紫花苜蓿根系?黄土复合体剪切特性与库仑修正模型

植物根系可以显著提升土体的强度。为探究紫花苜蓿根系对黄土抗剪性能的增强作用,选取生长周期为60 d的紫花苜蓿根系?黄土复合体为研究对象,通过剪切试验和根系拉伸试验获取紫花苜蓿根系?黄土复合体抗剪强度和根系抗拉强度参数,采用电子放大镜观察紫花苜蓿根系结构与特征,利用经验公式建立根?土复合体库仑修正模型,并对比分析库仑修正模型、WWM模型及修正WWM模型的优缺点,对黄土地区植物根系增强土体强度进行评价。结果表明:紫花苜蓿根系对土体抗剪性能的增强效应显著;紫花苜蓿根系发达,根径在0.2~6.7 mm,随着根径的增大,单根极限抗拉力呈指数式增大,抗拉强度呈指数式降低;不同RAR(Root Area Ratio,即根系横截面积之和与土体横截面积的比值)下的根?土复合体抗剪强度相比素土样提升显著,RAR与黏聚力和内摩擦角之间具有显著的相关关系,其中RAR与黏聚力之间呈线性正相关关系,与内摩擦角之间呈高斯函数关系;根?土复合体库仑修正模型对黄土区草本植物根?土复合体的抗剪强度增量预测具有较好的合理性、有效性及适用性,修正WWM模型次之,WWM预测精度相对较差;而在木本植物根?土复合体的抗剪强度增量预测方面,根?土复合体库仑修正模型和修正WWM模型的预测精度要远高于WWM模型。研究结果对黄土地区植被护坡工程具有指导意义。      

寒旱环境盐生植物根-土复合体抗剪强度影响因素试验研究

为探讨寒旱环境盐生植物根系对增强土体抗剪强度的贡献,本项研究以柴达木盆地尕斯库勒盐湖区及其周边地区作为试验区,选取区内海韭菜（Triglochin maritimum Linn.）、芦苇（Phragmites australis Trin.）、无脉苔草（Carex enervis C.A.Mey.）、赖草（Leymus secalinus Tzvel.）、洽草（Koeleria cristata（L.）Pers.）5种优势盐生草本植物作为供试种,通过野外采集根-土复合体原状和不含根系的素土试样,且由表层向下层分层制取直剪原状试样方法,分别进行复合体和素土试样的室内直剪试验,分析不同取样位置深度处的含水量、垂直压力、根系分布形态、含根量以及根面积比5种因素对根-土复合体抗剪强度的影响。试验结果表明:随着取样深度位置处土体含水量增加,复合体黏聚力c值呈逐渐降低变化规律;5种植物根-土复合体和素土试样垂直压力和抗剪强度之间符合莫尔-库仑准则,5种植物根系起到浅层加筋作用且抗剪强度增幅为3.26%~57.18%。随着海韭菜和芦苇根-土复合体试样的根面积比（RAR）及无脉苔草、赖草和洽草根-土复合体试样含根量的减小,复合体试样黏聚力c值呈降低趋势;根面积比对海韭菜和芦苇根-土复合体黏聚力c值的影响程度,以及含根量对无脉苔草、赖草和洽草根-土复合体黏聚力c值的影响程度均相对大于含水量。5种植物根-土复合体在不同深度处黏聚力c值均显著高于素土黏聚力c值,其增强幅度为9.61%~182.56%,相比较而言,内摩擦角φ值变化相对较小。区内海韭菜根系对土体抗剪强度的增强作用相对较为显著,其次为芦苇、无脉苔草、赖草、洽草。该项研究结果对于进一步评价盐生植物根系增强土体强度作用,以及与试验区地质条件相类似的地区采用盐生植物有效防止水土流失、浅层滑坡等地质灾害具有实际指导意义。     

