（工程力学专业论文）生态护坡中植被根系与均质土相互物理作用机理研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 由于传统护坡工程具有易老化，维护成本高，可持续性差的缺点，采用绿 色植被进行态护坡被越来越多的国家所重视。植物根系固土是近年来多学科交 叉研究的热点问题，受到广泛关注。它是一种利用植被涵水固土的原理稳定边 坡的同时美化生态环境的新型工程技术，涉及岩土工程学、生态学、植物力学、 数学等多学科。植物根系加固边坡作为中一种新的边坡防护技术，已经成为一 种新的防护趋势，并代表着边坡防护的发展方向。 本文在研究国内外大量有关生态防护和根系固坡力学文献资料的基础上， 以湖北省武黄高速公路鄂州某段为实际背景，选取黑麦草的草根为试验对象， 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。 主要研究成果如下： ( 1 ) 在分析和总结了根系固坡的力学护坡机理上，通过大量的单根抗拔拉试 验和室内直剪试验，建立了抗拉力和抗拉强度与根系直径的回归方程，同时探 讨了植物根系的分布密度、土体含水量对土壤抗剪强度的影响。结果表明：植 物根系可以明显提高土体的抗剪强度；随着含水量的增加，土体和根土复合体 的抗剪强度会下降；相同含水率下随着根系密度的不断增大，根土复合体的粘 聚力也不断增大，而内摩擦角的增量不明显。另外，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。 ( 2 ) 通过有限元分析表明，草根能够降低浅层土体中的应力水平，即能改 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，但对深层的土体影响不明显。 关键词：边坡防护；力学机制；抗拉强度；抗剪强度；根土复合体；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 b e c a u s et h e r ea r cal o to ft h en a t u r a ld e f e c t so nt r a d i t i o n a ls l o p ep r o t e c t i o n e n g i n e e r i n gs u c ha se a s yt oa g i n gh i g hm a i n t e n a n c ec o s t sa n dp o o rs u s t a i n a b i l i t y , a d o p t i n gt h eg r e e nv e g e t a t i o nf o rs l o p ep r o t e c t i o ni sb e i n gt a k e ni n t oa c c o u n tb y m o r e a n dm o r ec o u n t r i e s t h ee f f e c to fp l a n tr o o t sf o rs l o p ep r o t e c t i o ni st h eh o ti s s u e so f i n t e r d i s c i p l i n a r ys t u d y , w h i c h a t t r a c t e dw i d e s p r e a da t t e n t i o ni nr e c e n ty e a r s i ti san e w t e c h n o l o g yu s i n gt h ep r i n c i p l eo fv e g e t a t i o nc o n t a i nw a t e rt os t e a d ys l o p ea l s o b e a u t i f y t h ee n v i r o n m e n t ,i n v o l v e sr o c k e n g i n e e r i n g , e c o l o g y , b o t a n y，p l a n t m e c h a n i c s ，m a t h e m a t i c sa n ds oo n a san e wt e c h n o l o g yo fs l o p ep r o t e c t i n g ，p l a n t r o o t sp 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 et r e n do fd e f e n d i n ga n dr e p r e s e n t st h et r e n d o fs l o p ep r o t e c t i n g b a s e do nt h er e s e a r c hb u l ko fd 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 t e c o l o g i c a l p r o t e c t i o na n dp l a n tr o o t sm e c h a n i c s ，i nv i e