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香根草根系加筋对膨胀土力学特性与边坡稳定性的影响探究

一、引言

1.1研究背景与意义

随着基础设施建设的快速推进，在膨胀土地区进行道路、铁路、水利等工程建设时，边坡的稳定性问题愈发突出。膨胀土是一种特殊的黏性土，具有显著的吸水膨胀、失水收缩特性，这一特性使得膨胀土地区的工程结构极易遭受破坏。在我国，膨胀土分布广泛，涵盖广西、云南、四川、湖南、湖北、浙江等20多个省市（区），许多失稳的膨胀土边坡事故大多发生在降雨中或降雨后，典型膨胀土地区公路路基常常出现“逢堑必滑，有堤必坍”的情况，其破坏性大，治理难度高，且破坏具有反复长期潜伏性。公路路基设计规范（JTGD30-2015）明确规定膨胀土不能直接用于路堤填料，填筑前需进行处治。

传统的边坡加固措施如换填、化学加固、土工格网等虽在一定程度上能限制膨胀土填料的胀缩变形，但在复杂多变的气候环境中，膨胀土路堤填料仍不可避免受到降雨入渗和毛细水上升的影响，导致路堤变形、沉降等病害时有发生。并且，这些传统措施还存在诸如对环境造成一定影响、工程造价较高等问题。

香根草作为一种优良的护坡植物，近年来在边坡防护工程中得到了越来越广泛的应用。香根草属于禾本科，是一种特殊的多年生草本植物，它株丛紧密、丛生、无芒、坚韧、叶面平滑，不能授粉结籽，没有根茎和匍匐茎，依靠根段和截枝无性繁殖。香根草具有根系强度高、生长快、适应性强等特点，其根系平均抗张强度可达75MPa，约为钢材抗张强度的1/6。大量的根系能够增强土壤的剪切力，从而提高斜坡的稳定性。同时，香根草还具有发达的网状根系，能将土牢牢地固定在等高线上，几年内不需要维护，且对病虫害有强大的抵抗力，根内所含挥发性芳香油可驱赶鼠类及其他有害动物，耐火、耐旱、耐涝。

研究香根草根系加筋膨胀土的力学特性及边坡稳定性，对于解决膨胀土地区边坡防护问题具有重要的工程应用价值。一方面，利用香根草进行边坡防护，可有效减少传统加固措施对环境的负面影响，实现生态环保的工程建设目标；另一方面，深入了解香根草根系与膨胀土之间的相互作用机制，有助于优化边坡防护设计，提高边坡的长期稳定性，降低工程维护成本。从理论层面来看，目前关于香根草根系加筋膨胀土的研究还不够系统和深入，本研究能够进一步完善植物加筋土的理论体系，为相关领域的研究提供新的思路和方法。

1.2国内外研究现状

在生态防护技术研究方面，近年来，利用植被固坡的“软”做法日益普及。国外早在20世纪中叶就开始关注植物在边坡防护中的应用，随着研究的深入，逐渐认识到植物不仅能够美化环境，还能通过根系的锚固作用和地上部分的水文调节作用增强边坡的稳定性。国内对生态防护技术的研究起步相对较晚，但发展迅速。目前，生态防护技术在公路、铁路、水利等工程领域得到了广泛应用，多种植物被用于边坡防护，香根草因其优良的特性受到了特别关注。

在根系加筋理论研究方面，国外学者较早开展了相关研究，提出了一系列关于根系加筋作用的理论模型，如根-土相互作用的剪切-位移模型等，这些模型从不同角度解释了根系对土壤力学性质的改善机制。国内学者在借鉴国外研究成果的基础上，结合国内实际工程情况，对根系加筋理论进行了进一步的研究和完善。通过室内试验和现场监测，深入分析了根系的分布特征、加筋效果与土壤性质、根系参数之间的关系，为根系加筋技术的应用提供了更坚实的理论基础。

对于膨胀土特性的研究，国内外学者做了大量工作。研究内容涵盖膨胀土的矿物成分、物理化学性质、胀缩特性、强度特性等方面。通过微观结构分析和宏观力学试验，揭示了膨胀土吸水膨胀、失水收缩的内在机制，以及影响膨胀土工程性质的主要因素。在膨胀土边坡稳定性分析研究方面，国内外已经发展了多种分析方法，包括极限平衡法、数值分析法等。极限平衡法通过对边坡土体进行力学分析，计算边坡的安全系数来评估其稳定性；数值分析法如有限元法、有限差分法等，则能够更真实地模拟边坡在各种复杂条件下的应力应变状态和渗流情况。

然而，当前对于香根草根系加筋膨胀土力学特性及边坡稳定性的研究仍存在不足。一方面，虽然对香根草根系的加筋作用有了一定认识，但对于香根草根系与膨胀土之间的相互作用机理，尤其是在复杂环境条件下（如干湿循环、温度变化等）的作用机制，研究还不够深入。另一方面，现有的研究多集中在单一因素对边坡稳定性的影响，缺乏对多种因素耦合作用下香根草加筋膨胀土边坡稳定性的系统研究。此外，在工程应用中，如何根据不同的膨胀土特性和工程要求，合理选择香根草的种植密度、种植方式等参数，也缺乏足够的理论依据和实践经验。

1.3研究内容与方法

本研究的主要内容包括以下几个方面：首先，开展香根草加筋膨胀土强度试验研究，通过室内直剪试验，分析不同含根量、不同法向应力下香根草加筋膨胀土的抗剪强度特性，探讨香根草根系对膨胀土强度的增