CN108896413B - 一种植物根系加固边坡土体的剪切强度增量随深度变化的预测方法 - Google Patents

一种植物根系加固边坡土体的剪切强度增量随深度变化的预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种植物根系加固边坡土体的剪切强度增量随深度变化的预测方法：(1)根据边坡支护需求，选取植被品种进行加固；(2)根据选取的植被类型，通过根系拉伸试验可以得到其抗拉强度参数；(3)建立植物根系直径随深度变化的模型；(4)测量地表无根系土体和根系土体的剪切强度，对比计算地表植物根系所引起的剪切强度增量；(5)联立地表根系土体剪切强度增量结果与根系直径随深度变化的模型求解剪切强度增量随深度变化的规律，即可求得任意深度处的根系土体剪切强度增量。由本方法构建的预测模型结合数理统计、室内试验等方法，适用于求解大多数木本及草本植物根系，具有计算简便、易于推广等优点。

Description

一种植物根系加固边坡土体的剪切强度增量随深度变化的预 测方法
技术领域
本发明涉及环境岩土工程生态边坡加固技术领域，特别涉及一种植物根系加固边坡土体的剪切强度增量随深度变化的预测方法。
背景技术
目前降雨等气候条件的变化导致滑坡的事故越来越多，生态固坡由于成本低、施工简便等优势得到了越来越广泛的应用。生态固坡的常用方法有：人工种草、土工网植草、喷混植生等，其目的均是使植被覆盖边坡表面，同时根系深入地表以下。利用植物根系的锚固作用、加筋作用、水分蒸腾作用等可以达到提高土体剪切强度的目的，从而可以对边坡进行有效加固。
而今鲜有系统能科学地给出植物根系土体剪切强度随深度变化的预测方法，对根系固土的力学效应及作用机理认识不够充分，从而导致生态边坡加固方案具有一定的盲目性，造成不必要的经济损失。哈尔滨工业大学于2012年提出的“强降雨条件下植物护坡加固方法”(CN102733400A)中，指出了在正交根和斜交根混合情况下，植物根系加筋作用而增加的土抗剪强度计算公式。然而，该方法未考虑植物根系随深度的分布规律，不能直观得到不同深度处的土体抗剪强度。
因此，本方法在考虑根系直径随深度变化的情况下，研究了根系-土体相互作用机理，提出了一套根系土体剪切强度增量分布规律的方法，为根系土体参数选取、生态边坡设计提供理论依据。
发明内容
本发明提出的植物根系加固边坡土体的剪切强度增量随深度变化的预测方法，为生态边坡工程加固设计施工提供理论参考。
为了达到上述目的，本发明提出的植物根系加固边坡土体的剪切强度增量随深度变化的预测方法，包括以下步骤：
第一步，根据边坡支护需要，考虑坡高、坡度、土层条件等，合理选取植被品种进行边坡加固，草本植物根系多为柔性根，直径较小，适于浅层边坡，具体是当边坡坡度大于60°，坡高大于10m，地层为软粘土或膨胀土时，选取木本植物进行边坡加固；当坡度小于60°，坡高小于10m时，选取草本植物根系进行边坡加固；；
第二步，根据选取的植物根系类型，在万能试验机上对植物根系进行拉伸试验，得到其抗拉强度参数。首先采用游标卡尺测量单根的直径d，并计算得到横截面积A，然后利用万能试验机进行拉伸试验，需注意根与试验机之间的连接，在试验进行到根系刚好断裂时，可以读取拉力的大小F，从而可以计算得到单根的抗拉强度Tr：
Figure GDA0002643608410000021
进一步的，通过不同类型植物根系的大量拉伸试验，统计得到了不同直径下根系拉伸强度的变化规律，二者均呈现负幂函数关系：
Tr＝m·D-n
式中：Tr是植物根系的抗拉强度，D是根系的直径，m和n是抗拉强度曲线拟合参数。通过大量统计数据，得到了不同类型植物所对应的m和n值，如附表1所示，因此只需要知道生态护坡的植被类型，查阅表1即可得到抗拉强度与直径所对应的表达式，并可以直接读取m和n值。
第三步，采用统计方法，分析各种类型植物根系分布规律，得到归一化表达式。图1列举了广叶桉、粗枝木麻黄、多花相思树、桉树天麻四种植物根系相对直径随深度的分布规律。相对深度：Hd＝h/hmax，相对截面面积：RA＝D2/D0 2，式中：h和hmax分别为根系深度和根系最大深度，D为深度h处的根系直径，D0为地表处的主干根系直径。在相对深度10％以内时，根系截面面积略有增大；超过10％以后，截面面积迅速减小。因此，将根系截面面积定义成分段函数：
Figure GDA0002643608410000031
由图1所示分段函数曲线可知：拟合曲线较好地反应了植物根系相对直径随深度的变化规律，同时这一规律可以推广运用到其他类型植物根系。
第四步，植物根系加筋作用如图2所示，植物根系与周围土体发生相对位移趋势时，由于根系的存在导致抗剪强度增量为：
Figure GDA0002643608410000032
式中：
Figure GDA0002643608410000033
为常数；Ar为横截面上根系面积，As为横截面上土体所占面积，二者比值即为根系面积比。
进一步的，在实际植物根系加固边坡的过程中，一般采用试验方法直接得到地表根系土体的剪切强度增量。利用环刀对地表无根系土体和含根系土体进行取样，并进行直剪试验或三轴试验，分别测量其剪切强度，根系土体和无根系土体剪切强度的差值即为地表根系土体剪切强度的增量，可表示为：
Δτ＝τ1-τ0
其中，Δτ0为地表根系土体剪切强度增量，τ1为地表根系土体的剪切强度，τ0为地表无根系土体的剪切强度。