wo ft h ec u r r e n td o m e s t i c v e g e t a t i o nm e c h a n i c a le f f e c t so fs l o p ep r o t e c t i n g ，t h i sp a p e rs e l e c tt h er o o t so f p e r e n n i a lr y e 掣a s sw h i c hf r o mal e n g t ho ft h eh u b e iw u ( w u h a n ) - h u a n g c h u a n g p i ) e x p r e s s w a yi ne z h o ua sp r a c t i c a lb a c k g r o u n dt om a k eas e r i e so fd i s c u s s i o n sa n d r e s e a r c h t i l em a i na c h i e v e m e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) b a s e d o nt h e a n a l y s i s a n d s u m m a r y o ft h e e c o l o g i c a ls l o p e p r o t e c t i o n , t h r o u g hal o to fi n d o o rs i n g l et e n s i o na n dd i r e c ts h e a rt e s t s 眦sp a p e r e s t a b l i s h e dt h er e g r e s s i o ne q u a t i o nb e t w e e nt e n s i l es t r e n g t ha n dt h er o o td i a m e t e r , t e n s i l es t r e n g t ha n dt h er o o td i a m e t e r , a n de x p l o r et h ee f f e c to ft h ed i s t r i b u t i o no f p l a n tr o o td e n s i t y , s o i lw a t e rc o n t e n to ns o i ls h e a rs t r e n g t h t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ： t h ep l a n tr o o t sc a ns i g n i f i c a n t l yr a i s et h es o i ls h e a rs t r e n g t h ；a st h el e v e lo fm o i s t u r e c o n t e n ti n c r e a s e s ，t h es h e a rs t r e n g t ho ft h es o i la n ds o i lr o o t ss y s t e mc o m p l e xw i l l d e c l i n e ；u n d e rt h es a m el e v e lo fm o i s t u r ec o n t e n t ，i l l st h er o o td e n s i t yi si n c r e a s i n g ， a n dc o h e s i o no ft h es o i lr o o t ss y s t e mc o m p l e xw i l lc o n t i n u et oi n c r e a s e ，a n dt h e i n c r e m e n to fi n t e r n a lf r i c t i o na n g l ei sn o to b v i o u s i na d d i t i o n ，d i f f e r e n td i s t r i b u t i o n m 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 ft h ec o m p l e x 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 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 eg r a s s p l a n t r o o t sc a l lr 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 tc a n c h a n g et h es t r e s s - s t r a i ns t a t e o ft h es h a l l o ws o i l ；a n dt h eg r a s sr o o t si n c r e a s et h ec o h e s i o no ft h es