（道路与铁道工程专业论文）植物根系锚固护坡机理的研究.pdf

重庆交通大学硕士论文摘要 摘要 随着我国经济建设的蓬勃兴起，基础设施建设得到迅猛发展，同时引发了一 系列的环境问题。基础设施建设与环境保护兼顾是经济可持续发展的重大课题。 在我国的公路、铁路、水电、城镇等基础设施建设中，遇到大量的边坡问题，寻 求环保、美观的边坡加固与防护方法，一直是工程科技工作者努力的方向。利用 根系发达的植物进行边坡防护与加固，不仅有利于边坡的稳定，也利于环境保护， 近年来受到普遍关注，但相关的理论研究还很欠缺，制约了植物护坡技术的进一 步发展。 本文采用理论解析、室内模拟试验、有限元数值分析等手段，对植物根系锚 固作用进行较为系统深入的研究，并在此基础上建立了植物根系固坡的稳定性计 算方法。通过研究，得出了有关因素对根土强度特性的影响，以及根系在边坡中 不同位置和分布形态对边坡稳定性的作用规律，建立了植物根系锚固边坡设计方 法，对实际工程具有指导意义。最后提出了根系圊坡有待进一步研究的问题。 关键词：模拟试验有限元植物根系锚固边坡 蓬庆交避大学硕士论文 摘要 a b s t r a c t w i t ht h ee c o n o m i cc o n s t r u c t i o nr i s i n gu pi no u tc o u n t r y ，t h ei n f r a s t m c m r a l c o n s t m c f i o nh a sb e e nm a d eg r e a td e v e l o p m e n t a tt h es a l n et i m e ，as e r i e so f e n v i r o n m e n t a lp r o b l e ma p p e a r e d 。m a k i n gac o m p r o m i s eb e t w e e ni n f r a s t m e m r a l c o n s t r u c t i o na n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o ni sa ni m p o r t a n tq u e s t i o nf u rt h ee c o n o m i c s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t o nt h ei n f r a s t m c t u r a lc o n s t r u c t i o no f t h eh i g h w a y 、r a i l r o a d 、 h y d r o e l e c t r i c i t ya n dt o w ne t c ，ag r e a tm a n ys o i ld o p e sa p p e a r e dt h e r e s e e k i n gt h e g o o ds l o p er e i n f o r c e m e n ta n dp r o t e c t i o nm e a n st h a tc a np r o t e c te n v i r o n m e n ti st h e a i mo fe n g i n e e r i n gs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yw o r k e r u s i n gv e g e t a b l et ot h es l o p e d e f e n s ea n dr e i n f o r c e m e n ti sn o to n l yb e n e f i tt os l o p es t a b i l i t y , b u ta l s ot ot h e e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n 。t h i sm e t h o dh a sb e e np a i d 缸a n dw i d ea t t e n t i o ni nr e c e n t y e a r s b u tg e n e r a l l ys a y i n g ，t h er e s e a r c hf i n d i n g sl a g t h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n t h i s c o n d i t i o nr e s t r i c t st h ef u l t h e rd e v e l o p m e n to fv e g e t a b l es l o p er e i n f o r c e m e n t t e c h n o l o g y 。 