植物根系对土质边坡浅层稳定性影响分析
植被根系对生态护坡浅层滑动稳定性的影响
陕西水利 Shaanxi Water Resources
No.6 June,2019
植被根系对生态护坡浅层滑动稳定性的影响
栗权
(新宾满族自治县水务局，辽宁新宾113200)
［摘要］ 以抚顺市胜利水电站为研究对象，依据根系形态建立植被根系模型，对蓄水、降雨工况下裸坡、 植被护坡浅层滑动稳定性进行数值模拟，得到坡度与植被坡、裸坡安全系数的拟合曲线。研究表明：在库区不蓄 水时，边坡定性良好；蓄水位以上的坡面种植植被能够有效提高坡体的整体稳定性，乔木根系产生的附加凝聚 力远远高于草和灌木乔木根系产生的附加凝聚力远远高于灌木和植草；植被根系对32。~37。边坡的安全性 能提高比较明显。结果可为植被护坡工程建设提供参考。
-25 -
第6期 2019年6月
陕西水利 Shaanxi Water Resources
1 : 1.76,下级坡坡比为1 : 3.85。场区地层厚度为约为20m~50m, 表面地层为第四系土，土层主要由粘性土和碎石组成。根据附
近工程资料勘察，土层力学性质见表1。
表1工程区岩土层力学特性
岩土层
中风化层 上层土
2计算模型
边坡剖面尺寸见图1,模型上级坡比1 : 1.76,下级坡比 1 : 3.85，坡上缘89叫下缘65 m,总高度46 m,下缘60 m。距 上坡坡顶边缘15 m~55 m处荷载100 kPa，底部!>?=0,边坡左 右两侧X方向位移为0。
边坡，时
的护坡作用工程领域得到广泛研究和证
实現国内学者对土-根的作用机理做了大量研究，并取得了丰
的成 的影响，
等!3基有
对坡 坡稳定性。张丽等网基于物理
边坡稳定模型，分析了基质吸力对边坡稳定性的影响，从能量
植被根系浅层加筋作用对边坡稳定性的影响
植被根系浅层加筋作用对边坡稳定性的影响卜宗举【摘要】植被浅层加筋对边坡稳定性具有积极作用,研究了水平与竖向植物根系对边坡加固的影响.首先分析了植被护坡机理,重点对植被的浅层加筋效果进行分析;然后设计了一种能够考虑加筋作用导致地层各向异性的边坡稳定性算法,该算法可通过整体不平衡力对边坡稳定性进行判别;最后进行了三种不同工况边坡的稳定性分析.研究表明:植被浅层加筋效应仅在坡顶和坡趾附近起到一定作用,对边坡整体滑移面形态几乎不产生影响;在坡顶处水平根系加固效果强于竖直根系,在坡趾处竖直根系加固效果更佳.因此,要使生态护坡起到更好的效果,需在边坡不同位置栽种不同根系类型的植物,如在坡顶和坡趾分别种植水平和竖向根系植物.【期刊名称】《北京交通大学学报》【年(卷),期】2016(040)003【总页数】6页(P55-60)【关键词】边坡稳定性;植被护坡;浅层加筋;各向异性;搜索算法【作者】卜宗举【作者单位】中铁二十一局集团第四工程有限公司,西安710065【正文语种】中文【中图分类】TU43随着我国基础设施建设的快速发展，公路、铁路、水电等大型项目会产生数量众多的人造边坡.长期以来边坡稳定性都是工程界和学术界关注的重点，通常所采用的灰色防护(喷射混凝土、砌片石等)虽能对边坡起到较好的防护作用，但不利于生态环境的保护[1-3].植被生态护坡技术既可有效地对边坡施以防护，又能合理地解决工程防护与生态环境破坏之间的矛盾，实现人与自然的和谐共处[4].我国在植被护坡方面应用最早，但关于这方面的研究日本处于领先地位，如日本最先发明了喷射种子法，并成功应用于公路边坡，随后开发出纤维土绿化工法，此外高次团粒绿化工法、连续纤维绿化工法、生态混凝土技术及植被型多孔混凝土技术都由日本最先开发[4].我国植被护坡技术也处在快速发展的过程中，研究重点主要集中在植被护坡的机理[5-6]、不同植物根系的力学特性及其力学模型、护坡植物的选取和边坡稳定性评价等方面[7-9].虽然当前国内外研究学者早已注意到不同类型植被根系对地层各项异性的影响，但鲜有进行具体研究的报道.本文作者针对植被根系对地层产生的各项异性影响进行研究，分别以水平和竖直两种不同的根系为对象，利用边坡整体稳定性作为判据，设计了一种边坡稳定性算法，分析不同类型植被根系对边坡稳定性的影响.按照植被根系对边坡的防护机理，可分为浅根加筋和深根锚固两大类型，本文研究对象为浅根加筋类型.1.1 浅根加筋产生的各向异性在有植被根系存在的情况下，地层的各向异性明显.地层的各向异性会导致其在不同破坏方向的强度差异较大.这种强度各向异性主要是植被沿根系方向强度较高，垂直根系方向强度相对较低所致.植被根系与破坏面呈现不同角度θ时，剪切面相应呈现出不同的抗剪强度，这种强度各向异性特性可以通过抗剪强度指标黏聚力c，内摩擦角φ的变化来体现[10]，如图1所示.强度各项同性的情况下，土体抗剪强度参数被视为不变的材料参数，在植被加筋作用下，土体强度参数会随着根系的方向而改变.这种变化趋势可近似用多项式进行拟合，如图2所示，结合相关文献，各向异性土层抗剪强度指标的表述方法可表示如下[9-10]：式中ai(i=3,2,1,0)，bi(i=3,2,1,0)分别为各向异性情况下黏聚力和内摩擦角的拟合参数.式(1)、(2)和图2表述了植被根系浅层加筋作用对地层各向异性的影响规律，在此基础上可方便地研究地层各向异性的影响.1.2 植被边坡应力场对于浅根加筋的边坡，因植被一般体量较小，其自身重量可忽略，故可按天然边坡应力场进行分析.一般情况下，竖向应力σy和水平应力σx近似满足如下关系式中：h为竖直方向地层厚度；γ为地层的容重；k为侧压系数.但边坡水平剪应力τxy的分布规律非常复杂，文献[11]利用半无限楔形体应力理论对边坡应力场进行了近似解析，但边界条件与实际边坡有一定差距，运用起来误差较大.而有限元可以较好地对边坡地层弹塑性应力进行模拟，并能方便地提取τxy.作者选用Flac3D软件对一坡高10 m，坡角45°的普通边坡内的水平剪应力进行分析，提取边坡左右及坡底以下各3倍坡高(30 m)区域的应力，首先得到如图3(a)所示的数值应力场，然后提取边坡水平虚线上的水平剪应力进行拟合，图中Y代表深度.最后得到如图3(b)所示的拟合曲线.初始地层参数为：重度18 kN/m3，泊松比0.3，侧压力系数0.42，黏聚力15 kPa，内摩擦角20°.图中x表示分析模型中各点到左下边界点的距离，其中x=30为坡趾与坡面的交点处，图中曲线出现中断是由于地层高度变化导致边界改变的结果.图3所示为不同位置的水平剪应力沿x方向上的分布规律.对不同深度的应力提取结果进行分析，发现τxy符合双高斯峰函数(bigaussian peak function)的分布规律.边坡中某一位置在水平方向上的剪应力τxy可表示为式中:x≤xc时，w=w1；x>xc时，w=w2；τ0,B，xc，w1，w2为待定参数，其取值与边坡边界条件和所处位置有关，可以通过数值应力场拟合得到.边坡潜在破坏路径的切线方向与水平轴夹角α的关系为式中xn，xn+1，yn，yn+1分别为路径上先后两个节点的横坐标与纵坐标.由此，对于某一确定边坡可以由式(3)～式(5)对滑动面上正应力σn进行计算，得到滑动面正应力边坡应力场是分析植被护坡效果的前提，结合前面所得浅层加筋所产生的地层各项异性，就能对整个植被边坡稳定性进行分析.对于边坡稳定性分析而言，临界滑动面的判断是极为重要的环节.随着计算机水平的发展，各种复杂高效的分析方法不断涌现，其中不乏大量搜索算法.针对植被加筋作用下的边坡，本文在前人研究基础上，利用java程序编制了一种简单的边坡滑移面搜索算法，可方便地考虑植被加筋所产生的各项异性，并完成滑移面的绘制.2.1 算法基本原理如图4所示，在边坡表面任取一点作为搜索起点，然后以一定角度向外扩散路径，预先设置好步长，再以所到达的终点为新的起点重复前一步路径的扩散过程，如此往复，直到路径中的终点到达边坡表面为止，本算法类似物理学中链式反应的过程. 该算法具有3种边界，一种为边坡的自然边界，是真实存在的；另一种为计算限制边界，是在地层内部假定的对搜索区域进行限制的虚拟边界，也就是边坡滑移面不可能到达的区域；最后一种是分层边界，即区域内植被根系分界线.算法分析过程与步骤如图5所示.2.2 算法过程控制假设任意初始搜索点坐标为，则下一阶段结束点的坐标为其中:i表示产生路径的编号；r为扩展路径步长.考虑到边坡真实滑裂面在较小的一段距离内曲率变化有限，因此可以对下一阶段路径扩散方向进行限制，分布在上一路径延长线两侧一定角度范围之内.由此对路径终点的坐标进行如下限定式中：yn+1，yn+2分别为下一阶段路径起点和终点在区域内的纵坐标；αn+1为扩散方向与横坐标之间的夹角；θ为扩散控制角度，见图6.这样处理的主要目的是减小不必要的计算过程，缩短分析时间，在满足精度的前提下提高分析效率. 当路径搜索结束后，连接一条完整路径上所有路径点Di，从结束边界点逐代回溯至初始边界点.判断权值的选取既可采用安全系数也可利用不平衡力表示.最危险路径对应的安全系数最小或者不平衡力最大.为了简化分析，规避竖向荷载的影响，本文以水平方向上的整体不平衡力作为权值判别依据.取图7所示边坡中任一潜在滑动体进行分析，在计算所得的边坡滑动路径上任意取一点，该点应力状态可用一个正应力和剪应力表示.其中σn具有引起边坡失稳的水平分力，τn具有阻止边坡失稳的水平分力.但是τn的取值受地层强度限制，最大取值为式中参数c，φ分别为某位置地层黏聚力和内摩擦角.可以将σn和τmax在水平向分力之和取为该点权值，再沿整个滑动路径对水平合力进行积分，由此得到潜在滑块所受整体水平应力，将结果记为该路径的权值，表达式为式中：F为潜在滑动块体的路径权值；α为破坏面与主要根系方向的夹角.由权值定义可知，F≥0时，潜在滑移路径可以保持稳定；F<0时，边坡无法自稳.在整个分析区域搜索最小的权值Fmin所对应的路径，则可得到最不稳定路径.当Fmin=0时，对应的路径就为边坡的临界破坏路径，此时的坡高为临界坡高.综上，可编制相应的算法程序，对边坡稳定性进行分析.3.1 计算工况选取坡角为45°，坡高10 m的三组标准边坡进行研究.分别为无植被边坡、水平根系为主的有植被边坡和竖直根系为主的有植被边坡，有植被边坡的根系深度均为0.3 m，分析模型边界如图8所示.首先根据前文分析方法，利用数值应力场得到边坡内的应力表达，并用式(4)进行表示，通过计算拟合得到式(4)中各参数取值如下.在坡底以下位置，即当y<0时在坡底以上位置，即当y>0时将以上结果代入式(4)即可得到所分析边坡内部任意位置的水平剪应力.再结合式(3)、式(5)和式(6)就能得到边坡内任意方向的正应力σn.为简化分析，假设加筋后地层的重度、泊松比及侧压力系数维持不变，仅强度各向异性参数发生改变，如表1所示.3.2 计算结果将以上初始参数输入计算程序，作为计算输入，输出结果为最小权值和对应滑动路径上的各点坐标，如图9所示.以上所得三条路径所对应的权值是不一样的，比较这三种地层的稳定性可以利用临界高度这一参数.采用上文所提出的算法也可以方便地对临界边坡高度进行计算，只需设定好边坡地层参数和几何参数，然后不断调整坡高，直至所得最小权值接近于0，此时所对应的坡高即为临界坡高.从分析结果可知，植被护坡的存在，只对边坡滑移面的起点和终点位置有一定影响，对整体滑移面位置的影响较小，这主要是因为边坡高度比植被加筋深度大很多，浅层植被护坡只能对边坡表面较浅的土层进行加固.此外，在坡顶处，水平根系边坡滑移面比竖直根系的加固效果更好；在坡趾处，竖向根系的加固效果更佳.由此可见，要想使得植被护坡取得理想的效果，必须在边坡不同位置，栽种不同根系类型的植物，如在坡顶和坡趾分别种植水平和竖向根系植物.通过对植被护坡的研究，设计了一种能够考虑植被根系浅层加筋作用的边坡稳定性算法.该算法能够方便的考虑根系加筋所产生的强度各项异性，取得了较好的分析效果.1)植被根系使得加筋地层产生各向异性，且各项异性对边坡潜在滑移面有一定影响.2)植被护坡的浅层加筋效果对整体滑移面的影响程度较小，只在坡顶和坡趾附近有一定影响，对深层滑移面几乎不产生作用.3)在坡顶处，水平根系边坡滑移面相较于竖直根系具有更好的加固效果，而在坡趾处，竖向根系的加固效果更佳.4)植被护坡设计时，要在边坡不同位置栽种不同根系类型的植物，如在坡顶和坡趾分别种植水平和竖向根系植物，必要时，可以在坡面种植根系较深的灌木，对边坡深层滑移面进行锚固.