（道路与铁道工程专业论文）高速公路边坡生态防护与植物固坡的力学分析.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 环境污染和生态破坏是人类面l 临的重大社会问题之一，项目开发与环境保 护兼顾成为经济可持续发展的重大课题。对工程建设来说，如何合理利用资源， 保护环境，是建设者必须正视和认真对待的问题。 近几年来，资源开发和基础设施建设正以前所未有的速度发展。但公路的 大规模建设给生态环境带来了许多不良的影响。在公路建设中，经常有大量的 深挖高填，破坏了原有植被，造成大量的裸露土坡和岩石边坡，导致严重的水 土流失和生态环境失衡。生态( 植被) 护坡是利用植被涵水固土的原理稳定岩 石边坡同时美化生态环境的一种新技术，是涉及岩土工程、恢复生态学、植物 学等多学科于一体的综合工程技术。在越来越重视生态环境和和谐社会的今天， 生态防护技术已成为一种防护的趋势，并代表着边坡防护的发展方向。开展植 物根系对边坡力学效应的研究可以用于分析边坡的浅层稳定性，为边坡绿化植 物品种和绿化方式的选择提供理论依据。 本文在研究国内外大量有关生态防护和根系固坡力学分析文献资料的基础 上，以湖北省随( 随州) 岳( 岳阳) 高速公路( 中段) 景观设计实际工程 为背景，针对目前国内植被护坡力学效应研究的现状，作了一系列探讨和研究。 首先，在分析了生态护坡作用机理的基础上，从复合材料学角度将根系和 土壤看作按照一定规律组成的复合材料，并用微观力学研究分析根土复合体的 弹性常数和基本强度，探求根系和土壤两种材料的特性对复合材料特性的影响。 其次，通过现场和室内试验，研究根系分布密度和分布方式对根土复合体 抗剪强度的影响。结果表明，根土复合体仍然符合库伦定律：根土复合体粘聚 力的增量与单位土体中根系的含量成正比关系，在此基础上建立了根系锚固作 用公式；根系不同的分布方式对根土复合体的抗剪强度有不同影响。根系的抗 拉特性符合一定的规律，对进一步研究根系的拉拔特性奠定基础。 最后，通过有限元分析表明，草根的作用，能够降低浅层土体中的应力水 平，即草根能改变浅层土体的应力应变状态；草根增加了浅层土体的粘聚力， 对边坡的稳定是有利的。 关键词：高速公路：生态防护；根土复合体；抗剪强度；有限元分析 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t e n v i r o n m e n tp o l l u t i o na n de c o l o g i c a ld a m a g ei so n eo ft h es o c i a ls c n o n s p r o b l e m st oh u m a nb e i n g s b o t hp r o g r a md e v e l o p i n ga n de n v i r o n m e n tp r o t e c t i n g b e c o m ea ns i g n i f i c a n ti s s u eo fc o n s i s t e n te c o n o m i cd e v e l o p m e n t f o rt h ep r o j e c t c o n s t r u c t i o n , i ti sas e r i o u sp r o b l e mf o rt h ec o n s t r u c t o rt ou s er e s o u r c er a t i o n a l l ya n d p r o t e c tt h ee n v i r m e n t i nt h er e c e n ty e a r s ，t h e e x p l o i t a t i o no fr e s o l _ l r c e sa n dt h ec o n s t r u c t i o no f f r a s t r u c t u r ee x p a n da tt h es p e e dw h i c hd i dn o th a p p e nb e f o r e b u to nt h eo t h e rs i d e ， l a r g es c a l eo f r o a d sc o n s t r u c t i o nb r i n g sb a di n f l u e n c et ot h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n t t h e r ei sal o to fd i g g i n ga n df i l l i n gw h i c hd a m a g et h ei n t r i n s i cv e g e t a t i o n , a n dl e a d t ol o t so f b a r eg r o u n da n dr o c ks l o p e sa n dl o s to f w a t e ra n ds o i l p r o t e c t i n gs l o p e sb y e c o l o g i c a lv e g e t a t i o ni sn e wt e c h n o l o g