t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y i s 、i n t e r i o rs i m u l a t i o nt e s t 、f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，t h e s y s t e mr e s e a r c ho fv e g e t a b l em o t a n c h o r i n gm e c h a n i s m h a sb e e nn l a d ei l lt h i sp a p e r o nt h eb a s e so f t h e s ew o r k s ，t h er o o t - a n c h o r i n gc o m p u t a t i o nm e t h o do f s l o p es t a b i l i t y h a sb e e ne s t a b l i s h e d t h ei n f l u e n c et ot h er o o t s o i ls t r e n g t hc h a r a c t e r i s t i c sb yr e l a t e d f a c t o r 、t h er o o td i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e i ro p e r a t i o nr u l e st ot h es l o p e s t a b i l i t yh a v eb e e na n a l y z e d 。t h es l o p er o o t - a n c h o r i n gd e s i g np r o c e d u r eh a sb e e n e s t a b l i s h e dt o oi nt h i sp a p e r t h e s ew i l lb eo fg u i d i n gs i g n i f i c a n c et ot h ep r a c t i c a l e n g i n e e r i n g a tl a s t ，t h ea u t h o re x p e c t st h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o ni nr o o ta n c h o r i n g a n dt h ef u r t h e ri n f o r m a t i o nw o r t h yo f r e s e a r c hi nt h i s 莲魄 k e y w o r d s ：s i m u l a t i o nt e s t ，f i n i t ee l e m e n t 妣a l y s i s ，v e g e t a b l er o o t ，a n c h o r i n g t s l o p e 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声嚷：艨星交的学位论文，是本人在导炳静指鼯下，独立遂章亍辑究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集舌搴已经发表或撰鬻过弱佟瑟戒果。怼本文懿磅究徽篷重要贡靛戆个太帮集俸， 均己在文中以明确方式标明。本人完全意识至4 本声明的法律结果由本人承担。 学艇论文馋者签名： 郴鸯 鏊麓：多。乏年辟月苎嚣 f 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保图、使用学位论文的规定，同意学校保留并 自国家有关帮门或糠秘送交论文弱复窜终和瓷| 予液，兔译论文被查溪窝馁藏。本人援载 重庆交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有漱数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，猩一年解密厢适用本授权书。 本学位论文属于， ， 不傈密萌。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作麓签名： ，司譬苛 指导教师签名： r 、 锹7 啦 日期：2 0 。c 颦4 月8 日 日期：驷年月岔 目 重度交通天学觏士诧文 第一常臻论 第一章绪论 1 1 前言 生念环境是人类生存和发展的基本条件，是经济、社会发展的基础，保护和 建设好生态环浚，实瓒可符续发展，是我潮现代化建设中必须始终受持的一项基 本方针。随着人类生活水平和科技发展水平的提高，人们对环境的关注程度越来 越大。评侩一项工程的成败不褥只是看技术方面的因素，两更从保护人类赖以生 存的生态环境着黻。 随着我国经济建设的蓬勃激超，基础设施建设得到迅猛发展。在我国的公路、 铁路、水电、城镇等基础设施建设中，遇到大量的边域润题，其中最突出的是破 坏了当遗原有植被，形成大丽袄不同程度裸露的边较( 躐缓地) ，这些裸露透玻 如不进行防护，将造成水土流失，进而诱发边坡破坏。 传统静边坡淤护措施以工程骆护为主，如全坡面锚籽嵝浆、护聪墙等，这些 措施虽然起到了防护功能，德释噬了绿色，严重破坏了路域生态环境和公路景蕊， 而且随着时间的搬移，一些防护措施，如锚杆喷浆，还会出现风化、剥落，其性 能将越寒越差。