【相关文献】[1] 查轩，唐克丽，张科利，等.植被对土壤特性及土壤侵蚀的影响研究[J].水土保持学报，1992,6(2)：52-59.ZHA Xuan，TANG Keli，ZHANG Keli，et al. The impact of vegetation on soil characteristics and soil erosion [J].Journal of Soil and Water Conservation,1992, 6(2) :52-59.(in Chinese)[2] 连镇营，李世春. 开挖边坡的三维有限元稳定分析[J]. 北京交通大学学报，2010，34(1)：45-53.LIAN Zhenying, LI Shichun. Stability analysis of soilexcavation by 3D FEM[J]. Journal of Beijing JiaotongUniversity, 2010, 34(1): 45-53. (in Chinese)[3] 刘开云，魏博，刘保国.边坡变形时序分析的进化-自适应神经模糊推理模型[J].北京交通大学学报，2012，36(1)：56-62.LIU Kaiyun, WEI Bo, LIU Baoguo. Analysis model ofslope deformation time series based on the genetic-adaptive neuron-fuzzy inference system[J]. Journal of Beijing Jiaotong University, 2012, 36(1): 56-62. (in Chinese)[4] 段晓明.植被护坡研究与应用现状[J].中国农学通报，2007,23(3)：474-479.DUAN Xiaoming．The status of slope vegetation research and its application[J]．Chinese Agricultural Science Bulletin,2007,23(3) : 474-479．(in Chinese)[5] 周锡九，赵晓峰.坡面植草防护的浅层加固作用[J].北方交通大学学报，1995(2)：143-146. ZHOU Xijiu, ZHAO Xiaofeng. Reinforcement action of slope protection with herbage at shallow layer[J]. Journal of Northern Jiaotong University, 1995(2): 143-146. (in Chinese)[6] 朱海丽，胡夏嵩，毛小青，等．青藏高原黄土区护坡灌木植物根系力学特性研究[J]. 岩石力学与工程学报，2008，27(增2)：3445-3452.ZHU Haili，HU Xiasong，MAO Xiaoqing，et al. Study on mechanical characteristics of shrub roots for slope protection in loess area of Tibetan Plateau[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008，27(S2)：3445-3452. (in Chinese)[7] 付海峰，姜志强，张书丰．植物根系固坡效应模拟及稳定性数值分析[J]．水土保持通报，2007，27(1)：93-98．FU Haifeng，JIANG Zhiqiang，ZHANG Shufeng. Numerical simulation of root reinforcement to stability of slope[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation， 2007，27(1)：93-98. (in Chinese)[8] 刘国彬.黄土高原土壤抗冲性研究及有关问题[J]. 水土保持研究,1997,4(5):91-101.LIU Guobin．Soil anti-scouribility research and its perspectives in loess plateau[J]．Journal of Soil and Water Conservation，1997，4(5) : 91-101．(in Chinese)[9] 张玉军，刘谊平. 层状岩体抗剪强度的方向性及剪切破坏面的确定[J]. 岩土力学，2001，22(3)：254-258.ZHANG Yujun，LIU Yiping. Anisotropy of shear strength of layered rocks and determination of shear failure plane[J]. Rock and Soil Mechanics，2001，22(3)：254-258.(in Chinese)[10] 刘卡丁，张玉军. 层状岩体剪切破坏面方向的影响因素[J]. 岩石力学与工程学报，2002，21(3)：335-339.LIU Kading，ZHANG Yujun. Influence factors on shear failure orientation of layeredrocks[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2002，21(3)： 335-339.(in Chinese)[11] 肖世国，周德培. 边坡开挖应力场的近似解析解[J]. 水利学报，2005，36(1)：16-21.XIAO Shiguo, ZHOU Depei. Approximate analytical solution for stress field of cutting slopes[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2005, 36(1): 16-21. (in Chinese)。
植物根系对边坡稳定方面的研究毕业论文
植物根系对边坡稳定方面的研究毕业论文第1章绪论1.1 问题提出的背景与意义由于人类活动的加剧与全球气候变化的交织作用，导致地球表面各类生态系统大幅度退化，如森林锐减、沙漠扩展、湿地干涸、海平面上升等。
由此引起全球围生物多样性的急剧下降，生态系统高价值功能的丧失，灾害不断，疾病肆虐，人类深深感受到生命支持系统的紊乱与恶变对自身健康与安全的威胁。
于是，人们对环境给予了越来越多的关注。
环境问题的实质是发展问题，要实现人类同环境的协调发展，就要走可持续发展的道路。
交通建设对社会和经济的发展有着非常重要的作用，但同时又是对环境产生严重影响的行业之一。
因此，如何在交通建设的同时保护我们的环境，进而实现交通环境的可持续发展，是迫切需要解决的一个问题。
例如，公路建设中导致了沿线原生植物的破坏、水土流失、土地分割等生态环境问题，同时高速行驶的汽车产生的噪音、震动、排放的尾气也对自然环境造成了污染。
随着对生存与发展问题认识的不断深化，人们的生态环境意识逐渐加强，国家已经十分重视公路建设中的生态环境和环境保护。
在国发【2000】31号文件“国务院关于进一步推进绿色通道建设的通知”中指出：绿色通道要和公路、铁路、水利建设统筹规划，并与工程建设同步设计、同步施工、同步验收。
高速公路由于其造价高，线形指标高，尽管采用多种避让措施以减少对原有生态环境的影响，但是在选线和施工过程中不可避免地对沿线的植被产生破坏，留下许多裸露的边坡。
或是高大峭壁、缺土少肥的路堑边坡、或是贫瘠干旱的路堤边坡，这些边坡普遍存在冲刷侵蚀、水土流失和浅层局部滑坡现象，边坡植被在3～5年甚至更长时间都难以恢复。
如果不及时进行适当防护和植被恢复，将会导致崩塌、滑坡等地质灾害，中断交通，严重影响高速公路的正常使用，同时对环境产生极大破坏。
我国传统的边坡防护常用圬工防护，代表形式有：干砌块石固坡、浆砌片石固坡、灰浆或砂浆抹面固坡、喷射混凝土及打设锚杆固坡等。
这些方式在使用初期对减小坡面侵蚀、保证边坡的稳定性效果很好，作用显著。
边坡稳定性影响因素、稳定性评价以及植物护坡技术浅析
边坡稳定性影响因素、稳定性评价以及植物护坡技术浅析
的70%，而此类地形最易形成边坡，加之我国经济的发展过程中公路、铁路、以及一些建构筑物的修建，边坡问题在我国越来越突出。
关键词：边坡，破坏形式影响因素，稳定性评价植物护坡
引言：
我国山地、高原、丘陵的面积总和占国土面积的70%，而此类地形最易形成边坡，加之我国经济的发展过程中公路、铁路、以及一些建构筑物的修建，边坡问题在我国越来越突出。
边坡病害事故如滑坡、崩塌[1]等的频发给我国的经济发展以及广大人民的生命与财产安全带来了巨大的损害。
论文检测。
故对边坡问题的研究有着重要的意义。
一、边坡的分类
在边坡的分类中，根据分类标准以及研究重点的不同对边坡可有不同的分类。
在我国主要的边坡分类有多种形式，以下仅列举文章用到的两种分类：
按是否人为因素形成可将边坡分为：自然（天然）边坡以及人为边坡。
自然边坡是由一定的环境因素与地质因素形成的外在表现具有一定角度的斜坡。
而人为边坡往往是由于人类的工程活动造成的。
按形成边坡的物质类型可将边坡分为：岩质边坡与土质边坡。
岩质边坡又可分为：沉积岩性边坡、变质岩性边坡与岩浆岩性边坡。
二、边坡的主要破坏类型与破坏机理
1、平面破坏：边坡沿某软弱结构面滑动或倾倒。
根据岩体的破环。
草本植物根系对边坡浅层土体抗剪强度的影响规律研究
式中：τ 为根－土复合体抗剪强度；σ 为无根系土体的正应力；
２２０
安徽农业科学 ２０２３ 年
φ 为无根系土体的内摩擦角；ｃ 为无根系土体的黏聚力；Δτ
为根－土复合体的附加抗剪强度。
ｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｗｈｉｃｈ ｄｅｅｐｅｎｅｄ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｓｏｉｌ ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ ａｎｄ ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｅｒｂａｃｅｏｕｓ ｒｏｏｔｓ．Ｓｅｌｅｃｔｉｎｇ Ｄｉｇｉｔａｒｉａ
ｓａｎｇｕｉｎａｌｉｓ ａｎｄ Ｓｅｔａｒｉａ ｖｉｒｉｄｉｓ ａｓ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｂｊｅｃｔｓ，ｔｈｅ ｓｈｅａｒ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｒｏｏｔ⁃ｓｏｉｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ａｎｄ ｉｔｓ ｒｅｌａｔｅｄ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｓｕｐｅｒｐｏｓｉ⁃
质，通过土体之间的啮合、摩擦作用以及根系与其周围土体
的黏聚力，还可在一定程度上限制土体发生侧向膨胀变形，
的相互作用来提高坡面土体抗剪强度。 毛旭芮等
［８］
通过对
从而提高边坡土体抗剪强度。 因此，可按照加筋土原理分析
不同植物根－土复合体的剪切试验，认为根系主要通过影响
植物根系对边坡土体抗剪能力的改善作用［１２］ 。
角的灰色关联程度均较大，其中黏聚力与干密度的关联程度
差，在降水冲刷与侵蚀等外因作用下，容易造成水土流失，甚
最高。 朱锦奇等［１１］ 基于根－土复合体直剪试验和根系拉拔