高寒矿区草本植物根系增强排土场边坡土体抗剪强度试验研究

为研究草本植物根系对增强高寒地区露天煤矿排土场边坡土体抗剪强度的贡献以及相关因素对边坡土体抗剪强度的影响,以青海境内祁连山北缘江仓露天煤矿排土场为试验区,在排土场边坡组合种植垂穗披碱草(Elymus nutans Griseb.)和冷地早熟禾(Poa pratensis L.)2种草本植物,在边坡3个不同位置处分别制取不含根系素土和根-土复合体试样进行直剪试验,探讨土体物理力学性质以及植物根系数量与根-土复合体抗剪强度之间的关系。结果表明:（1）随着边坡海拔升高,坡面浅层素土和根-土复合体试样的密度和砂粒含量呈显著增加,含水率、粉粒和黏粒含量显著降低;（2）与边坡素土试样抗剪强度相比,坡底、坡中和坡顶位置处根-土复合体抗剪强度增幅分别为4.09%、18.92%和0.69%;（3）在素土和根-土复合体试样中,含水率与黏聚力之间呈显著负相关关系,相关系数分别为-0.943和-0.969;土体中砂粒含量与内摩擦角之间呈显著正相关关系,相关系数分别为0.940和0.926;（4）坡底至坡顶位置处根-土复合体的黏聚力与素土相比,增幅分别为29.23%,54.40%,26.45%。     

植物根系与边坡土体间的力学特性研究

建立了根土相互作用的力学模型,在限定根在土体中方位的情况下推导出了由于根的加筋作用所增加的土体抗剪强度公式。并在实验室进行了大量常规直剪试验。对试验结果进行了分析,并和理论计算相比较,结果表明：植物根系可以明显提高土体的抗剪强度;随着含水量的增加,土体和根-土复合体的抗剪强度会下降;直根和斜根对根-土复合体抗剪强度的提高是相似的,都是随着根条数的增加而增加,但斜根的加强作用要大些;随着根条数的增加,根-土复合体的c、φ值都会提高。     

冻融循环条件下含根系土的力学特性

植物根系对土体有力学加筋作用,可以有效提高土体的强度,防止浅层滑坡和地表侵蚀,因而广泛应用于边坡防护。然而在中西部的季节冻土区,植被边坡的土体反复冻结融化,在植物根系力学加筋和冻融损伤的双重作用下,其力学性质也会发生变化,对边坡稳定性产生不确定因素。因此,为探究冻融和根系分布对土体的复合影响,采用贡嘎山海螺沟流域土壤及花楸根系进行三轴固结不排水试验,研究了冻融循环作用下,含根系土体的强度变化。考虑不同冻融循环次数(0、1、5次)和根系分布方式(竖向均匀分布:三层各一根;水平均匀分布:中间一层三根),绘制应力应变曲线和孔压应变曲线,对比分析两种试样的应力应变特性,并通过抗剪强度包线获得总应力抗剪强度指标和有效应力抗剪强度指标。结果表明:(1)随冻融循环次数的增加,三层各一根试样和中间三根试样的峰值强度均逐渐降低,黏聚力和内摩擦力也逐渐减小,在低围压(25 kPa)条件下冻融循环作用对含根系土强度减弱作用较为明显,但在高围压条件下,植物根系对土的强度的增强作用仍不可忽视;(2)即使发生了冻融循环,根系仍在一定程度上提高了土体的强度,其增强效果受到分布方式的影响,三层各一根的排列方式增强作用...     

冻融作用对饱和粉质黏土抗剪性能的影响

为研究季节冻土地区冻融作用对道路边坡土体抗剪性能的影响规律,在不同冻结和融化温度、不同冻融循环次数、开放和封闭体系条件下对冻融饱和原状粉黏土试样进行了不固结、不排水剪切试验。试验结果表明:饱和原状粉质黏土冻融后,黏聚力降低,内摩擦角增大,冻结温度越低,冻融作用对黏聚力和内摩擦角的影响越小,随着冻融循环次数的增加,5～7次冻结循环后二者的变化逐渐趋于稳定。水分补给会强化冻融作用对试验土抗剪性能的影响;融化温度对试验土的抗剪性能影响很小。     