嚣求嚣保、美鼹、耐久灼边坡加固与貉护方法，成为了工程科技 工作者努力的方向。 图i - i 逡坡工程中对树本蚋砍伐圈i - 2 毫无裳机豹传统镂喷逸坡支护 茅i 雳植物避行边坡防护与抛固，不仅蠢利于边城豹稳定，也利予环境保护， 近年来受到普遍荚注。植物根系扎入岩士体内，形成随机分布的锚固系统，起到 霾主护坡豹捧翅。疆且，随麓时间的雄移，根系锚固的佟爝将越来熬强。如果将 传统的钢筋锚圈眈作“死”锚潜的话，那么，檀耪裰系镶囿可髂之为其有生余黪 垂褒交通文学颀l 论文筵章缝论 “活”锚圃。人们已在“感性”上认识到植物根系锚阉的优越性，在一魑工程实 践中，己开始利用植物进行边坡的防护与加固。但怒整体柬说，有关的研究还很 少，特别考虑植物根系锚圆作用的研究更少。因此，丌展植物根系铺躁边坡机理 硬究是十分必要戆，这对合理应粼檀糖擐系逮褥遗皱耱季户与趣霾，搀瑟边坡工程 建设水平，爨脊积极静意义。 罄l - 3 隧褪势帝瓣疆穆穰系掩蔽“活”鹣镶羞系统 l 一2 国内外研究进展 人类很爆就意识到植物固士的作用，在中世纪，法国、瑞士的运河河岸就采 用栽檀柳树的方法来防护。植物潮坡的各方面影响骥索较多，植物对坡体氍有积 摄贾献，氇蠢演辍捧灞。一些学喾薄疆凌护簸戆环凌功裁、植被效应瓣逾缓戆俸 用、根系锚固作用、根系锚圃的裔效深度和范围等避行了研究，并取得了定的 研究成果。 1 2 。1 边坡檬物的改善环境功熊 透缓攘被豹嚣藏除了力学效震秘瘩文效瘦，对环瀵黪羧善还鸯一定熬谨蘧， 主要表现在： ( 1 ) 恢艇被破坏的生态环境。边坡植被的存在为各种小动物、微生物的生存 繁殖提供了谢利的环境，使被破坏的环境慢慢有所恢簸。 f 2 ) 降低嗓夸帮党污染，煮韵嚣车安垒。攘被戆墩收割耳熬声音，多方蠖复 射太阳光和车辆发斑的光线，因此能降低嗓音、强光对行入及霹税的辐舞幸干挠， 减轻大脑和眼睛的疲劳，提高路标、警示牌的可见鹰，有助于行车安全。 ( 3 】促嫩污染物的分解。环境中的有机污染物种类繁多，成分复杂，比如工 晕庆交通夫举磺 ：论文 第一章绪论 业废水和生活污水的排放，农药、杀虫剂的使用等。仅靠传统的微，土物消除有机 污染物怒困难的，而植物舆有修复功能，植物修复适用于大面积、低浓度的污染。 ( 4 ) 净诧大气，调节鬣帮小气候。李壹被光会俸臻戆吸收大气中兹c o ：，蔽氆 0 2 ，麓稀释、分解、吸收鞠阉定大气帮汽车滗气中有害有毒物袋，能吸收大气中 的粉尘，净化大气。 ( 5 1 景观功能。人类的8 睦睛能看到的是波长从3 8 0 n m 到7 6 0 n t o 的光线，感觉 裂最鲮逡豹是波长灸5 5 3 n m 瓣绿色，叁绿色雩| 起匏紧张状态最小。在公鼹、铁路 等酌边缓中，植被其有显著瀚景蕊功爱。植被越多，a 翡心情超被狳，舒畅。 1 2 2 槭被的水文效应埘坡体的作用 植被的水文效应对城体的作用表现在以下几方面： ( 1 ) 降低坡钵孔隙永艇力。降霭是诱发游皱瓣重要鑫素之，迭缓蛉失稳 与坡体承愿力的大毒有着密切关系。植臻透过缀| | 芟和蒸猎玻钵蠹零分，降低主体 的孔隙水压力，增加士体吸力，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。一部分降雨猩到达坡面之前就被植被截留，以 后重毅蒸发垂g 大气或下落至g 坡藤。下落的雨漓农打遗坡面时，把动凝传递给土体， 产生豹分袋力壤薅簇粒分蒸飞溅，在滚溅邋獠中，瑟潦动量越犬，撞击势袭穷 越大，被溅出的土粒数量也越多，植被能拦截离速下落的雨滴，减少雨滴数量、 滴溅能墩及飞溅的土粒。 ( 3 ) 控制土粒流失。蛾袭径流带走已被滴溅分离的土粒，进步可引起片 毽、漆馁。檀搜戆够麴裂逮褒径滚莠秘弱瑟滚溅 塞，获瑟戆控制羧浚失，逶嚣 情况下，主体豹流失量隧獯被覆盖率的增翔基据数关系降低。 1 2 3 根系锚固作用 ( 1 ) 植物根系的分布形态 a ) 摹本蓬物校系分露特薤 摹本撬物的梗系般均为直径，j 、于i m m 懿缀，根系密凄淹i 壤魏面深度豹增 加表现出逐渐减少的特点，即在o 3 0 c m 土层分布最多，占总根数的9 0 ；3 0 7 0 c m 土层逐渐减少，占总根数的8 ；7 0 1 5 0 c m 土层保持最低水平，仅占总报 数的2 炭右1 1 j 。 重庆交通大学硕i ：论文 第一章绪论 b ) 木本植物根系分布特征 木本植物的根系按其形态特征，可分为三个类型：主直根型( t a p r o o t ) 、散 生根型( h e a r t r o o t ) 和水平根型( f l a t r o o t ) 。其中，对坡体能起到锚固作用的有 主直根型和散生根型。 ( 2 ) 植物根系的固土能力 人类很早以前就认识到植物根系的固土作用。我国在1 9 5 1 年的明代就有应用 植物来防护边坡的记载。国内外很多学者的研究成果，都一致肯定了植物根系的 固土功能。在前苏联莫斯科河岸上，有菩提树根系的土体边坡( 土体中根系横截 面积仅占被测土体横断面积的0 5 ) 能承受1 3 7 t 的最大破坏力，而没有根系的砂 质壤土边坡在同样的条件下仅能承受7 t 的最大破坏力弘1 。同样的条件下，有根系 的坡体在出现破裂面以前能承受的最大荷载比没有根系的土体大7 0 p 】。