（岩土工程专业论文）植被护坡客土层主要参数的试验研究.pdf

西南交通大学硕士研究生毕业论文第1 页 摘要 对于工程建设中开挖的岩石边坡，一般都不具备植物生长的条件，通常的 做法是就近取土，加入其他物质配制成客土，通过喷射、回填等方式置于边坡 上，以满足植物生长需要。由于对客土的主要参数研究还不够系统、具体，导 致一些植被护坡工程的失败。植被护坡的成败的关键问题有两个，一个是坡面 植物的生长问题，其基本问题主要是研究客土层的水分参数；植被护坡成败的 另一个关键问题是植被防护下坡体的稳定性问题，其基本问题主要是研究客土 层的参数c 、咖值的变化。本论文依托国家自然科学基金项目植被护坡体系 的水运移及其控制研究，对植被护坡客土层的主要物理、力学参数进行了较 系统的试验研究。 通过大量的栽培试验，在客土配制初期、植物茂盛时及根系腐烂后这三个 阶段系统的研究了有机质、保水剂、土质对客土的水分常数、渗透系数、吸水 速度和保水性的影响。试验结果表明：有机质、保水剂含量的增加，客土在不 同阶段的水分常数、渗透系数、吸水速度和保水性均能得到增长；土质对客土 在不同阶段的水分常数、吸水速度的影响较小，但对渗透系数的影响较大，实 际工程应用时应进行单独的渗透试验。 建立了根一土相互作用的力学模型，在限定根在土体中方位的情况下推导 出了由于根的加筋作用所增加的土体抗剪强度公式。并在实验室进行了大量常 规直剪试验。对试验结果进行了分析，并和理论计算相比较，发现理论计算和 试验结果能较好的吻合。结果表明：根系对土体抗剪强度有明显的增强作用， 并且根的条数、根在土体中的初始位置、含水量对土体抗剪强度均存在影响。 选择了沾昆铁路部分具有代表性的岩质边坡为试验工点，客土配比采用试 验中的部分配比。通过现场试验和观测，发现采用该配比进行施工的客土的水 分参数能很好的满足坡面植物的生长要求，且植被防护后坡面没有垮塌的迹象。 关键词：植被护坡；客土；主要参数；根一土作用模型；抗剪强度 西南交通大学硕士研究生毕业论文第1 l 页 a b s t r a c t p l a n t sc a l ln o tg r o wo nr o c ks l o p e sw h i c ha p p e a r e da f t e rs o m ec i v i le n g i n e e r i n g p r o j e c t sh a db e e nd o n e t or e c l a m a t ev e g e t a t i o n ，g e n e r a l l y ，w ec a nm a n u f a c t u r e c a r r y i n gs o i l s ，i n c l u d i n gs o i l sa n do t h e rm a t e r i a l s t h ec a r r y i n gs o i l sc 锄b ep l a c e d o nt h es l o p eb ys p r a y i n ga n db a c k f i l l i n g , t h e n ，p l a n t sc a nl i v eo nt h ed a r r y i n gs o i l s s t u d y o n c a r r y i n g s o i l si sn o t s y s t e m a t i c a n dc o n c r e t en o w ， s os o m e b i o s l o p e e n g i n e e r i n g sf a i l e d t h e r ea r et w op r i m a r yc o n t e n t sa b o u ts l o p ev e g e t a t i o n o n ei st h ep l a n tl i v i n go ns l o p e ，w h i c hi sa b o u tt h em o i s t u r ep a r a m e t e r so fc a r r y i n g s o i l s ：t h eo t h e ri ss t a b i l i t yo fs l o p e s ，w h i c hi sa b o u tt h ep a r a m e t e r sca n d 西t h i s p a p e rb a s e do nt h ep r o g r a m ，n a m e d “t h el a wo fw a t e rm o v e m e n ta n dt h ec o n t r o lo n i to fb i o - - s l o p e - - e n g i n e e r i n g ，w h i c hs u p p o r t e db yn a t i o n a ln a t u r a l s c i e n c e f o u n d a t i o n ，a n da n a l y s e dt h ep r i m a r yp a r a m e t e r