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考虑根系形态的边坡土体水土特征曲线试验研究

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考虑根系形态的边坡土体水土特征曲线试验研究

作者：王轩中南林业科技大学

学位级别：硕士

植物护坡不仅能提高边坡的稳定性,还能修复被损坏的生态环境。植物固土护坡不仅表现在根系对土体的力学加筋作用,还表现在对土体的水文作用上。论文依托于国家自然科学青年基金项目“基于根系构型定向调控的植物边坡固土机理研究”（项... 详细信息

植物护坡不仅能提高边坡的稳定性,还能修复被损坏的生态环境。植物固土护坡不仅表现在根系对土体的力学加筋作用,还表现在对土体的水文作用上。论文依托于国家自然科学青年基金项目“基于根系构型定向调控的植物边坡固土机理研究”（项目编号:51608545）,通过室内外试验与理论分析相结合的方法,研究植物根系特征对植物边坡土体土-水特征曲线的影响,建立考虑根系形态的水-土特征曲线模型。本文的主要研究内容和研究结论如下:（1）采用全断面开挖方法获取了三株生长期分别为一个月、三个月以及半年生长期的香根草根系,统计和分析了根系数量、根表面积指数以及根系体积比等根系生长形态参数。研究发现香根草根系在生长初期1级根的数量、根径及根长增长速度均相对缓慢。土层截面中的1级根数量随土层深度的增加而递减,2级和3级根数量随土层深度的增加,呈现出类似抛物线或椭圆形状的变化规律。通过对数据进行拟合分析发现,香根草根系各土层截面的根表面积指数（RAI）和根系体积比（Rv）随深度下降的变化规律均符合高斯函数分布。（2）通过现场试验测得有无植被覆盖的边坡基质吸力及含水率的数据,研究分析后得出以下结论:1)受降雨的影响不同深度土层的体积含水率的变化幅度存在差异,深层土壤对降雨的响应程度不如表层土壤敏感。相较于表层土体深层土体根系分布较少,对土壤水分的吸收率更低,深层土壤的含水率相较表层土体变化幅度更小。2)香根草植物边坡土体基质吸力的变化幅度大于同土层的裸土基质吸力。由于表层土体附近分布的根系更密集,且受大气的影响更强烈,因此表层的边坡土体基质吸力变化幅度较大。3)有植被覆盖的边坡土体基质吸力随土体的根表面积指数增大而增大。（3）通过对现场试验所得土体基质吸力数据进行分析,V-G模型能较好的拟合基质吸力与含水率之间的关系。香根草植物边坡土体的土-水特征曲线较裸土的更平缓。土体的根系体积比越大,土-水特征曲线的参数α值越小,进气值越大。香根草边坡土体在相同含水率情况下,基质吸力比裸露边坡的更高。同时根系的存在对土体的饱和含水率、土-水特征曲线的参数n、反弯点及该点处的斜率也均有影响。通过根系体积比Rv预测香根草植物边坡土体的土-水特征曲线,发现预测曲线与试验的实测值吻合程度较高。

关键词：植物护坡非饱和土香根草根系形态基质吸力土水特征曲线

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植物对陕北黄土边坡稳定性的影响

植物对陕北黄土边坡稳定性的影响

作者：陈航西北农林科技大学

学位级别：硕士

近几年来,陕北延安市大力开展治沟造地工程。在工程实施过程中,开挖形成了大量裸露的黄土边坡,存在如滑坡及坍塌等安全隐患。为防护黄土边坡,修复生态环境,采用植物护坡是一种行之有效的措施。本文针对陕北治沟造地工程中开挖边坡的稳... 详细信息