h a l l o ws o i lw h i c h i 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 yb u tn o to b v i o u se f f e c tt ot h ed e p t hs o i l k e yw o r d s ：s l o p ep r o t e c t i o n ；m e c h a n i s m s ；t e n s i l es t r e n g t h ；s h e a r 蜘g m ；r o o t s o i ls y s t e mc o m p l e x ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s i l l 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作 及取得的研究成果。尽我所知，。除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他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他教育机构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贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意口 l b 、s 、b 学位论文使用授权书 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， 即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位 论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认 可的国家有关机l 构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：和积及导师( 签名) ： 日期柳f 矿 惭嘶 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 本课题的研究意义 2 l 世纪以来，随着国民经济的飞速发展，我国对高速公路建设的投资力度 逐步加大，大型土工建设带来了一系列的工程问题。比如在施工过程中始终伴 随的路基开挖破坏了原有的植被覆盖层，会产生大量的裸露及岩石边坡，如果 不采取有效的防护措施的话，会导致严重的水土流失和生态失衡，造成重大损 失。良好的交通工程设施对维持国民经济的发展起着相当重要的作用，因此， 如何在保持高速公路边坡稳定的基础上保障公路畅通的同时而又不破坏公路周 边的生态环境，是公路建设与管理人员所迫切需要解决的关键问题。 长期以来科学和实践已经逐步证实，植被防护永远是防治水土流失最有效 的措施。植被护坡可以良好地解决边坡工程建设与生态环境破坏的矛盾，不仅 能防护浅层边坡，而且能恢复已破坏的植被，美化环境，保持水土，有效地解 决了边坡工程防护与生态环境破坏的矛盾，实现人类活动与自然环境的和谐共 处。 由于不仅具有固土功效而且还有改善生态环境、涵养水源等其他工程措施 所不具有的作用，植被防护以其经济和环保的优势受到业内人士的广泛关注。 植被根系固土是近年来多学科交叉研究的热点问题，它是一种利用植被涵水固 土的原理稳定岩边坡的同时美化生态环境的新型工程技术，涉及岩土工程学、 恢复生态学、植物学、土壤肥料学以及数学等多学科。植物根系的固土作用是 通过影响土壤的应力、应变状态来实现的，植物根系互相缠绕形成具有一定抗 张拉强度的根系网，如同三维纤维的加筋作用，加筋增加了根土复合体的“粘聚 力。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 性口1 。植被密集的根系可以加固疏松的土壤，使根系与土壤形成一个整体，从而 增大了边坡的稳定性，这一作用在浅层土体中非常重要。 目前，植被护坡技术在国际上尚处于发展阶段。国外学者们对根系固坡作 用的力学机理研究十分重视并取得了领先的地位，如植物根系对岩土体抗冲刷、 抗侵蚀性能增加以及加固边坡的力学机理等研究；国内学者对植被护坡技术的 研究在根系与土体的力学理论研究上相对比较落后。因此，深入开展植被根系 武汉理工大学硕士学位论文 固土机理的研究是非常必要的，它对于边坡防护和生态环境的建设，以及推动 基础研究和交叉学科发展具有重要的理论和现实意义。 1 2 本课题的研究背景 武黄高速公路是一条双向四车道的高速公路，自武汉市关山一路南环铁路 桥至黄石市黄石长江大桥，全长7 0 3 公里。武黄高速公路与黄石长江大桥、黄 石黄梅高速公路、合肥高河埠界子墩高速公路、南昌九江高速公路、九江 景德镇高速公路相通；与宜昌武汉高速公路，京珠高速公路、1 0 7 国道相连， 它作为武汉市的东大门，不仅是省级高速公路的重要骨干线和鄂东地区的一条 主要运输通道，也是构成连接中国中西部与东部沿海地区的沪蓉国道的重要组 成部分，具有显著的线位优势。 武黄高速公路于1 9 9 1 年试运行通车，是我省第一条自筹资金、自行设计、 设施配套的出省高速公路，被誉为“楚天第一路”。