本文是一篇工程硕士论文，笔者为了研究不同生长时期草本植物的加固效果，选取阜新市海州矿地区紫花地丁、灰灰菜和狗尾草为研究对象，通过测量不同生长时期根的抗拉力和根在不同深度土壤剖面上的根面积比，采用修正后的WWM模型量化根的加固效果。
1.绪论
1.1研究背景和意义
经济发展的同时，工程建设也不断加快。在生产建设中，大量的矿产资源被利用，致使大面积的矿山被开采，开采过程中的矿土堆积至地表形成排土场边坡，边坡土体是一种人工扰动土，其力学性质差，极易发生地质灾害。在边坡地质灾害中一种主要的灾害形式为浅层滑坡[1-3]。浅层滑坡是指滑动面深度小于2m的滑坡[4]，其具体表现形态为表层土体在重力等外力作用下，土体下滑力大于土体抗滑力而造成整体移动的现象。浅层滑坡相对于深层滑坡，其滑坡体规模小，但发生频率高，分布面积广，是各领域边坡灾害中最常见的地质灾害。浅层滑坡的发生会造成土壤资源的破坏、生态环境恶化和河流阻塞等问题，严重时会破坏生活基础设施，甚至威胁人类的生命安全。
为了减少浅层滑坡的发生，需要采取相应的治理措施。土木工程固坡是当前一种主要的治理手段[5]。土木工程固坡以抗滑桩、锚杆和灌浆等措施为主，施工过程中封闭了植被的生长环境，使得植被不能正常生长发育。土木工程固坡在初期加固效果显著，但在雨水等因素的侵蚀下，工程设施容易老化，从而使得土木工程护坡效果降低[6]，严重时还会引发二次灾害[7]，与此同时，土木工程护坡并没有体现工程建设与生态环境协调发展的理念[6] ，因此生态工程护坡的治理措施逐渐得到认可。生态护坡工程中，植物是工程建设的主要材料[8]，其具有护坡成本低、施工方便和美化环境等优点，且植物依靠自身的生长特征，很少受到外界侵蚀作用的影响，后期养护成本低。
1.2 国内外研究现状
为了研究植物根系固坡的效果，当前国内外学者分别从植物根的模拟仿真、根的分布形态、根的抗拉力学特性、根土复合体力学特性和根加固边坡方面做了大量的研究工作。
1.2.1 植物根系模拟仿真研究现状
植物的生长受时间效应的影响，植物根的发育可以采用Chapman-Richards方程[3]描述，该方程描述了植物生长的一般规律，在生长早期，植物根发育速度较低，但生长速度逐渐加快；在成熟期植物根保持相对稳定的增长速率；在衰老期或接近衰老期，植物根生长发育缓慢。为了描述不同生长时期根的生长形态，国外学者对虚拟植物根系进行建模分析，建立了相应的模型。在最早关于根系结构的模拟仿真中，根据简单的生长规律模拟了基于二维的根轴分枝形式。随着技术的不断发展，1988年Diggle[15]建立了第一个以三维形式模拟根系体系结构的ROOTMAP系统，它能够模拟根系年龄、位置、根段生长方向，但是这个模型没有考虑根段的径向增长等因素。因此后期开发了SIMROOT模型，该模型根据分形理论及根生长的时间效应来模拟根系的生长形态，是目前较为完善的根形态描述模型。当前研究表明，随着根的生长发育，在不同的生长时期植物根的延伸范围存在差异，造成加固范围的不同。嵇晓雷[16]研究表明，在不同生长时期，植物的根系数量，根茎粗细等会发生改变，进而对根附加粘聚力的大小以及边坡整体稳定性造成影响。
2.植物根的加固特性
2.1植物根对土壤的加固效果
用于加固边坡的植物可以分为草本植物、乔木植物和灌木植物，不同种类植物根的加固效果不同，植物加固示意图如图2.1所示。草本植物根生长深度较浅，大多数位于表层土壤的10~20cm位置处，因此草本植物主要加固土壤表层，对于更深层土壤的加固植物为灌木植物和乔木植物，部分灌木植物加固深度位于地表以下2m，乔木植物存在主根，主根生长深度大，部分乔木植物生根深度可达5m，且侧根在主根上生长发育，其主根与侧根均存在加固作用。根的生长深度是描述根加固效果的重要参数，根的最大生长深度因品种的不同而不同。虽然不同植物根系的分布特征不同，但80%的根常常位于土壤剖面20~50cm位置处。
对于植物根系固土已经取得了大量的研究工作。在当前的研究中，对乔木植物的固坡效果的研究更丰富，普遍认为乔木植物的固坡效果优于草本植物。Löbmann等人[67]通过对现有研究总结发现草本植物地区滑坡数量多的统计结果具有片面性，因为森林中的滑坡容易被忽略。通过对比草本植物与乔木植物的加固效果发现草本植物也可以起到良好的加固效果，尤其是对于土壤表层。目前为了保证生态工程中的固坡效果，通常将草本植物作为先锋物种。因此草本植物在生态工程中占据重要地位，需要对草本植物加固效果进行深入研究。当前对于植物根的加固效果的研究可以分为加筋理论和锚固理论。
