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《中国地质大学》 2010年
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植物根系固土机理与护坡技术研究

周云艳  
【摘要】: 随着我国经济的飞速发展,开矿、筑路、水利等基础建设产生了大量的人工边坡,包括挖方边坡和路基填方边坡,大量裸露的边坡,不仅可引起水土流失,还能引发滑坡、泥石流等地质灾害,而且同时破坏了原有的地表植被,破坏了生态环境。它对生态环境的影响随着建设规模的增大而增加,已不再是某一地区或一定范围内的局域性问题,而是影响到我国生态环境建设总体目标实现的全局性问题。 植被护坡能有效地克服工程措施护坡的不足,在发挥固土护坡作用的同时,能充分发挥植被的景观效应和环境效应,起到恢复生态、保护环境、美化景观的作用。采用植被措施或采用植被与工程措施相结合的方式来加固边坡,达到既加固了边坡,又恢复了生态和美化了环境的目的。随着人们环境意识的逐渐增强,恢复生态和保护环境成为项目开发和建设中不可回避的问题,项目开发与环境保护必须同时兼顾才能促进经济可持续性发展。因此,边坡防护的目的不仅仅是保护坡面、稳定坡体、减少水土流失,还必须同时兼顾恢复植被、丰富景观。近年来,对边坡采用植被防护进行生态恢复日益引起重视,植被护坡成为了边坡防护的一种新的发展趋势。本文基于土力学、复合材料力学、水土保持学、生态学、数学等原理和方法,采用原位试验与室内试验相结合,试验测定与理论分析相结合的方法,对植物根系的固土机理和护坡技术进行了深入研究。 论文首先详细阐述了植物根系固土的力学机制,主要包括:根系的加筋作用,即将根系视为带预应力的三维加筋材料,含根土体看作加筋土,根系将对土体起到加筋的作用,增加根土复合体的抗剪强度指标C、φ值;根系的锚固作用,即垂直深粗根系穿过坡体浅层的松散风化层,锚固到深处较稳定的岩土层上,对边坡起到预应力锚杆的作用;根系的吸水减压作用,通过根系吸水和植物的蒸腾作用,能够有效降低土体的含水量,减小土体中的孔隙水压力,增加土体的抗剪强度参数C和φ值;根系的抗拉特性使得根系能够分担传递荷载、约束土体的变形,从而提高土体的抗剪强度;根表面凹凸不平、表面存在数量众多的根节及根毛、根表面的分泌物、根系的形态等生物特征,有利于增加根土间的摩擦力和粘结力,有利于增加土体的C、φ值,从而提高根土复合体的抗剪强度。 接着论文从复合材料的角度,提出了一种新的根系固土护坡的作用机理,即把含根土体看成由根和土组成的复合材料,将土体中数量众多、盘根错节、相互交织成网状的侧根和须根,看作乱向分布的天然的纤维材料,而含根土体就犹如纤维增强的脆性复合材料,根系将对土体起到阻裂增强增加延性的作用。根系具有较高的抗拉强度和延性,再加上根系与土体在变形模量方面存在着巨大的差异,当受外力作用共同变形的过程中,根系和土体间存在相互错动的趋势。这种错动被根土界面上的摩擦黏结作用所抵抗,而使根系受拉,当土体进入塑性状态后,土体中剪应力逐渐向根系转移并被扩散,土体的应力、应变相对均匀,从而提高了根土复合体的抗剪强度和延性,增加了边坡的稳定性。根系对土体的阻裂增强作用的具体表现为:在微裂缝扩展阶段,根系主要通过改变微裂纹扩展路径而增加裂缝扩展的能量耗散,来提高复合土体的抗剪能力,此阶段强度提高的幅度相对很小;在塑性裂缝扩展阶段,根系主要通过扩散和转移土体中的剪应力,来提高复合土体的抗剪强度,此阶段强度提高的幅度相对较大。根系阻裂增加土体延性的作用具体表现为:根系扩散和转移了土体中的部分应力,应变相对均匀,从而延缓了根土复合体塑性区的开展及渐进开裂面的出现;加之,根系的抗拉、阻隔作用,阻止了局部的剪切破坏向连贯的剪切破裂发展,从而使是复合土体的峰值强度跌落为残余强度的程度趋缓,土体的延性提高。 根土界面的粘结强度是影响根土复合材料抗剪强度、延性的重要因素,根系对土体阻裂增强增加延性作用的大小主要取决于根土界面粘结的强度。文中分析了根土界面粘结作用的组成成分及影响因素,把根系拔出过程看作根系与其周围土介质间剪切滑移过程,提出根土界面的抗剪强度τ由界面摩擦作用和黏结作用耦合而成,并采用莫尔-库仑准则描述了根土界面的粘结强度,推导出根系极限抗拉拔力的计算公式。 论文以根系固土护坡的复合材料作用原理为基础,提出了根系增强土体的计算模型。因根系具有阻裂增强作用,同素土相比,根土复合体发生剪切破坏需要消耗更多的能量。如果把根系从土体中拔出所消耗的能量称为拔出功,把拉断根系所消耗的能量称为根系断裂功。则根据能量守恒和转化原理在复合土体破坏之前,裂纹扩展必须克服由于根系的加入而产生的拔出功及根系断裂功。论文运用此能量模型分析了根系对土体的增强作用,给出了根系增加土体抗剪强度的增量计算公式。并指出土体中某点的抗剪强度增量主要影响因素为:该点处拔出根的面积比、平均长径比及拔出的长度;该点处拔断根系的面密度、根的平均抗拉强度;根土界面间的黏聚力及摩擦系数。