在加拿 大西部的不列颠哥伦比亚省( b r i t i s hc o l u m b i a ) ，3 5 0 的饱和冰积土边坡中，由于根 系网的作用而产生的抗剪强度占到整个根系土的抗剪强度的7 1 。在瑞典，有人 观测到同样的条件下，根系土坡体能承受的最大荷载比纯土坡体大7 0 ( 3 ) 植物根系锚固作用的力学行为 a ) 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。 首先植物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 7 5 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。一般认为根系的锚固作用有效深度在2 m 左右，即对坡体 的浅表层作用明显。 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1 4 l t r = n d ( 1 - 1 ) 式中：t 一为树根的抗拉强度( m p a ) ； d 一为树根的直径( r a m ) ； n 、r n 一为给定树种参数，根据树种的不同，n ，m 的参数也不同，n 的 范围为2 9 1 8 7 ，m 的范围为一0 7 6 一0 4 5 。 露威变通人学耐 l 论文辩一帮绪论 对于妻径2 5 0m m 瓣冬秘类型的辩棂，冀拔按强度约为8 8 0m p a 。 隧若褪本熬生长，楗零缀系单投瓣强爱会越寒越大，较粳麴越本投豢蠢定 的抗蘩强度。乔本报系豹抗藏强震静对数与裰系壹衽之阉宥较努鹣线性稳关关系 i 引。 b ) 体中撩系懿受力破坏特点 掇的抗挝强度隧植穆种类的不同_ 爵宥聪别，僵般帮较壤豹抗手立、抗赘力 大许多倍，特捌跫拣本摄系，掰黻大多数檬物熬棂系在主抟疆爨薅，兆盎羹滢坡发 生辩，基本帮被藏密，说疆禳系与岩体润静瘁擦( 或锚圈) 莛着控截俸翔。 c ) 植物衡徽的作用 周跃教授对穰糍铡擐瓣佟潮骰了缀多霹究。缝遥_ l 童对云鬻松豹溉溅礤究褥蹬： 在魄袤隧下4 0 c m 的层中侧襁密集，一般占藩校系姜釜物蟹魏6 0 淤上，这些铡稷 顺城延伸，稆互盘绕，与土壤越形成基本与坡面平行的狠际蘑。闫跃教授把 乔术翻校霹俸翡佟褥称为斜离牵弓| 效应。裰据校一闷存在的摩擦翟糖台键f 哪 的破坏实质，褥国禳物馕l 穰酶辩内牵雩 效斑霹增强表露主鬣抗张强度靛绪论，并 预测了根所能提供的最大抗张力。单椴在受力拽断时的拉断力e 为吲： e=_，t(1-2) 式中： 4 一狠的横截面面积； t 一校静抗张强度。 在给定面积的壤中，拉断所有的根的拉力为 琏2 ( 挥r 印2 三( 蛾2 劭 故在给定面积的壤中所有侧根所能提供给士艨的抗张强度的增麓 擗 4 ， 式中：魂一绘定土壤的爨直截题面积。 l 。2 4 根系圈坡豹鸯效深度和范显 解孵曙教授通过对黄撼匿生长酶灌本拧条( c a r a g a n ak o r s h i n s k i i ) 根系锻 重痰交遴入学碳 ：论文第一章绪论 原位水平挤出法剪切测定结果，提出以单位剪切面袄( a ) 中直径大于0 。4 c m 的各 根系横戳丽积之和( a r ) 所占比藿( a r 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。并通过室外拉拔测试得出，乔术树种白榆围坡有效深 凄( 珏r f ) 与瞧经( d 。) 的关系式为 h r f = 0 2 9 4 + o 0 6 8 d o p = o 9 0 6 ) ( 1 - 5 ) 式中，r n 相关关系的回归相关系数。 1 2 5 乔木撒采伐后坡体中的根系强度变化 ( 1 ) 一般特点 树木被欲饯爱，根系静强魔会逐渐衰退，壹至穰系腐烂。根系强度静裘遥程 度与树种、根系尺寸，以及有机体的腐烂活动有关。树术在被采伐后大约3 年的 时间里，几乎所有的直径小于3 c m 的根系完全腐烂撺f ”。小根系强度衰退的很快， 但是大酌对腐蚀有抵抗力豹报系阿熊会在土孛存在十年强上。比如被砍伐嚣5 0 年 懿舀洋衫豹豢径超过1 5 e r a 懿棂系绥能竞驽无援。在羧效霞螽静5 冬受，蹇径l c m 的西洋杉根系的抗拉强度会损失半。植物根系的演遐速度与其所处的地理位置 有关。在加肇大不列颠哥伦比豫省海岸上，直径l c m 的花旗松根系，在被砍伐后 的3 年里，抗拉强度减少了一半；在洛基山脉( r o c k ym o u n t a i n s ) ，直径l c m 的花 簇掇蔽系5 0 连被砍伐嚣戆l 。5 年墨褒烂簿；在敲勃嚣弼錾海簿土，羼襻魄爨嚣 直径静根系巍1 年里就腐烂箨；程1 2 年压，洛基山歉地区9 0 的被砍伐聪的树的 根系会腐烂摊：然而在俄勒冈州，9 0 的根系腐烂掉花的时间少于5 年。 在树术被砍伐后的地区，新的植物会重新生长越来，新生植物根系又会逐渐 增强土体强发。在被采伐后的地送，棂系对俸黔增强效应是残留豹投系与蓑生 根系共| 霉佟溺鹃效应之帮，薪生穗物裱系魏国髓力般要花大绞1 5 年瓣时闽力 会达到砍伐前5 0 的水平。器几乎达到砍伐前的水平，可能要花2 6 年的时间。相 比于植物根系腐烂引起的土体强度损失速率，由新生植物根系引起的土体强度恢 复实际速度隧许多环境变量的不同丽变化。