边坡稳定性定量计算理论。 主要创新成果如下: (1)描述了两种典型护坡植物狗牙根和夹竹桃根系的构型;从根长、根表面积、根体积、根干量、根长密度几个与根系固土护坡关系最为密切的形态学指标方面,确定了根系形态分布特征,并从根系构型和根系形态学方面分析了两种植物根系的固土能力。根据根系形态特征,研发了计算植物根系分形维数软件Fractal1.0,利用该软件能计算不同植物根系分形维数。 (2)通过试验研究了狗牙根与夹竹桃两种植物根系的抗拉强度,得出植物根系的抗拉强度随植物根系直径的增大而减小的规律,并给出了根系直径与抗拉强度的相关拟合公式。 (3)运用GDS三轴试验系统,首次研究了根系在土体中倾斜、水平、垂直、相交、混合五种不同布置方式对根土复合体强度的影响规律。获得了素土与加根土的应力—应变关系和抗剪强度参数值。试验结果表明根系不同布置方式对土体强度增强作用由大到小排序为混合放置>相交放置>竖直放置>水平放置>倾斜放置。 (4)创新性地利用数值分析方法研究不同植物根系形态特征对边坡土体应力场与位移场的影响。依据数值模拟中根系模型与实测根系形态的分形维数的关系,研究植物根系分形维数与边坡土体位移场的关系,结果表明不同类别的植物对边坡土体的应力场和位移场影响是不同的,但都能有效减小边坡表层位移量,提高边坡稳定性。随着植入边坡土体的狗牙根根系须根长度、须根数量以及植株分布密度的增大,边坡表层位移量逐渐减小。随着植入边坡土体的夹竹桃根系侧根数量和植株分布密度的增大,表层位移量逐渐减小,其中主侧根夹角在45~60度的根系对于稳定土体效果最有效。 (5)根据分形维数与边坡位移量拟合公式可知,分布密度为10株/米狗牙根植入边坡使边坡表层土体与未植入根系相比水平位移量减小41.2%,竖向位移量减小20.4%,总位移量减小20.9%。而分布密度为5株/米夹竹桃植入边坡使边坡表层与未植入根系相比水平位移量减小25.7%,竖向位移量减小7.7%,总位移量减小7.6%。 (6)根据数值计算结果分析可知,两种植物根系对于边坡土体的稳定性仅限于边坡浅层土体,因此两种护坡植物根系固土的作用主要是增加浅层土体的粘聚力,限制浅层土体的侧向位移,在土体表层形成加筋网络作用,提高边坡土体表层的稳定性。 (7)运用有限元法能够模拟土体与根系的共同作用,可形象直观地体现植物根系对于边坡表层应力场和位移场的影响,在实际护坡工程的实践中,可以运用有限元方法定量的分析植物护坡土体的应力应变情况,对于选择适宜的护坡植物和植被分布密度有一定的指导意义。 (8)研究确定了根系分形维数与边坡表层位移量的关系,随着分形维数的增大,根系生长活性增大,根系分枝数量和分枝长度逐渐增大,植入边坡土体后,边坡表层位移量能够有效减小,因此植物根系分形维数大小能够反映根系对边坡土体稳定性影响。
【学位授予单位】:南京林业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:S727.2;S714.7

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