至演变成边坡浅层的局部失稳滑动，给矿山生态环境与安全
试验，分析了不同生长时期根系的受力机制，定量评估了根
。 由于植物根系固土能力明显，且不
中图分类号 ＴＶ ８６１ 文献标识码 Ａ
木本植物不同部位对土质斜坡稳定性的影响
木本植物不同部位对土质斜坡稳定性的影响黄少平;晏鄂川【摘要】植被护坡是土质斜坡护坡的一种最为常见和有效的措施,一方面可以防止水土流失,另一方面可以美化环境.分析了木本植物不同部位与土质斜坡稳定性的相关性,并运用Geostudio软件模拟计算了在有无植物茎叶和根系情况下土质斜坡的稳定性系数,分析其对土质斜坡稳定性的影响.结果表明:植物茎叶通过截留作用和蒸腾作用等改变地下水水位来影响土质斜坡的稳定性,但在大风和台风情况下植物茎叶会向斜坡传递风荷载而降低土质斜坡的稳定性;植物根系通过加固作用和成孔作用来影响土质斜坡的稳定性;植被衍生物在进行新陈代谢过程中提高了土体的酸度,增加了土体孔洞数量,从而降低了土质斜坡的稳定性.本研究可为植被护坡工程选择植被类型和设计植被空间分布提供理论依据.【期刊名称】《安全与环境工程》【年(卷),期】2018(025)003【总页数】6页(P21-26)【关键词】植被护坡;土质斜坡;稳定性;木本植物不同部位;Geostudio【作者】黄少平;晏鄂川【作者单位】中国地质大学(武汉)工程学院,湖北武汉430074;中国地质大学(武汉)工程学院,湖北武汉430074【正文语种】中文【中图分类】P642.22近年来，关于斜坡防护措施方面的研究有了很大的进展，各种新方法和新技术已被广泛应用于斜坡防护中，其中由于植被护坡有其独特的优点(防止水土流失和美化环境)，因此被大量应用于土质斜坡的防护中，并且实践证明植被护坡措施在土质斜坡防护中发挥着十分有效的作用。
针对植被对土质斜坡稳定性的影响，目前很多学者从各个角度进行了大量研究，在植被茎叶截留作用和蒸腾作用研究方面，何玉琼[1]指出对植被的截留量起最重要作用的是植被郁闭度、覆盖层、降水量和降雨强度；宋文龙等[2]通过对应用耦合遥感数据的植被冠层截留模型进行模拟与分析，得出地表植被变化是影响植被截留年际差异的主要因素的结论；Fan等[3]利用FEM等模拟方法分析了斜坡上植被不同分布情况下斜坡的稳定性状况，结果发现斜坡上植被的空间分布可影响斜坡的稳定性；汤川典子等[4]的研究表明，林下植被、枯落层与入渗量之间存在着某种程度的相关关系,土壤结皮的有无对裸露化林地入渗量的影响要比土壤的孔隙组成更明显。
植物根系对土质边坡浅层稳定性影响分析
一
１ 根系加筋作用提高土体强 度机理
根据 植物 根 系形态 的不 同 ， 分为 侧根 、 垂直 根和 须
根 。护坡 先锋 植物 主 要 采 用 草本 植 物 和 小 灌 木 ， 为 多
浅层 分 布细根 系植 物 。
从 根系加 固的土 力 学 模 型来 看 ， 在植 被 护 坡 工 程 中， 植物 浅 细根 系与 土体可 看作 共 同受力 、 调变形 的 协 根 一土 加筋 复合 体 。大 量 试 验 和研 究 表 明 ， 系 的 根
速覆盖 边坡 表 面 以防止雨 水侵 蚀 ， 并且 ， 植物 根 系分布 在土体 中能 改善 土 体 的物 理 力 学 性 能 ， 固边坡 表 层 加
了岩 土质边 坡 的浅层 稳定 性 。 式 １为根 系增 大土壤 抗剪 切强 度 的力学 模型 。
土体 ， 提高 边坡 浅层 稳定 性 ， 为 乡土 物种 的栽植 创造 并 条件 Ｊ 。本 文着 重 以植 物根 系加 筋 作 用 为基 础 ， 讨 探
表 １ 几种 常见 护 坡 植 物 根 系 有 效 深 度 ・ ”
种 类 野 牛草 紫 羊 毛 根 系有 效 深 度 ３ ０ ４ Ｏ 种 类 柠 条 锦 鸡 儿 霸 王
反 映边 坡 的变形 、 化趋 势 以及坡 体 薄弱 部位 。 变
植 物根 系加 筋 固土作 用 主要体 现在 根 系能提 高根
一
土复 合体 的黏 聚 力 和 内摩 擦 角 ， 聚 力 提 高尤 为 显 黏
收稿 日期 ：０ ０一ｌ ２１ ０一ｌ ５
基 金 项 目 ： 家 自然科 学 基金 项 目（ ０ ７ ０ ３ ； 家水 体 污 染 控 制 与 治 理 科 技 重 大 专 项 课 题 （ ０ ８ Ｘ ７ ０ ０ ３－ ３ 国 ５ ８ ９４ ） 国 ２ ０ Ｚ ０ １４— ０ ０ ）
植物根系对浅层边坡稳定性的影响研究
关键词：稳定系数；边坡坡度；滑裂面；含水率；含根量
中图分类号：Ｓ１５７．４ ＋ ３３；ＴＶ６９８．２ ＋ ３５ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９ ／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２０．０８．０２２
Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ Ｐｌａｎｔ Ｒｏｏｔｓ ｔｏ ｔｈｅ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｓｈａｌｌｏｗ Ｓｌｏｐｅ
２．Ｈｅｂｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ， Ｚｈａｎｇｊｉａｋｏｕ ０７５０００， Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｐｌａｎｔ ｒｏｏｔｓ ｔｏ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈａｌｌｏｗ ｓｌｏｐｅ， ｔｈｅ ｓｈｅａｒ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｉｎｄｅｘ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｏｔ⁃ｓｏｉｌ ｃｏｍ⁃
ｃｒｅａｓｅ． Ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｈａｓ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｓ １６％． Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｓ １８％， ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ
ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｈａｓ ｔｈｅ ｍｉｎｉｍｕｍ ｉｎｃｒｅａｓｅ． Ｉｎ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ， ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ ｓｌｏｐｅ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｓｈｏｕｌｄ ａｉｍ ａｔ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｕｍ ｍｏｉｓｔｕｒｅ
Ｖｏｌ ． ４ ２ ， Ｎｏ ． ８
Ａｕｇ．，２０２０
２０２０ 年 ８ 月 ＹＥＬＬＯＷ ＲＩＶＥＲ
植物根系加固边坡作用试验研究
2、实验方法
2、实验方法
实验采用控制变量法，设置无植物根系、有植物根系和无植物体三组对照， 通过观测边坡稳定性、土壤力学性质等指标，评价草本植物根系的作用。
三、结果与分析
1、草本植物根系对黄土边坡稳 定性的影响
1、草本植物根系对黄土边坡稳定性的影响
通过观测发现，有植物根系的黄土边坡稳定性明显高于无植物根系和无植物 体组。这表明草本植物根系能够提高黄土边坡的稳定性。
表1：不同处理下黄土边坡稳定 性比较
2、草本植物根系对黄土边坡土 壤力学性质的影响
2、草本植物根系对黄土边坡土壤力学性质的影响
研究显示，有植物根系的黄土边坡土壤力学性质得到显著改善。如表2所示， 有植物根系的土壤抗剪强度、内聚力和内摩擦角均高于无植物根系和无植物体组。 这表明草本植物根系能够改善黄土边坡的土壤力学性质，从而提高边坡稳定性。
2、布置形式与参数选择
2、布置形式与参数选择
植物根系的布置形式和参数选择对于加固边坡的效果至关重要。在布置形式 上，应根据边坡的地形、土壤类型和植物种类等因素进行选择。一般来说，采用 水平和垂直根系相结合的方式能够达到更好的加固效果。在参数选择上，应根系 的数量、长度、直径等因素，以及它们在不同土层中的分布情况。
2、试验方案与操作流程
（2）建立试验样地：在试验区域内建立相同大小的样地，并对每个样地进行 相同的处理。
（3）种植植物：在每个样地中分别种植相应的植物，并按照预设的布局进行 种植。
2、试验方案与操作流程
（4）数据采集：在植物生长一定时间后，对样地进行测量和数据采集，包括 土壤含水量、土壤肥力、土壤温度、边坡稳定性等指标。
试验结果及分析
1、数据与图表描述
1、数据与图表描述
植被对边坡稳定性的影响
R esearch and D esign与设计植被对边坡稳定性的影响赵越跃(中铁十八局集团第四工程有限公司，天津300300)摘要：边坡植被生长特征及其护坡模式的优化研究目前还不够深人，特别是对于植被护坡稳定性影响因素的研究就更少。
以边坡为研究对象，以植物根系的锚固作用为研究重点，采用PLAXIS3D 数值模拟为研究手 段，分析植被根系形态、植物根系密度、植被生长位置三大因素对自然边坡稳定性的影响。
研究结果表明：同 等条件下，水平型根系植被对边坡的加固效果最好;根系密度与边坡的稳定系数成正比;植被生长位置对边坡 稳定性的影响是F 坡顶<F 坡脚<F 坡中<F 全坡均布。
以上研究结果可以作为植物生态护坡前期工作的理论支撑。
关键词：植被；边坡;稳定性；PLAXIS;影响因素DOI ； 10.13219/j.gjg y a t.2021.03.006中图分类号：U416.14文献标识码：A 文章编号= 1672-3953(2021)03-0023-004近年来，高速公路、高速铁路、城市超高层建筑、城市地铁站城一体化T O D 等基础设施随着国 家深化改革而大批兴建，这些基础设施的建设或穿 越山丘和山地的自然边坡，或开挖、切削形成人工边 坡，植被和与之相关的护坡方案是边坡防治和预防 水土流失的首选，边坡植被生长特征及其护坡模式 的优化研究越来越受到关注。
边坡植被覆盖率受人类活动影响严重，促使山 体滑坡、泥石流频频发生[1]。
国内外学者就植物对 边坡稳定性的影响问题已开展了大量的研究工作并 取得一些有益的成果。
研究主要针对不同的植被类 型（如草木、灌木等2 )，通过理论手段3或试验方 法[4]开展研究工作，获得了定性5和定量6的研究成果，成果包括了根系与土相互作用的力学效应7、 根系加固边坡的机理[8]、浅（深）层根系加固边坡效 果及失稳机理9、不同植被加固后边坡变形特征[1°] 等等，通常情况下学者将植被对边坡的影响模型简 化为根系一土复合材料。
边坡植草对坡体稳定性的研究
表层植被土
天然7 17.0
含水率 W/%
天然 17.3
凝聚力 /kPa
天然 42.0
内摩擦 角/（。）
天然
21.0
表2原状不含植物根系（第二年）剪切值
地层
重度
含水率
/(kN-m'3) W/%
凝聚力 /kPa
内摩擦 角/（。）
天然下
天然
表层植被土 14.6
18.4
天然 25.8
天然 25.2
表3重塑不含植物根系（第二年）剪切值
3) S W 35 «> 45 T-?旷旷或一 25 页为-««
距离/m
层土体的渗流、坡面冲刷、抗侵蚀等方面均有影响，这些因素
综合影响边坡土体的稳定性。
[ID：011481]
图2坡比1：0,75
1」6I
U78
参考文献：
[1 ]赵志明，吴光，王喜华.工程边坡绿色防护机制研究[J].岩石
力学与工程学报,2006,25(2) ：299 - 305.