近几年来,陕北延安市大力开展治沟造地工程。在工程实施过程中,开挖形成了大量裸露的黄土边坡,存在如滑坡及坍塌等安全隐患。为防护黄土边坡,修复生态环境,采用植物护坡是一种行之有效的措施。本文针对陕北治沟造地工程中开挖边坡的稳定问题,采用现场实地调查、黄土的物理试验、根土复合体的抗剪试验以及FLAC3D强度折减法数值模拟的方法,对陕北黄土的物理性质、影响边坡稳定的因素和破坏机理、植物固土护坡原理以及紫穗槐根系的加固作用进行研究,为治沟造地工程中黄土边坡的开挖以及植物防护的工程实践提供技术支撑。本文的主要研究工作及研究成果如下:（1）对延安治沟造地工程进行实地调查,陕北延安地貌以黄土丘陵沟壑为主,降雨集中。治沟造地工程建设过程中,开挖产生大量的裸露的黄土边坡,分为无台阶开挖边坡、台阶型开挖边坡和直立型开挖边坡。这些裸露的黄土边坡极易受自然风化、降雨等因素的影响,产生坡面剥落、冲刷破坏、湿陷变形,甚至发生崩塌和滑坡。（2）对黄土物理力学性质进行研究,通过在现场取样和土工试验,得到黄土的密度、含水率、比重、液塑限、颗粒级配和抗剪强度指标。延安治沟造地开挖边坡黄土层以中更新统离石黄土（Q2）为主,在小型边坡或者高边坡上部覆盖着上更新统马兰黄土（Q3）。（3）使用FLAC3D软件强度折减法对不同黄土边坡的稳定性进行数值模拟,分析了边坡的高度、坡度、平台宽度,黄土的粘聚力、内摩擦角对边坡稳定的影响以及变形破坏机理。（4）通过对紫穗槐根土复合土体进行直接剪切试验研究以及紫穗槐防护黄土边坡的数值计算分析,得出以下结论:根土复合土体的抗剪强度符合库仑定律,并随着含水率的增加而减小,随含根量的增加而增大;根土复合土体的粘聚力和内摩擦角都随着含根量的增加而增大,附加粘聚力增量较大,内摩擦角增量较小。含水率越大,附加粘聚力和内摩擦角增量越小,但根系的加筋作用随含水率的上升而增强。紫穗槐根系能够提高黄土边坡的稳定性,加筋作用主要作用于含根量大的表层土,对深层土体的加固作用有限。

关键词：黄土边坡植物护坡根土复合体稳定分析 FLAC3D

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黑龙江省公路土质边坡植物防护机理研究

黑龙江省公路土质边坡植物防护机理研究

作者：孙玉英东北林业大学

学位级别：硕士

论文利用同三公路方正到哈尔滨段改扩建工程,针对黑龙江地区的自然环境和地质地貌条件,从力学和水文两个角度分析了植物护坡的作用机理,介绍了植物护坡的作用,总结了边坡防护方法,论述了边坡土壤含水率和水分迁移、植物根系对边坡失稳... 详细信息

论文利用同三公路方正到哈尔滨段改扩建工程,针对黑龙江地区的自然环境和地质地貌条件,从力学和水文两个角度分析了植物护坡的作用机理,介绍了植物护坡的作用,总结了边坡防护方法,论述了边坡土壤含水率和水分迁移、植物根系对边坡失稳的影响。探索植物防护技术在东北地区边坡防护中的应用。试验采用自制的剪切仪器进行室外剪切试验,自制的剪切试验仪器工作原理与直剪仪工作原理大致相同。通过对没有植物根系边坡土体抗剪强度、有植物根系边坡土体抗剪强度两个方面的试验研究,定量评价植物根系对边坡的锚固作用,并且通过现场试验数据得到实证,现场试验数据表明,不同根系形态的植物抵抗根与土复合体的破坏过程时间是不同的。无论护坡植物是紫穗槐还是胡枝子,从表面土层到深度100cm范围内的含水率随着季节气候变化而发生变化,主要原因是表层土体水分的蒸发、植物根系吸水的作用和冬季水分向冻结区迁移。分别采用草、胡枝子、紫穗槐等护坡植物具有保温作用,其覆盖区土壤地温是逐渐升高的,含水率变化的主要原因是植物根系蒸腾作用。干密度对土的抗剪强度指标影响很小,含水率小于15%,土的粘聚力与含水率成正比关系,含水率大于15%,土的粘聚力与含水率成反比关系。土的内摩擦角与含水率是反比关系。

关键词：高速公路植物护坡抗剪强度锚固作用

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基于生态护坡射流试验的抗冲刷特性研究

水电能源科学 2023年第6期41卷 110-113,201页

作者：张世安刘明潇甄映红刘科黄河水利委员会黄河水利科学研究院河南郑州450003 华北水利水电大学水利学院河南郑州450046 凯里学院建筑工程学院贵州凯里556011 陕西省江河水库工作中心陕西西安710018

植物根系对土体的力学效应是提高边坡抗冲刷性能的重要因素,为了解植物根系在成片水流下的抗冲性能,以常见的水土保持植物高羊茅和狗牙根为例,对植物模型边坡进行射流冲刷试验,对比探讨了不同种类植物根系边坡的冲刷破坏机理。结果表明... 详细信息