yw h i c hu s e st h ep r i n c i p l et h a te c o l o g i c a l v e g e t a t i o nf i x sr o c ks l o p e sa n dm a k e st h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n tb e a u t i f u l i ti sa s y n t h e t i c a lt e c h n o l o g yw h i c hi n v o l v e sr o c ke n g i n e e r i n g ，r e n e w i n ge c o l o g y , b o t a n y a n ds oo n a tt h et i m e sw h i c hp e o p l ep a ym o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt ot h eh a r m o n yo f e c o l o g i c a le n v i r o n m e n t ，e c o l o g i c a lp r o t e c t i n gt e c h n o l o g yb e c o m e st h e t r e n do f d e f e n d i n ga n dr e p r e s e n t st h et r e n do fs l o p ep r o t e c t i n g i n v e s t i g a t i n go n t h er e s e a r c h o ft h em e c h a n i c a le f f e c t so fr o o t sc a nb eu s e dt oa n a l y z et h es h a l l o ws t a b i l i t yo f s l o p e sa n dp r o v i d ea st h e o r e t i c a lb a s e sf o rc h o i c e so f v i r e s c e n c em o d e nt h i sp a p e r , r e s e a r c ho nd o m e s t i ca n df o r e i g nd o c u m e n t a t i o na b o u tl a r g e - r o o t s e c o l o g i c a lp r o t e c t i o na n dm e c h a n i c a la n a l y s i ss l o p e ，c o n s i d e rt h e h u b e is u i ( s u i z h o u ) - y u e ( y u e y a n g ) e x p r e s s w a y ( m i d d l e ) f o rt h el a n d s c a p ed e s i g na st h e p r a c t i c a le n g i n e e r i n gb a c k g r o u n d , a n di nv i e wo ft h ec t t r r e n td o m e s t i cv e g e t a t i o n r e v e t m e n t m e c h a n i c a le f f e c to f t h eg a p s ，m a k eas e r i e so f d i s c u s s i o n sa n dr e s e a r c h f i r s t , b a s e do nt h ea n a l y s i so f t h ee c o l o g i c a lr o l eo f s l o p ep r o t e c t i o n , c o m p o s i t e m a t e r i a l ss c i e n c ef r o mt h ep e r s p e c t i v eo fr o o t sa n ds o i lw i l lb ec o n s i d e r e di n a c c o r d a n c ew i t l lt h el a w so f c e r t a i nc o m p o s i t em a t e r i a l s a n du s e sm i c r o m e c h a n i c a l a n a l y s i so ft h er o o ts o i lc o m p o u n db a s i cs t r e n g t ha n df l e x i b i l i t yi nc h a n g s h u , t h e n i i 武汉理工大学硕士学位论文 e x p l o r e st h ei m p a c to ft w om a t e r i a l ( r o o t sa n ds o i l ) p r o p e r t i e st ot h ec o m p o s i t