植物浅细根固土护坡的微细观作用机理研究

在成本效用和利于环境保护方面，采用植物护坡具有不可替代的重要作用，植物根系埋于土中，生长受环境影响，根系的固土护坡机理研究落后于工程实践。本项目将综合运用理论分析、实验测试和数值模拟方式，并从宏细微观相结合来研究根系对土体的增强机理。在对狗牙根、三叶草、紫穗槐三种根系现场取样基础上，通过从宏观观察根土复合体中微裂缝扩展路径，初步揭示根系阻裂的实质；观察破坏前后根土界面粘结的微观结构，研究根土界面粘结的微观机理及影响因素，并结合根土界面抗剪试验，研究根土界面粘结的微观同宏观之间的相关性；对原状土样进行三轴CT压缩试验，通过CT值、CT图像及应力－应变曲线进行根系对土阻裂增强的损伤演化分析，建立根土复合体的损伤演化方程，并结合试验数据采用数值模拟方法量化根对土的增强作用。本研究为植被护坡基础理论研究开辟一条新途径，对我国生态环境保护和恢复及社会可持续发展具有重要战略意义。

在成本效用和利于环境保护方面，采用植物护坡具有不可替代的重要作用，为了正确评判植物根系对土体的固土作用效应，为植物成为水土流失防治有力的生态工具提供依据，为了探寻植物根系加固土体、防护边坡的作用机理，本项目通过综合运用理论分析、实验测试和数值模拟方式，从宏观和细观方面相结合来研究了根系对土体的增强作用机理。利用长江科学院研制的 CT三轴仪，分别对含粗根、细根、粗细根三种不同含根量的构树根粘土样和素土样进行了不固结不排水的CT实时三轴剪切试验，研究了植物根系固土的细观力学特性。通过加载过程中CT实时无损量测，得到各试样内部结构演化的 CT 图像和相应的 CT 数据，对比四种土样，发现不同扫描断面上及整体上素土样的ME-ε1曲线下降段的斜率和SD-ε1 曲线的上升段的斜率都更大，变化幅度更大，这说明含根土体内部缺陷发育速度更慢，含根土样内部裂纹萌生和扩展得更加缓慢，根系具有阻裂作用。重点对3种土样在高度的7/16处的断面上的CT扫描图片进行了定性和定量分析。利用Matlab软件自编后处理程序，对CT扫描图片进行了二值化处理，并统计出断面上的裂隙率、根附近区域及其之外区域的总裂隙大小、最大裂隙区域的长度和宽度信息。通过对含根土样和素土样受压过程的CT演化图片和断面上统计的裂缝数据信息进行比较分析，来对比说明素土和含根土样中裂纹扩展以及试样破坏过程的差异，从而揭露了根系的阻裂作用和桥联作用。并通过比较分析不同应变时刻的CT三维重建图像和沿根系的纵截面CT图像，揭示了一般情况下无法观察到的试样内部根系受力变形的全部过程。最后采用对含根土体进行原位直剪试验和对直剪测试过程及根系对边坡稳定性影响进行数值模拟的方法，从宏观方面分析研究了植物根系的固土护坡作用机理。指出根系（增强相）能极大程度地提高土体（基体相）的强度和塑性。