第五步，联立地表根系土体的剪切强度增量和植物根系直径随深度的变化规律就可以求解任意深度处的剪切强度增量。
进一步的，因为植物根系直径随着深度逐渐变化，直径又与抗拉强度以及抗剪强度增量密切相关，所以随着距离地表深度的增加，根系土体的抗剪强度增量也会发生变化。本发明主要针对这一现象提出了一种简化预测抗剪强度增量的方法，只需要测量地表根系土体的抗剪强度增量即可直接求得任意深度处的强度增量，从而为边坡设计提供基本土层参数。
当Hd＜10％时，
Figure GDA0002643608410000041
当Hd≥10％时，
Figure GDA0002643608410000042
Figure GDA0002643608410000043
式中：Δτ0为地表根系土体剪切强度增量；n为与植物类型相关的常数，可通过表1直接求得；Hd为相对深度。故而只需求得Δτ0便可得到任意深度处的植物根系土体剪切强度增量。
所述的木本植物为刺槐或油松草本植物根系，所述的草本植物根系为狗牙根、黑麦草或迷迭香。
附图说明
图1所示为植物根系相对直径随深度变化示意图。
图2所示为植物根系加筋作用示意图。
图3无根系和含迷迭香根系土体直剪试验结果
图4含迷迭香根系土体剪切强度增量随深度分布示意图
具体实施方式
以下结合附图给出本发明的具体实施方式，但本发明不局限于以下的实施方式。本发明给出了植物根系加固边坡土体的剪切强度增量预测的实施步骤，如下：
步骤1，海启高速南通段边坡坡度为45°，坡高5m，地层为粉土，这种情况下易发生浅层滑坡，故选取草本植物迷迭香为边坡加固植被。
步骤2，根据选取的植物根系类型(本实例为迷迭香)，对不同直径的根系在万能试验机上进行拉伸试验得到其抗拉强度参数。
步骤2.1，首先采用游标卡尺测量单根的直径d，并计算得到横截面积A，然后利用万能试验机进行拉伸试验，需注意根与试验机之间的连接，在试验进行到根系刚好断裂时，可以读取拉力的大小F，从而可以计算得到单根的抗拉强度Tr：
Figure GDA0002643608410000051
步骤2.2，通过不同类型植物根系的大量拉伸试验，统计得到了不同直径下根系拉伸强度的变化规律，二者均呈现负幂函数关系：
Tr＝m·D-n
式中：Tr是植物根系的抗拉强度，D是根系的直径，m和n是抗拉强度曲线拟合参数。通过实验测得本实例中迷迭香的参数为：m＝12.89，n＝0.77。
步骤3，采用统计方法，分析各种类型植物根系分布规律，得到归一化表达式。图1列举了广叶桉、粗枝木麻黄、多花相思树、桉树天麻四种植物根系相对直径随深度的分布规律。相对深度：Hd＝h/hmax，相对截面面积：RA＝D2/D0 2，式中：h和hmax分别为根系深度和根系最大深度，D为深度h处的根系直径，D0为地表处的主干根系直径。在相对深度10％以内时，根系截面面积略有增大；超过10％以后，截面面积迅速减小。因此，将根系截面面积定义成分段函数：
Figure GDA0002643608410000052
由图1所示分段函数曲线可知：拟合曲线较好地反应了植物根系相对直径随深度的变化规律，同时这一规律可以推广运用到其他类型植物根系。
因而迷迭香根系直径随深度变化表达式为：
Figure GDA0002643608410000061
步骤4，植物根系加筋作用如图2所示，植物根系与周围土体发生相对位移趋势时，由于根系的存在导致抗剪强度增量为：
Figure GDA0002643608410000062
式中：
Figure GDA0002643608410000063
为常数；Ar为横截面上根系面积，As为横截面上土体所占面积，二者比值即为根系面积比。
步骤4.1，利用环刀对地表无根系土体和含根系土体进行取样，并进行直剪试验或三轴试验，分别测量其剪切强度，根系土体和无根系土体剪切强度的差值即为地表根系土体剪切强度的增量，可表示为：
Δτ＝τ1-τ0
其中，Δτ0为地表根系土体剪切强度增量，τ1为地表根系土体的剪切强度，τ0为地表无根系土体的剪切强度。
为了测得迷迭香表层根系土体抗剪强度增量，对地表根系土体和无根系土体分别进行直剪试验，结果如图3所示，易知剪切强度分别为23kPa和9.5kP,二者差值即可得到表层根系土体剪切强度增量Δτ0＝13.5kPa。
步骤5，联立根系土体的剪切强度增量和植物根系直径随深度的变化规律就可以求解任意深度处的剪切强度增量。
因为植物根系直径随着深度逐渐变化，直径又与抗拉强度以及抗剪强度增量密切相关，所以随着距离地表深度的增加，根系土体的抗剪强度增量也会发生变化。本发明主要针对这一现象提出了一种简化预测抗剪强度增量的方法，只需要测量地表根系土体的抗剪强度增量即可直接求得任意深度处的强度增量，从而为边坡设计提供基本土层参数。
当Hd＜10％时，
Figure GDA0002643608410000071
当Hd≥10％时，
Figure GDA0002643608410000072
Figure GDA0002643608410000073
式中：Δτ0为地表根系土体剪切强度增量；n为与植物类型相关的常数，可通过表1直接求得；Hd为相对深度。故而只需求得Δτ0便可得到任意深度处的植物根系土体剪切强度增量。因此可以得到迷迭香在不同深度处的抗剪强度增量：
Figure GDA0002643608410000074