e m a t e r i a l s e c o n d l y , t h r o u g ho n - s i t ea n dl a b o r a t o r yt e s t i n g , s t u d i e st h ei m p a c to fr o o t d i s t r i b u t i o nd e n s i t ya n dd i s t r i b u t i o nm e t h o d st or o o tc o m p l e xs h e a rs t r e n g t h t h e r e s u l t ss h o wt h a ts o i l r o o tc o m p l e xs t i l l c o m p l yw i t hc o u l o m b sl a w ；r o o t - s o i l c o m p l e xc o h e s i o na n dt h ei n c r e m e ni nt h eu n i ts o i lc o n t e n td i r e c t l yp r o p o r t i o n a l r e l a t i o n s h i p ，a n dt h er o o ts y s t e ma n c h o r i n gr o l ef o r m u l ai se s t a b l i s h e db a s e do nt h i s ； d i f f e r e n td i s t r i b u t i o nm e t h o d si nr o o th a sd i f f e r e n ti m p a c to nt h es h e a rs t r e n g t ho f c o m p o s i t em a t e r i a l t t h et e n s i l ep r o p e r t i e so f t h er o o ta c c o r d s 、析t hac e r t a i nl a w , a n d t h ef u r t h e rs t u d yo f r o o tc a nb em a d eb a s e do nt h a t f i n a l l y , t h er e s u l to ft h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss h o w st h a tt h er o l eo ft h e g r a s s - r o o t sc a nr e d u c et h es t r e s sl e v e lo fs h a l l o ws o i l ，t h a ti s ，g r a s s r o o t sc a nc h a n g e t h es t r e s s - s t r a i ns t a t eo f t h es h a l l o ws o i l ；a n dt h eg r a s s - r o o t si n c r e a s et h ec o h e s i o no f t h es h a l l o ws o i lw h i c hi sb e n e f i c i a lt ot h ee d g es l o p es t a b i l i t y k e yw o r d s ：e x p r e s s w a y ；e c o - p r o t e c t i o n ；r o o t sa n ds o i lc o m p o s i t e ； s h e a r i n gi n t e n s i t y ；f m i t ee l e m e n ta n a l y s i s i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工怍及取得的研 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 陶的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 歃均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期：鲤! 兰： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或 、内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名导师 ：竺丑虹 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 目前，环境问题已成为全球性的一大危机，人类的社会活动和经济活动越 来越重视对环境的保护和开发。人类赖以生存和发展的环境受到了挑战，资源 日益枯竭，生态遭到破坏，各种污染事故频繁发生。环境问题已经从地域性走 向全球性，成为当今人类面临的全球性问题之一，引起了世界各国的普遍关注。 环境问题的实质是发展问题，要实现人类同环境的协调发展，就要走可持续发 展的道路。