作为湖北的第一条建成的高速 公路，武黄高速公路对周边的投资环境来了很长程度的改善，同时也带来了巨 大的经济效益，但由于历史的原因，在设计和施工时经验不够成熟，武黄高速 公路在总体上还没有完全达到省级高速公路的标准，再加上运营时间比较长， 设计交通量早已达到饱和状态，这导致十多年来路面病害的集中爆发。因此， 提高武黄公路路面服务性能，加快改造步伐，是保证武黄高速公路交通通畅的 必由之路啪。 武黄高速其多元的地貌特、复杂的地质特征以及年龄老化，边坡防护势在 必行，具有很强的研究价值。本课题以武黄高速公路鄂州某段为实际背景，在 总结了国内外关于边坡防护的文献的理论基础上，选取黑麦草的草根为试验对 象，对影响土壤一根系复合体的抗剪强度的影响因素( 如根系分布方式、根系分 布密度、根系自身抗拉特性、根土复合体含水量等) 进行定量分析，并建立根土 有限元模型进行数值分析，为边坡绿化植物品种的选择提供理论依据，同时为 定量分析植被根系的固土作用以及进一步的理论研究奠定了基础。 1 3 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被人们重新发现和认识。 2 武汉理工大学硕士学位论文 近年来，在实践应用同时，国内外学者对植被护坡理论研究也不断深入， 呈现出多部门、多学科共同研究的局面，研究集中于单根抗拉，整株抗拔，根 土复合体抗剪强度的提高等方面。解明曙n 3 采用全根系拉拔试验法，研究了自榆 根系的固土能力，结果认为有根系土的抗剪强度远高于无根系土，即使变形后 的残余强度，也高于无根系土，因此根系土壤含水量饱和后，往往能够保持土 体不崩塌。刘国彬等嘲对黄土高原1 2 种常见牧草0 1 1 o m m 毛根生物力学特性 进行了系统研究。结果表明，牧草毛根具有强大的抗拉能力，直径为0 1 0 2 m 禾本科根系抗拉力达1 3 7 n ，毛根抗拉力随直径增加而增大。杨亚川等1 以草本 植被为研究对象，提出了。土壤一根系复合体 的新概念，将根系与土壤视为一 体，研究认为复合体的抗剪强度与法向压力的关系符合库仑定律，复合体抗剪 强度随含根量增加而增大，随含水量增多而减少；土壤粘聚力值与含根量呈正 相关，而内摩擦角与含根量关系不大。朱珊等口一，通过对根系黄土的试验研究， 获得了其抗剪强度指标粘聚力c 和内摩擦角仃值，归纳总结了二者与根系面积 比的关系，导出了黄土与其中根系的各自应力强度。王可钧等嘲讨论了植物固坡 中的有关力学问题，分析了树根抗拉性能、生长方向与土坡稳定性的关系，探 讨了固坡植物与人工结构物共同作用的问题，指出植物固坡的双向作用和适用 条件。代全厚等n 们认为植物根系有较强的固持土壤功能，抗冲指数与根长、根 量之间有明显的相关性。吴淑安等指出，土壤中植物根系的存在可以增强土 壤的抗蚀性，具有植物根系的土壤，其崩解速率远比少根系或缺少根系的土壤 慢。郝彤琦等n 羽提出土壤中草根的作用与钢筋混凝土结构中的钢筋类似，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；周跃n h 町等系统 研究了云南松侧根对土体的水平牵引效应、斜向牵引效应以及侧根摩擦型根土 粘合键的破坏机制，并研制出土壤牵引测试系统。基于莫尔一库仑破坏准则建立 了极限平衡条件下的摩擦型根土粘合键破坏模型。该模型除了可以描述摩擦型 根土粘合键的破坏原理外，还可用于定量地估算、预测摩擦型根土粘合键能够 提供的最大牵引阻力。还研究了云南松垂直根的土壤增强作用。研究表明森林 植被固土护坡的机械效应主要源于树干和根系与斜坡土壤问的机械作用，具体 包括土壤加强作用、锚固作用、斜向支撑作用、坡面负荷作用等。松树垂直根 可以使根际土层的整体抗剪强度平均提高0 9 8 m p a ，使土层对斜向滑动的阻力提 高了4 2 0 9 。乔木根系可以加强土壤颗粒对根的粘聚力和根际土层的聚合力， 在土壤本身内摩擦角度不变的情况下，提高土层对滑移的抵抗力。包括侧根的 斜向加强作用( 或侧根牵引效应) 和垂直根的垂向加强作用，前者指侧向伸延的 武汉理工大学硕士学位论文 根系以侧根牵引阻力的形式提高根际土层斜向抗张强度从而提高土体抗滑力的 作用。通常情况下，土壤滑动和蠕移首先在坡地表面产生若干张力缝隙。这些 缝隙中从相对稳定土体延伸到潜在滑移土体中的侧根，基于本身的抗张强度和 根土粘合力，通过牵引效应增强了根际土层的抗滑力，加固了根际土层。这种 作用的能力与侧根的抗张强度和根在土层中的分布密度呈正相关关系。程洪等n l 蚓系统的总结了根系固土的理论，并通过试验测定了生物软措施草本植物根系的 最大拉力及最大拉力作用下根系断裂面直径，计算植物根系最大抗拉强度，探 讨了草本植物根系网的固土性能，提出根系最大抗拉强度代表根系材料的受力 潜能，可作为评判根系网的固土刚性的一个有效指标。吴彦等n 钔就植物根系对 土壤结构的影响进行了初步研究，认为林木根系通过径级l 舢须根的作用，可 以提高土壤的抗侵蚀能力，其原因在于死根提供有机质、活根提供分泌物作为 土粒团聚的胶结剂，配合须根的穿插和缠结，促进了土粒的团聚，从而增强了 土壤抗分散、悬浮的能力。谢春华等嗍利用分形理论对长江上游暗针叶林生态 系统中主要树种根系不同根系结构稳定土体的能力进行了量化比较，结果表明： 根系结构与稳定土体的能力明显相关，根系直径或树干基径与根系抗拉阻力受 环境条件的影响，关系较为复杂；而根系分形维数更能揭示根系的结构与发育 动态，根系分形维数与抗拉力的对数呈比较稳定的指数函数关系。