香根草根土复合体强度特性试验研究

发布时间：2017-09-03 18:41

  本文关键词：香根草根土复合体强度特性试验研究

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【摘要】：近些年来,随着资源开发和基础建设的快速发展,环境污染和生态破坏越来越严重,这也成为了人类所面临的重大社会问题之一。因此,如何在工程建设中保护环境,实现人与自然的可持续发展,是迫切需要解决的问题。就边坡防护工程而言,目前高速公路的边坡防护大多采用的是传统工程防护技术,如框格防护、砌石防护、封面防护以及支挡工程等,这些工程防护技术不但造价昂贵,而且在施工过程中严重破坏了原有的生态环境,导致更多的滑坡和泥石流灾害发生,影响到防护的效果。随着人们保护环境意识的增强和对环境质量要求的提高,生态护坡技术应运而生。生态防护技术的实质就是将植物防护和工程防护两者合理的结合起来,利用植物根系与土壤相互作用,形成了一种天然的复合材料,以增强坡体的强度并提高其抗滑能力,起到加固边坡土体的效果同时还能美化环境。本文是以长沙本地黏土和香根草的根系所组成的的根-土复合体作为研究对象,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)等展开相关研究。通过香根草根系分布形态试验、香根草单根拉拔摩阻特性试验以及直剪试验和三轴剪切试验,研究了香根草在土体中的分布规律及其力学特性。运用数值分析软件对根系分布形态和根-土复合体强度特性进行了拟合分析。通过研究,主要取得了如下的研究进展和创新性结论。(一)香根草单根摩阻特性试验研究1、根-土复合体中的香根草根系在拔出荷载作用下,有被拉断和被拔出2种形式。当根系抗拉力未超过根-土间的最大静摩擦力时,根系将会被拉断；当拉拔力超过了根-土间的最大静摩擦力,但未超过根系最大抗拉力时,根系将会被拔出。2、在相同密实度和不同含水率条件下,根系的最大抗拉力随根系直径增大而增大,表现出良好的线性关系。根系抗拉力随含水率的增大呈先增大后减小的趋势。当含水率在19.5%左右时,根系的抗拉力达到最大。3、在相同含水率和不同密实度条件下,根-土界面的最大抗拔力随土体密度的增大而增大。(二)香根草根-土复合体抗剪强度特性试验研究1、根系在土体中的不同分布方式,对提高土体抗剪强度的作用也是完全不同的。在相同竖向荷载作用下,当根系数量及根径均相同时,垂直和斜交等量布根时,复合体的抗剪强度最高；全部斜交布根时,其抗剪强度次之；全部垂直布根时,其抗剪强度又其次之；垂直和水平等量布根时,其抗剪强度最低。2、在相同根系数量和相同的布根方式条件下,随着根系直径的增大,香根草根-土复合体的抗剪强度先增大后减小。当香根草根系直径约为1mm时,根-土复合体的抗剪强度达到最大值。因此,对于根-土复合体的抗剪强度存在一个有效根径问题。根径太大或太小对提高土的抗剪强度的作用均不明显。3、香根草根系直径对根-土复合体的内摩擦角和粘聚力的影响是不同的。随着根系直径的增大,复合体的内摩擦角先增大后减小；但复合体的粘聚力有增有减,关系相对复杂。另一方面,香根草根系在土体中的分布方式对提高根-土复合体的粘聚力的影响非常明显,而对提高根-土复合体的内摩擦角的影响却不是很明显。4、试验结果显示,随着轴向应变的逐渐增大,各偏应力-轴向应变曲线之间的间距逐渐增大,这表明根系对土体的“加筋”作用只有在轴向应变较大时才能发挥出来。5、在相同的根系分布方式条件下,根-土复合体的黏聚力和内摩擦角均随着含水量的增大而逐渐变小。这一规律与含水量对根-土复合体强度的影响是一致的。6、通过对试验数据进行分析和拟合,分别得到了根-土复合体的黏聚力和内摩擦角随着含水量变化的相关拟合公式。
【关键词】：植物护坡 根系分布形态 摩阻特性 根-土复合体 抗剪强度特性
【学位授予单位】：中南林业科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU43
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 主要符号与说明12-13
• 1 绪论13-22
• 1.1 研究背景与意义13-14
• 1.2 国内外研究现状14-21
• 1.2.1 国外研究发展现状14-16
• 1.2.2 国内研究发展现状16-19
• 1.2.3 香根草在边坡中应用的研究现状19-21
• 1.3 本文的主要研究内容及方法21-22
• 2 根系固土护坡机理研究22-37
• 2.1 概述22
• 2.2 植物根系抗拉强度22-23
• 2.3 植物根系的莫尔库伦强度理论23-24
• 2.4 植物根系加筋理论24-29
• 2.4.1 根-土复合体的强度特性及破坏模式24-26
• 2.4.2 根-土复合体的根土相互作用理论26-29
• 2.5 植物根系锚固理论29
• 2.6 植物根系固土研究模型29-36
• 2.6.1 须根理论模型(W氏模型)29-32
• 2.6.2 垂直根系的根-土相互作用力学模型32-34
• 2.6.3 水平根型的根-土相互作用力学模型34-35
• 2.6.4 纤维束模型和根束增强模型35-36
• 2.6.5 能量法模型36
• 2.7 本章小结36-37
• 3 香根草根-土界面的单根拉拔摩阻特性研究37-44
• 3.1 概述37
• 3.2 试验研究37-39
• 3.2.1 试验设备37-38
• 3.2.2 试样制备38-39
• 3.3 结果与分析39-43
• 3.3.1 土壤含水率对根-土界面摩擦性能的影响39-42
• 3.3.2 土壤密度对根-土界面摩擦性能的影响42-43
• 3.4 本章小结43-44
• 4 香根草根-土复合体室内直剪试验研究44-55
• 4.1 概述44
• 4.2 试验材料、设备及方法44-48
• 4.2.1 采样44-45
• 4.2.2 试验设计45-46
• 4.2.3 试样的制备46-47
• 4.2.4 直剪试验47-48
• 4.3 试验结果及分析48-54
• 4.3.1 不同香根草根系分布方式对复合体抗剪强度的影响48-50
• 4.3.2 不同香根草根系径级对根-土复合体抗剪强度的影响50-51
• 4.3.3 香根草根土复合体抗剪强度分析51-53
• 4.3.4 香根草根-土复合体抗剪强度指标分析53-54
• 4.4 本章小结54-55
• 5 香根草根-土复合体三轴试验研究55-67
• 5.1 概述55
• 5.2 根-土复合体力学等效模型55-57
• 5.3 试验设备、材料及方法57-59
• 5.3.1 试验仪器58
• 5.3.2 试验材料58
• 5.3.3 试验方法58-59
• 5.4 试验结果及分析59-65
• 5.4.1 根-土复合体主应力差(σ_1-σ_3)与轴向应变(ε_1)的关系59-63
• 5.4.2 香根草根-土复合体抗剪强度分析63-65
• 5.5 本章小结65-67
• 6 结论与展望67-71
• 6.1 香根草摩阻特性研究的总结67
• 6.2 香根草根-土复合体抗剪强度研究的总结67-68
• 6.3 对今后研究工作的展望68-71
• 参考文献71-77
• 攻读学位期间的主要学术成果77-79
• 致谢79

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