保护全球环境，实现可持续发展，创造美好家园，是世界人民的心 愿，也是世界各国面i 临的紧迫任务。公路建设对社会和经济的发展有着非常重 要的作用，但它同时又是对环境产生严重影响的行业之一。因此，如何在公路 建设的同时，保护我们的生态环境，进而实现交通环境的可持续发展，是一个 十分重要和值得关注的问题。 图1 1 难以恢复的边坡植被 基础设施建设与保护环境并重是我国的一项基本国策，国务院在2 0 0 0 年就 下发国务院关于迸一步推进全国绿色通道建设的通知，要求公路、铁路、水 l 武汉理工大学硕士学位论文 利设施建设统筹规划要与绿化同步设计、同步施工、同步验收，纳入工程概算。 新建的公路、铁路更是绿化的重点，而边坡的绿化也是道路绿化的难点，因此 采用生态防护技术将有助于贯彻国家的环保政策，绿色通道工程建设是贯彻落 实国家关于建设秀美山川的重大举措。 中国共产党第十七次代表大会明确指出，“加强能源资源节约和生态环境保 护，增强可持续发展能力。坚持节约资源和保护环境的基本国策，关系人民群 众切身利益和中华民族生存发展。必须把建设资源节约型、环境友好型社会放 在工业化、现代化发展战略的突出位置，落实到每个单位、每个家庭。要完善 有利于节约能源资源和保护生态环境的法律和政策，加快形成可持续发展体制 机制。落实节能减排工作责任制。” 高速公路是以破坏生态环境为代价的一项现代化建设工程。一方面，为了 保持经济的持续稳定发展和社会的快速进步，我国对基础设施的投入，特别是 高速公路的投入会继续增加；另一方面，高速公路的建设势必导致大量的深填 高挖边坡、隧道等，这造成对生态环境的巨大破坏，对水土保持、生态保护和 环境污染等产生及其不利的影响，造成巨大的损失。据有关资料计算，每建设 1 公里高速公路，占用的土地最高可达5 7 公顷。另据统计，自1 9 7 2 年联合 国斯德哥尔摩环保会议以来，由于公路工程修建等因素导致水土流失和耕地占 用，农民们失去了5 0 0 0 多亿吨的表层土；同时由于植被破坏导致温室效应的 c 0 2 增加了l o ，世界在以每年8 0 亿吨的巨量排放c 0 2 和硫化物，臭氧层日 益遭到破坏1 1 i 。由于植被和表土损失，自然植被恢复困难。据调查，即使在气 候温和的亚热带地区，在公路路域下，经自然恢复演替到草、灌从植物至少需 2 0 年。公路修建形成的大量的挖填方，引起岩土体移动、变形和破坏，增加了 地质脆弱段边坡的不稳定性。据典型调查分析，公路在营运期间因边坡坍塌、 下陷不仅带来了交通中断、维护困难，也严重影响了公路的运行效率。 生态防护技术就是在这样的环境下应运而生的，它能弥补传统护坡技术的 不足，同时可以满足对环境的保护要求。边坡生态防护工程是一门非常年轻的 学科，它真正形成一门科学还是近十几年的事情，而且直至近日甚至连一个很 贴切的术语都还没有形成，国外称b i o t e c h n i q u e ，s o i lb i o e n g i n e e r i n g ，v e g e t a t i o n 或者r e v e g e t a t i o n 等，国内也有称植被护坡、植物护坡、坡面生态工程之称等。 国际上首次专门以植被护坡为主题的国际会议于1 9 9 4 年9 月在牛津举行。国外 一般把植被护坡定义为；“用活的植物，单独用植物或者植物与土木工程和非生 2 武汉理工大学硕士学位论文 命的植物材料相结合，以减轻坡面的不稳定性和侵蚀”。“1 生态护坡通过植物与土壤的相互作用来实现，对于生态边坡来讲，根系和 土壤之间的附着力，对边坡起加固作用，土层抗剪强度的增加是植物护坡的主 要影响方式，在植被覆盖的坡面上，植物根系互相缠绕形成具有一定抗张拉强 度的根系网，将根际土壤固结为一个整体；同时根系把浅层土壤锚固到深处较 稳定的土层中去，更增加了土体的稳定性。植被的这一作用在近地面土层非常 重要，表现为根系密度越大而土壤越疏松，密集的根系可以加固疏松的土壤， 保护深层的土壤。”1 本文以湖北省随( 随州) 岳( 岳阳)高速公路( 中段) 景观设计实 际工程为背景，针对目前国内植被护坡力学效应研究的现状，选取自三叶的草 根为试验对象，着重进行高速公路边坡的生态防护的力学分析，对影响土壤 根系复合体的抗剪强度的影响因素( 如根系密度，根系分布方式，根系自身抗 拉特性等) 进行定量分析，建立植物根系和土层相互作用的理论计算模型，并 建立根的“锚固作用”有限元模型，为边坡绿化植物品种和绿化方式的选择提供 理论依据。 1 2 和本课题有关的国内外研究现状 生态防护技术的应用历史久远，早在1 5 9 1 年的明代，植被护坡就主要用于 河堤的护岩及荒山的治理，但是直到上个世纪初才被人们重新发现和认识。边 坡生态防护技术作为一项工程技术，人们从护坡理论及技术应用两方面做了大 量的研究。 1 2 1 国内研究现状 国内在植被护坡技术应用方面的研究起步较晚，2 0 世纪9 0 年代以前一般 多采用撒草种、穴播或沟播、铺草皮、片石骨架植草、空心六棱砖植草等护坡 方法。对于植物对边坡的加固作用，进行的主要工作有现场试验、实验室试验 以及理论分析，认为，植物根系提高土体内聚力从而增加了土体的抗剪强度， 而土体的内摩擦角变化不明显；理论分析方面，在根系土壤相互作用数学 模型研究上进行了大量的工作，但是没有形成统一的力学模型。 