在恶劣的环境中，根系固能力的恢 复要穰长赘露阉。在燕列裰整耍髑嚣豹裣抟拣臻鬃，2 5 年蔫被致筏瓣棒遣终 中根系固能力仅仅是相邻一赢束砍伐地区的约4 0 f ”。 重庆交通人学硕l 论文第一一章绪论 y e a r sa f t e rl o g g i n g 图1 - 4 砍伐后林地根系相对固土能力变化图f 8 】 ( 2 ) 某些树根的强度异常变化 人们在挖掘的过程中，发现有的树根上含有树脂，并且含有树脂的树根对腐 烂有很强的抵抗力，不含树脂的树根腐烂速度很快。在内华达山脉( 美国加利福 尼亚州东部的花岗岩块状山脉) 和南加州，根系上有大量的树脂的松树根系( 直 径1 0 c m - 2 0 c m ) 能在土中保存达5 0 年而不腐烂【1 ”1 。 树根的根系对土体强度的贡献是单个树根强度和单位体积土体中根系的数目 的函数。在树木被采伐后，并不是所有的根系强度一直下降。比如美国西部铁杉 的直径在l o 2 5 m m 的根系，在树木被采伐后，残留的根系强度会明显的上升， 因为残留的根系中含有大量的树脂，这种上升势头在树木被采伐后6 年达到顶峰， 然后随着根系的腐烂，强度开始下降。直径小于2 5 m m 的美国西加云杉，在被采 伐后的前两年里，根系的强度几乎降低5 0 ，然后强度会上升，到第四年升到峰 值，这时根系的强度几乎达到采伐前的活根的水平。这种现象也是因为残留的根 系中含有树脂的缘故i li i , 1 2 6 树体自身重量及风力对坡地的影晌 树体自身重量会在边坡上产生额外剪力和压力，对于大部分的成熟林地的坡 地，上卧在潜在滑动面上的土体的重量远远超过树体的重量，由于树体本身而引 起的任何其他的荷载对坡体的稳定影响很小i ”引。在很少的情况下，树体本身才 会成为坡体失稳理由，比如在具粘结性的土壤中，由于大雨导致土壤湿气增大的 重庆= 蹙通人学坝+ 1 ：论义 第一带绪论 情况下，以及树体在时速为8 0 k m h 的风力的作用下，会对坡体稳定有很大的影响 l i 。 1 2 7 水对含根系坡地的影响 一场暴风雨经常会带来大面积的土壤侵蚀。土壤中过多的水经常被认为是土 壤失穗戆主簧因素。饱窝中麴魏爨承压力憩傻戆藏剪强疫降甄。考虑体孔 隙水压力( u ) 的土体强度公式可以表述为： f - ：( c + r ) + ( w c o s a 。n ) t a n g o ( 】6 ) 式中：r 一体抗剪强度 c 一士体的有效粘聚力 r 一俸中由予穰系的存程产生的似秸聚力 w 一土体的有效踅力 “一破坏筒的倾角 u 魏隙承压力 妒一土体有效内摩擦角。 ( 1 ) 孔隙求藤力的影晌 孔隙水压力能减少土体的抗剪强度达6 0 l ”t 。土体中水的增加会通过滤取 ( 1 e a c h i n g ) 和淋溶作用( e l u v i a t i o n s ) 减少某些土体的粘聚力。森林能通过蒸发蒸 腾掺耀大量减少土壤中的瀑气，在# 键和中，出她产生黝受豹孔隙零压力或者 毛纲张力( c a p i l l a r yt e n s i o n ) 会增加土颗粒间的压力，从而提高土的抗剪强腹。大 部分豹涅气臻耗发生在挺t2 4 m 4 m 豹深发，夔黧霹鞋延 枣受薤离糖薅6 m 靛逸 方。在树体周围方圆1 2 m 以外的地方，土壤湿度随着深度变化相对均衡。在土壤 表谣0 6 m 醚上的堍方，蒸发作用嘏裙显。 ( 2 ) 渗流作用的影响 边坡土体中的水向坡下流动对土体产生的摩擦拖曳力会增大土体的切向剪力 l 拍i 。德和戆嚣牯聚力粒糙性土坡，麴果体中没有根系鄹，那么在乎 亍于坡囱的 渗流力作用下，其稳定系数只有没谢顺坡向渗流力的0 5 倍i ”1 。 从以上的研究可以看出，目前对植物根系锚固机理还非常宏观，处于定性和 重庆交通人学坝l 论文 第一章绪论 经验的发展阶段。多从植物根系的分布形念、影响范围、根系的抗拉强度、植物 的环境效益等，分析植物对护坡可能产生的作用，没有结合边坡破坏特点，来分 析根系对边坡的锚固护坡作用，从而揭示植物根系锚固护坡行为。当我们利用植 物根系进行边坡加固与防护时，需要了解植物根系分布形态、根系位置、根系强 度及根系群落等对边坡稳定性的影响，更需要能得出植物根系对边坡稳定性作用 的定量分析方法，判断根系对边坡稳定性的贡献，便于将植物根系应用于实 际的边坡加固与防护工程中。许多的问题值得深入研究探讨。 1 3 本文的工作 本文以人工边坡利用植物进行加固防护为研究对象，以发达的植物根系锚固 作用为研究重点，应用岩土工程学的观点和方法，采用理论解析、室内模拟试验、 有限元数值分析等手段，研究分析植物根系对边坡的锚固作用机理。重点对以下 内容进行了研究。 ( 1 ) 植物根系的锚固作用； ( 2 ) 根系土的抗剪强度特性； ( 3 ) 根系分布形态和位置对边坡稳定性的影响； ( 4 ) 植物根系锚固边坡的设计方法。 在学习前人研究成果的基础上，掌握植物根系的分布特点，建立植物锚固模 型，采用理论解析方法，分析植物根系锚固作用：采用大型直接剪切试验，研究 不同根系分布形态和根系数量构成的根系土抗剪强度特性；采用有限元数值分析 方法，研究边坡上不同根系分布和根系处于不同位置时，对边坡稳定性的影响； 在这些研究的基础上，结合已有成果，建立以极限平衡法为基础的植物根系锚固 边坡的稳定性分析方法。 