1® 幽/m
汉大学学报(工学版)7010,54(43) ：55 -58.
图3坡比1：0.5
・81・
收稿日 85:2020-10 - 09 作者简介：师华强（1986—）,男，陕西渭南人，硕士，高级工程师，主要 研究方向：岩土工程勘察与设计。
• 80 •
对比分析。
1.2试验取样及测试方法
现场取样分两次对比进行。第一次为选取原状未植草 边坡取样。第二次待坡体种植植被一年之后,植被生长进入 旺盛期进行取样。试验指标为重度、含水率与抗剪强度。
重塑
32.5
由表1 ~ 4的剪切试验结果可知，与原状土（见表2 ）、重 塑土（见表3）相比,含植物根系后（见表4）的土的粘聚力与 内摩擦角均有提高。第二年原状土粘聚力由25. 8 kPa提高 到33.4 kPa；内摩擦角由25.2。提高到32.5。。表1粘聚力较 其他表格高是因为土层的重度大，含水率小。由此可见，土 体中加入植物根系之后,类似于柔性加筋土材料，提高了土 体的粘聚力、内摩擦角。
植被对斜坡稳定性的积极作用和局限性
植被对斜坡稳定性的积极作用和局限性
植被对斜坡稳定性的作用及其局限性
植被的作用，及其在斜坡稳定性中的重要性已经受到越来越多的关注。
它可以帮助斜坡抵抗风、水、土壤和强烈的温度变化，减少雨水和土体内部压力，从而阻止应力集中，有效地改善斜坡的稳定性。
第一，根部系统对斜坡稳定性的影响是最重要的。
根部作为植物的器官，它吸收的水分不仅保证了植物的生长，而且可以减轻斜坡的风力蒂、渗透压，增强斜坡的稳定性。
同时，根系可以使土壤容积更大，增加土壤秩序和强度，抵抗强烈外力，维持斜坡稳定性，防止坡度和沟槽变形，从而延缓斜坡稳定性的减退。
其次，在水力学上，植物也能有效地提高土壤饱和度，改善土壤结构和形状，减少土壤和雨水之间的摩擦力，从而抑制水流的冲刷，减弱斜坡的侵蚀，有助于改善斜坡的稳定性。
另外，植物还有结构功能，可以抵抗大风造成的应力，维持斜坡的稳定性。
同时，植物的资源流可以为斜坡提供土壤的连续性，增加斜坡的强度和质量，因此能抑制滑动和地面变形，起到保护斜坡稳定性的作用。
然而，植被也有一定的局限性，例如雨季期间，植物根系可能会影响斜坡的流水，导致斜坡侵蚀加剧，造成稳定性下降。
如
果斜坡存在某些区域性倾斜，植物还可能增加斜坡的压力，引起滑坡。
植被对斜坡稳定性的作用和局限性可以总结如下：植被的根系可以增加斜坡的稳定性，减少土壤的吸收，增加土壤的有效容积和秩序，减少渗透压，从而阻止应力集中，改善斜坡稳定性。
但在斜坡占用者施行不当情况下，植物可能增加侵蚀，使斜坡稳定性变差，也可能会随时间进一步加剧斜坡的稳定性，从而导致斜坡滑动。
植物根系形态变化及其对土壤环境的响应
植物根系形态变化及其对土壤环境的响应植物的根系对于植物生长发育和营养吸收具有非常重要的作用。
它们不仅可以将植物固定在地面上，还可以吸收水分、营养元素、氧气等重要物质，为植物提供生存所需的一切。
有趣的是，不同的植物会形成不同形态的根系，以适应不同的土壤环境。
一、浅根植物一般来说，生长在沙质或比较轻薄的土壤中的植物，其根系会呈现出较为扩散的形态，称之为浅根植物。
它们的根系较浅，可以快速地吸收到土壤表层的水分和养分。
比如青草和一些旱生植物，它们的根系很少往深处延伸，主要生长在表土层。
二、深根植物相对于浅根植物，生长在草原或森林等比较厚实的土壤中的植物，它们的根系往往会更加占据下层空间，形成更深的根系，称之为深根植物。
这类植物的根系可以往深处延伸，从而让它们可以更好地吸收到深层土壤中的水分和养分。
例如，松树和竹子等植物其根系可以达到数十米深，以便更好地吸收土壤深层的水分和养分。
三、盘根错节的植物有一些植物的根系并没有形成明显的主干和侧根，而是跟随着土壤缝隙的生长，形成了一个盘根错节的形态，这样的植物可以适应不同的土壤类型。
例如，榕树和老鼠果等，它们的根系能够增强植物与土壤之间的黏附力，防止土壤侵蚀和水土流失，使得环境更加稳定。
四、特化根有一些植物在特殊的生长环境下也会形成特殊的根系结构，以适应这些环境。
例如一些沙漠中生长的植物，其根系会形成一种“人字”形结构，以便更好地吸收土壤中的水分；而生长在泥泞地带的植物，它们的根部会生长成一个类似于鱼鳃的结构，可以方便水分和氧气的交换。
植物的根系形态不仅能够适应不同的土壤类型，还可以对土壤环境进行调节。
当土壤干旱或盐碱化时，深根植物的根系可以向深处扎根，吸收更多的水分和养分，并能够减少土壤中的储水层流失；盘根错节的植物可以在土壤中形成一个稳定的网状结构，从而防止土壤流失；一些寄生植物和兰花的根系可以扩散到附近的其他植物根部附着，从而可以获取到更多的水分和养分。
总之，植物的根系形态是与生俱来的遗传特征，也是植物适应环境的重要组成部分。
植被对斜坡稳定性的积极作用和局限性
植被对斜坡稳定性的积极作用和局限性摘要院植物根系在表土层形成了根-复合体，能够增强斜坡土体的抗剪强度，从而起到维持边坡稳定的作用。
但根系主要分布在1 米土层范围内，大部分植被根系并不能延伸到潜在滑动面以下，对维持斜坡稳定性的积极贡献是有限的。
且在同等降雨条件下，植被发育斜坡的抗剪强度可能比裸坡的小，这说明植被护坡具有局限性。
植被发育斜坡有更加丰富的优先流通道———大孔隙，它对滑坡孕育有一定的作用。
Abstract: Plant root-complex, formed in the surface soil, can achieve the purpose of maintaining the slope stability through enhancingthe shear strength of slope soil. While the root zones of most plants distribute generally within 1 meter soil layer and the critical slip surfacepasses below the rooting zone, the root-complex has minimal effect in slope stability. Besides, the shear strength of slope developed byvegetation may be weaker than that of uncovering slope under the same rainfall condition, this suggests that the vegetated slope protectionhas limitations. However, vegetated slope have macrospore flow paths with preferential flow effect, which will have certain effect on landslideinoculation.关键词院植被护坡；斜坡稳定；局限性；危害；降雨入渗Key words: vegetated slope；slope stability；limitation；harm；rainfall infiltration中图分类号院P642 文献标识码院A 文章编号院1006-4311（2014）16-0311-04 0 引言截至目前，植被护坡的应用在工程中随处可见，尤其是在复杂地形地质条件下的高等级公路、铁路边坡工程。
植物根系对土质边坡浅层稳定性影响分析
植物根系对土质边坡浅层稳定性影响分析第42卷第7期2011年4月人民长江YangtzeRiverV o1.42.No.7Apr.,2011文章编号:1001—4179(2011)07—0082—04植物根系对土质边坡浅层稳定性影响分析周正军,许文年,夏振尧,蔡显杨(1.三峡大学土木与建筑学院,湖北宜昌443002;2.三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室,湖北宜昌443002)摘要:植被护坡工程中,先锋植物发达的根系能对边坡土体产生一定程度加筋作用而提高边坡的浅层稳定.用理正岩土软件和Ansysl0.0数值计算软件,计算分析了一简单土坡潜在薄弱面的位置和状态.再以根系加筋理论为基础考虑边坡坡顶加筋,坡脚加筋和全坡面加筋3种工况,分析了根系加筋对边坡土体稳定性提高的幅度以及根系加筋对边坡体影响范围,以此来评价护坡植被根系提高土质边坡浅层稳定的效应,并为先锋物种的选取和搭配提供相应理论依据.关键词:植被护坡;先锋植物;根系加筋;边坡稳定性中图法分类号:TU457文献标志码:A通过在坡面上建植人工基材,引入先锋物种能够对边坡植被恢复起到很好的过渡作用….先锋物种宜选用抗逆性强的草本植物或矮灌木¨,它们能快速覆盖边坡表面以防止雨水侵蚀,并且,植物根系分布在土体中能改善土体的物理力学性能,加固边坡表层土体,提高边坡浅层稳定性,并为乡土物种的栽植创造条件J.本文着重以植物根系加筋作用为基础,探讨护坡先锋植物根系对土质边坡浅层稳定性的影响. 1根系加筋作用提高土体强度机理根据植物根系形态的不同,分为侧根,垂直根和须根.护坡先锋植物主要采用草本植物和小灌木,多为浅层分布细根系植物.从根系加固的土力学模型来看,在植被护坡工程中,植物浅细根系与土体可看作共同受力,协调变形的根一土加筋复合体.大量试验和研究表明,根系的存在增加了土体的剪切强度,根系与土壤的相互作用对于提高坡面土体的抗剪能力具有重要的意义.目前,主要有两种观点揭示这种复合体的力学特性变化机理,分别是准黏聚力原理,摩擦加筋原理.植物根系加筋固土作用主要体现在根系能提高根一土复合体的黏聚力和内摩擦角,黏聚力提高尤为显着.黏聚力的提高增强了加筋土层的强度,提高了岩土质边坡的浅层稳定性.图1为与剪切面呈任意角度的根系受力图示¨,式1为根系增大土壤抗剪切强度的力学模型.一圈1单根加筋力学模型△Jr=(∑Ticos+∑Tisin~btantp)A/A(1)一rctan[】(2)式中,△r为根系增强土体强度平均值;T为单根抗拉强度;为根系变形后与水平向夹角;为岩土体内摩擦角;A/A为根系面积比;z为根系延伸方向与剪切面收稿日期:2010一l0一l5基金项目:国家自然科学基金项目(50879043);国家水体污染控制与治理科技重大专项课题(2008ZX07104—003-03)作者简介:周正军,男,硕士研究生,主要从事边坡生态防护方面研究.E—mail:zhouzhengjun66@126.corn第7期周正军,等:植物根系对土质边坡浅层稳定性影响分析83初始夹角;x/H为剪切变形比.由式1可知,若不考虑根系之间的强度和尺寸差异,根土相互作用可以看成纤维加筋土的模式.表1列出了几种常见护坡先锋植物生长1a后根系在土层中的有效深度.表1几种常见护坡植物根系有效深度?"cm种类根系有效深度种类根系有效深度野牛草30柠条锦鸡儿68紫羊毛4O霸王72四翅滨藜110香根草200早熟禾302浅层根系加固土体数值模拟以植物根系加筋固土机理为基础,兼顾植物根系在土体中的实际分布和作用范围,用有限元数值软件来模拟和评价植物根系加筋作用对于提高边坡浅层稳定性的尺度效应.2.1原始边坡稳定性分析现有1:1的边坡,坡高5m,y=20kN/m,E=100MPa,u=0.33,黏聚力C=10kN/m,内摩擦角=18..用极限平衡法和有限单元法计算原始边坡的稳定系数,找出边坡原始薄弱面.