so fp h y s i c sa n dm e c h a n i c sb y e x p e r i m e n t a f t e rl o t so fc u l t i v a t i o ne x p e r i m e n th a db e e nd o n ei nf o l l o w i n gt h r e es t a g e s ：t h e t i m eo fc a r r y i n gs o i l sh a db e e n m a n u f a c t u r e d ，p l a n t sa r ef l o u r i s ha n dr o o t sh a v e d e c a y e d t h r e ef a c t o r s ，i n c l u d i n gt h ed i f f e r e n c eo fs o i l s ，s u p e ra b s o r b e n tp o l y m e r s a n do r g a n i cm a t t e r ，h a db e e nc o n s i d e r e dt ok n o wt h ee f f e c to fw a t e rc h a r a c t e r s i n c l u d i n gm o i s t u r ec o n s t a n t ，c o e f f i c i e n to fp e r m e a b i l i t y ，a b s o r p t i o nv e l o c i t ya n d w a t e rc o n s e r v a t i o n 1 1 h et e s tr e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h em o i s t u r ec o n s t a n t ，c o e f f i c i e n to f p e r m e a b i l i t y ，a b s o r p t i o nv e l o c i t ya n dw a t e rc o n s e r v a t i o nw i l l i n c r e a s ew i t ht h e i n c r e a c ei nt h ec o n t e n t so fs u p e ra b s o r b e n tp o l y m e r sa n do r g a n i cm a t t e r i ft h es o i li s d i f f e r e n t ，t h em o i s t u r ec o n s t a n ta n da b s o r p t i o nv e l o c i t y a r ea f f e c tl i t t l e ，b u tt h e c o e f f i c i e n to fp e r m e a b i l i t ya r ed i f f e r e n t ，s ow em u s td oe x p e r i m e n t sa b o u tt h e c o e f f i c i e n to fp e r m e a b i l i t yi nas p e c i a lp r o j e c t am e c h a n i c a lm o d e la b o u ts o i l r o o t ss y s t e mi sb u i l ta n dt h ef o r m u l a so fa d d i n g 西南交通大学硕士研究生毕业论文第1 ii 页 s h e a rs t r e n g t hb yt h er o o t so nt h eb a s eo fc o n s t r a i n i n gt h eo r i e n to fr o o t si sd e d u c e d an u m b e ro fd i r e c ts h e a rt e s t sh a v eb e e nd o n et ov e r i f yt h ev a l i d i t yo ft h e o r y r e s u l t s t h e nw ed i s c o v e rt h a tt h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n dt h er e s u l to fe x p e r i e n t s a r ec o i n c i d e n c ew e l l i ti ss h o w nt h a tt h er o o t sc a ni m p r o v et h es h e a rs t r e n g t ho fs o i l ； t h en u m e ro fr o o t s ，t h eo r i e n to fr o o t sa n dt h em o i