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原文传递高纬度冻土区土质路堑边坡冻融失稳机理及植物护坡研究

论文题名：	高纬度冻土区土质路堑边坡冻融失稳机理及植物护坡研究
关键词：	高纬度冻土区;土质路堑;边坡冻融;失稳机理;植物护坡
摘要：	近100年来，全球气候变化进程不断加快，从而引发许多工程地质问题。在黑龙江省，随着高等级公路建设快速发展，公路路堑边坡失稳现象不断出现。寻求与路域生态环境建设相结合的合理的边坡防护方式、方法，完善土质路堑边坡防护理论与防护方法，成为寒区公路建设亟待解决的问题。在我国东北高纬度季节冻土地区，土质路堑边坡浅层水温条件变化剧烈，直接影响边坡稳定。护坡植物根系吸水和蒸腾作用，能够调节坡面浅层土体含水率;同时，根系深入土中，与土壤形成复合体，改变了坡面浅层土体力学参数，进而对边坡稳定系数产生影响。另外，从植物生理特性和地域环境适应性角度，采用多种方法研究，选择抗逆性强、又能有效护坡、美化路与环境的护坡植物，也是本文内容之一。　　本文依托黑龙江省科技攻关项目《东北季节冻土地区高等级公路土质路堑边坡植物防护体系研究》(GZ07C401)、国际滑坡研究计划项目《Research on vegetationprotection system for highway soil slope in seasonal frozen regions》(IPL-132)、黑龙江省交通厅重点科技项目《高等级公路植物稳定边坡与绿化研究》确定选题，并开展相关研究工作。　　通过对同三高速公路佳木斯至哈尔滨段路堑边坡病害调查，选择确定研究区和试验研究路段;通过现场取样和室内实验，得到边坡土体容重、密度、渗透系数、颗粒组成、界限含水率等基本物理指标;通过室内三轴实验，得出素土和含根土体粘聚力、内摩擦角、变形模量随密度、含水率、冻融次数的变化规律。结果表明:未冻融无根土体和含根土体粘聚力、内摩擦角、变形模量均随土体密度增加而增大;土体含水率小于最佳含水率时，粘聚力随含水率增加而增大，土体含水率大于最佳含水率时，粘聚力随含水率增加而减小;土体内摩擦角随含水率增加而减小;土体变形模量随含水率增加而减小。经历冻融过程的无根土体、含根土体的力学参数变化与未经历冻融无根土体规律相近，但在不同状态下各参数变化幅度不同;通过对胡枝子、紫穗槐、草皮护坡边坡土体含水率沿深度变化数据，结合植物生理学、气象学、土壤物理学理论，得出护坡植物根系在边坡土体中的分布规律及植物根系和冻融共同作用下边坡土体中水分迁移和分布规律。结果表明:采用灌木植物护坡，通过植物根系吸水和叶面蒸腾，可有效降低边坡土体浅层含水率，胡枝子、紫穗槐根系对局坡面以下100cm范围内土体含水率有显著影响;通过对胡枝子、紫穗槐和沙棘的根系形态分析，结合素土、紫穗槐、胡枝子根系复合土现场直剪试验，揭示植物根系固土护坡的力学机理。结果表明:在距坡面60cm范围内，选定护坡灌木根系复合土抗剪强度是无根系土抗剪强度2倍左右;通过春融期边坡土体轻型贯入试验，结合边坡土体温度测量数据，得到土体温度场和强度场分布，结合土力学理论和土体力学指标室内三轴试验结果，得到土体抗剪强度与含水率变化关系;运用土壤物理学、传热学理论，结合对研究路段边坡土体温度、含水率变化监测数据分析，得出冻融过程中不同滑坡植物覆盖条件下、不同深度边坡土体含水率随温度变化规律。结果表明:在土体冻结过程中，未冻水分会向冻结区迁移，在冻结区局部分凝成冰。在春融期，冻结土体从坡面和土体冻结层以下两个方向开始融化，坡面浅层土体融化水分不能及时下渗导致春融期坡面浅层土体含水率迅速升高;通过基于有效应力法的春融期季节冻土地区土质路堑边坡稳定安全系数公式推导，进一步分析了土体物理、力学参数和边坡几何参数对边坡稳定性的影响;通过基于强度折减有限元模拟计算，求得不同覆盖条件下监测断面最不利季节边坡稳定安全系数。结果表明:在春融期，采用草皮护坡，监测断面边坡均处于临界失稳状态，采用胡枝子护坡，监测断面边坡处于稳定状态;通过边坡土体饱和不排水环剪试验和残余强度环剪试验，研究边坡滑动过程中土体力学参数变化规律。结果表明:边坡土体表观摩擦角为22.2°，残余强度下表观摩擦角为7.6°;结合研究区滑坡实例分析，验证了分析方法的正确性和分析结果的准确性;基于遥感数据和气象数据，通过对植被指数与气象因子关系的研究，分别建立气温、降水量和日照等气象因子与植被指数的数学关系模型，反演气象因子，结合地形高程数据和植物生长特性，建立紫穗槐、胡枝子和沙棘等植物生长适应性的评价指标体系，并进行空间适应性评价。结果表明:选定护坡植物在黑龙江省具有良好生长适应条件。
作者：	郭颖
专业：	森林工程
导师：	单炜
授予学位：	博士
授予学位单位：	东北林业大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文