极限平衡法分析中普遍采用莫尔一库仑破坏准则,而Ansysl0.0软件在模拟求解中为了保证计算的收敛性采用D—P破坏准则.考虑两种计算结果的可比性,在利用Ansysl0.0软件进行计算时将D—P准则参数转化成等价莫尔一库仑破坏准则,并采用强度折减理论试算得出最终稳定系数.采用外接圆屈服准则计算的安全系数要比莫尔一库仑等面积圆屈服准则计算的结果大倍",如表2所示.对原始边坡利用两种方法进行计算,得到边坡稳定系数如下表3中所示.表2不同内摩擦角时的7/值/(.)'7/(.)/(.)01.10O401.367701.521101.165501.4288O1.546201.233601.52l901.5553O1.30l表3原始边坡稳定系数具体方法边坡安全系数具体方法边坡安全系数瑞典条分法1.171Janbu法1.207简化Bishop法1.206有限元强度折减法1.233对比表3结果可知,利用有限元强度折减法求边坡稳定系数,不仅能够得到满意的结果,同时还能直观反映边坡的变形,变化趋势以及坡体薄弱部位.边坡变形是边坡在重力作用下的变形趋势(见图2);图3中,边坡的塑性区出口离坡顶处3m左右,塑性带出口宽近0.5m,塑性区入口在坡脚处,其宽度近1.0m,沿坡面发展,并出现明显应力集中现象.因此现考虑在边坡上种植护坡植物,考虑根系对土体的加固作用,潜在滑面会发生迁移,边坡自稳系数会发生变化.图2边坡变形圈3边坡失稳极限塑性区参考常见护坡植物根系在土中有效分布深度和生长趋势,基于根系加筋土体幅度,在如下几类工况中利用强度折减法进行探讨¨.考虑植物根系提高边坡土体黏聚力幅度5个梯度值:20%,40%,60%,80%. 100%;加筋深度3个幅度值:0.5,1.0,1.5nl;3种工况:坡顶加筋,坡脚加筋,全坡加筋.2.2植物根系加筋作用对边坡稳定性影响草本植物根系在0～0.5m土层深度范围内对边坡土体进行加筋,在坡顶植草,坡脚植草和全坡面植草3种工况下,边坡稳定性系数与加筋黏聚力提高之间的关系如图4;在0～1.01TI和0～1.5m深度范围内对边坡土体进行加筋,边坡稳定系数与加筋黏聚力提高之间的关系分别如图5,6.图4—6中,3种工况下边坡浅层稳定性与草本植物根系加筋边坡土体的能力呈正相关关系,说明在一定范围内随着黏聚力提高,边坡稳定系数呈近线性增长.这主要是因为:①加筋层土体强度增大,潜在滑面上抗滑力提高,边坡稳定系数增大,稳定性增强.②根系生长在边坡体中,根系与边坡土体形成根一土复人民长江合体.有根系加筋作用的土层,土体的延性提高,抵抗变形的能力增强,延缓了潜在滑动面贯通,边坡稳定性提高.③根系加筋作用提高了边坡表层土体强度,减少了坡面微裂缝形成,特别是坡顶张拉裂缝的发展,边坡体保持相对完整,使表层土体受力相对均匀,边坡整体稳定性增强.图4边坡稳定系数与黏聚力增幅间的关系(0.5in)图5边坡稳定系数与黏聚力增幅间的关系(1.0m)黏聚力提禹憾匪/%图6边坡稳定系数与黏聚力增幅间的关系(1.5m)3种工况中全坡种植植物时植物根系加固作用最明显,但整体上提高边坡土体稳定性幅度不高,提高范围在10%～17%.出现这种现象的原因在于:①边坡体由于自重作用产生趋向临空面的位移,土体在塑性变形区贯通时边坡体发生滑移破坏,而塑性带入口和出口分别在坡脚和坡顶一定位置.沿着全坡面种植植物,根系对这两个薄弱区土体进行加筋,提高了土体的强度,边坡体稳定性提高.②参考几种常见护坡植物根系分布深度可知,植被只对边坡土体起浅层加固作用,实际穿过潜在滑面的根系有限,只在边坡局部有一定程度作用,在塑性区的入口和出口处体现尤为明显. 因此根系对边坡体稳定性提高幅度是有限的,当超过一定范围,根系加筋作用对于提高边坡稳定性的增率将变得不明显.图4中对比坡顶加筋和坡脚加筋两种工况,在0～0.5m深度范围内坡顶加筋提高边坡稳定性效果总体上要相对明显.这是因为坡脚为边坡变形塑性发展区入口,而坡顶为边坡塑性发展区出口.在人口处坡体受到集中力作用,土体应力相对较大,对这一部分土体考虑根系加筋作用,在根系提高土体强度幅度不大的条件下,坡脚加筋效果也不如坡顶加筋明显.图5, 6中坡脚加筋效果相对坡顶加筋明显,说明随着加筋幅度的提高,加筋在塑性区的入口抵抗滑动面发展的能力增强,在这一部分考虑植物根系的作用相对明显.2.3不同深度范围根系加筋对边坡稳定影响不同深度范围内加筋,植物根系对边坡稳定系数提高程度有所不同.图7反映了全坡面种植护坡草本植物,在3个深度范围内植物根系加筋与边坡稳定系数提高之间的关系.从图中可以看出,在黏聚力提高幅度不大的前提下,边坡稳定系数提高幅度并不是随着加筋深度的增加而增长,而是存在一个临界加筋值(黏聚力提高40%左右),超过这一临界值,在黏聚力一定的情况下,高边坡稳定系数随加筋深度的增加而提高.所以在选择先锋植物时需要考虑植物根系的扎根范围和其对土体加筋作用之间的协调关系,特别是要考虑根系的形态和入土能力,以最大限度发挥植物根系加筋提高边坡稳定性的作用.图7全坡面加筋黏聚力提高幅度与边坡稳定系数的关系3结论与展望(1)护坡植物根系在土层范围内的加筋作用能提高边坡的浅层稳定性,虽然提高的幅度有限,但是根系的作用突出了护坡植被在边坡稳定方面所能起到的积极作用.第7期周正军,等:植物根系对土质边坡浅层稳定性影响分析85 (2)护坡植被根系提高边坡稳定程度与根系对土体的加筋幅度有关,在一定范围内加筋幅度越大,边坡稳定系数提高越大.(3)不同的植被种植情况下,根系提高边坡稳定性最明显工况为全坡面种植.坡顶种植和坡脚种植的加固效果随根系延伸深度发生变化:在0～0.5in深度范围,坡顶种植效果显着;而0～1.0m和0～1.5In深度范围,坡脚种植效果显着.在实际工程中,基于护坡效应的完整性,护坡工程中通常沿全坡面植绿,植物根系加筋作用效果明显.(4)全坡面种植草本植物工况下,在黏聚力提高幅度不大的前提下,边坡稳定系数提高幅度并不是随着加筋深度的增加而增长,而是存在一个I临界值(黏聚力提高40%左右),超过这一临界值,在黏聚力一定的情况下,加筋提高边坡稳定系数随加筋深度的增加而提高.(5)植被护坡工程中,植物对边坡浅层稳定影响是多方面的.虽然这里单独考虑植被根系的加筋作用,凸显了植被在护坡方面的好处,但是所考虑的工况是理想化的状态,有必要进一步分析在有根系作用的情况下地下水的活动,以及植被生理生态活动,如根系吸水,叶片蒸腾等对边坡浅层稳定的影响,这是一个复杂的过程.参考文献:[1]赵方莹,赵廷宁.边坡绿化与生态防护技术[M].北京:中国林业出版社.2009.[2]吴少儒,许文年,王路根,等.喷射护坡绿化技术的物种选择[J]. 中国水土保持.2006.(6):41—43.[3][4】[5][6】[7】[8][9][10][12][13][14][15][16]许文年,夏振尧,戴方喜,等.恢复生态学理论在岩质边坡绿化工程中的应用[J].中国水土保持,2005,(4):3l一33.杨亚川,莫永京,王之芳,等.土壤一草本植被根系复合体抗水蚀强度与抗剪强度的试验研究[J].中国农业大学,1996,1(2):3l一38.陈昌富,刘怀星,李亚平.草根加筋土的室内三轴试验研究[J].岩土力学,2007,28(10):2041～2045.程洪,颜传盛,李建庆,等.草本植物根系网的固土机制模式与力学试验研究(J].水土保持研究,2006,l3(1):62—65.周锡九,赵晓峰.坡面植苹防护的浅层加固作用[J].北方交通大,1995,199(2):143—146.张飞,陈静曦,陈向波.边坡生态防护中表层含根系土抗剪试验研究[J].土工基础,2006,5(3):25—28.程洪,张新全.草本植物根系网回土原理的力学试验探究[J].水土保持通报,2002,22(5):20—23.胡夏嵩,李国荣,朱海丽,等.寒旱环境灌木植物根一土相互作用及其护坡力学效应[J].岩石力学与工程,2009,28(3):613—620.吴景海,王德群,陈环.土工合成材料加筋砂土三轴试验研究[J].岩土工程,2000,22(2):199—204.杨果林,王永和.钢筋(煤矸石)混凝土网格式加筋土挡土结构强度特性与试验研究[J].岩土工程,1999,21(5):534—539.周德培,张俊云.植被护坡工程技术[M].北京:人民交通出版社.2003.杨令强,孙眷阳,杨克坤.生态边坡的力学特性与数值模拟研究[J].岩土工程界,2008,11(9):61—63.赵尚毅,郑颖人,时卫民,等.用有限元强度折减法求边坡稳定安全系数[J].岩土工程,2002,24(3):343—346.付海峰,姜志强,张书丰.植物根系固坡效应模拟及稳定性数值分析[J】.水土保持通报,2007,27(1):92—94.(编辑:郑毅) ResearchOilinfluenceofvegetationrootsonshallowstabilityofsoilslope ZHOUZhengjun,XUWennian一,XIAZhenyao一,CAIXianyang.(1.CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang4 43002,China:2.KeyLaboratoryof GeologicalHazardsonThreeGorgesReservoirAreaofMinistryofEducation,ChinaThreeG orgesUniversity,Ywhang443002,China)Abstract:Thedevelopedrootsofpioneerweedspeciesusedinthevegetationslopeprotection projectscanproduceacertain degreeofreinforcementonthesoiltoimproveshallowlayerstabilityofsoilslope.Basedonge otechnicalsoftwareLizhengandnu—mericalcalculationsoftwareAnsysl0.0,weanalyzethepositionandstateofthepotentialwea kinterfaceofahomogeneoussoilslope.Thenwestudythestrengtheningamplitudeandtheinfluencingscopeoftherootsreinfo rcementbasedonthetheoryofrootsreinforcementconsidering3workconditions:reinforcementatslopetop,slopetoeandwhole slopesurfacerespectively.There—fore,theresultscanevaluatethestrengtheningeffectsofrootsreinforcement,andisvaluablef ortheselectionandcollocationofproperpioneerweedspecies.Keywords:vegetationslopeprotection;pioneerweedspecies;rootreinforcement;slopestab ility。
（论文）植物根系对边坡的加固作用...