植物根系对土体的力学效应是提高边坡抗冲刷性能的重要因素,为了解植物根系在成片水流下的抗冲性能,以常见的水土保持植物高羊茅和狗牙根为例,对植物模型边坡进行射流冲刷试验,对比探讨了不同种类植物根系边坡的冲刷破坏机理。结果表明,各工况下高羊茅边坡、狗牙根边坡及素土边坡的平均侵蚀深度ΔDAE的变化规律具有相似性和一致性,随冲刷流速增加均呈指数函数增加,随冲刷角度增加均呈线性函数增加;各工况下平均侵蚀深度大小普遍为高羊茅植物边坡均在流速为1.6 m/s时各角度的ΔDAE最大,流速高于1.6 m/s后逐渐降低;当冲刷流速一定时,随冲刷角度的增加,ΔDAE有减小趋势。

关键词：植物护坡模型试验水流冲刷抗冲性能

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水道护坡草坪的建植与管理

中国农村水利水电 2001年第S1期 157-158页

作者：蒋志峰刘奎巫建新史青云蒋建柏江苏省句容农业学校喷滴灌工程公司 212400

CS高次团粒植被恢复技术在丰都县产业大道的应用

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CS高次团粒植被恢复技术在丰都县产业大道的应用

作者：敖翔宇重庆交通大学

学位级别：硕士

近年来,随着生态平衡、安全环保和和谐交通日益得到公众的认同和公路建设部门的重视,公路的植物护坡技术得到国家交通部的重视,并把植物护坡作为边坡防护的首选方法。国内公路建设的飞快发展使得公路边坡生态防护系统研究和应用分析引... 详细信息

近年来,随着生态平衡、安全环保和和谐交通日益得到公众的认同和公路建设部门的重视,公路的植物护坡技术得到国家交通部的重视,并把植物护坡作为边坡防护的首选方法。国内公路建设的飞快发展使得公路边坡生态防护系统研究和应用分析引起公路建设部门的高度重视,并成为公路建设中的一个关键环节。但由于受技术、设备等方面局限性影响,目前大多数公路边坡依然采用的是传统的圬工附植被防护,这种植被防护方式受物种单一而植被退化严重和土层浅贫而植被生长不利等限制,经常面临“一年绿、两年黄、三年枯”的窘境。论文结合CS高次团粒植被恢复技术在丰都县产业大道边坡工程的应用,从混合种子的构成、植物生长的基质、边坡植物防护的组合方法等进行实验研究,针对重庆地区的自然环境和地质地貌条件,分析CS高次团粒植被恢复技术在山区边坡防护中应用的可行性和成效性。论文首先通过调研分析,得出公路边坡植被防护常用方法及效果,提出了如何选择适宜各类边坡的防护方式,研究得出目前公路边坡植被防护技术应用中仍然存在问题;其次阐述植物护坡的作用机理和CS高次团粒植被恢复技术特点、施工要求;再次通过CS高次团粒植被恢复技术在产业大道典型边坡上的应用,研发适合产业大道边坡植被防护的施工控制关键技术,用实例分析边坡植被防护技术应用中影响边坡稳定和排水畅通的主要原因,并找到合适的解决办法;最后分析说明CS高次团粒植被恢复技术在产业大道边坡应用的可行性和成效性。

关键词：公路防护植物护坡 CS技术应用论证

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根系黄土力学特性及护坡可靠度研究

根系黄土力学特性及护坡可靠度研究

作者：郑甜长安大学

学位级别：硕士

本文以陕西省西安市白鹿塬黄土区为研究对象,通过多次现场调研取样、现场原位拉拔试验、室内拉拔试验、直剪试验和自制崩解装置的室内崩解试验,结合经典理论模型,探究草本植物在固土方面的作用机理,对RUSLE模型（通用土壤流失方程）中... 详细信息