朱清科等瞳妇 对长江上游贡嘎山森林生态系统不同演替阶段主要树种进行了根系抗拉试验。 研究了根系的长度、直径、生长状况、在土壤中的分布状况和土壤的性状对根 系抗拉度的影响。此外，张俊云等陋朋1 、王幼民等乜引、刘定辉等乜5 1 、封金财等啪 绷从不同角度对根系抗侵蚀以及对边坡稳定性的作用等方面进行了研究。 在世界范围内，对根系的研究以欧洲的研究者为多，研究业绩也相当突出， 其中斯洛伐克的植物生理学家研究小组的研究也非常出色。中国科学院南京土 壤所刘芷宇先生的研究也为国际学术界认可一1 。近年来，每年都召开有关根 及根有关的学术研究国际会议。世界范围内对根的研究可分为对根系的研究和 与对组成根系的单条根的研究两部分( 刘晓冰) d 1 捌。 国外学者们对根系固坡作用的力学机理研究及其数学模型的建立十分重 视。美国、日本、新西兰和奥地利等国家的学者们，分别采用室内外直接剪切 根系室外拉拔根系等方法。这方面，主要集中在植物根系对岩土体抗冲刷、抗 侵蚀能增加以及加固边坡的力学机理研究上。对此，t u r n a n i n a ，w u 等b 3 川3 证实， 根强度与根直径成反比。根据这一发现，须根比粗根更有利于提高土壤固和抗 剪强度，这为在边坡上种植草本植物提供了理论支持；t s u r u t a 等n 5 3 研究了植 4 武汉理工大学硕士学位论文 物垂直根系对土体抗剪强度的增强作用；k a s s i f f 、g r a y 哺1 分别把化学纤维置 入压实土或砂中模拟植物根系的作用进行直剪验，认为植物根系通过提高土体 的内聚力从而增强了土体的抗剪强度，而土体内摩擦角变化不明显；w a l d r o n 等 陬删人先后建立了土壤一根相互作用的力平衡模型，得到一个重要公式，即土 体抗剪强度的增加量和根面积比( h i a ) 成正比。k a z u t o k i 等h 1 蜘人通过观察根 的变形和剪切区的变化发展，得出根系对边坡抗剪强度影响的公式。2 0 世纪8 0 年代，w u 等提出根系与土壤的胶结关系及各有关现代根系抗拉土壤的抗剪试 验等研究，根系固土力学机制的研究上了一个新的高度。日本是开展根系固土 研究较早的国家，其研究偏重于根系调查与含根土体剪力特性方面的探讨。北 村嘉一等曾收集日本1 2 个县3 6 5 处崩塌地资料，发现其根系分布大多集中于土 壤的浅层，深入深层的比例较少；丸谷知己等以树木的胸高直径、树龄及立木 密度等来推估根系的深度、根量及分布状况。北村嘉一及阿部和时指出杉木、 日本黑松等，其根径与拔根抵抗力大约成指数正相关，且由于根系的存在而使土 壤剪力强度增加2 0 0 - 6 0 0 k g m 2 ，增加率在11 - 4 2 。 1 4 本文主要研究内容 综合国内外文献对植被根系固坡的研究，本文提出的主要研究内容及拟解 决的关键问题有： ( 1 ) 对国内外关于生态防护以及根土力学机制的理论研究成果做一个总 结，并建立力学模型，为下一步的实验提供理论依据。 ( 2 ) 现场取样，对不同长度、不同截面和不同根数的植被根系进行室内抗 拉试验，测试其力学特性，建立本构方程。 ( 3 ) 将根系和土壤视为一个整体一根土复合体。对不同根系分布密度、不 同含水量根系分布密度的根土复合体进行大量的室内直剪试验，探讨根系分布 密度、根土复合体含水量对土体抗剪强度的影响。 ( 4 ) 不同根系分布形态对土体的力学性能影响是不同的，本文以简化的根 土复合体模型一垂直型根系模型、水平型根系模型以及错杂型的复合根系模型 来研究植被根系固土护坡的功效。 ( 5 ) 建立关于植物根系与土体的相互作用有限元数值模型，通过模拟出来 的数据分析有无根系对边坡应力和应变的影响，从而探讨植被根系对边坡的稳 定性的贡献。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章生态护坡的理论基础 2 1 生态护坡的概念 尽管生态护坡技术获得了较为广泛的应用，但形成一门学科还是近十几年 的事。在国际上专门以植被护坡为主题的首次国际会议于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，单独用植物或者将植物与土木 工程和非生命的植物材料相结合，以减轻坡面的不稳定性和侵蚀一1 。同时也 存在坡面生态工程或坡面生物工程的概念，是指以环境保护和工程建设为目的 的生物控制或生物建造工程，也指利用植物进行坡面保护和侵蚀控制的途径与 手段。国内学者主要将生态护坡定义为生物护坡、植被固坡、植物护坡等两矧。 生态护坡应包含两个方面的内容，即传统的边坡治理工程与植物种植工程 相结合，确切地说是指开挖边坡形成以后通过工程技术手段在其上种植植物， 利用植物与岩土体的相互作用( 根系锚固作用) 对边坡表层进行防护、加固，使 之既能满足对边坡表层稳定的要求，又能达到恢复被破坏的自然生态环境目的 的护坡方式m 1 。生态护坡技术应该是以生态学、工程力学、植物学、水力学等 学科的基本原理为基础，利用活性植物材料和富含有机质的基材，结合土工网、 锚杆等工程防护技术措施，在坡面构建一个具有生态功能的护坡系统的技术。 