第17卷第3期2005年9月江苏工业学院学报J OURNAL O F JI ANG SU pOLYTECHN I C UN I VERS I TYV o l.17N o.3S e p!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!.2005文章编号：1005-8893（2005）03-0027-03植物根系对边坡的加固作用模拟分析"封金财（江苏工业学院环境与安全工程系，江苏常州213016）摘要：采用有限元方法对植物根系加固边坡的作用规律进行了模拟分析，随着根的长度增加，边坡稳定性安全系数也逐渐提高，当根的长度超过3m时，长度增长将不再导致边坡稳定性安全系数的增加；根的数量对边坡稳定性的影响与根长相同，在一定范围内，根的数量越多，边坡稳定性安全系数越高；根对边坡的加固作用的发挥也与根的位置有很大的关系。
根的长度、数量都是随着时间的推移而增长的，所以根的固坡效果也随着时间的推移而加强。
关键词：植物固坡方法；有限元；根系；边坡；稳定性安全系数中图分类号：S157.1文献标识码：A传统的治理与加固边坡的方法是用抗滑桩、挡土墙、预应力锚索等进行消极被动地治理和防御。
这些方法不但在施工期间、使用期间会对环境造成破坏，而且经过若干年以后，工程的使用寿命终结以后，这些建筑垃圾给环境也带来不良影响。
目前在加固边坡和治理滑坡中，尤其是在自然边坡的保护和治理上，采用植物方法与传统的岩土工程方法相结合［1］，不但起了加固边坡保持水土的作用，而且还具有美化环境、改良气候的作用，具有很高的推广应用价值，目前国内外在植物固坡机理［2，3］方面的研究很少，本文运用有限元模拟分析方法对植物根系对深层滑坡的加固机理进行了探讨。
1基本模型植物形态学研究［4］表明，植物的根系一般分布较浅，对于年龄为7!8a的大多数树种，其根系只分布在地表面以下1.5!2m的范围，对于年龄为30a以上的乔木，其根系可以深入到地表面以下3!4m的范围。
木本植物根系对边坡稳定性影响分析
木本植物根系对边坡稳定性影响分析丁伟;孙树林;陈怿旸;储浩;张磊【摘要】The model of slope reinforced by roots is established and the numerical simulation is carried out by using the pullout resistance of different roots length according to the principle of the axial force and the shear resistance of the woody roots system to the slope. In the process of simulation, the effects of the roots length, roots density and rainfall conditions on the slope stability are studied. The results show that the roots of woody plants can improve the shear strength of soil, increase the stability of slope and make the slope more stable. Increasing the length and density of woody plants can make the safety factor of slope larger. The roots system can still increase the safety factor of slope, and has a certain reinforcement effect on the slope under rainfall conditions.%根据木本植物根系对边坡提供轴向力和抗剪力的原理,采用不同根系长度下的抗拔力的取值,建立根系固坡模型并进行数值模拟分析.在模拟过程中,针对根系长度、密度和降雨条件等主要影响因素,研究其对边坡稳定性的影响.结果表明:木本植物根系的存在能够提高土体的抗剪强度,增加边坡的稳定性,使边坡更加趋于稳定;木本植物根系长度的增加和密度的变大,都会增大边坡的安全系数;在降雨条件下,植物根系仍能增大边坡的安全系数,对边坡有一定的加固效果.【期刊名称】《河北工程大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(034)003【总页数】5页(P27-31)【关键词】植物根系;边坡;安全系数;抗拔力【作者】丁伟;孙树林;陈怿旸;储浩;张磊【作者单位】河海大学地球科学与工程学院,江苏南京 211100;河海大学地球科学与工程学院,江苏南京 211100;河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏南京 210098;河海大学地球科学与工程学院,江苏南京 211100;河海大学地球科学与工程学院,江苏南京 211100;河海大学地球科学与工程学院,江苏南京211100【正文语种】中文【中图分类】TU43为促进环境友好型社会的建设，地质灾害防治中对环境保护的要求也在提高。
不同植被类型下植物根系对土壤的影响
不同植被类型植物根系对土壤的影响徐冰 00413017摘要：在植被与土壤的相互作用中，植物的根系是一个重要的纽带。
不同的植被类型中不同的物质组成，使得土壤中的根系具有不同的形态结构、生理特点，导致不同植被类型下的土壤产生了明显的差异。
本文通过对坝上地区相间分布的森林、草原植被的研究根据群落调查和土壤调查的结果，提出由于单子叶植物在草原群落中的重要性比在森林群落中大（一个有意思的结论！），而单子叶植物的须根系在形态上又具有细根分布均匀等特点，所以使得草原土壤的质地更细更均一，层次更分明，而森林土壤则具有较厚的腐殖质层。
关键词：植被类型；植物根系；森林土壤；草原土壤；单子叶植物；双子叶植物植被与土壤之间是相互影响相，互作用的关系。
植物的生长活动是土壤形成的关键因素。
一定气候条件决定了一定的植被类型，不同类型的植被之下又发育着不同的土壤。
特别是在森林和草原这两大类截然不同的植被作用下，森林土壤和草原土壤在很多方面有着明显的差异。
植物体对土壤影响最大的部分就是它的根系。
植物的根系是土壤有机质的来源，为土壤微生物的活动提供环境，对土壤的质地、结构、水分状况和营养元素的含量等都有很大的影响[1]。
对于不同类型的植被，其物种组成不同，则其根系的形态结构、生长方式也就不同，对土壤也就会产生不同的作用。
为解释不同植被下土壤的成因，本文选取坝上地区4个有代表性的样地（森林、草原植被各2个），根据群落调查和土壤调查的直观结果，分析不同植被下土壤的特征差异，及植物根系在这些差异的形成过程中所起的作用。
1.研究区域概况坝上地区位于河北省北部，内蒙古高原南缘，是我国半湿润区到半干旱区、华北平原到内蒙古高原、森林植被到草原植被的过渡地带。
区域内气候条件多样，植被类型丰富，是生态学研究的关键区域[2，3]。
由于是森林向草原的过渡地带，该区域内的天然林成块状的分布。
次生性的天然白桦林常分布于阴坡，而阳坡则是草原或草甸。
森林和草地在山坡两边相间分布，构成该区域内常见的景观，也为植被与各环境因子相互关系的研究提供了方便。
植物根的存在对边坡稳定性的作用
收稿日期:2003-05-25作者简介:封金财(1970-),男,上海交通大学硕士,主要从事植物固坡方面的研究与技术工作.文章编号:1005-0523(2003)05-0042-04植物根的存在对边坡稳定性的作用封金财,王建华(上海交通大学建筑工程与力学学院,上海200240)摘要:总结了国内外在植物根对边坡稳定方面的研究成果,详细介绍了根的分布特征、强度特征,根加筋后土的强度变化以及植物加筋土边坡的稳定性;并提出了植物固坡技术研究领域存在的问题和发展前景.关 键 词:植物;浅位滑坡;根的面积比率;生物量集度;边坡稳定性中图分类号:TU1 文献标识码:A1 土中根的含量土中根的含量不同,根对土的加筋作用的效果不同,从而植物对边坡稳定性的影响程度就不同[2].根是随着深度增加在土中的含量越来越少的.衡量根在土中的含量的一个常用的指标是/根的面积比率0(简记为RAR),它指的是在一个土层断面上(水平断面或垂直断面)根的截面面积占总断面面积的比率.根的面积比率是深度的函数.Shields 和Gray 1993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丛的RAR 随深度变化的曲线如图1所示[3]:由图1可见,随着深度的增加RAR 迅速减小,到1.2m 以下时根的含量已经很小;在水平断面上RAR 一直很小,这表明大部分根是水平伸展的侧根.我们最关心的是临界滑动面上的根的面积比率RAR,通常这个临界滑动面是平行于坡面的.实际中测量RAR 用的是/纵剖面墙法0.还有一种衡量土中根的含量的方法就是/根的生物量集度0[4],即单位体积土中根的质量,它和RAR 存在一定的转化关系.2 根的强度在各种专业技术文献中报道的植物的根的强度差别很大,这种差别主要是由植物品种、生长环境、季节、根的直径、根的生长方位以及测试方法(测量风干的根还是湿根)等等造成的[5].然而从众多的根的强度的数据中可以发现一个规律,这就是:根的强度可以达到70M Pa,一般位于10-40M Pa 之间,针叶状树木的根比落叶乔木的根强度低,灌木的根的强度并不比乔木的根的强度低,这为在第20卷第5期2003年10月华东交通大学学报Journal of East China Jiao to ng Universi ty V ol.20 No.5Oct.,2003堤岸边坡采用灌木固坡提供了依据.而且植物的根的强度一般随着直径的增大而减小[6,7].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,而且由于比同样RAR 的粗根具有较大的表面面积,所以和土之间的摩擦力较大,抵抗拉脱的能力强,抗拉强度和直径之间存在如下的关系:T r =nD d(1)其中:T r =根的抗拉强度(M Pa);D =根的直径(mm);n 、m =对于给定树种的经验系数.由于根的加筋作用提高了边坡的稳定性,相反地,由于伐木、火灾、移植等原因造成植物移走时,根会慢慢腐烂,强度降低,造成边坡稳定性降低.根的强度随时间的变化有如下关系[8]:T rt =T r 0e -bt(2)其中:T r 0=从活树上取样测得的根的强度;T rt =伐木后经过时间t 后根的强度;b =根的腐败概率;t =伐木后到检测根的强度之间的时间.3 根/纤维对土壤的加筋作用3.1 受力平衡模型根纤维提高土的抗剪强度主要是通过根土接触面的摩擦力把土中的剪应力转换成根的拉应力来实现的[8,9],这个过程可图示如下:假设根的表面受有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,根的错动位移使根伸长从而使根内产生拉力TR,TR 的沿剪切面切线方向的分力可直接抵抗剪切变形,TR 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长为:$s =t R [sin H +cos H tan <](3)其中:$s =抗剪强度增量;<=土的内摩擦角;H =剪切区的剪切变形的角度;t R =每单位面积土中根产生的拉力计算根土复合体抗剪强度的增长$s 需要计算根的平均抗拉强度和根的面积比(A R /A).t R =T R (A R /A)(4)而 (A R /A)=E n i a i /A(5)其中:n i =直径为第i 级的根的数量;a i =直径为第i 级的根的平均截面面积.考虑根的抗拉强度是随直径变化的,所以根的平均抗拉强度可以由下式决定:T R =E T i n i a iE n i ai(6)其中:T i =直径为第i 级的根的强度.于是有:$s =T R (A R /A)[sin H +cos H tan <](7)括号中的值[sin H +cos H tan <]对于常见的土的H 值和<值,变化不大,Wu et al.建议[10]对该项以一个平均值1.2代替,所以公式(7)简化为:$s =1.2T R (A R /A)(8)故,平均抗剪强度的提高值$s 完全依赖于根的平均抗拉强度T R 和根的面积比(A R /A).3.2 室内试验和现场试验结果土中根的存在引起的土的抗剪强度增量可用上面的受力平衡模型中的方法来预估,这一结果也通过加筋(L =4.9cm,D =1.75mm 的茅草根)的无粘聚力的砂质土的室内实验得到的应力-应变关系曲线图3和根土复合体的破坏包线图4得到证实[11,12].在图4中的应力-应变关系曲线中可以看到,土加筋后不但抗剪强度提高了,而且在密实土中,43第5期 封金财等:植物根的存在对边坡稳定性的作用峰值后的应力软化现象减弱了;而加筋砂土的破坏包线呈双线性,开始部分较陡,然后向下折并平行于无根加筋的砂土的破坏包线.