本文以陕西省西安市白鹿塬黄土区为研究对象,通过多次现场调研取样、现场原位拉拔试验、室内拉拔试验、直剪试验和自制崩解装置的室内崩解试验,结合经典理论模型,探究草本植物在固土方面的作用机理,对RUSLE模型（通用土壤流失方程）中的坡度因子进行修正;并依据所得试验结果,利用Geo Studio仿真软件建立边坡模型,用可靠指标对边坡稳定性进行分析。主要内容包括:1.通过液塑限试验,得到研究区的土样的液限wL=28.4%,塑限wp=15.1%,通过颗粒分析得出颗粒级配情况,通过击实试验得到最佳干密度1.47g/cm3和最优含水率16.16%。在对植物根系的分类中,占比最大的是直根系和须根系,根系形态不同对土体的加筋作用不一致,结合Waldron模型、FBM纤维束模型和位移模型三种经典理论模型,探究草本植物根系固土护坡的原理。2.通过现场原位拉拔试验、基于正交分析的室内单根根系拉拔试验及室内整株植物根系的拉拔试验,发现根系受到的抗拉力与根系生长走向有关,其大小排序为:垂直走向生长>倾斜走向生长>水平走向生长,抗拉力与根系直径呈现线性相关关系。随着根系长度、根系直径和根系表面积的增加,根系受到的抗拉力逐渐增加,抗拉强度逐渐减小。整簇根系的抗拉强度和抗拉力远大于单根根系,由于整簇根系中须根起到了锚固作用,并增大了根土的接触面积,随着根系直径的增大,整簇根系与单根根系受到的抗拉力差值逐渐增大。3.通过室内直剪试验,研究不同法向应力、不同含水率、不同根系含量及不同根系种类对试样抗剪强度的影响。得出在法向应力较低为50k Pa时,根土复合体容易产生剪切力峰值,表现为应变软化型。含水率不同状态也会对根土复合体抗剪性能产生一定影响,含水率过高w=25%时会抑制根系土的加筋作用,当根系土w=15%时,两种根系土破坏时的剪应力与抗剪强度均达到最大。随着含水率的增大,抗剪性强度会先增大后减小。野艾蒿根土复合体和沿阶草根土复合体抗剪强度与破坏时的位移均大于无根土体,野艾蒿和沿阶草均可以增强土体抗剪性能。因此在实际的公路边坡防护过程中,我们合理选用植物种类,能起到一个良好的护坡效果。4.通过参考大量文献并整理试验数据,对RUSLE模型中坡度因子进行修正,提出了坡度与坡度因子的修正关系式:S=-0.0184a2（10）1.6296a-18.019,a是坡度。采用自制的崩解仪器来进行室内崩解试验,动态展示了试样崩解的整个过程和变化规律。可以得到根系加筋土的崩解率和崩解速率均随着含水率的增加而减小。野艾蒿根系土的崩解量随着根系含量的增加呈现先减小后增大的趋势,两种均能有效抑制试样的崩解,使得试样的崩解量和崩解速率均减小。5.通过Geo Studio仿真软件中的SLOPE/W,利用蒙特卡洛法5000次抽样,计算边坡平均安全系数FS、可靠指标β和失效概率P_f,可以得出没有根系覆盖生长的素土坡的安全系数FS=0.981,根系对土体的加筋作用,提高了边坡的可靠度指标,减小失效概率,提高了边坡的稳定性。坡率与平均安全系数、可靠度指标成负相关关系,与失效概率成正相关关系。坡率越大失效概率越接近于100%,坡率越小失效概率越小趋于0。通过可靠性分析,可为提高边坡稳定性提供依据,在实际工程中确保边坡工程的安全。

关键词：根系黄土植物护坡力学性能崩解试验可靠度分析侵蚀

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林草混交根系加固边坡的机理研究

林草混交根系加固边坡的机理研究

作者：贺茜中南林业科技大学

学位级别：硕士

近年来,植物边坡的研究备受国内外学者的关注,工程护坡和生态护坡相结合的护坡新技术也越来越受到重视。前人对植物茎叶及根-土复合体的室内外试验研究均表明,植物对防治边坡水土流失和提高边坡土体稳定性等方面有显著作用。本文以香根... 详细信息