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。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 都占有一定的优势。生态护坡技术不仅在公路边坡防护上适宜开展，而且在铁 路、湖边、河道、堤防等都具有相当不错的效果。 2 2 边坡植被的生态护坡机理 2 2 1 植被固坡的生态效应 边坡生态防护对于防止水土流失、保持边坡稳定和公路畅通、保护生态平 衡等有着极其重要的意义。它的生态效应主要体现在以下五个方面n 7 1 。 ( 1 ) 恢复被破坏的生态环境功能 6 武汉理工大学硕士学位论文 在大量的建设中占用了土地、并且改变了原来的生态环境和植物及动物的 栖息地。边坡植物的存在为各种小动物、微生物的生存繁殖提供了有利的环境， 完整的生物链又逐渐形成，被破坏的环境也慢慢地恢复到原始的自然环境。 ( 2 ) 保持水土功能 为了保护路堑、路堤等边坡的稳定，可以利用植物材料进行防护，植物的 根系纵横交织，十分发达，能有效的增加土壤机械家固土能力，对提高防冲， 防蚀能力、保持水土、稳固路基非常有效。植物的蒸发作用和毛细管水的输导 作用，都大量消耗地下水，从而抑制了地下水的上升，增加了路基的强度和稳 定性。净化大气、促进有机污染物的降解。 ( 3 ) 调解净化空气，降低环境污染功能 首先，绿色植物在光合作用过程中能够吸收而氧化碳，放出氧气，自动调 节空气中二氧化碳和氧气的平衡，使空气保持新鲜。其次，由于汽车排出了大 量尾气，不仅污染环境，还会直接损害人体健康。而绿色植物能吸收大量有毒 气体，对空气起到净化作用。再次，空气中漂浮着大量尘埃，是导致细菌和病 毒生殖繁衍的场所，绿色植物对这些尘埃有良好的粘附作用，可创造一个比较 清洁的环境。植物具有修复功能，即植物直接吸收有机污染物、植物释放分泌 物和酶刺激根区微生物的活性和生物转化作用、植物增强根区的矿化作用。 ( 4 ) 降低噪声的功能 绿化的目的在于降低噪声对环境造成的危害。如生长茂盛的野牛草，叶面 积相当于它所占地面积的9 倍左右，茂密的叶片成松软而富有弹性的地表，类 似海绵的吸收声的功能，减缓噪声危害。据北京林科学研究所测定，2 0 m 宽的草 坪，可减少噪声2 d b 。 ( 5 ) 改善路况 美化路容功能。应用植物防护，能调节小环境的温度和湿度，创造一种温 暖适宜、湿润舒适的环境。改善景观，恢复生态环境。通过绿化使乏味不雅观 的环境得到改善，恢复了原有的植被景观。 2 2 2 植被固坡的水文效应 植被在坡面生态工程中的作用坡面侵蚀状况，往往决定于地面径流的强度， 而径流强度却受地面状况、降雨分布和土壤上层的覆盖情况，及土层内部水分 物理化学性质所决定，后者又常为基岩母质的风化程度、土壤发育、团粒及植 7 武汉理工大学硕士学位论文 被生长所决定，其中降雨超渗流径流是形成土壤侵蚀的主要动力，而植被覆盖 的坡地的抗侵蚀性得到强化，并且改善了坡面的小气候，使坡面生态趋向稳定 和两性循环。植被的地上部分可减少或防止降雨对地面的直接撞击溅蚀，这对 控制侵蚀和保护防护面有重要意义。植物尤其是草本植物具有控制土壤侵蚀的 能力，其通过降雨截留、径流延滞、土壤渗流、土层固结等作用，改善坡面小 气候，减缓了土表侵蚀h 。 ( 1 ) 降低破体孔隙水压力。降雨是诱发边坡失稳的重要因素之一植物通 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 3 根系固坡的力学护坡机理 2 3 1 植物根系的分布特征 根系的形态是影响植被固坡作用的主要因素之一。因此，对根系形态的研 究是根系与均质土力学机理研究的重要内容。 2 3 1 1 根系的分布形态 植物的根有三种分布形态：侧根、垂直根和须根。不同的形态对边坡稳定所 起的作用是不同的。一般来说，强劲的垂直根系可以穿过潜在的剪切滑动面， 能显著提高浅层边坡的抗滑能力，水平根系也可以通过与土壤的摩擦力来提高 浅层边坡的抗滑能力。 2 3 1 2 土中根的含量 土中根系的含量是植物根系对边坡稳定性的影响的一个主要因素，不同的 武汉理工大学硕士学位论文 含根量对土的加筋作用的效果是不同的。根系的分布规律表现在随着深度的增 加而逐渐越少。衡量根在土中的含量的一个常用的指标是“根的面积比率 ( r o o t a r e ar a t i o ，简称为p a r ) ，它指的是在一个层断面上( 水平断面或是垂直断面) 根的截面面积占总断面面积的比率。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p a r 随深度变化的曲线如图2 - 1 所示档1 ： 露篪( c 呻 图2 1 砂质堤岸上接骨木根的面积比率随深度变化曲线 由图2 一l 可见，随着深度的增a u r a r 迅速减小，到1 2 m 以下时根的含量趋近 于0 ；在水平断面上p a r 值非常小，这表明大部分根是水平伸展的侧根。在进行 边坡稳定性分析时比较关注的是临界滑动面上的根的面积比率p a r ，通常这个临 界滑动面是平行于坡面的。实际中测量p a r 用的是“纵剖面墙法。 