3 武汉理工大学硕士学位论文 图l 一2 正在施工的客土喷播( 随岳高速中段绿化2 标) 李旭光等通过考察日本公路边坡生态防护技术，研究了先进的泥浆喷播 方法并提出了其施工工艺：金钟”1 研究了高速公路边坡喷混技术，并介绍了喷 混技术的施工工艺；王思成”1 等研究了我国高速公路边坡生物防护技术的现状， 分析了存在的不足，提出要合理有效地应用边坡生态防护技术；龙忠富“1 等根 据对一试验段的气候、地质等分析，研究并分析了几种草本植物混播对公路边 坡的防护效果；陈兵”等通过对云南元磨高速公路某试验边坡的草本植物配比 及施工工艺进行了研究； 胡利文、陈汉宁”从植被对边坡的力学效应、水文效应及生物生态效应等 方面对生态护坡技术原理进行加固与水土保持的分析，提出了基于无限坡模型 的边坡生态防护计算模型，并对三维网生态防护、施工工艺进行了分析； 刘国彬等“”人对黄土地区的草本根系的抗拉强度以及弹性模量进行了研 究；北方交通大学的周锡九等人对植物根系的浅层加固作用进行了研究； 杨亚川等1 人对草本根系土壤复合体的抗剪强度及抗水蚀进行了研 究，分析了草本植物根系保持水土效能的机理，提出将根茎连接处形成的微型 “拦土栅”及“虑水土体”抵抗径流推移破坏的极限能力，作为土壤草本植被 根系复合体的抗水蚀强度，研究了它与根量的相关性，通过试验证明了其符合 库仑定律，以及复合体抗剪强度随含根量增大而增大，随含水量增大而减小， c 值与含根量正相关，小值与含根量关系不大。 4 武汉理工大学硕士学位论文 范兴科、蒋定生等认为，土壤的抗剪强度与土壤的颗粒组成、土壤容重、 土壤含水率等因素密切相关。植物根系的存在能明显地改善土壤的物理性质， 因而在一定条件下，可以把土壤抗剪强度的增加归结为植物根系存在的结果。 郝彤琦、谢小妍等人运用工程力学基本理论和土力学试验方法，剖析植物 根系在增强松软饱和滩涂土壤抗剪强度中的作用机理，由花米草土壤根系复合 体原型结构试样直剪试验得知：复合体抗剪强度f 与法向正应力盯的关系符合库 仑定律，且f 随含根量m ，的增加而提高。同时提出土壤中草根的作用与钢筋混 凝土结构中的钢筋类似，参照钢筋混凝土结构抗剪承载力公式，总结出复合体 单位面积上的受剪承载力与含根量之间的关系公式为：f = f 0 + 0 ，1 4 m f ，公, 式表明根系与土壤之间的摩擦力和凝聚力会提高土壤的抗剪强度。 封金财“等通过加筋( l = 4 9 e r a ，d = i ，7 5 m m ) 的茅草根的无粘聚力的砂质土 的室内实验得到的应力应变关系曲线和根土复合体的破坏包线，如图1 3 和图l - 4 所示，土中根的存在引起的土的抗剪强度增量可得到证实。 3 垂： 誊 弦l 图1 4 植物加筋后土的破坏包线 5 lo罨总i) r毽耕鼍暑q宦埒 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 2 国外研究现状 生态防护边坡的实践在欧美国家历史久远，在中世纪，法国、瑞士的运河 岸就采用栽植柳树的方法来防护。美国等发达国家从三、四十年代就意识到了 保护生态平衡的重要性，开始在公路边坡开展植被恢复工作。例如m o o r i s hr h 和h a r r i s o nc m 早在1 9 4 3 年和1 9 4 4 年就进行了公路两侧草皮种植的试验，通 过不同播种时间、不同草种及草种组合的小区试验来探讨建立草皮的方法。五 十年代后，随着公路的大量兴建，公路建设对环境的影响越来越受到社会的关 注，为此美国制订法律要求新建公路必须进行绿化。机械化施工的喷播技术应 运而生，1 9 5 3 年f i n n 公司首先开发出了喷播机。从六十年代开始，美、德、法 等发达国家开始大规模修建高速公路。喷播技术等绿化新技术在稳定边坡、防 止土壤侵蚀和恢复植被等方面得到了广泛应用。日本提出了功能栽植的概念， 对于公路绿化起到了重要作用。 关于边坡绿化的目标以及实现的方式和手段，日本也做了大量的研究。前 掘幸彦( 1 9 8 4 ) 认为边坡绿化是将“先驱植物”首先人为移植，使这些“先驱植 物”迅速覆盖坡面，防止沙土流失。但是“先驱植物”会逐渐地被环境所淘汰， 因此，坡面的永久性保护还需要靠周边不断侵入的乡土类植物。山村和也( 1 9 9 4 ) 指出：“应使边坡坡面与周边的自然环境协调，使其与自然融为一体”。山寺喜 成( 1 9 9 6 ) 提出：有益于防灾的绿化应帮助自然把它具有的再生力( 复原力、恢复 力、治愈力) 最大限度发挥出来，是尽可能地用接近自然的方法制造生物群落。 坡面植被的恢复应用以播种工程为基本，以栽植工程为从属。2 0 世纪9 0 年代 普遍认为坡面树林化更有利于边坡的稳定，因此在这方面做了许多研究。 在过去3 0 年期间，w a l d r o n ( 1 9 7 7 ) 和w uc ta 1 ( 1 9 8 4 ) 等人先后建立了土 壤根相互作用的力学平衡模型，通过模型，得到一个重要公式，即土体抗 剪强度的增加量和根面积比( r o o t a r e a r a t i o s = a r a ) 成正比。实验室实验己证明了 这一点。 e n d oa n dt s u r u t a ( 1 9 6 9 ) 在野外进行大体积带有桤木树根的土体直剪实验， z i e m e r ( 1 9 8 1 ) 在野外原地进行大体积带有松木树根的土体直剪实验。他们的实验 证明：单位体积土体中每增加一公斤树根，土体抗剪强度平均增加3 5 k p a 。