s t u r ec o n t e n to fs o i lw i l la f f e c tt h e s h e a rs t r e n g t ho fs o i l - r o o t ss y s t e mc o m p l e x s o m er o c ks l o p e si nz a n k u nr a i l w a ya r es e l e c t e da n dl o t so ff i e l de x p e r i m e n t s h a db e e nd o n ea n dt h ep r o p o r t i o no fc a r r y i n gs o l i si st h es a l l l ea st h ec a r r y i n gs o l i si n t h ep r o p o r t i o nt e s t a f t e ral o to ft e s t sh a v eb e e nd o n e ，w ed i s c o v e r e dt h a tt h e c a r r y i n gs o l i s ，w h i c ha r es p r a y i n go nt h es l o p e ，c a l lm e e tt h er e q u i r e m e n to fp l a n t a n dn os l o p eh a v e b e e nc o l l a p s e da f t e rt h eb i o s l o p e - e n g i n e e r i n gh a v eb e e nd o n e k e y w o r d s ：b i o s l o p e e n g i n e e r i n g ；c a r r y i n gs o i l ；p r i m a r yp a r a m e t e r s ；s o i l - r o o t s m o d e l ； s h e a rs t r e n g t h 西南交通大学硕士研究生毕业论文第1 页 第1 章绪论 1 1 问题的提出 随着社会经济的发展，铁路、公路、市政工程、水利枢纽、机场等基础设 施建设迅猛发展，这些工程的建设不可避免的出现了许多开挖回填的裸露边坡， 破坏了原有的自然植被，产生边坡冲刷、浅表层滑动或景观破坏等问题。植被 护坡是利用植被涵水固土的原理稳定岩土边坡同时美化生态环境的一种新技术 i l j ，其主要作用在于植物根系的土壤增强作用，它是植被稳定土壤的最有效的 机械途径。当植被结构与工程结构联合使用时，两者能够相互加强，相互补充， 其最突出的特点是具有生物生态学属性，维持较高抗侵蚀能力，持续发挥抗蚀 护坡的工程潜能。除了护坡功能之外，它还具有美化与改善环境的功能，越来越 为人们所倡导和应用。随着全国绿色通道建设进程的加快，极大的促进了植被 护坡技术的发展，液压喷播植草、铺草皮、空心砖植草、片石骨架植草、钢筋 混凝土框格植草、三维网植草、土工网植草、土工格室植草、客土喷播植草、 厚层基材喷播植草、植被混凝土等各种植被护坡方法己广泛应用于各种边坡防 护及绿化中。 工程中开挖形成的岩质路堑边坡或填筑的石质路堤边坡通常不具备植物生 长的条件( 包括水分，营养成分等) ，通常的做法是就近取土，加入其他物质 ( 包括有机质、纤维、肥料、保水剂、黏合剂和团粒剂等) 配制成客土，通过 喷射、回填等方式置于边坡上，以满足植物生长需要。虽然植被护坡技术在工 程的应用已经很多，但其理论研究落后于工程的实际应用，在一些工程中往往 根据以往的经验进行设计和施工，客土的配比缺乏科学性，而对客土的水分特 性和在边坡上的稳定性的研究不够，由此最终导致植被护坡的失败，见图1 1 、 1 2 、1 3 。因此，对客土层的主要参数的研究就是一个非常迫切的问题。客 土的主要参数，包括水分参数和强度参数，是影响边坡植被防护成效的一个重 要因素。本论文首先建立了问题的研究体系，认识了其物理力学机理，并通过 大量的室内试验、理论推导和工程实践，使客土的主要参数的理论研究上升到 一个新台阶。 随着国家对环境保护的日益重视和全国绿色通道建设进程的加快，今后的 边坡防护必将不再是单一的工程措施，其发展趋势必将是植被护坡与工程措施 西南交通大学硕士研究生毕业论文第2 页 的有机结合。本论文的研究成果将用于解决现在植被护坡中面临的难题，可促 进植被护坡基础理论的研究，对于促进我国绿色通道建设和环境保护有重要的 现实意义和理论意义。 物由 架内 坡面喷射的客十被雨水冲刷后 坡面喷射的窖十几乎已币存祚 图1 3 喷射的客土垮塌 西南交通大学硕士研究生毕业论文第3 页 1 2 研究现状 对于植被护坡技术的研究，国内外均是结合本国情况开发出不同的植被护 坡方法。例如，1 9 6 0 年，日本从美国引进了喷播机，并把先进的液压喷播技术 广泛应用于高速公路路堤边坡的绿化中。日本和欧美等发达国家，经过几十年 研究探索，已经形成各自植被护坡技术的基础理论和技术方法，而且工艺流程、 机械设备、基材等，各具特色，成为- - f - j 综合性工程应用技术。