基于岩体裂隙及植物适应的根系锚固模型研究

我国矿产资源丰富，随着社会经济的飞速发展，资源开采量与需求量日益增加，大量的矿山岩质边坡由此产生，以植被为主体构件对因采矿形成的各类岩质边坡进行生态恢复，已成为国内外矿山生态化治理的重要内容，植物根系锚固力学功能的发展与适应至关重要。本项目主要以岩石力学与生态学交叉为基础，以木豆为研究的目标植物，通过野外调查、室内试验及模型构建，研究裂隙岩体生境下植物根系构型与单根力学特性的适应及发展特征，弄清外力作用下根系系统的应力传递、应力空间分布与岩体裂隙特征和根系构型的关系，应用非线性发展方程与三维数值模拟技术建立根系锚固的发展模型，解析其发展过程，从而评估根系对裂隙岩质边坡稳定的贡献与影响，以期为我国矿山岩质边坡生态化治理工程实践提供重要的理论支撑。

本研究以岩土力学与生态学交叉为基础，以刺槐、黄荆为研究目标植物，通过野外调查、室内实验及模型构建，研究了裂隙岩体生境下植物根系构型与单根力学特性的变化及影响因子，探明了裂隙岩体生境下根系锚固行为产生机制，并通过试验及数值模拟建立了根系锚固力变化的动态模型，提出了根系锚固行为的优化方法。研究结果显示，在裂隙岩体生境下，为了适应生境条件，植物根系在坡面上呈不对称分布，上坡向根系较下坡向根系发达，且上坡向扎入岩石裂隙中的二级侧根数量要显著高于下坡向，坡度越大表现越明显，同时，裂隙发育程度越大，扎入的二级侧根数量也越多；上、下坡向各植株分级根系的抗拉及抗剪强度都随着根径的增大而减小，表现为幂函数关系，且相同分级及直径条件下，上坡向根系力学强度要高于下坡向，且不同坡位根系的力学强度存在显著差异，表现为坡顶>坡中>坡底，不同坡位根系弹性模量大小关系为：坡顶>坡中>坡底，即坡顶根系刚度最大，坡中根系次之，坡底根系刚度最小；在其他生境条件相近时，植株的锚固力随着裂隙发育程度的降低而减小，随着坡度的增加而提高，且上坡向扎入岩石裂隙中的二级侧根对植株的锚固有主要作用，约占植株锚固能力的69%，是植株锚固能力产生的主要原因，同时，裂隙岩石生境下植株的锚固能力随着植株的生长发育而增大，与植株基径间存在较好的指数函数关系，可以较好的表征植株锚固能力的动态变化；在裂隙岩体生境下，随着种植密度的增加，植株一级侧根、二级侧根及扎入裂隙侧根数量与直径均在降低，植株的锚固力也随之变小，因此，在利用植被进行坡面生态防护过程，需要合理的控制种植密度，以发挥植物的力学加固能力。