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

Landslide and other serious geological hazards are easy to occur along some roadside slope in mountainous areas. Though traditional rigid slope protection can significantly improve stability of the slope, there are high cost and serious damages to the ecological environment. Thus the low-cost vegetation restoration techniques are increasingly concerned in ecological slope protection. It is found that forest-grass-mixed root has better root-soil composite reinforcement characteristics than the common vegetation root systems. However, the formation mechanism of high strength forest-grass-mixed roots and the reinforcement principle of forest-grass-mixed roots-soil are still unclear, which has restrained the application of ecological slope protection technology of the high strength forest-grass-mixed. Therefore, based on the researching technology of the grid high strength forest-grass-mixed integration ecological slope, choosing herbaceous plant and shrub, we firstly clarify the dynamic distribution law of mixed grass and forest root system optimization shape, build high strength forest-grass-mixed root system model and the root-soil composite model, simulate the stress field and displacement field variation characteristics of root system soil, analyze the effect rules of some facts, such as forest-grass-mixed combination, plant density, slope to slope stress and displacement, and finally reveal the forest-grass-mixed root system optimization forming mechanism and slope root system soil reinforcement mechanism. These research achievements will be a major breakthrough in high strength plant slope protection research field.

多山地区大量公路边坡易发生滑坡等严重地质灾害，采用传统刚性边坡防护虽能大幅提高边坡稳定性，但造价高且严重破坏生态环境，而采用廉价的植被恢复技术进行生态护坡日益受到高度重视。项目组研究发现，采用林草一体化栽培形成的混交根系比普通植被根系具有更好根－土复合体加固特性。然而，由于对高强度林草混交根系形成机理与边坡根系混交土体加固的机制仍不清楚，抑制了高强度林草一体化生态护坡技术的应用。因此，本项目拟在研发的网格型林草一体化生态护坡技术基础上，选用根系发达的草本植物及主根较深的灌木，首次阐明林草混交根系优化形态动态分布规律，构建高强度林草混交根系模型以及根－土复合体本构模型，模拟根系土体的应力场及位移场变化特征，解析林草组合、种植密度、边坡形态等因素对边坡应力和变形的影响规律，最终揭示高强度林草混交根系成型机理与边坡根系土体加固机制。这一研究成果将在高强度植物边坡防护研究领域实现重大理论突破。

多山地区大量公路边坡易发生滑坡等严重地质灾害，采用传统刚性边坡防护虽能大幅提高边坡稳定性，但造价高且严重破坏生态环境，而采用廉价的植被恢复技术进行生态护坡日益受到高度重视。项目组研究发现，采用林草一体化栽培形成的混交根系比普通植被根系具有更好根－土复合体加固特性。然而，由于对高强度林草混交根系形成机理与边坡根系混交土体加固的机制仍不清楚，抑制了高强度林草一体化生态护坡技术的应用。. 本项目在国内外已有的生态护坡研究的基础上，选用根系发达的草本植物及主根较深的灌木，对林草混交根系护坡问题开展了室外模型箱试验、室内力学性能试验和示范工程现场测试等相关研究。重点对根系强度、根土复合体抗剪强度及其强度模型、根系对边坡土体抗崩解能力、根系形态分布模型、不同形态根系与土相互作用力学模型等开展了试验研究和理论探索。并通过有限元数值模拟分析，探讨了不同的根系模型对根土复合体强度的影响规律。. 通过对根系形态动态分布规律的研究，构建了高强度林草混交根系模型以及根-土复合体本构模型。通过对根-土复合体的室内直剪和三轴剪试验研究，提出了植物边坡的抗剪强度模型和强度分析理论。基于模型箱试验，提出了根系长度、根系直径与根系抗拉强度之间的关系模型和计算方法。通过对示范工程的现场测试，验证了所提出的模型和计算理论的正确性。基于抗崩解试验，揭示了有效根密度与土体抗崩解能力之间的幂函数关系，并提出了土壤抗崩解时间的计算公式。模拟根-土系统的应力场及位移场的变化，解析了林草组合、种植密度、边坡形态等因素对边坡应力和变形的影响规律，最终揭示了高强度林草混交根系成型机理与植物边坡的加固机制。. 通过项目研究，共发表论文10篇；获得国家发明专利2项；获得中国公路建设行业协会2016年公路工程科技创新成果一等奖一项；培养研究生6名；研究团队有一人晋升高级职称。研究成果在高强度植物边坡防护研究领域实现了重大理论突破，为植物边坡防护的强度和稳定分析奠定了理论基础。