最庆交通人学硕l ：论文雏二章植物根系锚l 州作用的理论分析 第二章植物根系锚固作用的理论分析 本章在总结植物根系形态及分佰特点，分析根土相互作用的基础上，建立起 植物锚固的受力模型，对植物根系的锚固作用进行分析。 2 1 植物根系的形态及分布特点 2 1 1 根系形态 k l e m k e ( 1 9 5 6 ) 按照根系的形态特征，将其划分为三种类型的根型( r o o t t y p e ) ， 即：主直根型( t a p r o o t ) 、散生根型( 或斜生根型或心状根型) ( h e a r t r o o t ) 和水平 根型( f l a t r o o t ) 。 主直根型：由明显近乎垂直的主根和许多侧根所构成，垂直根在整个根系中 占优势，垂直向下生长，深入土层可达3 5 m ，其中细小的吸收根不是带有根毛 便是带有真菌感染的短根，即所谓菌根，在松、栎等类树种中，主直根系最为常 见，如油松、栓皮栎、杨树、白榆等。 散生根型：没有明显的主根，而是若干支原生和次生的根，大致以根颈为中 心，向地下各个方向作辐射状发展，并由此扩展而成网络状结构的、纤细的吸收 根群，如槭、冷杉、杉木等树种。 水平根型：由水平方向伸展的固着根和繁多的链状细根群所组成，其主根不 发达，侧根或不定根发达，并向四周扩展，长度远超过主根，因此，根系多分布 在土壤表层，一般分布在2 0 3 0 c m 的土壤表层中，例如刺槐、悬铃术及云杉、铁 杉及一些耐水湿的树种i 。 图2 - 1 木本植物根系的形态类型a ) 主直根型；b ) 散生根型：c ) 水平根型 蘑廉! 进通入学砌i - 论文第二章植物根系锚l 州作用的理论分析 2 ，1 2 根系分布特点 实瓣德魏投系在壤中装劳每形态，滁了决定予疆粝戆耱类( 遗传特瞧) ，还 与生态环麓，特别是土壤环蓑， 三及人为影噙等露素有关。根据禳系在主壤中分 布的深浅，可以将根系分为深根性和浅嘏性两类。 深根性根系：这种根系主根发达，深入土层，垂直向下生长，根型为主赢根 测。由于其分布较深，常将具有这类根溅的树种称为深根性树种。如马尾松、油 松、检皮栎、核桃、白榆等。如马尾松1 年生苗主根达2 0 3 0 c m ，长成后可深达 5 m 以上。 没根性瑕系：主根不发达，侧根或不邈缀离四嚣扩张，长度远远超过主根， 缀蓉大部分分毒在壤表层，鞠当子承平缀燮躐葵恁裰型。翼有浅鬏蛙辗系豹褥 秘，稚为浅攘经薅耱。 乔本横系具有以下一些努布矮律； ( 1 ) 乔木根系相对于其他植物根系，根爨大，分布深而幅度大。深根性树种 可以深入基岩，浅根性树种水平分椎幅度w 以超过树冠幅度数倍。 ( 2 ) 同树种的根系分布情况不同，同一树种，不同龄期根系分布也不同，龄 期大的乔木根系量大，但龄期过高，死根占的比例加大，根系的抗剪强度削弱， 不利予根系固土。 ( 3 ) 报系密度隧深度的增加丽急剧减少，粮壮根系在承平方向的分布因树种 疆雾，簸疆藿鬏系与撵于基部距离翡墙燕褥减少，或量稳匀分毒。 ( 霹) 禳系的分布蠢立逮条舞浆不阗露交纯，一般瑟深厚，显较麦子举魏焚 士酝，根系分布较深；层较薄鲍石族出酝，壤含水量较高的离海拔地区和涤 海淞河岸等地区，根系分布较浅；沙漠地睡的根系分布深度大，有时水平根系也 极为发达。 2 。2 根土相互作用 2 2 1 从根系复合土看根系的作用 盘然情况下，植物根系在土体中错综纛络，在校系的盘结范围内，边坡体 可嚣 睾国翻稷系组成豹援一复合孝考粒，稹渤懿辗系势露纾续熬 乍翔，戴瞬可 狻照麓麓主嚣瑾分褥逮缓主侮夔应力获杰，懿中穰系兹分蠢裰梵麓麓纾缝豹分 兰塑受望羔i 兰墼毡鎏苎 篓：塞笙望塑墨笙塑笙篓墼篓鎏茎堑 布，臣为三雅加筋。由此，可以从理沦上定性地分析报系对提高土体抗鹤强度的 作用。 圈2 - 2 土体中错综盘结的根荣 可采用滕尔库仑模型分析根系复合土的强度。土中的根系三维加筋为体 撵貘了嚣热“糖聚力”& ，爱滚髂黪莸剪爨度夔线舞接蓼了疆寒；舅一方 面，土中的三维加筋又限制了士体的侧向膨胀，从1 搿伎吒增大到口，7 。两方面的作 用，使土体抗剪强度得到提高，如图2 - 2 所示。 图2 - 3 檬系对体的加筋作用 在吼不褒的情况下，由应力葜尔圆，可得出根系土抗剪强度的增加值： f ，= a c + ( f 黼c o s 织r c o s r p 2 ) ， ( 2 。1 ) = a c + o - , - o - 她 c o 嗡一旦c o s 仍 t j r2 式中：纯为无根系土内摩擦角，仍为有根系土内摩擦角。 根土形成复台体，必须以根系达到定密度为条件。土中根系的密魔与根型 壤废交通大学琰l 沦文 第二帝掖锄撮系锚删作用的理论分辑 秘季壹甥姻密度有关。当利用孝孛撞比较密豹教生根系进行固坡时，可能形成根袈 合土体。 2 2 2 将根土分开看待看根系的作用 将掖土俸为复合体看待，可黻在总体上了解棂主复合体静技努强度，羯予复 台体的破坏分援。但嚣要分搴厅壤从中的拨出破坏或根的锚固作用时，需爱将投、 士分开稽待。 从税械效应来看，檀勃根系辩土的釉强作鬻主要由垂蠹裰系和翻商裰系两都 分组戒。铡怒缀系露塔提惑校嚣层豹憋髂抗张强发，垂妻攫系可以把缀黪鼷 锚固到深层更稳定的土层上，增加土体的迁移阻力，怒到固被的作用。 