2.2植物根附加粘聚力量化模型
植物根的加固效果由根附加粘聚力表征。当前众多学者采用理论模型计算根附加粘聚力的大小，计算模型众多，其中包括WWM模型，能量法模型，FBM模型，RBM模型，AFBM模型、RBMW模型和基于能量法的FBM模型。其中WWM、FBM和RBMW在当前的研究中较其它模型计算过程简单且所需数据容易采集，因此这三种计算模型被广泛应用。
2.2.1.WWM模型
植物单根加固的WWM模型效果示意图如图2.3所示。在剪切力的作用下，剪切面上下土体错位移动，根系逐渐受拉变形，根的抗拉力承担了部分剪切力。
3.草本植物生长及根加固效果试验研究 ............................ 18
3.1试验地点及方案 ................................ 18
3.2植物根几何分布特征试验 ...................... 21
3.3植物根的抗拉力学特性试验 .................................. 26
4.不同生长时期草本植物根加固下边坡表层稳定性分析 ................................... 38
4.1 边坡浅层稳定性分析计算方法 ................................. 38
4.2边坡模型建立 ................................. 40
4.3边坡稳定性分析 ................................ 44
5.不同生长时期混合种植草本植物根的加固效果 ......................... 52
5.1不同生长时期混合种植草本植物根的加固效果量化方案——以海州矿地区为例 ......... 52
5.2多草本植物根固坡结果 ................................ 58
5.3本章小结 ...................................... 63
5.不同生长时期混合种植草本植物根的加固效果
5.1不同生长时期混合种植草本植物根的加固效果量化方案——以海州矿地区为例
5.1.1不同生长时期多草本植物加固效果量化方案
本次研究目的是为了量化多种草本植物根的加固效果，计算流程图如图5. 2所示，首先固定选取一个时间点，通过现场指标（个体数量、个体频数、根扩展度、根生长深度和根分支数量）调查和Topsis权重计算，计算每种草本植物的权重（图5.2I），其次，通过根的抗拉试验及根面积比分布试验研究，带入WWM模型计算，从而计算每种草本植物根附加粘聚力（图5.2II），进而通过式14计算每种草本植物相对根附加粘聚力。最后计算多草本植物根附加粘聚力（图5.2III）。
6.结论与展望
6.1结论
草本植物根系对土壤起到加固作用，进而可以抑制浅层滑坡的发生。在草本植物的生长过程中，随着根的生长发育，根的抗拉力及根分布发生改变，因此根的加固效果也会改变。为了研究不同生长时期草本植物的加固效果，选取阜新市海州矿地区紫花地丁、灰灰菜和狗尾草为研究对象，通过测量不同生长时期根的抗拉力和根在不同深度土壤剖面上的根面积比，采用修正后的WWM模型量化根的加固效果。并计算了不同生长时期草本植物对不同工况边坡稳定性的影响规律，给出了边坡稳定性随生长时期的变化关系。通过研究主要得出以下结论：
（1）植物根的抗拉力随着生长时期的增加而增加，且与生长时期呈现正相关关系，生长时期也作为影响根抗拉力的主要因素之一。
（2）三种草本植物的根面积比和根附加粘聚力均随着生长时期的增加而增加，增长过程可以划分为三个阶段：1. 0~21天为初步增长阶段；2.28~78天为快速增长阶段；3. 78~131天为缓慢增长阶段。
（3）随着植物的生长，在任意几何边坡形态下，边坡安全系数基本呈现增加趋势，但安全系数不与生长时期呈现单调递增关系。三种草本植物对边坡的加固效果表现为21天前安全系数增长缓慢，21~56天安全系数稳定变化，63~131天安全系数变化幅度有所减缓。
（4）植物在不同生长时期的加固效果不同，且不同草本植物加固效果不同，本文提出了采用引入权重的Topsis方法结合修正后的WWM模型量化不同生长时期多草本植物根附加粘聚力的方案，并结合阜新市海州矿草本植物生长区证明了方案可行，通过对不同生长时期指标调查，可以得到植物在不同生长时期根的加固效果。这可以为生态工程中草本植物的固坡工程提供参考
参考文献（略）