这 个数字有助于大致估计树根对土体抗剪强度的贡献量。通过实验确定了单位土 体中单位重量的某种树根对土体强度的贡献，就可以根据某种树根的强度和土 6 武汉理工大学硕士学位论文 体中树根的量，算出土体强度增加量。“”e n d oa n d t s u r u t a 等提出了包含血的 带根的摩尔一一库伦方程；s = 0 + a c ) + p u ) t g # 在此基础上w ue t a l 提出 了实用性很强的c 的确定公式：a c = 1 2 f rf r = y t 6 a ，其中r ，为土壤剪 切区单位面积根的平均拉应力，j 为土的剪切强度，c 为有效的土壤粘聚力，仃 为标准应力，“为土的空隙水压力，矽为土的有效内摩擦角。 此外，国际上发达国家已有专门的设计机构和专业研究人员进行了较深入 全面的研究，并制定了较完备的设计、施工规范。 1 3 本课题的提出 针对目前生态防护植物固坡技术在公路建设工程中得到广泛应用，而理论 研究却滞后的现状，对植物根系固土的力学机理进行研究。建立植物根系和土 体相互作用的理论计算模型和有限元模型，模拟植物根系与土体的相互作用， 分析根系密度、分布形态以及根系的抗拉强度对根与土的抗剪强度的影响。建 立土与根系的微观力学等效模型，视土壤为基体，根系为增强相，并假设根系 与土壤紧密连接，采用复合体中各种组分材料的力学参数以及各组分的体积分 数，来定量地描述复合体的各个相应的力学参数。同时，采用直剪试验等方法， 将根系和土壤视为一个整体根土复合体，根系的固坡作用通过复合体的力 学指标随着根径、密度、分布形态和含水量的变化来展示，研究根土复合体的 抗剪强度特性，确定根土复合体的抗剪强度与法向正应力的关系，分析根系在 固坡中的力学作用，为公路边坡的生态防护设计提供指导。 1 4 本课题的研究内容 ( 1 ) 在分析总结国内外关于生态防护理论的基础土，研究其中具代表性的 理论研究成果，包括植物防护的水文效应、机械效应及生态效应的产生条件、 作用机理及影响范围，较系统地得到植物防护理论方面的支持。 ( 2 ) 研究根系护坡的力学机理，由土植物根系相互作用力学模型出发， 探讨根系加固边坡的影响因素，例如根量、分布形态和抗拉强度等对抗剪强度 增强的贡献。 ( 3 ) 建立土植物根系的细观力学等效模型，视土壤为基体，根系为增 强相，并假设根系与土壤紧密连接( 本文只考虑根系与土壤正交的情况) 。采用 7 武汉理工大学硕士学位论文 复合体中各种组分材料的力学参数以及各组分的体积分数，来定量地描述复合 体的各个相应的力学参数。 ( 4 ) 进行大量的现场和室内试验，对模型进行试验研究，与计算结果进行 比较，以期得出一些有益的成果。 采用现场实验的方法。将根系和土壤视为一个整体根土复合体，根系 的固坡作用通过复合体的力学指标随着根径、密度、分布形态和含水量的变化 来展示。运用工程力学理论基础和土壤力学试验方法，研究根土复合体的抗剪 强度特性，确定根土复合体的抗剪强度f ，与法向正应力盯的关系，来分析根系 在固坡中的固土力学作用，为研究根系固土固坡力学机理提供必要的力学指标。 ( 5 ) 建立有限元数值模型，模拟植物根系与土体的相互作用的力学机理。 选取相应的研究方法和模型，模拟分析有根系和无根系对边坡应力和应变的影 响，进而分析边坡的稳定性，说明有草边坡在生态防护中的作用。 1 5 本课题的研究方法 本课题研究采取理论研究和实际试验相结合的研究方法。 ( i ) 充分了解国内外现有研究成果，采用实验室试验、现场试验、力学原 理分析和有限元模拟分析相结合的方法进行研究。首先，进行文献的收集和分 析工作，对国内外相关的成功经验进行调研，调查沿线边坡工程地质条件、土 质条件等，制定试验方案。 ( 2 ) 阐述植物根系作为土工材料的结构和工程作用，从力学效应分析植被 根系的护坡机理。研究根系对边坡抗剪强度的影响因素，并由根土相互作用模 型入手分析三个影响因素对土壤抗剪强度的贡献。 ( 3 ) 进行室内直剪试验，选取土中含根量即根系分布密度和根系分布形态 作为影响参数，研究其对土壤抗剪强度指标粘聚力和内摩擦角的影响，并 推导对抗剪强度提高的影响函数式。在此基础上对根系的抗拉特性进行一系列 研究，探求其中的规律。 ( 4 ) 在理论基础和试验成果的基础上，运用专业的有限元软件对模型进行 分析，验证并提出植物根系与土的作用机理。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章生态防护体系机理研究 在我国高速公路边坡的防护体系中，目前大致工程防护、生态防护以及综 合防护。 工程防护是以圬工建筑为主的工程防治措施，且尤其以浆砌片石、喷混凝 土护坡、锚固和浆砌片石拦石墙等最为常见。其中特别是锚固技术在7 0 年代给 边坡治理带来了一次技术革命，它一改过去单一的圬工防护措施，为治理边坡 问题提供了一种非常有效的技术措施，在设计施工上己日趋科学化。但是，对 于浅层滑坡治理而言，工程防护难以满足长期使用要求，为此人们不断地对公 路边坡治理问题进行分析研究，引入另一种新的防护方法生态防护系统， 它不仅节省防护投资，达到防护的目的；更重要的是保护生态、净化空气、绿 化环境。故生态防护方法正在公路、铁路、水利等工程领域中逐步替代传统的 砌石护坡、骨架护坡、砂浆封面等防护形式而得到越来越广泛的应用。 生态防护系统与传统工程防护系统相比，不管在经济上还是在技术上确实 占有一定的优势。