应力路径对根—土复合体力学特性影响试验研究

生态护坡技术作为一门工程技术,已经在公路边坡防护工程中得到了广泛的应用,但目前对生态护坡机理的研究还远远滞后于工程实践。本文依托国家林业局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)、国家自然科学基金项目“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)和湖南省自然科学基金项目“植物边坡力学特性研究”(项目号：12JJ5015)等开展了应力路径对根-土复合体力学特性影响的试验研究和相关理论探索。本文在收集、分析国内外资料的基础上,探索了包括根系分布形态、根密度、根系抗拉强度等因素对生态边坡稳定的影响规律。基于土力学、弹塑性力学、水土保持学、数学等原理和方法,采用室外试验与室内试验相结合,试验研究与理论分析相结合的方法探讨了香根草根系的形态分布规律；构建了香根草根系形态分布平面简化模型。在国内外已有研究的基础上,开展了一系列针对以香根草和黏性土组成的根-土复合体在不同固结方式、不同应力路径条件下的试验研究。探索了不同固结方式、不同应力路径对根-土复合体的强度和变形特性的影响规律。基于修正剑桥模型,通过修改临界状态线的拟合方式,构建了符合根-土复合体力学特性的本构模型。研究工作的主要内容和所取得的创新性结论如下。一、香根草根系分布规律研究通过对四株在模型箱中生长了两年、具有代表性的香根草根系进行调查量测,发现香根草垂直主根入土最深,心根非常发达,骨架结构主要由主根和心根组成,属于垂直根型植物。香根草根系的直径随其长度伸长而不断减小。运用自相似理论和管状模型预测香根草根系剖面的根系全长、连结直径和根系生物量等。基于FracRoot模型,建立了符合香根草特征的根系形态分布模型,并应用“微根区管成像法”,验证了所建立的根系生长全生命周期动态模型的可靠性。二、根-土复合体力学特性研究通过对相同根系密度的根-土复合体进行了在不同固结方式和不同应力路径条件下的系列三轴剪切试验,研究了根-土复合体力学特性,得到了如下结论：(1)根系的存在明显地增强了根-土复合体的抗剪强度,说明香根草根系能够起到很好的固土作用,提高边坡稳定性。在不同固结方式、不同应力路径条件下,根-土复合体的强度较无根素土均有不同程度的提高。香根草根系对根-土复合体的粘聚力和内摩擦角的贡献大小取决于应力路径的影响。(2)无论根-土复合体还是无根素土,相同围压条件下,K0固结试样要比等向固结试样的抗剪强度高。这与通过普通三轴试验或减压三轴试验得到的结论是一致的。说明在确定边坡土体的抗剪强度参数时,需要考虑固结方式的影响。(3)对于同一种三轴试验,在相同固结条件下,根-土复合体与无根素土具有相似的临界状态线。临界状态线在应力水平较低时表现为非线性,非线性程度随着应力水平的提高而逐渐减弱。根-土复合体的临界状态线服从幂函数曲线发展。(4)相同固结路径条件下,无论进行何种三轴试验(等q试验除外),根-土复合体与无根素土的有效应力路径具有相似性。各有效应力路径大体保持平行,且不超越各自临界状态线,遵循极限状态理论。(5)通过修改临界状态线的拟合方程,得到了幂函数形式的临界状态线。结合幂函数形式的临界状态线方程和修正剑桥模型,构建了能更好地反映根-土复合体力学特性的本构模型。并推导出了其弹-塑性矩阵形式。该本构模型概念明确,形式简单,便于实际应用。