另外一种衡量土中根的含量的方法是“根的生物量集度，即单位体积土中 根的质量，它和p 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 3 1 3 根的抗拉强度 在很多关于根系的抗拉试验的文献中植物根的抗拉强度差别较大，这种差 别与很多因素有关，比如植物种类、生长环境和季节、根的直径、根的生命形 态以及测试方法等。然而这些研究数据中可以得到一个规律，即根的抗拉强度 可以达到7 0 m p a ，一般位于l 一4 0 m p a 之间，而且植物根的抗拉强度一般随着直 径的增大而减小h 9 1 。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，而且相对同样面积比率的粗根具有较大的表面积， 所以细根和土之间的摩擦力较大，抗拔拉力也比较强。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 2 草本植物根系分布 护坡植物一般分为草本类植物和木本类植物两种，黑麦草属于的是草本类 植物。草本植物的根系一般均为直径小于l m m 的须根。根系密度随土壤剖面深 度的分布如图2 - 2 所示咖1 。 * 宣 狡 铡 8 _ 露 寇 警 婿 馨 土层深度绝融 图2 2 草本植物根系密度随土壤剖面的变化 从上图可以看出，根系密度随土层深度的增加可以划分三个区域，即在 o - 3 0 m 土层中根系密度急剧减少，在3 0 - 7 0 m m 的土层逐渐减少，在7 0 m m 以下土 层保持很低水平，趋近子0 。总根数的9 0 集中分布在卜3 0 咖的土层内， 3 卜7 0 棚的土层内根数约占总根数的8 9 6 ，7 0 c m 以下土层仅占总根数的2 左右。 土的含根量与根系密度密切相关，含根量与土层深度呈幂函数关系，其表达式 为：r f l 0 7 7 5 3 7 b - 2 朋n r = - o 9 9 6 6 0 式中：r w 一根系密度( g c m 3 ) 卜土层深度( c m ) 。 2 3 3 草本根系固坡的力学护坡机理 对于边坡而言，由于根系的弹性模量远比土层大，因此，在土层变形过程 中两者产生的变形差就形成了对土层的约束力。这种约束力是通过垂直根系土 体之问的剪应力来传递的。如果是浅层滑动，滑裂面通过垂直根系，那么垂直 根系不但在它和孔壁之间存在剪应力来阻止边坡产生变形，还会产生由于土层 错动而引起的垂直根系自身的剪应力。这样，垂直根系可能会对阻止边坡滑动 起到更大的作用。如果滑裂面较深，超出了土层中垂直根系的深度，则垂直根 l o 武汉理工大学硕士学位论文 系不能真正阻止边坡下滑。植被护坡对浅层滑动作用明显。植被护坡作用机理 是根系的存在提高土体的黏聚强度、根系与土体之间的摩擦，从而提高了土体 的抗剪强度。对应于根系的固土作用，形成了根系固土的理论，主要是浅根的 加筋理论、深根的锚固理论刚。 ( 1 ) 浅根的加筋作用。植物根系可以看作是天然的加筋材料，根土复合 体可以看作是加筋土。根系可以分为垂直根和侧根，垂直根主要起锚固作用， 而侧根主要起加筋作用。植物的浅细根系在边坡浅层错综盘结，根系可视为带 预应力的三维加筋材料。植物的浅细根系与土共同组成根土复合体，这一复合 体改变了土的力学性能，提高了土体的抗剪强度。根据加筋理论，根系提高土 体强度的根本在于土体与根系在变形始末两方面存在着巨大的差异，因而它们 在共同变形过程中，存在着相互错动的趋势。这种错动被根系与土体之间存在 的摩阻连接产生的摩阻力所抵抗，从而使根系承受很大的拉力，同时根系之间 的土体侧向约束力提高了根土复合体的强度。 ( 2 ) 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 土体的稳定性。禾草、豆科植物和小灌木在地下0 7 5 m - 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 3 4 草本植物根土相互作用力学模型 按加筋土原理分析边坡土体的应力状态，即把土中草根的分布视为加筋纤 维的分布，且为三维加筋。根据摩尔一库伦强度理论，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a c 。另外草根的张拉限制了土体的侧向变形使 仃。增加到，+ 盯，从而使摩尔圆向右平移a 盯，在口。不变的情况下使最大剪 应力减小，这两种作用使边坡土体的承载能力提高晦射。如图2 3 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 c + 厶c c 6吩十厶吩 矿 图2 3 有无植被土体的抗剪强度线 以上定性地分析了有无植物根系加筋的土体破坏时不同的摩尔圆。下面建 立草本植物根一土相互作用的力学模型定量分析植物根系的加筋作用。图2 - 4 表 示根的延伸方向与土体的剪切区正交和斜交情形。 正受欹套 飘坐状奢 图2 - 4 根的受力平衡模型机理分析图 我们选正交时的情况来说明根系把对土的剪切应力转化为跟的拉应力的原 理。首先假设根的表面受到足够的摩擦力和约束力使根不至于被拉出。