寒旱环境植物根系增强土体强度机理及模型试验研究

作     者：余芹芹 

作者单位：青海大学 

学位级别：硕士

导师姓名：胡夏嵩

授予年度：2012年

学科分类：07[理学] 0713[理学-生态学] 

主      题：寒旱环境 植物根系 根-土复合体 增强土体强度 有限元数值模拟 

摘      要：本文通过对自建试验区种植的草本植物进行原位动态拉拔试验、室内直剪试验，素土和灌木根-土复合体进行原位剪切试验、室内直剪试验以及有限元数值模拟，对比分析了试验区草本和灌木植物根系对边坡土体强度的增强作用，并评价了边坡的稳定性。通过上述研究，得出以下结论： 通过对试验区草本和灌木植物根系进行观测和统计得出，垂穗披碱草和芨芨草根系均为须状根系，须根发达，且垂穗披碱草根系较芨芨草根系多而长，故垂穗披碱草根系在边坡土体中其固土范围较芨芨草范围相对广，两种草本植物均能够显著加筋坡面表层土体，减少坡面水土流失。柠条锦鸡儿和霸王根系为主直根型，其中柠条锦鸡儿侧根系为短的毛细根系，霸王的侧根系相对柠条锦鸡儿侧根系长而粗。种植于30坡度的柠条锦鸡儿和霸王2种灌木相对种植于45坡度的同种植物其根系生长相对发达。 通过对2种草本植物进行野外动态拉拔试验得出，垂穗披碱草和芨芨草的拔出力随着其根长、根径、须根数的增大而增大，且两种草本植物拔出力的动态过程基本相同，即拔出力随着时间的增长呈逐渐增大趋势，当达到拔出力峰值即植物根系完全从土体中拔出后拔出力急剧减小直至为零。 通过对2种草本植物根-土复合体进行室内直剪试验表明，草本植物根系能显著提高坡面土体的粘聚力，从而提高土体的抗剪强度，且垂穗披碱草根系提高土体的粘聚力相对较芨芨草根系显著。 通过对30、45坡度的2种灌木根-土复合体原位剪切试验剪切面处根系的观测统计得出，霸王根-土复合体主根系基本锚固在坡面土体中，根系在剪切过程中主要表现为滑移，侧根系中部分根系被拉断或剪断，而相对较短的根系被拔出，其它相对略长的根系表现为滑移。柠条锦鸡儿根-土复合体在剪切过程中，根系主要被拔出或滑移。在30和45坡体的素土和灌木根-土复合体原位直剪试验中，柠条锦鸡儿根-土复合体和霸王根-土复合体的抗剪力、抗剪强度均大于素土，且其抗剪强度大小关系与室内直剪试验结果一致。基于素土、灌木根-土复合体的原位直剪试验和室内直剪试验的区别，从试样类别、压力大小、试样尺寸等方面进行了比较，认为原位试验结果较为理想。 基于素土和灌木根-土复合体原位直剪试验结果，对素土边坡和灌木植物边坡进行了二维有限元数值模拟，结果表明边坡土体在自重应力作用下，土体的竖向位移较水平位移显著，且坡度对边坡的水平位移、竖向位移及剪应力影响较大，坡度愈缓，边坡的位移相对愈小，应力也相对愈小。同时，通过计算素土边坡、霸王根-土复合体边坡和柠条锦鸡儿根-土复合体边坡的安全系数得出，素土边坡和根-土复合体边坡的安全系数均大于1，边坡均处于稳定状态，且霸王根-土复合体边坡和柠条锦鸡儿根-土复合体边坡的安全系数均大于素土边坡，这体现了植物根系能够增强边坡土体的稳定性，试验结果与原位直剪试验结果相一致。