而我国在植被 护坡技术应用方面的研究起步较晚，上世纪九十年代以前一般都采用撒草种、 穴播或沟播、铺草皮、片石骨架内植草等护坡方法。1 9 8 9 年，广东省水利水电 科学研究所从香港引进喷播机，开始在华南地区进行液压喷播试验1 2 j 。1 9 9 0 1 9 9 1 年，中国黄土高原治山技术培训中心与日本合作，在黄土高原首次进行了 坡面喷涂绿化技术试验研究【3 】。以后又有了大量的工程实践和研究，经过近年 来的大力发展，在借鉴日本及欧美植被护坡的基础上，已开发出适用于国内不 同地区的液压喷播植草、客土喷播植草、厚层基材喷播植草、植被混凝土等植 被护坡新方法，并在工程中得到了广泛应用，同时，植被护坡基础理论研究也 取得了很大的进步。 对于植物生长的客土层的水分参数研究，国内外系统的研究均较少。日本 的山寺喜成( 1 9 9 4 ) 研究了喷射基材在6 年内的保水性【4 1 ，但仅局限于基材的 一种配比，不具有系统性。张俊云( 2 0 0 1 ) 研究了喷射基材水分参数1 5 j ，周立 荣( 2 0 0 5 ) 研究了红层软岩的保水性、吸水性、渗透性1 6 j 。但国内外在这方面 的系统研究是比较缺乏的，缺少一般性结论。 对于植被防护条件下边坡土体的稳定性研究，国内外土木工程学科的研究 者主要研究了植物根系与边坡土体间的相互作用，从现场原位测试、实验室测 试、理论分析等方面研究了植物根系对边坡的加固作用，在原位测试方面，e n d o 和t s u r u t a ( 1 9 6 9 ) 对含有植物根系的土体用矩形取土器在现场直接测定其抗剪 强度，研究了垂直根系对土体抗剪强度的增强作用1 7 j ；z i e m e r ( 1 9 8 1 ) 和w u ( 1 9 8 8 ) 认为大多数的根延伸方向平行于地表面，并测定了水平根系对土体抗 剪强度的增强作用【8 胡l ；周跃( 1 9 9 9 ) 对云南松侧根的抗拉强度做了现场直测【l o 】。 o l o u g h l i n ( 1 9 7 4 ) 、a b e 和1 w a m o t o ( 1 9 8 8 ) 、n i l a w e e r a ( 1 9 9 4 ) 、张金池( 1 9 9 4 ) 、 代全厚( 1 9 9 8 ) 等都通过现场测试手段研究了植物根系对土体的加强作用d 1 1 5 j 。 在实验室测试方面，m a n b e i a n ( 1 9 7 3 ) 1 6 l 对含有植物根系的土体采用大直径 西南交通大学硕士研究生毕业论文第4 页 取土器取样，然后在实验室进行直剪试验，分别研究了大麦、紫花苜蓿、向日 葵的根系对土体抗剪强度的增强作用；k a s s i f 和k o p e l o v i z ( 1 9 6 8 ) 、g a r y ( 1 9 8 3 ) 分别把化学纤维置入压实土或砂土中进行直剪试验，用化学纤维来模拟植物根 系的作用，他们都认为植物根系是通过提高土体的内聚力来提高其抗剪强度的， 而土体的内摩擦角变化不明显f 1 7 1 8 】；w a l d r o n ( 1 9 8 1 ) f 1 9 】、g a r y ( 1 9 8 3 ) 0 s 、 b a k e r ( 1 9 8 6 ) 2 0 1 、s h c w b r i d g e ( 1 9 8 7 ) 2 1 l 、a b e ( 1 9 9 1 ) 2 2 1 、李绍才( 2 0 0 5 ) 1 2 3 1 通过实验室直剪试验研究了植物根系对土体抗剪强度的作用，结论基本是相似 的，都认为随着土体中根的含量( 根的条数和根的重量) 的提高，土体的抗剪 强度将会提高。 在理论研究方面，w a l d r o n 、w u 、b a r k e r 、解明曙、赵廷宁、周跃和张俊云 通过建立不同的根一土相互作用的力学模型研究了植物根系对边坡的稳定性增 强作用。w a l d r o n ( 1 9 7 7 ，1 9 8 1 ) 认为根的抗拉强度应根据土体剪切区的厚度及 根的弹性伸长量来确赳1 9 , 2 4 l ；w u ( 1 9 7 9 ) 和b a r k e r ( 1 9 8 6 ) 认为根的抗拉强度 应由根的拉拔试验确定，二者的不同之处在于推导出的单根提高土体的抗剪强 度与单根的抗拉强度的关系式有所不同，w u 推导出单根提高的土体抗剪强度 为单根抗拉强度的1 2 倍，b a r k e r 认为是1 1 5 倍【2 0 , 2 5 l ；赵廷宁( 1 9 9 3 ) 建立的 数学模型为包含立地条件影响的丛( 根系固土效果) 评价模型1 2 6 j ；w h ( 1 9 8 8 ) 提出的根一土相互作用模型假定：当根的位移量较小时，可采用受横向荷载的 桩来求解根一土的相互作用，当根的位移量较大时，采用柔性索来求解根一土 的相互作用1 2 7 1 ；解明曙( 1 9 9 0 ) 提出用全根系的拉拔试验的综合段法，从建立 根一土静摩擦阻力的极限平衡方程入手，推导全根系固土力学机制的计算式1 2 8 1 ； 周跃( 1 9 9 9 ) 通过云南松侧根的研究，建立了乔木根系对土体的斜向牵引数学 模型和乔木的斜向支撑效能模型2 9 删；g r a y ( 1 9 9 2 ，1 9 9 5 ) 和s o t i r ( 1 9 9 8 ) 通 过数值方法研究了根一土问的相互作用【3 1 瑚j ；张俊云( 2 0 0 1 ) 【4 】通过分析土体 中根系的分布规律，对草本植物护坡，按加筋土原理分析边坡土体的应力状态， 对木本植物护坡的情况，则分为水平根和垂直根两种情况，将垂直根简化为以 主根为轴向、侧根为分支的全长黏接型锚杆来分析其对周边土体的力学作用， 而通过分析水平根系和边坡的相对位置以判断根系对边坡的作用1 5 j 。 