张蠢伟等【5 嘴阻褥土壤与根之间福互滑动的作用因素统称为报土糟合键，并托 掇糖合毽分为三类： ( 1 ) 第一类是由于土壤和根之间的有机胶质、粘液及黾细作用产生的附着粘 结型根土秸合键。这种类型的根士粘合键比较弱，容荔受裰土相对移动破坏，辩 予一般德镌攫系，露汲骞旗。 ( 2 ) 第二类是摩擦型根土粘含键。落是由根所受的土壤压力和两者之间的相 对运动引起的，这种类型的粘合镳强度较大，存在最普遍，计算分析也比较容翁。 f 3 ) 第三耱类型是夔甥墅稷主糕合镶。攘有蹲会弯莛、分支、黟敬不援则， 当根土相对移动时，由于弯折，根会剪切、破坏周围土壤丽产生剪切作用，阻碍 根土相对移动。 实际土，诲殴对第三类鳖送行麓铯。整甥翎投一般按弯强瘦小，摄糖对移 动时，投系的剪切作用最臌还是会转化为摩擦作用，所以一般的情况下，这类根 土粘合键可以简化为摩擦型根土粘合键。少数情况下，当侧根较硬，抗弯强度较 大露，戏弯辑角度较大霹，哥将葵近戳篱亿为一陲热努力，大小等于弯撅楚校豹 按断力或剪断力。艇以多数情况下，所需计算、研究的根土粘合键还是属于摩擦 型。 穰谣( 主簧是禳皮面) 总是翻凸不平静，粕之叉羧、裰节及稷毛( 校表受缨 飕的突起物，童径约5 1 5 p m ，长约5 l o m m ) 众多，都大大增加了根土间接触 的面积。并因根周土壤在根系膨压作用下，容重增加，使根土间接触更加紧密， 加大了根土闯的摩擦力”。 重庆交通人学f | j i ii 论文 第一年植物根系锚i 州作用的理论分析 瓦+ 1 + 溉s i n a ，= e ，+ 只c o s 吼+ n ，t a i l 妒+ c l ( 2 3 ) 近似假定e 。= e ，则有 巩s i n c t 。= ec o s ，+ ( c o s t 2 ，+ es i n 0 ，) t a n ( o + c l ， ( 2 4 ) 实际上，上式中的只s i n o , 在力的分解的时候存在，但是实际情况中是不存 重庆交避大学颤l 论文 旃二章植物校系锩佧塌抟理论分斩 在的，不会增加根土问的摩擦力，具体的解释见式( 2 1 2 ) ，所以式( 2 - 4 ) 其实应 该为 甄s i n f z ，= 只c 。s 毋，+ 暇c o s a ，t 黼妒+ e 乞 ( 2 4 ) 幽上式可得 p ：堡! ! ! ! 里竺! 二! ! ! 竺! ! 竺婴! ：型!( 2 5 ) ” c o s 巩 上式孛貔e 舞僳证边羧稳定懿援系应该鬟袋夔最小罐霆力。 ( 2 ) 根系的抗拉力计算 设根系的抗拉强度为r ，则根系的抗拉力 只= 鼎2 - 乏 ( 2 5 ) ( 3 ) 根系实际能提供的壤大锚固力( 由最大静摩擦力提供) 计算 - i：r 圈2 - 5 单根锚固力计馨 i 5 一 陟 蝗。 莎 硐蝈 垦墨壅望盔兰塑! ：丝兰j 坠三蔓墼塑堡至塑堕也塑塑型塑盟 如图2 - 4 , 设任意穿过潜在滑1 l i ：i 的根系v 的锚嘲段长度为l 一用条分的方法来 计算报系表面j 下应力，从而计算出校系锚阐力。将，等分成，l 。份，鞭每条的宽度 ：l ，c 。s 鼠 ( 2 7 ) d = 一一 n v 式中；鼠为穰系与承平线的夹角。 纂i 土条底都投系表蘧簿单位疆积所受到的主聪力为 吼咄，一i 2 ：杰畛如 ( 2 培) 则第i 土条底部根系表简每单位面积所骚到的霰真于根系的土鹰力为 ：吒c 。s 反= ( 宠) c 。s 熊 2 9 式中；a 。为第i 土条第j 层土滕的厚度；功为第i 土条第j 层层天然容重4 设穰系v 与主之滔鬻擦系数海岛，薅第i 蘩赢酃攘系酶最大静鼙攘力为 互= 箴呱；。z 戤- 鲁= 2 弼+ 鲁，赛分黯) j c o s 热哆r q 。 剥整个缮霾段校系三，掰受静最大静摩擦力 这整稼终镌晷力) 必 匕。喜墨= 2 戤。苦喜喜妒蹦咭反峰， q 4 。 著棂系与潜在游嚣豹夹是为或 o 兄，不稳定，此时有两种可能的破坏情况： f 兄e ，根系拉断破坏； l 瓦 e ，根系拔出破坏。 ( 5 ) 根系最小锚固长度计算 当兄时，局部是稳定的。此时可以据此求出根系的最小锚固长度。由 只，。有 z 矾鲁。蕃n v ( 蔷m y 畛) c 。s 卢，似( 2 - 1 4 ) 可求得为保证局部边坡稳定的根系v 锚固长度 ( 2 1 5 ) 则根系v 最4 4 6 固长度为 生：墨 ( 2 1 6 ) h vv 2 n - r 。c o s , 8 ，( h f ) i = i ；l 一啪一 百纠 了匹 舯 一 一 矾 重庆交通人学硕i 论文 第二章植物根系锚作用的理论分析 ( 6 ) 滑移剪切破坏 图2 - 6 单根边坡滑移剪切破坏计算 设一浅层潜在滑体，滑面为平面( 图2 - 6 ) 。当坡体中有单根植物根系作用且局 部根系土体稳定( 根系不发生拔出或拉断破坏) 时，对其进行稳定性分析。 滑动力 抗滑力 t = w s i n 口 r = r s m + r 。| r ；耐= w c o s 口t a n 妒+ c l ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) r w = f c o s 0 ( 2 - 2 0 ) 则边坡的整体稳定系数 w c o s a = t a n ( o - + c l + f c o s o ( 2 2 1 ) s i n 口 式中：w 一滑体的重量；f 一根系力( 取根系抗拉力f 与根系锚固力以的较 小值) ；a 一坡角：日一根系与坡面央角( 0 0 9 0 。) ：c ，圣一潜在滑面处土体的内聚 力和内摩擦角；，一潜在滑面长度。 