植被作用下膨胀土的工程特性及堑坡防护机理

随着城市化进程的快速发展以及公路、铁路和水利设施的开工建设或运营，膨胀土地区出现了大量的堑坡。这种对大自然的改造过程改变了自然环境原有的稳定状态，不仅破坏了原始植被，而且为坡体灾变埋下了隐患。本项目以膨胀土地区堑坡灾害防治和植被恢复为背景，以现场调查和室内模型试验为基础，以大气作用下有、无植被覆盖膨胀土堑坡的热-水-力耦合性状为主线，从非饱和土力学角度出发，研究大气营力和植被共同作用对膨胀土中水分迁移的影响，揭示水分迁移机制并量化迁移速率，分析植被覆盖下膨胀土中湿、热场的分布，得到植被作用下膨胀土裂隙拓展以及渗透性动态变化特征；并基于室内非饱和土试验，获取植被覆盖下膨胀土的力学特性指标；结合理论推演和数值模拟，针对久旱降雨和多雨炎热的气候条件，深化对植被防护机理与效果的认识，为膨胀土地区堑坡的植被防护和植被恢复提供理论依据和技术支持。

以灰白色原状强膨胀土为研究对象，考虑植被的影响，利用自行设计制作的太阳辐射模拟装置和降雨模拟装置，在可控温湿度的实验室内，模拟大气作用，对有、无植被覆盖的膨胀土分别进行了降雨蒸发试验和30天持续蒸发试验。用室内、室外试验的方法分别进行了植被根系强度试验，水分渗透模拟试验，植被覆盖下膨胀土长期强度特性和非饱和强度模拟试验。结果表明，植被覆盖可减小膨胀土湿热变化幅度，降低水分迁移速率，保持土体水分，抑制土体裂隙开展，并有效减小大气作用下膨胀土强度的衰减幅度。同时，植被对膨胀土水分迁移的影响有助于维持膨胀土的强度。以室内、室外试验数据为基础，建立了基于裂隙描述的膨胀土堑坡稳定性分析方法，可从裂隙开展和植被对裂隙控制的角度对膨胀土堑坡的稳定性展开评价。从植被的蒸发、蒸腾和根系的加筋作用出发，对植被在边坡防护过程中产生的影响进行了计算分析，发现降雨过程中植被根系的加筋作用对边坡的稳定性起到主要防护作用，而在蒸发过程中，植被的蒸发、蒸腾作用使雨水入渗影响深度和土体水化时间得到有效降低，从而遏制了膨胀土土体风化的进程。项目成果可为膨胀土地区堑坡的植被防护以及生态恢复提供理论和技术支持。