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基于灌草根系行为的根土复合体力学特性研究

基于灌草根系行为的根土复合体力学特性研究

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作者：王金奎西安理工大学

学位级别：硕士

灌草结合的植物护坡可有效提高边坡稳定性,基于灌草根系的结构和生态功能等行为特征的根土复合体力学特性研究,对于边坡稳定性及护坡植物的配置具有重要的意义。本文通过室内试验,以广泛用于干旱地区固土的典型灌木(紫穗槐)和草本(黑麦... 详细信息

灌草结合的植物护坡可有效提高边坡稳定性,基于灌草根系的结构和生态功能等行为特征的根土复合体力学特性研究,对于边坡稳定性及护坡植物的配置具有重要的意义。本文通过室内试验,以广泛用于干旱地区固土的典型灌木(紫穗槐)和草本(黑麦草)的混交根系为研究对象,分析了灌草混交根系的行为特征对土体力学特性的影响规律,揭示了灌草混交根系对土体剪切强度与渗透特性的影响,建立了基于根系形态与水分调控机制的根土复合体剪切强度模型。主要研究结论如下:(1)灌木与草本根系形态在不同深度内的分布存在一定差异。黑麦草根系主要分布在0～14cm土层,紫穗槐根系分布在0～28cm 土层;根长密度与根表面积密度在浅层土体总体表现为:黑麦草>紫穗槐黑麦草混交>紫穗槐,在深层土体表现为:紫穗槐黑麦草混交>紫穗槐>黑麦草;黑麦草与紫穗槐的根长密度、根表面积密度与土层深度均遵从指数函数关系。(2)阐明了根系土在降雨入渗以及蒸发蒸腾阶段的水分迁移规律,揭示了灌草根系改善边坡渗透性能的机理。降雨入渗阶段灌、草根系土含水率随时间变化均出现跃升、降低、稳定三个阶段,在浅层土体中,黑麦草比紫穗槐跃升得更快,蒸发蒸腾阶段表层土壤的含水率会迅速降低,深层土壤含水率变化较小,稳定时根系土体积含水率表现为:紫穗槐黑麦草混交>紫穗槐>黑麦草。植物根系的存在可以显著提升土壤的渗透系数,灌草混交根系的渗透系数相比于素土提升了42.32～382.10%,灌木提升了19.85～385.71%;灌草、灌木的渗透系数均随根长与根表面积的增大而增大。(3)灌草混交根系对土体抗剪性能的提升效果优于灌、草单根。高含水率时灌草、灌木、草本3种根系平均粘聚力与素土相比增加幅度为68.11%～183.35%;平均内摩擦角与素土相比增加最大幅度为11.03%;低含水率时平均粘聚力的增加幅度为88.09%～102.04%,平均内摩擦角的最大增加幅度为22.97%。根土复合体粘聚力随着根长密度、根表面积密度的增加呈显著的线性关系,内摩擦角随着根长密度、根表面积密度呈显著的对数函数关系,且增长率随根长密度和根面积密度的增大而减小。(4)引入根长密度来优化柔性加筋模型,建立了黑麦草、紫穗槐以及紫穗槐黑麦草混交根系的根长密度与土层深度之间的指数函数关系;考虑植物形状函数、土壤水分胁迫修正系数与植物潜在蒸腾速率来表征植物根系的吸水,在分析饱和土强度的基础上,综合考虑基质吸力、根系加筋以及根系调节水分引起土体强度的增量,建立了考虑根系分布特征与根系调节水分作用的根土复合体强度模型。

关键词：灌草混交根长密度力学特性抗剪强度模型

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