另外生态防护系统不仅在公路护坡上的应用，而且在铁路、 湖边、河道、堤防等都具有相当的效果。本章将着重介绍生态防护体系、防护 机理以及在防护工程中的优劣。 2 1 边坡生态防护的功能 边坡生态防护作为边坡稳定和绿化的一个重要组成部分，对于防止水土流 失、减轻污染、稳固路基、保障行车安全等有着极为重要的意义1 1 4 1 。其生态防 护功能主要体现在以下五个方面： ( 1 ) 绿化环境，减轻视觉疲劳 行驶在高速公路上，行车速度快，沿线路段色彩单一，景观荒凉，司机及 乘客均容易产生视觉疲劳。在公路或铁路两旁边坡上植树种草，不仅美化了公 路环境，又可以给司机、乘客创造一个良好的视觉立体空间，减轻视觉疲劳。 ( 2 ) 防止水土流失，稳固路基 高速公路边坡是其水土流失最为严重的部分，采用植物护坡，可有效地降 低地表径流，防止土壤侵蚀，稳固路基。据测定，在1 7 8 4 9 6 m m d 雨量范围内 9 武汉理工大学硕士学位论文 可迅速营造人工植被覆盖裸露边坡，两年内可覆盖护坡构筑物。 ( 3 ) 降低风速，防止风沙危害 对高速公路边坡进行生物防护，可有效地降低风速，防止风沙危害。在边 坡上栽植树木花草，增加地表植被覆盖度，拦截、抬升部分气流，消除风的动 能，可起到降低风速，防止风沙危害的作用。 ( 4 ) 减轻污染，保护环境 高速公路边坡上的绿化树种和草本植物，可有效地吸收声波、降低噪音， 还可以吸尘，杀菌、吸收有害气体减轻污染。据研究，女贞、广玉兰和夹竹桃 每平方米的叶片，可吸收滞粉尘的量分别为6 6 3 9 ，7 1 9 ，5 2 3 9 。侧柏能分泌杀菌 素，有杀菌作用。据测算，l k g 卵穗苔草的叶片( 千重) ，每月可吸收4 5 埏的二 氧化硫。据北京市环保所1 9 7 5 1 9 7 6 年测定，在3 - 4 级风力情况下，裸地上空 空气中粉尘含量为草地上空空气中的1 3 倍。 ( 5 ) 维护生态平衡 地球环境日益恶化，水土流失严重，气候恶劣，人类赖以生存的生态环境 失去平衡。利用公路沿线的土地资源，形成绿化带，绿化美化环境，维护生态 平衡，于路、于人、于社会都具有重要意义。 图2 一lk 1 0 + 9 4 0 k 1 1 + 0 0 0 ( 右) 边坡效果 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 边坡生态防护的经济效益 目前，在高速公路边坡防护中有工程防护，有生态防护，也有两者结合的 综合防护，下面根据有关资料将各种防护的经济指标比较如下： 表2 - - i 我国高速公路主要工程参考价格( 货币单位：人民币元) 7 0 1 编号细目名称单位 单价 7 0 2 - 1种草边坡 8 浆砌片石 7 2 0 - 2 护坡 一a 拱式护坡 m3 0 0 片石护坡 一c m 31 6 0 ( 全坡面) 混凝土镶边 m5 0 0 预制混凝土 7 0 2 - 3 块护坡 a 空心网格 m1 5 - b六角网格 m 23 5 一c 菱形网格 m6 5 7 0 3 - 1挡土墙 浆砌片石 一a m 1 6 0 挡墙 - b 混凝土挡墙 m3 6 0 编号细目名称单位单价 一d 钢筋级 t4 5 0 0 锚杆 t1 5 0 0 0 挂网锚喷 7 0 5 2混凝土 护坡 a 厚5 c m m 28 0 厚6 c m 8 5 厚8 c m m 29 0 厚l o c m 岔i 0 0 厚1 2 c m 1 2 0 挂网土工 7 0 5 3格栅喷浆 护坡 土工格栅 m i 0 0 喷浆 7 0 5 - 4 坡面防护 喷射水泥 - bm8 6 砂浆 表2 2 各种防护经济指标比较 名称厚度( c m )单价( 元z 备注 混凝土 2 5 3 03 0 0纯混凝土 浆砌片石 3 5 5 02 5 0 挂网喷混凝土 1 01 3 0 喷播植草 88 0 1 0 0 纯生物方法 8 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 从表中不难看出，生态防护的成本要比工程防护的成本低得多，而将生态 防护和工程防护结合起来，防护成本略高于纯生态防护，但是远低于单一的工 程防护。所以，在高速公路的边坡防护中，将生态防护与工程防护相结合，是 目前我国边坡防护的发展方向，既能满足边坡的稳定性要求，也能达到生态环 境的要求。所以在国际地质科学滑坡工作组提出的整治滑坡方案体系中，植物 固坡与锚固等力学手段并列，被推荐为斜坡内部加强的手段之一。 2 - 3 边坡植被的护坡机理 2 3 1 根系固坡的力学效应 植被护坡主要依靠坡面植物的地下根系及地上茎叶的作用护坡。对于土质 边坡和破碎的岩石边坡，植物根系对边坡的锚固与加筋作用，是维持坡面浅层 稳定性的关键。 图2 2 随岳高速中段二标某破面生态防护施工 ( 1 ) 深根的锚固作用。植物的垂直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，起到预应力锚杆的作用。在植被覆盖的斜坡上，植 物相互缠绕的侧向根系形成具有一定抗张强度的根网，将根际土壤固结为一个 整体；同时垂直根系的浅层根际土层锚固到深处较稳定的土层上，更增加了土体 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 的稳定性。