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摘要：植物根系具有固土护坡的作用，为了全面提升区域内河道防洪排涝标准，降低雨涝灾害损失，减少水土流失，改善河道水质，美化河堤河床，有效促进农村水生态环境的改善和自然生态系统的恢复，需要在河道治理过程中充分掌握植物根系的固土机理，并采取必要的护坡技术，达到河畅水清、功能健全、岸美景绿、人水和谐的综合整治目标。本文深入分析植物根系固土机理，并结合具体项目探究植物根系固土护坡技术的创新。
关键词：植物根系；固土机理；护坡技术
一、植物根系固土机理
1、植物根系增强摩擦加筋力
植物根系在和土质实现紧密结合基础上，能够形成根-土复合体，该复合体能够协同承受作用力和变形力。根-土复合体在外荷载力作用下，根系和土体都会出现一定程度的变形，而根系弹性模量要比土体弹性模量要高，在土体与根系出现相互错动趋势或者已经形成相互错动状态的时候，会有摩擦力发生在土体与根系之间，在摩擦力作用下，能够充分调动土体抗压强度和根系材料抗拉强度，以此充分提升整体土体的强度，降低复合体变形力[1]。通过对边坡土体应力实现分析，发现根-土复合体增强了土层对根系材料的粘聚力，在相关粘聚力的作用下，能够切实提升原土体实际抗剪强度，并在对土体侧向膨胀实现有效限制基础上，减小其最大剪应力，在两种作用下，可充分提升边坡土体自身承载能力。结合土壤与垂直根系相互之间发生作用力的力学模型，能够对土体受到植物根系具体的加筋作用实现定量分析。在植物根系具体延伸方向和土体相应剪切区属于正交关系的时候，若根表面承受充足的约束力与摩擦力，确保根部不会被拉出，此时如果有土体剪应力出现，受到根系的错动位移影响，根会出现拉长情况，促使根内出现拉力，由TR表示，拉力沿剪切法线方向所发出的分力，能够对剪切变形实现抵抗，拉力沿法线方向所发出的分力，能够提升剪切面正应力。所以，把破坏变形率较大且抗拉强度较高的根系材料适当的植入土中作为土壤的加筋材料，能够对土变形情况实现有效控制，提升土体整体稳定性。
2、植物根系促进负荷传递
结合相关研究，发现土体在承受应力或者荷载作用条件下，内部根系材料之间也会出现荷载或者应力的传递，但是根系强度相较土体强度要大得多，且弹性模量很大，根-土复合体在承受应力作用的时候，复合体中的根系可以更强有力的地方一部分应变，以此促使根系材料承受更多、更强的应力作用，以此减少应力对周边土体所产生的作用力。在植物单根系增强的时候，对应的增强面积属于应变瓣或者应力，这种应力对周边影响不大，但是单根综合效应是有所增强的。而在植物多个根系同时出现根系增强的时候，单根尖端位置会产生高应力面积，若单根落入相邻单根低应力区，此时单根两端对应的高应力会出现减小。根-土复合体综合应变瓣最终形成集合体形，代表附加应变进一步增强了。
3、植物根系减弱破坏作用
土体抗剪强度要远低于根-土复合体，所以在根-土复合体形成之后，能够有效的对边坡变形破坏力加以削弱，保护坡体。根-土复合体当中由于包含根系材料，所以在裂纹尖端附近位置有土体界面和根纤维开裂区域，该区域当中的根纤维能够连接裂纹桥，同时将闭合应力施加在裂纹表面，增强土体韧度并防止裂纹进一步扩展。植物根系的主根与一部分侧根深入的扎进土层当中，此时具有根强的锚固作用，在复合体承受相关作用力出现一定破坏情况的时候，产生的裂纹不容易发生偏斜，只会沿着原扩展方向进一步延伸。而这个情况下，裂纹尖端位置相应根系依旧保持连接状态，所以会向裂纹表面施加压应力，以此对外加拉应力作用实现抵消，避免裂纹继续扩展，有效削弱破坏[3]。