而水土保持学科的研究更侧重于植物对坡面侵蚀及水土流失的控制，如李 勇( 1 9 9 3 ，1 9 9 5 ) 研究了黄土高原植物根系与土壤抗冲性的关系，认为在提高 土壤抗蚀性中能起重要作用的是根径小于l m m 的须根根烈3 4 , 3 5 】；张会池( 1 9 9 4 ) 西南交通大学硕士研究生毕业论文第5 页 通过对含林木根系的土抗冲、抗蚀和渗透性的测定发现根径小于2 m m 的细根具 有较强的固土功能1 1 4 】；刘国彬( 1 9 9 6 ) 通过对沙打旺、紫花苜蓿、胡枝子、无 芒雀麦等1 2 种黄土高原常见牧草的0 1 1 o m m 毛根的抗拉强度的测定得出牧草 毛根具有强大的抗拉能力的结论i 刈；吴彦( 1 9 9 7 ) 认为林木根系根径小于l m m 的须根可以提高土壤水稳性团聚体的数量，从而提高土壤抗侵蚀性的能力【了飞 望月达( 1 9 9 7 ) 也得出了植物主要靠根的毛层的作用来抵抗水流冲蚀的结论【3 8 1 ； 代全厚( 1 9 9 8 ) 通过试验研究了植物根系的固土作用1 1 5 j ；s i m p s o n ( 1 9 8 9 ) 、 r o g e r s ( 1 9 9 1 ) 、i o i g h n ( 1 9 9 6 ) 、c a s t i l l o ( 1 9 9 7 ) 、s o t i r ( 1 9 9 8 ) 、b a r r e t t ( 1 9 9 8 ) 和周跃 ( 1 9 9 9 ，2 0 0 0 ) 研究了植被对边坡侵蚀及水土流失的控制作用【3 9 。7 l 。 对于由各种原因引起的土层中根的随时间的减少从而对土层稳定性的影 响，国外已经有不少的研究，如b i s h o p ( 1 9 6 4 ) ，k i t a m u r a ( 1 9 6 6 ，1 9 6 8 ) ，s w a n s t o n ( 1 9 6 7 ，1 9 6 9 ，1 9 7 0 ) ，z i e m e r ( 1 9 7 7 ) 研究了由于树木砍伐而导致根随时间的减少而 对边坡稳定性影响【钙羽l ，大多数学者认为在植物根系减少后，以前稳定的边坡 有向不稳定发展的趋势。但由于草本植物死亡根系减少对坡体的稳定性影响的 研究尚未发现。 1 3 论文研究目的及研究内容 通过以上分析，可以得出以下结论： ( 1 ) 国内外对客土的水分参数的研究较少，并且不具有系统性，往往局限 于某一种土质或某一单一的工程应用中的研究，因此，对客土水分参数的研究 是必要的。 ( 2 ) 对于植物与边坡土体间的作用机理的研究已有很多，国外学者大都侧 重于树根与边坡土体间的力学特性研究，提出了一系列的计算模型，值得我们 借鉴为草根与土体间的力学特性研究：国内已有学者研究了草根与边坡土体间 的力学作用，但并未限制根在土体中的方向。因此，有必要研究根系与土体间 的相互作用，以探明植物根系对土体抗剪强度的贡献。 论文的研究内容包括： ( 1 ) 坡面植物生长的客土层的水分特性研究 很多植被护坡的长期防护效果很不理想，植物衰退、死亡迅速。原因之一 是边坡植物生长土层的水分指标没有达到植物生长的要求。工程中为植物生长 在边坡上配制的客土没有严格的科学依据，使土层的水分参数( 包括吸水速度、 西南交通大学硕士研究生毕业论文第6 页 保水天数、渗透系数、萎蔫系数、最大持水量、田问持水量和有效持水量) 部 分或全部不满足植被护坡的需要。同时，植物茂盛时和植物死亡后对客土层水 分参数可能存在影响。因此，应进行以下研究：系统的土壤配比试验，研究 土质( 取两种土，一种为沾昆铁路边坡施工时路堑开挖出来的石块，经粉碎后 形成的保水性极差的碎石土层；另一种土取于成都周边工地，为砂质土，保水 性差，透水性强) 、有机质含量和保水剂含量对植物生长的客土层的水分参数的 影响，提出植被生长土层的最佳水分参数；研究植物生长茂盛时水分参数的 变化规律；研究植物死亡、且根已腐烂后的水分参数的变化规律。 ( 2 ) 坡面植物生长的客土层的c 、咖值研究 植物生长条件满足时，植物生长茂盛，土中根系发达，对土体的加强作用 最强j 在客土层的水分常数不满足植物生长后，植物就会死亡，相应的土层中 植物根系也会死亡、腐烂，土中单位体积的含根量会减少，可能引起客土层的 c 、咖值随时间发生变化。因此，本论文将进行系统的直剪试验，在土层配制 完成后、植物生长茂盛时、植物死亡且根系腐烂后这三个阶段对客土层进行直 剪试验，提出土层配制完成后、植物生长茂盛时、根系腐烂后客土层c 、咖值 的变化规律。 ( 3 ) 根一土作用机理研究 植被护坡的主要机理是根对土的加强作用，其加强的程度取决于根的多 少，单根强度以及根一土间的相互作用。本论文主要研究：根含量变化时的 土体直剪试验，选取直径相近的根，在控制含水量和密实度时将根土混合，制 成根土复合体，进行直剪试验，得出根含量变化时土体的c 、妒值变化规律。 建立根一土相互作用的力学模型，在限定根在土体中方位的情况下推导出由 于根的加筋作用所增加的土体抗剪强度公式。并通过室内直剪试验进行验证， 得出根一土相互作用机理。 ( 4 ) 通过现场试验，对以上研究成果进行检验。 西南交通大学硕士研究生毕业论文第7 页 第2 章客土的水分常数 2 1 土壤水分类型及土壤水分常数 由于客土的水分常数是本章研究的中心内容，因此先介绍客土的水分类型 及土壤水分常数。由于客土中的主要材料也是土壤，因此其水分类型及水分常 数和土壤的水分类型及土壤水分常数是相似的，此处参考土壤的水分类型及土 壤水分常数加以介绍。 土壤水分以固态、液态和气态三种形式存在。当水分进入土壤后，会受到 土壤中各种力的作用，如土粒表面的分子引力、毛管孔隙的毛管引力、重力等。 由于土壤水所受力的大小、性质的不同及其被植物利用的状况的差异，一般把 土壤水分分为以下四种类型【5 5 j ： ( 1 ) 吸湿水 干燥的土壤可以借助土粒表面的分子引力吸附空气中的气态水，这种水称 为吸湿水。土壤吸湿水的数量取决于土质、有机质含量及空气的相对湿度。当 空气中的水汽达到饱和时，土壤吸湿水达到最大值，此时的土壤含水量称为最 大吸湿量。由于吸湿水受到土粒表面的吸引力很强，约为1 o x1 0 6 - 3 1x1 0 6 p a ， 吸湿水密度大，为1 2 。2 4 9 c m 3 ，具有固态水性质，对溶质无溶解能力，因此是 不能被植物利用的无效水。 ( 2 ) 膜状水 土粒吸附空气中的水汽达到饱和后，当土粒与液态水结合时，由于土粒表 面还有剩余的分子引力以及土粒表面阳离子的水化作用，还可在吸湿水的外面 吸附一层极薄的水膜，这种吸附在吸湿水层外面的液态水膜称膜状水。膜状水 数量达到最大值时的土壤含水量称最大分子含水量。膜状水所受的吸力比吸湿 水小，约6 2 5 1 0 5 3 1x1 0 6 p a 。一般认为，植物根系的吸水力平均为1 5x1 0 6 p a ， 当土壤水分吸力大于1 5x1 0 6 p a 时，植物就会因吸不到水分而永久萎蔫，即使 以后增加水分也不能恢复生长，此时的土壤含水量称为凋萎含水量或凋萎持水 量，其值约为最大吸湿量的1 5 2 倍。 ( 3 ) 毛管水 毛管水是指存在于土壤毛管孔隙中由毛管力所保持的水分。毛管孔隙中所 保持的水量是吸湿水、膜状水和毛管水的总和，是土粒的分子引力、静电引力 西南交通大学硕士研究生毕业论文第8 页 和毛管力作用的综合表现。土壤对毛管水的吸力小，约0 8 x1 0 5 - 6 2 5x 1 矿p a ， 它可以在土壤中自由移动，可供植物吸收利用，同时有溶解养分和输送养分的 能力，所以毛管水是土壤中对植物最有效的水分。根据毛管水与地下水的关系， 可以将毛管水分为两种：毛管上升水，是指地下水随毛管上升而被毛管力保 持在土壤中的水分，毛管上升水的最大含量称毛管持水量：毛管悬着水，指 由于毛管引力的作用而保持在土壤上层毛细管中的水分，它与地下水没有直接 关系，不受地下水位变化的影响，好像悬在土壤中一样，固称毛管悬着水，其 最大值为田间持水量，此时土壤对水分的吸力为0 1 1 0 5 0 5x 1 旷p a 。 ( 4 ) 重力水 土壤含水量达到田间持水量之后，超过的水分不能被毛管力所保持，会因 为受重力作用而沿土壤中的大孔隙向下移动，这些水分称为重力水。土壤暂时 为重力水充满时的含水量称为饱和持水量或最大持水量。 土壤从干燥状态吸水开始，随着水分含量的增加，其形态经吸湿水、膜状 水、毛管水和重力水一直到饱和持水量，土壤对水的吸力由1 0 x1 矿p a 一直降 到接近零。水分常数是指在一定的土壤水吸力水平下保持的含水量或是指一种 水分形态向另一种水分形态过渡时的含水量。对某一具体土壤来说，土壤所能 保持的各种水分形态类型的最大数值变化很小或基本恒定，所以称为水分常数， 如最大吸湿量、凋萎持水量、田间持水量、最大持水量等。土壤水分常数反映 了土壤持水能力和含水量额大小，对研究土壤水分状况及其对植物的有效性有 重要意义。 土壤中各种形态的水分，对植物来说并非都能被植物吸收利用。其中，可 以被植物吸收利用的水分称为有效水，不能被植物吸收利用的水分称为无效水。 土壤水分对植物是否有效，主要取决于土壤对水分的保持力及植物根系的吸水 力。当土壤的保持力小于植物的吸水力时，土壤水分就能被植物利用，反之就 不能从土壤中吸水。土壤水在不同保持力情况下的有效性如图2 1 。由图可知， 当土壤含水量下降到凋萎持水量时，土壤对水的保持力与根系的吸水力相等， 植物不能从土壤中吸水，因此把凋萎持水量作为土壤水分对植物有效性的下限。 田间持水量是旱地土壤所能保持的毛管悬着水的最大含量，超过田间持水量后， 虽然水分对植物的有效性仍然很高，但由于通气不良而产生溃害，因而把田问 持水量作为土壤中植物有效水的上限。