草本植物根系对植被混凝土基材浅层抗剪强度的影响

论文摘要

植物在边坡生态恢复工程中被广泛应用,其根系在边坡的浅层防护中起着不可忽视的作用。草本植物根系发达,生长快,能在较短时间形成三维空间结构,对边坡生态防护的前期起到了较大的作用。本论文通过在植被混凝土基材上种植两种常用的草本植物:紫花苜蓿和狗牙根,定期观测植物根系的结构特征,并用环刀现场分层取样,进行室内直剪试验,对比基材空白样分析根-土复合体对土壤抗剪强度的影响;探讨抗剪强度与植物根系分维数的关系并建立根系抗剪强度力学模型,分析抗剪强度理论值与试验值存在的差异。采用环刀现场取样的方法能维持植物根系在土壤中的自然分布形态,确切的反映根系的自然特征。得出的主要结论如下:1)植物根系分维数随着生长期的增长有增大的趋势,说明随着生长期的增长,植物根系更加发达,其充斥土体的能力不断增强;同一物种不同土层的根系分维数不同,并呈现出先增加后减小的趋势,植株分蘖数的增加是导致分维数增大的主要原因,后由于根系含量、直径等随土层减小,故分维数降低。2)基材空白样、紫花苜蓿样地和狗牙根样地的土壤抗剪强度均满足莫尔-库伦强度破坏理论;在忽略水分和自重的影响下,基材空白样地基质在时间和空间尺度上是不变的,故基材空白样抗剪强度随时间变化不明显;狗牙根和紫花苜蓿根-土复合体抗剪强度随生长期有增长的趋势,主要是由于随着的增长,根系越加发达,充斥土体的能力越强,根-土复合体相互作用更好。3)对比基材空白样地,根-土复合体对土壤抗剪强度的提高有较大的贡献。狗牙根根-土复合体粘聚力最大增幅为128%,最小为48%,紫花苜蓿根-土复合体粘聚力增幅最大为157%,最小为18%,可见根-土复合体对土壤粘聚力的影响较大;根-土复合体对土壤内摩擦角的影响较小。4)土壤抗剪强度增幅与根系分维数之间有一定的联系,其抗剪强度增幅随根系分维数的增大呈现出先增加后减小的趋势。随着根系分维数增大,根系充斥土体的能力增强,根系的三维空间箍套作用越好,土壤抗剪强度就增大;随着根系分维数的继续增大,根系在土壤中所占的比例越大,根系对土壤的挤胀作用增大,在一定程度上阻碍了土壤抗剪强度增长。5)力学模型计算的根-土复合体抗剪强度从理论上验证了根-土复合体对土壤抗剪强度的增强作用。对比力学模型和试验中抗剪强度的增加幅度,试验中抗剪强度的提高值相对较小,主要是直剪试验中剪切面不一定是最薄弱面,且理论计算中考虑的是所有各系同时被拉断,这与实际有一定的差别。本论文采用植被混凝土基材作为试验样地基材,并种植狗牙根和紫花苜蓿这两种生态护坡常用草本植物,分析根-土复合体浅层抗剪强度的特性,对植被混凝土生态护坡技术的研究、生态护坡效益评价及其推广应用都有着重要的意义。

论文目录

• 内容摘要
• Abstract
• 引言
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出及研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 研究内容与技术路线
• 2 植物护坡基本理论
• 2.1 植物护坡生态功能
• 2.2 根-土复合体抗剪强度的影响因素
• 2.3 本章小结
• 3 根-土复合体剪切试验研究
• 3.1 试验材料
• 3.2 试验方法
• 3.3 本章小结
• 4 根-土复合体剪切试验结果与分析
• 4.1 不同时期植株生长特征和根系特征
• 4.2 不同时期样地抗剪强度变化分析
• 4.3 不同样地根-土复合体抗剪强度对比
• 4.4 根系分形维数与根-土复合体抗剪强度
• 4.5 本章小结
• 5 根-土复合体抗剪强度力学模型
• 5.1 根-土复合体抗剪强度力学模型
• 5.2 力学模型验证分析
• 5.3 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 后记
• 附录： 攻读硕士学位期间发表的学术论著及参与的科研项目