最后采用自制的直剪仪对300mm×300mm×300mm的大尺寸含根土样和素土试样进行室内直剪试验,通过含根土样和素土样的抗剪强度的对比,得到含根土体的抗剪强度增量值,将该增量值与采用根系增强的计算模型计算的结果进行比较,两者非常吻合,对该计算模型进行了验证。 论文采用室内直剪试验及大尺寸试样的原位直剪试验相结合的方法,对根系阻裂增强增加延性的固土理论进行了验证。具体分析如下: 1、论文对不同含根量的紫穗槐根土复合体、苦刺根土复合体及素土在100kpa、200kPa、300kPa、400kPa垂直压力下分别进行了直接剪切试验,得出了紫穗槐根土复合体、苦刺根土复合体及素土的抗剪强度与垂直压力的关系曲线以及剪应力与剪切位移关系曲线。试验结果表明:(1)复合体的抗剪强度与剪切面上的法向压力成正比,根土复合体的抗剪强度也符合库仑定律,即满足:τ=σtgφ+c;(2)当土壤的含水量、干密度一定时,随着含根量、根系体积比的增加,复合体的黏聚力C值明显增加,复合体的内摩擦角φ值仅有一定程度的增加,但效果不明显;(3)根土复合体的断裂韧性要比素土的断裂韧性大,含根土体比素土具有更大的抵抗剪损的能力,含根土体剪损时具有更大的滑移量和位移值,根系的存在增加了土体的延性。 2、论文通过对南望山脚下樟树的4个含根土样和素土样在现场进行原位剪切试验,对比素土样和4个含根土样的强度值、位移值,分析评价植物根系的固土护坡效应。试验结果表明:(1)4个含根土样的峰值强度较素土样增强,抗剪强度的增加幅度分别是:35%、55%、64%、78%,根系还提高了土体的残余强度,其残余强度增加幅度分别为:50%、62.8%、71.6%、77.8%,根系提高土体残余强度的程度更高;(2)4个含根土样在强度峰值点的位移分别是素土样峰值点位移的1.36倍、1.52倍、1.56倍、1.72倍,在土体被剪破前,含根土体能够承受更大的变形,根系增加了土体的延性;(3)4个含根土样应变软化段位移分别是素土样的1.4倍、1.675倍、1.825倍、2.05倍,含根土体的应变软化段曲线较素土体的更加平缓,根系降低了土体峰值点后抗剪强度的减小幅度,使土体在较大应变处仍能保持较高的强度,提高了土体的延性;(4)含根土样和素土样的荷载—位移曲线在开始阶段均近似成线性,几乎重合,随着剪力的不断增大,关系曲线均为圆滑曲线,含根土体的关系曲线逐渐远离素土样的关系曲线,含根土体的抗剪能力逐渐提高,接近剪破时,含根土样的荷载—位移关系曲线相对更加平缓,剪破前含根土样发生了更大的位移,提高了土体的延性。 实验证实,根土复合体的宏观剪切破坏过程中所表现的各种物理特性与根系的阻裂增强增韧增延作用机理分析完全吻合。 要形成生态防护,必须具备两个必要条件:①活植物;②与土木工程或非生命的植物材料相结合。没有活植物,生态护坡就无从谈起,为了确保植被护坡的功能效应、生态效应和景观效应的尽快实现,往往要采取植被护坡与土木工程或非生命的植物材料相结合的方法。论文介绍了几种常见的土质边坡生态防护技术,并以荆宜高速公路第一标段内的一土质边坡的生态防护为例介绍了液压喷播技术的应用。 在进行植被护坡工程设计时除了要考虑对边坡防护的功能要求,还应充分考虑植被护坡实施后的景观效果和改善环境功能。论文基于生态系统生态学、景观生态学及恢复生态学基本原理,提出固坡植物的选择一方面要求有利于满足防护要求的性状,另一方面要求能适应造林的立地条件,即能达到适地适树(草)的要求,并以乡土植物为主,引种外来植物为辅。论文还提出护坡植物群落的配置应遵循:乔灌草相结合,先锋植物、中期植物和目标植物相搭配,配置密度相适应以及满足景观效应的原则。只有根据边坡变形破坏的类型、地质状况、地形地貌、土壤性质及坡度、气候条件等,有针对性地选择适宜的护坡植物及合理的群落配置,才能充分发挥植被的固土护坡、生态恢复及美化环境等功能作用。 为了科学合理评价植被护坡工程的质量,进而为植被护坡工程设计提供借鉴及理论和技术支持,论文从植被护坡的生态效应、功能效应、景观效应3个方面共提出13项评价指标构成了具有递阶层次结构的边坡植被防护系统质量评价体系框架。并采用层次分析法确定了各评价指标的相对权重,采用模糊综合评价法建立了边坡植被防护系统质量评价模型,从而初步建立了植被护坡工程质量综合评价体系。将该综合评价体系应用于荆宜高速公路边坡植被护坡工程质量的综合评价,从其综合评价得分可知,荆宜高速公路边坡植被护坡工程的总体质量为“较好”。将采用植被护坡工程质量综合评价体系得出的评价结果同实地的考察情况进行对比分析,发现评价结果基本能够得到比较合理的解释并与实际情况较吻合。
【学位授予单位】:中国地质大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TV861

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