重庆交通人学顺卜论文 第二章植物报系锚川作用的理论分析 2 3 2 群根锚固作用分析 图2 7 植物群根锚固力计算 群根作用下，设穿过潜在滑面且符合0 0 v 9 0 0 条件的根系数目为u ，则群根 平行于滑面的抗滑力为 z f , 2 善2 矾薏c o s o v c o s 卢v 似。i 。l ( j = l 睁乃) ( 2 - 2 2 ) 式中：为任意穿过滑面的根系v 的半径；l 。为根系v 锚固段长度；n 。为求根 系v 锚固力时将根系v 锚固段长度上，等分成的分数；聊，为将三，条分时涉及到的土 层数；。为根系v 与水平线的夹角；0 ，为根系v 与潜在滑面的夹角；h 。为条分上， 时第i 土条第j 层土层的厚度，为第i 土条第j 层土层天然容重。 2 4 本章小结 通过对根系锚固作用的初步理论分析，可得如下结论： ( 1 ) 实际植物根系在土壤中的分布形态，除了决定于植物的种类( 遗传特性) ， 还与其生存环境，特别是土壤环境，以及人为影响等因素有关。根系形态可以划 分为三种类型：即主直根型、散生根型( 或斜生根型或心状根型) 和水平根型。 根据根系在土壤中分布的深浅，可以将根系分为深根性和浅根性两类。 ( 2 ) 土中的根系可以提高土体的粘聚力，限制土体的侧向膨胀。 ( 3 ) 多数情况下，所需计算、研究的根土作用最终都可以转化为根土摩擦。 ( 4 ) 从局部和整体两方面来分析根系锚固作用，可以求得根系局部稳定时的 最小锚固长度，以及根系土边坡的整体稳定系数。 蕈废交通入学顾l ：论文 罐兰章植物根系复台+ ：强艘特件试验研究 第三蠢植物根系复合强度特性试验研究 植物根系分布形态不同、根系数量不同，根系复合土的强度不同。为探讨根 系分布形态、根系数量等对根系复合土抗剪强度的影响，本章选择跟植物根系相 娃静材褥来模羧擞系，在室内蘑大鍪奁蘩试验逶行了模羧试验骚究。 3 ，1 试验采用的材料 3 + l 。l 撵 植物根系固城对象更多的魑土体或土石混合的堆积体，这样的土体才具备植 物生长的条件，所以选择了细粒士和土石混合的粗粒土避行试验。 绥越：致黧庆广泛存在瓣褐色糙，瓣予耪醇嚣遂孑l 径5 r a m 蕊嚣魏赛萋餐爱。 粗粒土：采石场拉回来的碎石子过2 e r a 的圆孔筛，取粒径d 生c m 的石子，与 上逑缁粒土混和成含石量为3 0 和5 0 的猢粒土。 图3 - 1 试验用细粒图3 - 2 _ i 戎验用茬子 莱蠲考实试验，获褥了试验静存关参数，魏表3 。l 。 表3 - 1 试验土体击樊试验参数 土体组别最大干密度m ( g e r a 3 )最佳含水量w o 。( )压实度k ( ) 蠲粒l ，8 4 1 3 6 58 5 3 0 含并最十 1 9 81 0 68 5 5 0 舍石量 2 1 28 98 5 3 1 2 根系模拟材料 3 ，1 2 ，1 擅物根系鹩力学参数 抗拉强度：掘前人研究【嘲，部分植物穰系的抗拉强度始表3 - 2 。 蘑痰变通人学硬 淹丈 第三章植物撤系复台十强艇特性试验研究 表3 - 2 部分植物根臻的抗拉强度 撬控强发葱溺砉亳控强疫范蕊 植物名称撼物名称 ( m p a )( m p a ) 柳树 9 3 6 银槭 1 5 3 0 杨树 5 3 8 鞲铁杉 2 7 桤树 d 7 4 禾草、非禾本科草 2 2 0 黄杉 1 9 6 l镶根草4 0 1 8 0 越撞 j 6大麦1 5 3 7 则青代表性的模拟根系材料的抗拉强度可选为i o 4 0 m p a 。 弹性模量：獬溅定2 鳓，冷移和冬瓜杨校系静箨毪貘藿e 交傀薄强大，扶 l o n c m 2 6 0 0 n c m 2 不等，即：1 0 0 k n m 2 6 0 0 0 k n m 2 ，所以弹模的选择余地较大。 塑性变形：擞系塑性变形麓( 残余变形) 可以用报系的伸长系数浓表示，而 根系的 串长系数麓根系国坡中一个重要指标，当俸出璐游动时， 牵长系数较大 的根系有利于把根系所受的力向土体深层传递。根系塑性变形量的资料很少，据 测定【捌：根径为6 m m 、根长为1 0 0 c m 的冷杉、冬瓜杨、杜鹃的残余变彤量藏次为 2 c m 、2 5 c m 、3 c m ，对应酶 窜长系数为0 0 2 、0 0 2 5 、o 0 3 。 3 1 ，2 2 根系模拟材料的力学参数 参照上述实醛根系鲍参数，选取了冠榉为植物原料镦戏的麻绳侮为根系接拟 材料。选取的裰系模拟材料一麻绳的平均赢经为6 m m ，聚角土工合成耩料万能试 验机进行拉伸试黢，获得的试验结果如图3 * s 和表3 3 。 圈3 - 3 根蕊模拟材料一麻绳 豳3 - 4 土工食成材料万能试验机 重庆交通人学顺i 论文 第三章植物根系复台十强度特性试验研究 图3 - 5 根系模拟材料拉伸试验曲线 表3 - 3 根系模拟材料拉伸试验数据 试样最大拉力( k n )抗拉强度( m p a )最大伸长量( m m )伸长系数( ) 1 0 4 71 6 6 3 1 2