近年来,植物边坡的研究备受国内外学者的关注,工程护坡和生态护坡相结合的护坡新技术也越来越受到重视。前人对植物茎叶及根-土复合体的室内外试验研究均表明,植物对防治边坡水土流失和提高边坡土体稳定性等方面有显著作用。本文以香根草、小叶女贞与湖南本地黏性土的根-土复合体为研究对象,依托国家自然科学基金项目“高强度林草混交根系成型机理与边坡根系土体加固机制研究”(项目号：31270671,2013.01-2016.12)、国家林业局948项目“林草一体化高稳定性生态护坡技术引进”(项目号：2012-4-76,2012.01-2015.12)和湖南省自然科学基金资助项目“植物边坡力学特性研究”(项目号：12JJ5015,2012.01-2014.12)等展开研究。通过一系列针对香根草和小叶女贞的根-土复合体的降雨模拟试验、失水率测定试验、土壤抗蚀性能试验以及直剪试验和三轴剪切试验,研究了在不同因素影响下,林草混合边坡土体含水量、土体抗侵蚀性能和根-土复合体强度以及应力-应变关系,探索了混交根系含量、密度、分布形态和含水量的变化等因素对边坡变形和稳定性的影响规律。通过研究得到了主要的创新性结论如下：(一)水文效应方面1、植物根系可以将土体内的水分含量保持在一定的变化范围之内,能够有效地平衡土体中的含水量,增强边坡的稳定性。而这种平衡效果还受边坡的高度和混合植物种植密度的影响。2、在林草混合植物的种植情况下,边坡坡度越缓,植物种植密度越大,土体内有效须根量越多。3、植物根系对土体抗崩解能力有很大的增强作用,根系越多,土体抗崩解能力越强,含水率越小,土壤完全崩解所需时间越长,抗崩解能力也越强。4、通过对试验结果进行了Origin数据拟合,发现根系含量与抗崩解能力呈幂函数增长关系,并提出了不同初始含水量和不同有效根密度条件下土壤完全崩解所需时间的计算公式。(二)力学效应方面1、混合植物根-土复合体的抗剪强度依然符合库伦抗剪强度的变化规律。且随着含水量的减小,根-土复合体的抗剪强度逐渐增大,在最佳含水率时达到峰值。2、植物根系的存在能够有效的增加复合土体的抗剪强度,并且对于草本植物这种增强效果主要体现在粘聚力的增加上。当含根量在某一定范围内,土体中根系越多,对土体的抗剪强度贡献也就越大;3、直根和斜根对根-土复合体的抗剪强度的影响规律是相似的,都是随着根量的增加而增强;4、通过研究,探讨了纤维束模型中荷载不同分配方式对计算结果的影响。在对已有模型进行改进的基础上,提出了更加接近实际情况计算分析模型。并提出当参数v取为0时,得到的计算结果更符合实际情况;5、植物根系在边坡土体中的存在具有协调土体变形的作用。在已有的研究基础上,本课题针对林草混合的生态边坡的根-土复合体进行了试验和理论研究,探索了香根草和小叶女贞混合植物边坡中,植物根系发挥出的水文和力学效应及其规律,对生态护坡技术进一步研究和工程应用的推广奠定了理论基础。

关键词：植物护坡水文效应力学效应根-土复合体抗剪强度三轴试验

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基于草根锚固效应的生态护坡抗冲机制研究

基于草根锚固效应的生态护坡抗冲机制研究

作者：刘科华北水利水电大学

学位级别：硕士

植物根系对土体的力学效应是提高边坡结构稳定性和抗冲刷性能的重要因素,目前国内外关于植物根系的固土机制及其在成片水流下抗冲性能的相关研究处于一个空白点。本文选取常见的水土保持植物高羊茅和狗牙根为研究对象,首先通过土力学剪... 详细信息

植物根系对土体的力学效应是提高边坡结构稳定性和抗冲刷性能的重要因素,目前国内外关于植物根系的固土机制及其在成片水流下抗冲性能的相关研究处于一个空白点。本文选取常见的水土保持植物高羊茅和狗牙根为研究对象,首先通过土力学剪切试验和根系拓扑分析,对比研究了不同植物根土复合体抗剪切特性能及根系生物量特征值的空间分布规律。然后对植物模型边坡进行射流冲刷试验,对比探讨了不同岸坡环境下边坡冲刷破坏机理和侵蚀变化特征。最后通过综合分析,系统地揭示了植物根系基于固土效应下的成片水流抗冲刷机制的内在规律。研究所得结论对生态护坡的技术发展和工程应用提供一定参考,主要结论如下:(1)高羊茅和狗牙根的抗剪切指标变化规律相近,在0-2cm土层的内摩擦角和黏质力略低于峰值土层(2-8cm),总体上随土层深度的增加而减小,其大小顺序为:高羊茅植物护坡的破坏情况通常是唯一的。冲刷破坏状况(破坏的过程)可分为微弱破坏、轻度破坏、中度破坏、完全破坏五个阶段,流速在0.8～1.6m/s时,两种植物边坡多为轻度或中度破坏,流速在1.6m/s～2.4m/s时多为中度破坏和重度破坏,在3.2～4m/s时,两种植物的破坏程度均接近完全破坏。(4)各工况下高羊茅边坡、狗牙根边坡及素土边坡的平均侵蚀深度D和泥沙流失量M的变化规律具有相似性和一致性,随冲刷流速增加均呈指数函数增加,随冲刷角度增加均呈线性函数增加;各工况下平均侵蚀深度大小普遍为:高羊茅植物边坡均在流速为1.6m/s时各角度的ΔD和ΔM最大,流速高于1.6m/s之后逐渐降低。当冲刷流速一定时,随冲刷角度的增加,ΔD和ΔM呈减小趋势。(5)内摩擦角和黏聚力与平均侵蚀深度呈一元二次方程关系(正相关),与土壤抗冲性指数呈指数关系(负相关);根生物量密度、根表面积密度、根长密度均与平均侵蚀深度均呈指数关系(正相关),与土壤抗冲性指数呈对数关系(负相关)。

关键词：植物护坡根系固土模型试验水流冲刷抗冲性能