在裂纹延伸至根-土复合体当中相应增强材料根系的时候，因为根系周边存在应力场且根系材料自身弹性模量也比较高，裂纹在无法穿过根系情况下需要绕过根系进而发生偏转。裂纹在偏转之后，所承受的拉应力相较之前要小，并且其扩展路径会继续延伸，这个过程需要耗费大量能量，进而有效削弱其对复合体的破坏力。若裂纹在复合体当中遇到单根，此时裂纹的延伸会呈现一定弯度，并连接到单根之前裂纹，出现裂纹环，通过裂纹的偏转更改裂纹初始拓展路径，在断裂能量被充分吸收之后，可以削弱复合体受到的破坏。
二、植物根系固土护坡技术
如皋市中小河流综合整治重点县工程由水系沟通、清淤疏浚和清障工程、岸坡整治工程等三部分组成。项目的实施能够有效提升项目区内河道防洪排涝标准，降低雨涝灾害损失，减少水土流失，改善河道水质，美化河堤河床，有效促进农村水生态环境的改善和自然生态系统的恢复。在整治河道之前，边坡存在大量的枫杨、壳树等杂树，没有经济价值，并且容易引雷，还存在严重的病虫害问题，对附近居民生活产生一定影响。河道整治工程中，需要对河坡当中一系列杂树进行清理，但这些杂树根系发达，对河道坡面水土保持，防止水土流失起到很大的作用。
在第一期工程中，治理部门采取连根拔起（图1）的措施整治河道，但是在经过雨季后，河坡出现大量坍塌问题，虽然重新种植了其他苗木和草皮护坡，但由于新苗生根太浅，对河道坡面起不到固土作用。所以从第二期工程开始，治理部门采取了保留树根（图2）的做法，有效的保住了河道坡面的稳定，确保河道整治完工后坡面不会出现严重坍塌问题。而保留的树根如不能暴出新芽，就难以存活，几年以后就可能出现腐朽、溃烂，届时树桩根系的位置将形成空洞，丧失对河道坡面的固土作用，同时河坡土体之下可能形成地下水渗流通道，对河坡的稳定安全十分不利。针对可以问题，可以有效的利用植物嫁接技术，在保留的树桩上再嫁接新苗木，一方面可以达到美化环境的作用，另一方面可以保持树桩的长久存活，充分发挥其庞大根系的固土作用。除了利用植物嫁接技术实现护坡，还可以结合实际情况，合理使用铺贴草皮、液压喷播、穴植灌木、三维植被网技术、骨架植物护坡等技术，充分利用植物根系固土机理，实现河道综合质量并有效护坡的目的[4]。
图1 图2
三、结束语
通过分析植物根系固土机理，证明通过在土壤中植入植物根系，形成根-土复合体，能够通过其加筋作用、负荷传递作用和削弱破坏作用，有效提升土体强度和稳定性，对保护土坡，防治水土流失具有重要作用。在河流整治过程中，为了充分发挥原树木根系的护坡作用，可以通过植物嫁接技术对树木庞大根系加以利用，并达到美化环境的作用。
参考文献：
[1]李宝建. 生态护坡中植物根系与土作用机理研究[D]. 海南大学, 2017.
[2]左学龙. 基于弹性本构关系的根—土复合体力学特性试验研究[D]. 中南林业科技大学, 2016.
[3]朱菁, 肖长永, 王敏. 植物根系固坡机理的理论分析[J]. 产业与科技论坛, 2017, 16(11):67-68.
[4]张蛟龙. 河道生态护坡关键技术及生态功能[J]. 水利规划与设计, 2016(1):82-84.
论文作者:何海波
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第24期
论文发表时间:2018/12/10
标签：根系论文; 复合体论文; 应力论文; 裂纹论文; 护坡论文; 植物论文; 河道论文; 《建筑学研究前沿》2018年第24期论文;