随着我国基础设施建设的不断发展,在建设过程中采用工程技术和生态技术相结合的方法来满足工程和生态环境要求的新技术受到越来越广泛的重视。作为这种新方法之一的植物护坡技术,其经济和环保优势正在工程建设中日益显现。国内外针对植物根系和土体组成的复合体的研究正方兴未艾,并取得了诸多可喜的研究成果。但过去的研究大多仍停留在定性分析阶段。对根与土体相互作用理论的研究,国外学者提出了多种理论假设,国内学者也多有借鉴分析,不过其计算理论仍然远不能满足工程实际需要。因此,进一步开展根-土相互作用机理的研究,并建立合理的根土复合体抗剪强度计算模型,是解决植物边坡稳定分析相关问题的前提。本文在国内外已有的研究基础上,以香根草、湖南本地黏性土组成的根土复合体为研究对象,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)等开展相关研究。本文将通过一系列针对香根草跟土复合体的直剪实验,研究不同植株密度条件下根土复合体的抗剪强度特性。研究工作的主要内容和取得的创新成果如下：
1、香根草根系分布规律研究：
通过对三株在试验箱中生长了一年的香根草根系进行检测分析,选取了根系的总横截面积随深度变化的关系、根系的数量随深度变化的关系及同一深度的不同直径的根数占本深度根数总量的百分比等三个指标来描述根系分布形态。依据这三个指标可比较全面地描述各深度处不同直径根系的数量和根系面积的分布规律。在此基础上,开展不同深度根土复合体抗剪强度特性和生态护坡稳定研究。
2、植物根系抗拉强度研究：
基于对香根草根系抗拉强度的系列拉伸试验,研究了根系抗拉强度随其直径和长度而变化的规律。试验结果表明,随着根径和长度的增长,抗拉强度逐渐下降,根径的影响更加明显。在此基础上,改进了现有的根系抗拉强度计算模型,并给出了针对香根草的模型参数。计算结果和实测数据非常吻合,证明了该理论模型的可靠性,为根土复合体抗剪强度研究和生态护坡稳定分析提供了理论基础。
3、根土复合体抗剪强度特性研究：
通过对不同植株密度的根土复合体的直剪试验,基于已有的根土复合体抗剪强度计算方法,建立了两种可行的计算分析模型,并得到了如下结论：
①根系的存在明显地增强了复合体的抗剪强度。其中香根草根系对根土复合体的粘聚力的增长比较明显,而对其内摩擦角的增幅相对较小。
②根土复合体的粘聚力变化的大小与素土的抗剪强度有关。在根数和根径相同的情况下,素土抗剪强度越高,则复合体因根系所增加的粘聚力的增幅就越大。
③根土复合体的含水量越低,根系对强度的增长作用越大。
④随着根系数量的增加,根土复合体的粘聚力和内摩擦角的增长并不是按线性变化的。当根系横截面积超过一定比例后,增加根系数量,粘聚力增加的幅度会减小。
⑤对于不同直径的根系需要采用不同的计算模型进行分析,才能使其计算结果更符合实际情况。需要特别指出的是草本植物和木本植物的根系对根土复合体的抗剪强度的贡献是不同的。