破坏包线的第二部分外推与坐标轴相交,就得到一个/似粘聚力0,在无粘聚力的干砂土中加筋后得到的这个/似粘聚力0就是根加筋后土的抗剪强度的增量$s,也称之为/根粘聚力0(简记为C R )室内直剪和三轴实验均显示$s 或C R 与根的面积比RAR 成正比.这一结果和由受力平衡模型得到的$s 结论式(8)一致.Endo 和Tsuruto1969年做的现场原位试验也得到了类似的结论[13]:土的抗剪强度的增加与单位体积土中根的重量Q R 成正比.理论预测结果和现场试验结果的一致说明了理论基本上是符合实际的.4 边坡稳定分析4.1 无限滑动面模型所谓的无限滑动面模型适合用于分析滑动面平行于坡面的浅位滑坡[14],它对于容易发生浅层滑脱的砂质边坡适用.植物方法加固边坡主要是防止浅位滑坡的发生,故也可以采用无限滑动面模型分析其稳定性.在稳定性分析中必须考虑地下水的影响,地下水的存在,不仅增加了土中的剪应力,还减小了土的抗剪强度,地下水的流动或渗流会在边坡中产生不稳定的应力,特别是渗流方向朝向坡面时,会对边坡稳定造成严重威胁.用无限滑动面模型分析的边坡安全系数是边坡滑动体的垂直深度H 、渗流方向与水平方向的夹角H 的函数,有如下的关系存在:F =A[tan </tan B ]+B[(C +C R )/C H ](9)A -[1-C u /cos 2B ](10)B =[1/c os 2B tan B ](11)C u ={C w /C )[1/(1+tan Btan H ]}(12)4.2 植物根的加筋效果分析4.2.1 无根加筋时边坡的稳定性在上面的公式(9)中,如果土中无根,则C R =0,(一般砂土边坡C =0)公式(9)变为:F =A[tan </tan B ](13)编程计算,对于坡度为2:1,内摩擦角为34b ,不受外荷载(q 0=0)的砂质边坡(C =0),可以计算出各种渗流方向下的安全系数,结果如图6所示.由式(13)可见,安全系数不受深度的影响,这在图中也可以看出.另外,平行于坡面方向的渗流已经不能使边坡稳定(F <1),H =90b 时相当于无渗流的干坡.4.3 土层中有根时边坡的稳定性在公式(9)中土的加筋效果C R 可由实验室或现场剪切实验测得:由/纵剖面墙法0测得根的单位面积比RAR,和根的强度就可得到C R 随深度H 变化的关系,从而可得出不同深度处不同渗流方向的安全系数,如下图所示:由图7可见,根的存在大大提高了浅层土层(H <1m)的稳定性,甚至对于有渗流的情况也是如此,在深度大于1m 时,根的加筋作用逐渐减弱直至消失)))安全系数和上面计算的没有加筋时的趋于44华东交通大学学报 2003年相同,这一方面是由于随着深度的增加根的单位面积比RA R 减小,另一方面,随着深度的增加粘聚力对总抗剪强度的贡献减小.参考文献:[1]D onald.H.Gray.In fluence of Vegetatio n on the Stability ofSlopes.Proceedi ngs o f the international conference held at the Uni versity Museum,O xford.29-30Sep tember 1994.[2]H.M.Schiechtl and R.Stern.G round Bio engineering Tech 2niq ues fo r Slo pe Protection and Erosion Co ntrol.John wiley &So ns,Inc.[3]Shields, F.D.and D .H.Gray (1993).Effects of Wo odyVegetati on on the structural In tegrity of Sandy Levees.Water Resources Bulletin 28(5):917-931.[4]Bo hm,W.(1979).Metho ds of Studying Roo t Systems.Eco 2lo gical Services N o.33,Berlin:Springer-Verlag.[5]Nilaw eera,N.S.(1994)Influence o f Hard wo od Roo ts on SoilShear Streng th and Slope Stabili ty in Southern Thailand .Ph.D Dissertation,Asian Insti tute of Technolog y,Bangkok.[6]Turmanina,V.I.(1965)O n the Strength of Tree Roo ts.B ul 2letin Mosco w Society Naturalis ts 70(5):36-45.[7]Wu,T.H.,W.P.Mckinell,and D.N.Sw anston (1979)Strength of Tree Roots and Landslides on Prince of Walse Is 2land.Alaska.Canadian Geo technical Journal 16(1):19-33.[8]Hathaway,R.L.and D.Penny (1975),Ro ot Strength inSome Populus and Scdix Clones.New Zealand Journal of Botany 13:333-344.[9]Wald ron,L.J.(1977).The Shear Resistance o f Roo t-perme 2ated Homog eneo us and Stratified Soil.Soil Science Society of A merican Proceedings 41:843-849.[10]Shewbridge,S.E.and N.Sitar (1990)Defo rmation BasedModel fo r Reinforced Sand in D irect Shear.Journal of Geo technical Engineering (A SCE)116(G T7):1153-1157.[11]W u.T.H.,R.M.Maco mber ,R.T.Erb,and P.E.Beal(1988a)Study o f soil 2ro ot in teractions.Jo urnal of Geotechni 2cal Engineering (ASCE)114(G T12):1351-1375.[12]Gray,D.H.and Ohashi,H.(1983).Mechanics of Fiber Re 2info rcement in Sand.Jo urnal of Geotechnical Engineering,ASCE ,V ol.109,No.3.[13]Reistenberg,M.H.and Sov onick D unfo rd,S.(1983).TheRo le of Wo ody Vegetation o n Stabilizi ng Slo pes in the Cincin 2nati A rea.Geologic Soc.of A merica Bulletin.Vol,94,pp 504-518.[14]Endo,T.and Tsuruta,T.(1969)The Effect of Trees Ro otsUpon the Shearing Strength o f Soil .Annual Repo rt o f the Ho kkaido Branch.Tokyo Fo rest E xperiment Station.Volu me 18.[15]松冈元,著.罗汀,姚仰平,编译.土力学[M].中国水利水电出版社.Influence of the Roots on the S lope StabilityFENG Jin 2cai,WANG Jian 2hua(Civil Engineering and Mechanics School ,Shanghai Jiaotong Uni versity,Shanghai 200240,China)Abstract:Having revie wed the findings in the scope of vegetation and slope stability ,the distribution of the roots ,the law of the root strength and the role of the roots in increasing the soil shear strength were introduced in this paper.The relation of roots and slope stability are discussed then .In the end,the problems and the prospect in this field are pro 2posed.Key words:vegetation;shallow 2seated slope;root area ratio;root biomass concentration;slope stability45第5期 封金财等:植物根的存在对边坡稳定性的作用。
植被根系对边坡稳定性的影响分析的开题报告
植被根系对边坡稳定性的影响分析的开题报告一、选题背景和研究意义随着城市化发展进程的加快，大量的边坡工程建设已成为一个普遍的现象。
因此，研究边坡的稳定性成为了当前工程领域中的一个研究热点问题。
同时，随着环境保护意识的提高，植被根系对边坡稳定性的影响引起了人们的关注。
由此可见，植被根系对边坡稳定性的影响不容忽视。
二、研究内容和研究目标本研究旨在探讨植被根系对边坡稳定性的影响，并以此为基础构建相应的边坡稳定性分析模型。
具体研究内容包括：（1）对植被根系结构进行分析，并探究根系的抗拉强度、抗剪强度等力学参数；（2）建立边坡植被根系稳定分析模型，并优化模型，提升模型的精度和可靠性；（3）使用建立的稳定性分析模型，对植被根系对边坡稳定性的影响进行实测和实验分析。
三、研究方法和技术路线本研究将运用定量测量法和数值模拟法进行实验和分析。
具体技术路线包括：（1）对不同类型植被，如灌木、草丛等进行根系结构剖析，获取根系的力学参数；（2）根据文献资料建立数值模型，并根据实验结果进行模型验证与优化；（3）进行模型参数敏感性分析，探究根系结构参数对边坡稳定性的影响。
四、预期成果本研究的预期成果包括：（1）建立植被根系对边坡稳定性影响的分析模型；（2）实验验证模型的准确性与可靠性；（3）得到植被根系对边坡稳定性的量化分析结果，并为相关工程提供参考和指导。
五、研究难点和限制本研究的难点主要在于建立植被根系结构的数值模型，并在试验中精确定量根系的特性参数，以及如何将这些参数与边坡力学运动相结合。
同时，受时间和资源的限制，本研究可能无法覆盖所有不同类型的植被，从而可能对研究结果的全面性产生一定的限制。
六、进度安排本研究计划于2021年9月开始，并于2022年6月完成研究任务。
具体进度安排如下：2021年9月-2021年10月：文献调研、实验准备；2021年11月-2022年1月：组织实施模型建立和数值模拟；2022年2月-2022年4月：数据分析、成果撰写和提交；2022年5月-2022年6月：修订论文、准备答辩。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