禾草、豆科植物和小灌木在地下0 7 5 1 5 0 m 深处有明显的土壤加 强作用，树木根系的这种作用则可影响到地下3 m 甚至更深的土层。 ( 2 ) 浅根的加筋作用。植草的根系在土壤中错综盘结，使边坡土体在其延 伸范围内成为土与草根的复合材料，草根可视为带预应力的三维加筋材料。根 据摩尔一一库伦强度理论，草根的加筋增加了土体的凝聚力c 值，使其破坏线 向上平移c ；另外草根的张拉限制了土体的侧向变形使盯，增加到盯+ a o 3 ，从 而使摩尔圆向右平移a 吼，如图2 3 所示。a c 、a 以的大小与草根密度、强 度及土体性质有关。土中的根系加筋显然提高了土的抗剪强度。 a c c 西西+ 崛 o 图2 3 有无植被土体的抗剪强度线 现场取土样的抗剪强度试验说明植草土的内摩擦角略有提高，但变化不大， 而粘聚力却有显著的提高。根系加筋土的强度特性与其它加筋材料的加筋土特 性完全吻合，只是加筋材料不同而已。应当说明，实际上植草根系加筋土的c 值要比试验测量值大得多，由于草根盘结，现场取土样时十分困难，取出的土 样已经受到了比较严重的扰动。 ( 3 ) 降低坡体孔隙水压力。降雨是诱发滑坡的重要因素之一，边坡的失稳 与坡体水压力的大小有密切关系。植物通过吸收和蒸发坡体内水分，降低土体 的孔隙水压力，增加土体吸力，提高土体的抗剪强度，有利于边坡的稳定。 2 3 2 根系固坡的水文效应 ( 1 ) 降低坡体孔隙水压力。降雨是诱发边坡失稳的重要因素之一。植物通 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 过吸收和蒸腾坡体内水分，降低土体的孔隙水压力，增加土体内聚力，提高土 体的抗剪强度，有利于边坡体的稳定。 ( 2 ) 降雨截留，削弱溅蚀。一部分降雨在到达坡面之前就被截留，以后重 新蒸发到大气或下落到坡面。下落的雨滴打击坡面时，把动能传递给土体，产 生的分裂力使土体颗粒分离飞溅，在滴溅过程中，雨滴动能越大，撞击分裂力 越大，被溅出的土粒数量也越多，植被能拦截高速下落的雨滴，分散雨滴、减 少滴溅能量及飞溅的土粒。 ( 3 ) 控制土粒流失。地表径流带走己被滴溅分离的土粒步，进一步可引起 片蚀、沟蚀。植被能够抑制地表径流并削弱雨滴溅蚀从而能控制土粒流失，通 常情况下，土体的流失量随植被覆盖率的增加而锐减。 2 4 根对边坡力学加固作用的影响因素 根系对边坡土层的加固作用与根的分布形态、根在土中的含量和根的强度 等因素有关。 2 4 1 根系的分布形态 生长在一株植物上的根可以分为三种：侧根、垂直根和须根。植物根的形 态决定了它对边坡稳定所起的作用，如垂直根和侧根所起的作用是不同的。一 般来说，含有较多的垂直向下的穿过潜在剪切滑动面的强劲须根的根系，提高 抗浅位滑坡的能力更强。 2 4 2 土中根系的含量 土中根的含量不同，根对土的加筋作用的效果不同，从而植物对边坡稳定 性的影响程度就不同。根是随着深度增加在土中的含量越来越少的。衡量根在 土中的含量的一个常用的指标是“根的面积比率”( 简记为r a r ) ，它指的是在 一个土层断面上( 水平断面或垂直断面) 根的截面面积占总断面面积的比率。根 的面积比率是深度的函数。s h i e l d s 和g r a y l 9 9 3 年在美国加利福尼亚洲萨克拉 门托河的砂质堤岸上测得接骨木灌木从的r a r 随深度变化的曲线如图2 _ 4 所 示： 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 镶度西) 图2 4 砂质堤岸上接骨木根的面积比率随深度变化曲线 由图2 - 4 可见，随着深度的增加r a r 迅速减小，到1 2 m 以下时根的含量 己经很小；在水平断面上r a r 一直很小，这表明大部分根是水平伸展的侧根。 我们最关心的是临界滑动面上的根的面积比率r a r 通常这个临界滑动面是平 行于坡面的。实际中测量r a r 用的是“纵剖面墙法”。还有一种衡量土中根的 含量的方法就是“根的生物量集度”，即单位体积土中根的质量，它和r a r 存 在一定的转化关系。在试验中我们采用的参数就是“根的生物量集度”，或者叫 做根系分布密度。 2 4 3 根的强度 在各种专业技术文献中报道的植物的根的强度差别很大，这种差别主要是 由植物品种、生长环境、季节、根的直径、根的生长方位以及测试方法( 测量风 干的根还是湿根) 等等造成的。然而从众多的根的强度的数据中可以发现一个规 律，这就是：根的强度可以达到7 0 m 隗一股位于1 0 4 0 m p a 之间，而且植物 的根的强度一般随着直径的增大而减小。细小的根对土的抗剪强度的提高具有 较大的贡献，这是由于细根不但具有较高的抗拉强度，而且由于比同样r a r 的 粗根具有较大的表面面积，所以和土之闻的摩擦力较大，抵抗拉脱的能力强。 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 2 5 根的分布特征 草木植物的根系一般为直径小于l m m 的须根，根系密度随土壤剖面深度的 增加表现出三个显著特点，即在o 4 0 c m 土层急剧减少，在4 0 8 0 c m 土层逐 渐减少，在8 0 1 5 0 c m 土层保持最低水平，总根数的9 0 集中在o 4 0 c m 土层 内，而在4 0 8 0 c m 内的根数只占到总根数的8 ，8