因此，土壤有效水的范围是从田问持水 量到凋萎持水量之间的含水鼍。两者之差就是土壤能保存的最大有效持水角= ， 西南交通大学硕士研究生毕业论文第9 页 即有效持水量。 水吸力( 万帕) h 赭 国 盏 土壤水形态 有效性 1 0 0 0 0 3 1 1 56 2 50 4 - 0 80 1 0 50 却一、 如萄 汁 。水母却 汁燃 冷 喀宜 渴 夺 叫 h拳夺 隘* 玲 过 * 冲脚 * 头 冲 冲 冲 v 一吸湿水 膜状水毛笔f 水重力水 无效水 有效水多余水 图2 1 土壤水的形态、能量和有效性示意图 关于土壤水分常数的表示方法，土壤学中常用百分比( g g ) 表示。对于客 土，由于采用不同的配比，其干重度差别大，随着有机质含量的提高，重度明 显减小。因此，采用质量百分比会导致结论的错误。也有学者采用质量容积百 分比( g c m 3 ) ，为水的质量与土体体积之比。对于客土，由于边坡上的客土的 厚度是一定的，在有限的体积中以期获得最多的水分是植被护坡的一个关键， 因此，水分的体积与土体的体积之比更能反映客土的水分常数，此处采用体积 百分比( c r n m ) ) 。 2 2 试验设计 2 2 1 客土配比设计 为了更准确的模拟边坡环境中的客土，特进行了室外栽培试验。配比试验 中的土壤采用砂质土和碎石土。砂质土为建筑工地中基坑开挖产生的弃土，在 筛除掉石子及杂质后，经过测试，土的最大粒径为2 m m ，粒径为小于0 2 5 m m 的土粒占6 0 ，粒径为0 2 5 - 0 5 m m 的土粒占2 0 ，其余粒径的土占2 0 ， c = 1 2 0 ，c c = 1 3 ，其级配良好，干重度为1 1 9 k n m 3 ；碎石土是由沾昆铁路路 堑边坡施工时开挖的风化泥、页岩经机械粉碎而成，其干重度为1 4 6 k n r n 3 ， 经过测试，其最大粒径为4 m m ，粒径为2 m m - 4 m m 的土粒占5 0 ，粒径为 0 5 m m 2 m m 的土粒占2 0 ，粒径为0 2 5 - - 0 5 r a m 的土粒占5 ，其余粒径的 土粒占2 5 ，g = 2 0 ，c = 2 4 ，其级配不良，粗大颗粒较多。有机质采用营养 西南交通大学硕士研究生毕业论文第1 0 页 土和菌渣两种，以营养土为主；营养土是植物的枯枝、落叶沉积于地表，经过 一段时间并腐烂后，将其挖取并采用机械粉碎而成，其主要成分是腐烂植物， 含有少部分土。营养土的结构松散，一般为散粒结构、孔隙多、压缩量大、重 度小，为2 9 k n m 3 ，一般和土混合使用，可改善客土的结构，以利于植物的生 长，并提供给植物生长所需的永久养分，因其又有较强的吸水性，故还可贮存 植物生长所需的水分，重度为3 9 k n m 3 ，其在自然状态下吸水量为其自重的两 倍。菌渣和营养土相似，是种植蘑菇后剩下的养分较少的废料，主要成分是植 物腐烂后形成的，在自然状态下吸水量为其自重的一倍。保水剂采用吸水倍数 为4 0 0 倍的颗粒状聚丙烯酸盐吸水树脂；肥料采用有效养分为4 5 的复合肥； 草种采用脱壳狗牙根、高羊茅，灌木采用紫穗槐和新银合欢，根据施工现场情 况和以往的经验，高羊茅种子用量为4 9 盆，狗牙根种子用量为l ：5 9 盆，新银 合欢种子用量为5 0 9 盆，紫穗槐种子用量为4 0 9 盆。其中，有机质含量的变化 范围为0 5 0 ，保水剂含量的变化范围为o 2 0 ，土壤含量的变化范围为 1 0 0 。5 0 。其中，有机质和土的比例均为其堆积体积与客土体积之比，用百分 比表示，保水剂的比例为保水剂的重量与客土体积之比，用千分比表示。 试验主要研究土质、有机质、保水剂对客土的水分常数的影响，包括客土 的饱和持水量、田间持水量、萎蔫持水量及有效持水量。根据以上研究目标， 共做了以下配比试验。 表2 一l ( a ) 配比试验分组表 试验编号 有机霎 蓑手含保 裂亨量种 直妻尹量 种植土种类 100 1 0 0砂质士 20 01 0 0 砂质士 35 09 5砂质七 450 9 5 砂质士 5 1 009 0砂质士 61 00 9 0 砂质七 71 508 5砂质士 81 508 5砂质土 92 008 0砂质士 1 02 0 08 0砂质十 1 13 00 7 0 砂质士 1 23 007 0砂质七 1 34 00 6 0 砂质十 1 4 4 006 0砂质十 1 5 5 005 0砂质七 西南交通大学硕士研究生毕业论文第1 1 页 试验编号有臻瑟扪 保水剂含量 ( ) 种孳圭拿量 种植土种类 ( ) 表2 - 1 ( c ) 配比试验分组表 西南交通大学硕士研究生毕业论文第12 页 试验编号 剞顺篇扪含量 保水剂含量( ) 种等量 种植七种类 西南交通大学硕士研究生毕业论文第1 3 页 表2 l ( e 1 配比试验分组表 西南交通大学硕士研究生毕业论文第1 4 页 2 2 2 客土的配制及养护 由于现场施工需采用混凝土搅拌机、混凝土喷射机、空压机等大型机具， 配比试验很难具备以上条件。并且配比试验是为了找出客土主要参数的影响因 素，人工制作客土已能满足要求。因此，此处采用人工拌和来模拟现场施工。 客土配制的流程： ( 1 ) 将挖取的土壤中的直径大于l c m 的粗大颗粒土、坚硬石子及其它杂 物剔除。 ( 2 将土壤、有机质、保水剂及肥料等按设计比例拌和均匀，分别填置于 平面尺寸为0 4 4 m x o 3 3 m 的容器中，填置厚度l o c m ，并适度压实。 ( 3 ) 把草种和灌木种按设计用量均匀撒播于客土层表面，露天放置并浇水 养护。图2 2 为客土配置完成后的照片，图2 3 为植物生长茂盛时的照片。 缓懑溺黼溺黼溺缵酸 黧鍪“臌嘲綦赡毯 熊鬯 缓搦黝阚鬣缓缫群 以砂质土为主要材料的客土配制完成后 图2 - - 2 嘲旷”么辫霸嗍哆牌麓缀默嘲k 。”移繁j ：鬻驻豳￥ 嘲谶凌蕊鳝薹荔纽。荔震巍鍪 以碎石土为主要材料的客土配制完成后 客土配置完成后 謦 麓蠹豫糍 羹 戮。劳彰； 氯：鑫 塌 磷铹嘲五。匿 嘲 以碎石十为主要材料的客十中的植物生长情况 图2 3 植物生长图片 ，j 。藏 西南交通大学硕士研究生毕业论文第1 5 页 2 2 3 客土的水分常数的测试方法 客土饱和持水量、毛管持水量、田间持水量根据l 婀1 2 1 5 1 9 9 9 森林土 壤水分一物理性质的测定进行；萎蔫持水量根据l y t1 2 1 7 1 9 9 9 森林土壤 稳定凋萎含水量的测定进行；取样时间为客土配制完成一周后，取样环刀规 格为中5 0 4 6 m m 5 0 m m ，每种配比取3 组，取其平均值分析。 2 3 以砂质土为主的客土的水分常数 2 3 1 客土配制完成后的水分常数 表2 2 ( a ) 以砂质土为主的客土配制完成后水分常数试验结果 西南交通大学硕士研究生毕业论文第16 页 表2 - - 2 ( b ) 以砂质f ：为土的客卜配制完成后水分常数试验结果 表2 - - 2 ( c ) 以砂质土为主的客十配制完成后水分常数试验结果 西南交通大学硕士研究生毕业论文第17 页 表2 - - 2 ( d ) 以砂质 ：为主的客l ：配制完成历水分常数试验结果 表2 2 ( a ) 一表2 2 ( c ) 分别为有机质( 菌渣或营养土) 、保水剂对以砂 质土为主要材料的客土的水分常数的影响数据。 5 0 鬟4 0 羹3 0 婆2 0 1 0 3 8 3 6 美3 4 赢3 2 篓3 0 * 2 8 2 6 0 0 0 5i 01 52 0 0 00 51 01 52 0 保水剂含量 保水剂含量 图2 4 客土的水分常数与保水剂含量的关系 由于以上试验在每种配比下均有两个相同配比，所以此处取二者的平均值 进行分析。表2 2 ( d ) 是有机质和保水剂两种物质同时加入时对客土水分常 数的影响，这与工程实践是一致的，在实际的客土施工时总是将各种材料一起 西南交通大学硕士研究生毕业论文第18 页 加入的，因此这是本论文的重点内容。根据试验结果，找出了各影响因素对水 分常数的影响，见图2 4 图2 7 。 根据图2 4 可以看出，随着保水剂含量的增加，客土的有效持水量也会增 加，当保水剂含量由0 增至2 0 时，有效持水量由2 6 0 2 增至3 3 5 7 ，有利 于客土保持更多的水分。根据图2 5 可以看出，随着有机质( 包括菌渣和营养 土) 含量的增加，客土的饱和持水量、田问持水量和萎蔫持水量均增加，但田 间持水量的增幅大于萎蔫持水量的增幅，因此其有效持水量依然有较大的增长 趋势。当营养土含量由0 增至5 0 时，客土的饱和持水量由5 2 3 9 增至6 4 9 1 ， 田间持水量由3 1 9 2 增至5 3 3 1 ，而萎蔫持水量由5 9 增至9 8 5 ，可以明 显的看出田间持水量的增幅大于萎蔫持水量的增幅，因此有效持水量是增大的， 对维持边坡植物的生长是有利的。 7 0 6 0 装5 0 蟊4 0 羹3 0 簧2 0 1 0 o 7 0 6 0 鬟5 0 嘉4 0 篓3 0 长2 0 l o ol o2 03 0 4 0 5 0 有机质( 菌渣) 含量 3 6 3 4 x 3 2 蠢3 0 耗2 8 羹2 6 2 4 2 2 4 5 x 4 0 曩3 5 粪3 0 2 5 o1 02 03 04 05 0 有机质( 菌渣) 含量 01 02 03 0 4 05 0 01 0 2 03 0 4 0 有机质( 营养土) 含量 有机质( 营养土) 含1 1 图2 5 客土的水分常数与有机质含量的关系 当有机质和保水剂同时使用时，两种材料并不会产生相互制约，二者均能 增加客土的有效持水量，见图2 6 、2 7 。但二者对水分常数的影响方式不同， 保水剂含量变化对饱和持水量和田问持水量影响不明显，但保水剂的含量增加 会导致萎蔫持水量的减小，最终导致有效持水量的增加，如当有机质含量为1 0 时，当保水剂含量由0 变为2 0 时，饱和持水量由6 0 7 7 增加到6 1 7 9 ， 西南交通大学硕士研究生毕业论文第1 9 页 田| 日j 持水量由4 4 3 7 增至4 5 3 9 ，萎蔫持水量由7 7 下降至4 0 1 ，导致有效 持水量由3 6 6 7 增至4 1 3 8 ：有机质含量的增加使饱和持水量和f 日间持水得 到很大的提高，而萎蔫持水量的增幅却远小于前者的增幅，如保水剂含量为2 0 ，有机质由0 增至5 0 时，田间持水量由4 2 9 5 增至5 2 5 7 ，萎蔫持水