则当土 中有剪应力发生时，根的错动位移会使根伸长从而使根内产生拉力，沿剪切面 切线方向的分力可直接抵抗剪切变形，沿法线方向的分力可增加剪切面上的正 应力，于是，根土复合体抗剪强度的增量为： f r = 丁s i n 日+ t c o s o t a n 缈( 2 一1 ) 式中：靠为由于根的加筋作用所增加的土体的抗剪强度；t 为单位面积土中 的根产生的抗拉力( n ) ；口为单根作用的土体面积；秒为剪切变形角；q o 为土体 的内摩擦角； 1 2 一奎，甲一 - 1 一 武汉理工大学硕士学位论文 根的平均抗拉强度可表示为 = t z a r 一 ( 2 - 2 ) 式中，t 为根的平均抗拉强度，氏a 为根的面积比率。 联立式( 2 1 ) 、( 2 - 2 ) ，可得 = 丁寻( s i n g + c o s g t a n 0 # ( 2 - 3 ) 由于式( 2 3 ) 中( s i n g + c o s o t a n q , ) 的值对于常见的土的口值和缈值变化不 大，可对该项以一个平均值定值k = i 2 代替，所以式( 2 3 ) 简化为 l r = 1 2 t 导 ( 2 - 4 ) 由式( 2 4 ) 可知，平均抗剪强度的增值b 依赖于根的平均抗拉强度r 和根的 面积比a 。a 。 由以上分析可知，土中根系的存在相当于在土体中起了加筋作用，会引起 土体抗剪强度增加，稳定性系数提高。 另外，斜交时：靠= t s i n ( 9 0 。一y ) + t c o s ( 9 0 。一9 0 t a n 缈( 2 5 ) y 2 锄1 瓦丽再萨 ( 2 - 6 ) 。 七+ ( t a l l 。1i ) 1 r 吖 式中：i 为根的延伸方向与剪切面的初始夹角；k 为剪切变形比，k = x h ：h 为剪切区厚度。 在草本植物根系加筋的作用下，土体的抗剪强度可写为： +嘶午乃sino+掣忉毕=1+知-+1：舭jrx t a n ( 2 - 7 ) 红什咖矽+ = p 十午+ 型一+ f c r + 1 一+ 由( 2 7 ) 式可以看出，根的加筋作用是很明显的。在含水量一定的情况下， 加筋后的土体抗剪强度受根量、根系分布形态和根的抗拉强度三者的影响，它 们三者对抗剪强度提高的各自贡献是各不相同的。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章植被根系与土体相互作用的力学分析 3 1 植物根系抗拉强度试验研究 除了垂直根系提供的强大抗剪力外，水平根系的轴向抗拉伸作用对边坡的 抗滑能力也有很大贡献。当浅层坡体在移动时，必定会带动分布在滑动面中的 根系一起移动，使与土壤紧密结合的滑动土体中的根系与土壤之间产生摩擦力， 而根系对土体摩擦力的作用方向与土体滑动的方向相反，这种类似于边坡工程 上的水平抗滑桩作用，对边坡的抗滑能力提高是明显的。另外垂直根系在土体 滑坡的情况下往往也只是被拉出或拉断而很少被剪断，因此作为根系固土的一 个重要指标，根系水平抗拉性能的研究具有重要意义。 3 1 1 黑麦草生物特性概述 多年生黑麦草是禾本科黑麦属多年生疏丛型草本植物，原产西南欧、北非 和西南亚的温带，目前在我国主要分布于华东、华中和西南等地，以长江流域 的高山地区生长最好。其须根发达，耐寒性强，耐践踏能力也强，耐荫性也优 于草地早熟禾，适应干旱、酸性分瘠土壤，常用于路边、固土护坡等。 3 1 2 根系抗拉强度试验 为了能够较准确地测出根系在拉断时的拉力，试验使用y e 2 5 3 6 型静态电阻 应变仪来间接测定。y e 2 5 3 6 型静态电阻应变仪采用现代电子模拟开关技术，具 有稳定性好、电阻平衡范围宽、量程大、分辨率高、精度高、操作简单和不需 电容平衡等特点，是生产、科研中进行结构应力应变精密测量的理想仪器。是 新一代的应力应变测试工具。 3 1 2 1 实验原理及步骤 ( 1 ) 基本原理 根系抗拉强度试验是通过静态电阻应变仪在静拉力强度条件下研究根系材 料的变形的。静态电阻应变仪的电桥通常由贴在试件上的应变片或由应变片和 应变仪中的固定电阻组成，在测量时电桥将电阻应变片产生的电阻变化转换成 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 相应的电流或电压的变化，然后将此微小的电流或电压的变化进行放大的形式 显示出来。由于电桥末端受力和以放大形式显示出来的数字呈线性关系，这样 可以确定抗拉强度的大小。 ( 2 ) 实验步骤 连接应变仪，打开电源并设置通道参数，将5 k g 的砝码垂直悬挂在电桥末 端，待读书稳定时记下屏幕显示的数值。将此数值除5 k g ，得到应变系数k 。 取下砝码，将根系一段固定在电桥末端，对根系另一端施加垂直压力，匀 速缓慢施加拉力直至拉断。记录下拉断时应变仪的最大读数，再按线性关系换 算出拉力值。 根的抗拉强度可参照钢筋混凝土结构中钢筋抗拉力的计算方法计算： p = 4 f 加2 式中：p _ 一根的抗拉强度： f 一根的抗拉力，即根系被拉断时砂包的重量： d 一根系拉断时的断面直径，假定根系面呈圆形。 试验分为8 组试样，每组选取长度一致，截面基本相同的3 根根系，对这8 组 试样依次进行抗拉强度试验，取平均值。 3 1 2 2 实验结果及分析 试验结果分别统计如表3 - 1 。 表3 1 根系抗拉强度p ( m p a ) 和抗拉力f ( n ) 与直径d ( 衄) 关系表格 测试l o 2 lo 3 3o 3 50 4 20 4 5o 5 20 6 0o 6 8 根系断