植物根系对土质边坡浅层稳定性影响分析第42卷第7期2011年4月人民长江YangtzeRiverV o1.42.No.7Apr.,2011文章编号:1001—4179(2011)07—0082—04植物根系对土质边坡浅层稳定性影响分析周正军,许文年,夏振尧,蔡显杨(1.三峡大学土木与建筑学院,湖北宜昌443002;2.三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室,湖北宜昌443002)摘要:植被护坡工程中,先锋植物发达的根系能对边坡土体产生一定程度加筋作用而提高边坡的浅层稳定.用理正岩土软件和Ansysl0.0数值计算软件,计算分析了一简单土坡潜在薄弱面的位置和状态.再以根系加筋理论为基础考虑边坡坡顶加筋,坡脚加筋和全坡面加筋3种工况,分析了根系加筋对边坡土体稳定性提高的幅度以及根系加筋对边坡体影响范围,以此来评价护坡植被根系提高土质边坡浅层稳定的效应,并为先锋物种的选取和搭配提供相应理论依据.关键词:植被护坡;先锋植物;根系加筋;边坡稳定性中图法分类号:TU457文献标志码:A通过在坡面上建植人工基材,引入先锋物种能够对边坡植被恢复起到很好的过渡作用….先锋物种宜选用抗逆性强的草本植物或矮灌木¨,它们能快速覆盖边坡表面以防止雨水侵蚀,并且,植物根系分布在土体中能改善土体的物理力学性能,加固边坡表层土体,提高边坡浅层稳定性,并为乡土物种的栽植创造条件J.本文着重以植物根系加筋作用为基础,探讨护坡先锋植物根系对土质边坡浅层稳定性的影响. 1根系加筋作用提高土体强度机理根据植物根系形态的不同,分为侧根,垂直根和须根.护坡先锋植物主要采用草本植物和小灌木,多为浅层分布细根系植物.从根系加固的土力学模型来看,在植被护坡工程中,植物浅细根系与土体可看作共同受力,协调变形的根一土加筋复合体.大量试验和研究表明,根系的存在增加了土体的剪切强度,根系与土壤的相互作用对于提高坡面土体的抗剪能力具有重要的意义.目前,主要有两种观点揭示这种复合体的力学特性变化机理,分别是准黏聚力原理,摩擦加筋原理.植物根系加筋固土作用主要体现在根系能提高根一土复合体的黏聚力和内摩擦角,黏聚力提高尤为显着.黏聚力的提高增强了加筋土层的强度,提高了岩土质边坡的浅层稳定性.图1为与剪切面呈任意角度的根系受力图示¨,式1为根系增大土壤抗剪切强度的力学模型.一圈1单根加筋力学模型△Jr=(∑Ticos+∑Tisin~btantp)A/A(1)一rctan[】(2)式中,△r为根系增强土体强度平均值;T为单根抗拉强度;为根系变形后与水平向夹角;为岩土体内摩擦角;A/A为根系面积比;z为根系延伸方向与剪切面收稿日期:2010一l0一l5基金项目:国家自然科学基金项目(50879043);国家水体污染控制与治理科技重大专项课题(2008ZX07104—003-03)作者简介:周正军,男,硕士研究生,主要从事边坡生态防护方面研究.E—mail:zhouzhengjun66@126.corn第7期周正军,等:植物根系对土质边坡浅层稳定性影响分析83初始夹角;x/H为剪切变形比.由式1可知,若不考虑根系之间的强度和尺寸差异,根土相互作用可以看成纤维加筋土的模式.表1列出了几种常见护坡先锋植物生长1a后根系在土层中的有效深度.表1几种常见护坡植物根系有效深度?"cm种类根系有效深度种类根系有效深度野牛草30柠条锦鸡儿68紫羊毛4O霸王72四翅滨藜110香根草200早熟禾302浅层根系加固土体数值模拟以植物根系加筋固土机理为基础,兼顾植物根系在土体中的实际分布和作用范围,用有限元数值软件来模拟和评价植物根系加筋作用对于提高边坡浅层稳定性的尺度效应.2.1原始边坡稳定性分析现有1:1的边坡,坡高5m,y=20kN/m,E=100MPa,u=0.33,黏聚力C=10kN/m,内摩擦角=18..用极限平衡法和有限单元法计算原始边坡的稳定系数,找出边坡原始薄弱面.极限平衡法分析中普遍采用莫尔一库仑破坏准则,而Ansysl0.0软件在模拟求解中为了保证计算的收敛性采用D—P破坏准则.考虑两种计算结果的可比性,在利用Ansysl0.0软件进行计算时将D—P准则参数转化成等价莫尔一库仑破坏准则,并采用强度折减理论试算得出最终稳定系数.采用外接圆屈服准则计算的安全系数要比莫尔一库仑等面积圆屈服准则计算的结果大倍",如表2所示.对原始边坡利用两种方法进行计算,得到边坡稳定系数如下表3中所示.表2不同内摩擦角时的7/值/(.)'7/(.)/(.)01.10O401.367701.521101.165501.4288O1.546201.233601.52l901.5553O1.30l表3原始边坡稳定系数具体方法边坡安全系数具体方法边坡安全系数瑞典条分法1.171Janbu法1.207简化Bishop法1.206有限元强度折减法1.233对比表3结果可知,利用有限元强度折减法求边坡稳定系数,不仅能够得到满意的结果,同时还能直观反映边坡的变形,变化趋势以及坡体薄弱部位.边坡变形是边坡在重力作用下的变形趋势(见图2);图3中,边坡的塑性区出口离坡顶处3m左右,塑性带出口宽近0.5m,塑性区入口在坡脚处,其宽度近1.0m,沿坡面发展,并出现明显应力集中现象.因此现考虑在边坡上种植护坡植物,考虑根系对土体的加固作用,潜在滑面会发生迁移,边坡自稳系数会发生变化.图2边坡变形圈3边坡失稳极限塑性区参考常见护坡植物根系在土中有效分布深度和生长趋势,基于根系加筋土体幅度,在如下几类工况中利用强度折减法进行探讨¨.考虑植物根系提高边坡土体黏聚力幅度5个梯度值:20%,40%,60%,80%. 100%;加筋深度3个幅度值:0.5,1.0,1.5nl;3种工况:坡顶加筋,坡脚加筋,全坡加筋.2.2植物根系加筋作用对边坡稳定性影响草本植物根系在0～0.5m土层深度范围内对边坡土体进行加筋,在坡顶植草,坡脚植草和全坡面植草3种工况下,边坡稳定性系数与加筋黏聚力提高之间的关系如图4;在0～1.01TI和0～1.5m深度范围内对边坡土体进行加筋,边坡稳定系数与加筋黏聚力提高之间的关系分别如图5,6.图4—6中,3种工况下边坡浅层稳定性与草本植物根系加筋边坡土体的能力呈正相关关系,说明在一定范围内随着黏聚力提高,边坡稳定系数呈近线性增长.这主要是因为:①加筋层土体强度增大,潜在滑面上抗滑力提高,边坡稳定系数增大,稳定性增强.②根系生长在边坡体中,根系与边坡土体形成根一土复人民长江合体.有根系加筋作用的土层,土体的延性提高,抵抗变形的能力增强,延缓了潜在滑动面贯通,边坡稳定性提高.③根系加筋作用提高了边坡表层土体强度,减少了坡面微裂缝形成,特别是坡顶张拉裂缝的发展,边坡体保持相对完整,使表层土体受力相对均匀,边坡整体稳定性增强.图4边坡稳定系数与黏聚力增幅间的关系(0.5in)图5边坡稳定系数与黏聚力增幅间的关系(1.0m)黏聚力提禹憾匪/%图6边坡稳定系数与黏聚力增幅间的关系(1.5m)3种工况中全坡种植植物时植物根系加固作用最明显,但整体上提高边坡土体稳定性幅度不高,提高范围在10%～17%.出现这种现象的原因在于:①边坡体由于自重作用产生趋向临空面的位移,土体在塑性变形区贯通时边坡体发生滑移破坏,而塑性带入口和出口分别在坡脚和坡顶一定位置.沿着全坡面种植植物,根系对这两个薄弱区土体进行加筋,提高了土体的强度,边坡体稳定性提高.②参考几种常见护坡植物根系分布深度可知,植被只对边坡土体起浅层加固作用,实际穿过潜在滑面的根系有限,只在边坡局部有一定程度作用,在塑性区的入口和出口处体现尤为明显. 因此根系对边坡体稳定性提高幅度是有限的,当超过一定范围,根系加筋作用对于提高边坡稳定性的增率将变得不明显.图4中对比坡顶加筋和坡脚加筋两种工况,在0～0.5m深度范围内坡顶加筋提高边坡稳定性效果总体上要相对明显.这是因为坡脚为边坡变形塑性发展区入口,而坡顶为边坡塑性发展区出口.在人口处坡体受到集中力作用,土体应力相对较大,对这一部分土体考虑根系加筋作用,在根系提高土体强度幅度不大的条件下,坡脚加筋效果也不如坡顶加筋明显.图5, 6中坡脚加筋效果相对坡顶加筋明显,说明随着加筋幅度的提高,加筋在塑性区的入口抵抗滑动面发展的能力增强,在这一部分考虑植物根系的作用相对明显.2.3不同深度范围根系加筋对边坡稳定影响不同深度范围内加筋,植物根系对边坡稳定系数提高程度有所不同.图7反映了全坡面种植护坡草本植物,在3个深度范围内植物根系加筋与边坡稳定系数提高之间的关系.从图中可以看出,在黏聚力提高幅度不大的前提下,边坡稳定系数提高幅度并不是随着加筋深度的增加而增长,而是存在一个临界加筋值(黏聚力提高40%左右),超过这一临界值,在黏聚力一定的情况下,高边坡稳定系数随加筋深度的增加而提高.所以在选择先锋植物时需要考虑植物根系的扎根范围和其对土体加筋作用之间的协调关系,特别是要考虑根系的形态和入土能力,以最大限度发挥植物根系加筋提高边坡稳定性的作用.图7全坡面加筋黏聚力提高幅度与边坡稳定系数的关系3结论与展望(1)护坡植物根系在土层范围内的加筋作用能提高边坡的浅层稳定性,虽然提高的幅度有限,但是根系的作用突出了护坡植被在边坡稳定方面所能起到的积极作用.第7期周正军,等:植物根系对土质边坡浅层稳定性影响分析85 (2)护坡植被根系提高边坡稳定程度与根系对土体的加筋幅度有关,在一定范围内加筋幅度越大,边坡稳定系数提高越大.(3)不同的植被种植情况下,根系提高边坡稳定性最明显工况为全坡面种植.坡顶种植和坡脚种植的加固效果随根系延伸深度发生变化:在0～0.5in深度范围,坡顶种植效果显着;而0～1.0m和0～1.5In深度范围,坡脚种植效果显着.在实际工程中,基于护坡效应的完整性,护坡工程中通常沿全坡面植绿,植物根系加筋作用效果明显.(4)全坡面种植草本植物工况下,在黏聚力提高幅度不大的前提下,边坡稳定系数提高幅度并不是随着加筋深度的增加而增长,而是存在一个I临界值(黏聚力提高40%左右),超过这一临界值,在黏聚力一定的情况下,加筋提高边坡稳定系数随加筋深度的增加而提高.(5)植被护坡工程中,植物对边坡浅层稳定影响是多方面的.虽然这里单独考虑植被根系的加筋作用,凸显了植被在护坡方面的好处,但是所考虑的工况是理想化的状态,有必要进一步分析在有根系作用的情况下地下水的活动,以及植被生理生态活动,如根系吸水,叶片蒸腾等对边坡浅层稳定的影响,这是一个复杂的过程.参考文献:[1]赵方莹,赵廷宁.边坡绿化与生态防护技术[M].北京:中国林业出版社.2009.[2]吴少儒,许文年,王路根,等.喷射护坡绿化技术的物种选择[J]. 中国水土保持.2006.(6):41—43.[3][4】[5][6】[7】[8][9][10][12][13][14][15][16]许文年,夏振尧,戴方喜,等.恢复生态学理论在岩质边坡绿化工程中的应用[J].中国水土保持,2005,(4):3l一33.杨亚川,莫永京,王之芳,等.土壤一草本植被根系复合体抗水蚀强度与抗剪强度的试验研究[J].中国农业大学,1996,1(2):3l一38.陈昌富,刘怀星,李亚平.草根加筋土的室内三轴试验研究[J].岩土力学,2007,28(10):2041～2045.程洪,颜传盛,李建庆,等.草本植物根系网的固土机制模式与力学试验研究(J].水土保持研究,2006,l3(1):62—65.周锡九,赵晓峰.坡面植苹防护的浅层加固作用[J].北方交通大,1995,199(2):143—146.张飞,陈静曦,陈向波.边坡生态防护中表层含根系土抗剪试验研究[J].土工基础,2006,5(3):25—28.程洪,张新全.草本植物根系网回土原理的力学试验探究[J].水土保持通报,2002,22(5):20—23.胡夏嵩,李国荣,朱海丽,等.寒旱环境灌木植物根一土相互作用及其护坡力学效应[J].岩石力学与工程,2009,28(3):613—620.吴景海,王德群,陈环.土工合成材料加筋砂土三轴试验研究[J].岩土工程,2000,22(2):199—204.杨果林,王永和.钢筋(煤矸石)混凝土网格式加筋土挡土结构强度特性与试验研究[J].岩土工程,1999,21(5):534—539.周德培,张俊云.植被护坡工程技术[M].北京:人民交通出版社.2003.杨令强,孙眷阳,杨克坤.生态边坡的力学特性与数值模拟研究[J].岩土工程界,2008,11(9):61—63.赵尚毅,郑颖人,时卫民,等.用有限元强度折减法求边坡稳定安全系数[J].岩土工程,2002,24(3):343—346.付海峰,姜志强,张书丰.植物根系固坡效应模拟及稳定性数值分析[J】.水土保持通报,2007,27(1):92—94.(编辑:郑毅) ResearchOilinfluenceofvegetationrootsonshallowstabilityofsoilslope ZHOUZhengjun,XUWennian一,XIAZhenyao一,CAIXianyang.(1.CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang4 43002,China:2.KeyLaboratoryof GeologicalHazardsonThreeGorgesReservoirAreaofMinistryofEducation,ChinaThreeG orgesUniversity,Ywhang443002,China)Abstract:Thedevelopedrootsofpioneerweedspeciesusedinthevegetationslopeprotection projectscanproduceacertain degreeofreinforcementonthesoiltoimproveshallowlayerstabilityofsoilslope.Basedonge otechnicalsoftwareLizhengandnu—mericalcalculationsoftwareAnsysl0.0,weanalyzethepositionandstateofthepotentialwea kinterfaceofahomogeneoussoilslope.Thenwestudythestrengtheningamplitudeandtheinfluencingscopeoftherootsreinfo rcementbasedonthetheoryofrootsreinforcementconsidering3workconditions:reinforcementatslopetop,slopetoeandwhole slopesurfacerespectively.There—fore,theresultscanevaluatethestrengtheningeffectsofrootsreinforcement,andisvaluablef ortheselectionandcollocationofproperpioneerweedspecies.Keywords:vegetationslopeprotection;pioneerweedspecies;rootreinforcement;slopestab ility。