Claims (6)

1.一种植物根系加固边坡土体的剪切强度增量随深度变化的预测方法，其特征在于，包含下列步骤：
第一步，根据边坡支护需要，考虑坡高、坡度、土层条件，选取植被进行固坡：当边坡坡度大于60°，坡高大于10m，地层为软粘土或膨胀土时，选取木本植物进行边坡加固；当坡度小于60°，坡高小于10m时，选取草本植物根系进行边坡加固；
第二步，根据选取的植物根系类型，在万能试验机上对植物根系进行拉伸试验，得到其抗拉强度参数；
第三步，实地调查研究各种类型植物根系分布规律，建立根系直径随深度的分布规律；
第四步，利用环刀对地表无根系土体和含根系土体进行取样，并进行直剪试验或三轴试验，分别测量其剪切强度，两者差值即为地表根系土体的剪切强度增量；
第五步，结合地表植物根系土体的剪切强度增量和根系直径随深度变化规律，预测任意深度处的剪切强度增量，即：
Figure FDA0002643608400000011
Δτ为任意深度处的剪切强度增量，Δτ0为地表处的剪切强度增量，Hd为深度，n为常数。
2.根据权利要求1所述的植物根系加固边坡土体的剪切强度增量随深度变化的预测方法，其特征在于，植物根系抗拉强度与直径呈现负幂函数关系，可表示为：
Tr＝m·D-n
其中，Tr为植物根系抗拉强度，D为植物根系直径，m和n为抗拉强度曲线拟合参数。
3.根据权利要求1所述的植物根系加固边坡土体的剪切强度增量随深度变化的预测方法，其特征在于，各种类型植物根系直径随深度变化的归一化表达式为：
Figure FDA0002643608400000021
其中，相对深度：Hd＝h/hmax，相对截面面积：RA＝D2/D0 2，式中：h和hmax分别为根系深度和根系最大深度，D为深度h处的根系直径，D0为地表处的主干根系直径。
4.根据权利要求1所述的植物根系加固边坡土体的剪切强度增量随深度变化的预测方法，其特征在于，地表根系土体和无根系土体剪切强度的差值即为地表根系土体剪切强度的增量，可表示为：
Δτ0＝τ1-τ0
其中，Δτ0为地表根系土体剪切强度增量，τ1为地表根系土体的剪切强度，τ0为地表无根系土体的剪切强度。
5.根据权利要求1所述的植物根系加固边坡土体的剪切强度增量随深度变化的预测方法，其特征在于，联立地表根系土体剪切强度的增量结果与根系直径随深度变化的模型求解剪切强度增量随深度变化的规律，即可求得任意深度处的根系土体剪切强度增量：
当Hd＜10％时，
Figure FDA0002643608400000022
当Hd≥10％时，
Figure FDA0002643608400000023
Figure FDA0002643608400000024
式中：Δτ0为地表根系土体剪切强度增量；m,n为植物根系抗拉强度曲线拟合参数，与植物类型相关；Hd为相对深度。
6.根据权利要求1所述的植物根系加固边坡土体的剪切强度增量随深度变化的预测方法，其特征在于，所述的木本植物为刺槐或油松草本植物根系，所述的草本植物根系为狗牙根、黑麦草或迷迭香。
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