植被防护土坡分析与展望

本书介绍了植被防护土坡的常用技术,从土力学、土壤学、植物学的角度,研究了植被防护土坡的机理和类型。通过一些试验和理论上的研究,提出了植被防护土坡的计算分析方法和设计原则。

(1)开展了室内、外香根草根系生态加固土的试验研究工作,发现香根草根系能够很好地提高土的抗剪强度和改善延展性,并且根系含量越多,效果越明显。进行了不同固结应力、不同应变速率作用下饱和土的,以及不同控制吸力作用下非饱和土的单轴/三轴压缩试验,发现应力应变曲线表现出渐进变形破坏的特性,例如应变速率效应、剪胀和软化、以及表观超固结特性等。

(2)研究了考虑各向异性、黏滞性、结构性、非饱和特性及根系固土特性等多因素共同作用下土的广义结构性本构理论和模型。该模型能很好地模拟土(包括根系加固土)的强度和变形特性。通过与饱和土在不同应变速率下的三轴压缩和伸长试验、以及非饱和土在不同控制吸力作用下的固结仪和三轴压缩试验结果的对比分析,发现本构模型很好地数值模拟了不同围压的压硬效应、不等向固结应力影响、剪胀和软化现象、应变速率效应、以及不同控制吸力作用下的压缩、剪切和变形特性。

(3)在沈珠江院士的非饱和土简化固结理论的基础上,建立开发了考虑部分排气的水—土—气耦合的弹塑性有限元数值分析模型、计算方法和程序。考虑到土坡的渐进变形受土的各向异性、黏滞性、结构性以及非饱和特性等多种因素的影响,进行了土坡裂缝形成与发展机理分析。利用预裂进气压力代替一般进气压力值,以考虑降雨时裂隙土更多的吸力丧失,同时通过不断扩大渗透系数以模拟土裂隙产生和进一步开裂的影响。

(4)推导出饱和土和非饱和土的弹塑性矩阵及由于黏滞性或吸力改变引起的初应变对应的具有确切物理意义的“外荷”增量,以便替代传统的“强度折减法”或“软化模量法”来模拟岸坡的变形问题。应用Newton-Raphson数值积分格式的增量迭代收敛算法和有限元数值分析模型,对植被例如香根草根系生态加固土坡的渐进变形、蒸发失水变形和降雨入渗变形,都进行了很好的数值模拟。计算分析表明,植被例如香根草根系固坡对土坡渐进变形控制起着很好的作用,有助于边坡稳定。(www.xing528.com)

(5)利用所建立的考虑各向异性、黏滞性、结构性、非饱和特性及根系固土作用特性等多因素共同作用下土的广义结构性本构理论模型,根据应变—速率相关方程推导出植被覆盖下的无限边坡渐进变形分析近似解析模型。研究中考虑了土的各向异性、黏滞性、结构性、根系固土特性、非饱和特性等对土坡滑移的影响。算例表明,整个滑移区从下往上基本可以划分为:稳定层、剪切层和随动层。考虑植被根系的固土作用可以很好地控制或减小岸坡的渐进变形。边坡的渐进变形随着各向异性参数αK 0的减小、或黏滞性参数ψ0的减小、或根系固土强度参数μ0的减小、或结构破损度D的增大以及广义吸力S的减小而增大。

(6)近似解析模型计算表明,在边坡渐进破损变形过程中,坡土的归一化不排水抗剪强度Su/σ′z随着初始裂隙发育程度参数μ0的增加(根系固土作用使初始裂隙数量减少)而增大,随着各向异性参数αK 0的增加而增大,随着塑性体应变率的增加而增大,随着破损比D(表征次生裂隙影响)和Lode角θ的增大而减小。

在下一步的研究中,作者将继续根据植被防护原理,研究土坡自适应变形调控和防护技术,即利用土工合成材料例如钢塑条带及涤纶格栅网袋灌浆制成的可伸缩性复合材料土钉、联合固体废弃物例如废旧轮胎以及植生带枝茎铺成的活性覆盖层,开发植被联合基础工程防护土坡的成套新技术及计算分析方法。