根-土复合体的三轴试验及其强度分析

植被根系对土体的强度有显著影响。现有研究缺乏准确的模型描述根-土复合体破坏时应力状态。为量化植被根系对土体强度的贡献,采用一系列固结不排水三轴试验研究了含根量对根-土复合体强度特征的影响,并基于能量耗散原理建立了根-土复合体强度预测模型,最后对比分析了试验结果与模型预测值。结果表明:根系可显著提高根-土复合体强度,当含根量为0.486%,根-土复合体的偏应力较素土增大了1.70倍,抗剪强度较素土提高了72.1%,围压较小时根系对土体强度的提高更为显著;根-土复合体内摩擦角随含根量的增加变化较小,而根-土复合体的黏聚力随含根量的增加而逐渐增大;根-土复合体模型预测值与试验结果较为接近,表明该模型具有较高的准确率和可靠度。研究成果可为根-土复合体强度特性理论研究提供参考,并为根-土复合体强度预测提供了可靠方法。     

植物根系对低液限粉质黏土边坡浅层土体抗剪强度影响的试验研究

随着生态平衡和环保日益得到公众的认同和重视,工程边坡的生态修复与防护技术得到发达国家的重视,生态防护成为边坡灾害防治和水土流失控制的首选方案,代表着边坡防护的发展方向。本文采用等应变直剪仪对两种种植在低液限粉质黏土边坡上的抗旱耐瘠植物的根-土复合土体及素土进行室内剪切试验,探讨不同根系密度和含水量对抗剪强度的影响,结果表明:随着垂直压力的增加,土体抗剪强度随之增加;根系能显著增加土体抵抗剪切破坏能力,其中沙打旺提高土体抗剪强度的效果较锦鸡儿明显;随着根系密度的增加,抗剪强度随之增加;随着土体的含水率增加,根-土复合体抵抗剪切能力先增加后减小;植物根系对土体的内摩擦角影响不大,但对黏聚力影响较大,根-土复合土体抵抗剪切破坏的能力主要由黏聚力的提高决定。本文研究成果对华北地区低液限粉质黏土公路边坡生态防护技术及采煤矿区环境生态治理工程中的植物选择和配置,均具有重要的意义。     

根系和裂隙对土体水力和力学特性影响数值模拟

为探究根系和裂隙对土体水力及力学特性的影响,利用有限元软件计算降雨过程中裂隙和根土间隙对渗流场的影响,并以渗流计算结果为基础,分析降雨对根系固土作用的影响,采用分区强度折减法对降雨前后根?土复合体进行直剪试验模拟,同时考虑了侧根倾角的影响。结果表明,裂隙和根土间隙为雨水入渗提供优先通道,降雨影响深度随裂隙深度增加而增加;有根系时降雨影响深度由主根深度决定,侧根倾角对其影响较小,考虑根土间隙影响的降雨影响深度相较于无根系工况增加了93.3%;根系能显著提高土体的抗剪强度,相对于垂直主根方向的不同倾角,侧根增加土体抗剪强度由大至小依次为60o、45o、30o侧根和无根系;雨水入渗降低了土体强度,同时削弱了根系固土作用,使得降雨后根-土复合体抗剪强度大幅降低,是许多植被覆盖边坡仍发生浅层滑动原因之一。     

植物固土护坡效应的研究现状及发展趋势

近年来由于自然环境变化和人类工程实践活动的影响,水土流失、滑坡等地质灾害发生的概率逐年提高,这些灾害的发生为当地人们的生产、生活带来了一定程度的危害。利用植物固土护坡方法可有效防治上述地质灾害的发生。植物固土护坡效应主要表现在水文效应和力学效应两方面。水文效应包括植物茎叶的降雨截留作用,植物茎叶削弱雨滴溅蚀作用,植物茎叶及其腐殖质抑制地表径流作用; 力学效应包括须状根系的加筋作用、主直根系的锚固作用和水平根系的牵拉作用等。本文着重探讨了植物护坡表现在水文效应和力学效应两方面的研究现状及其发展趋势。其中,在水文效应方面,对植物茎叶降雨截留及削弱溅蚀等进行了着重探讨; 对于力学效应着重探讨了根系增强土体抗剪强度理论模型、根-土相互作用、植物固土护坡力学效应数值模拟等。在上述基础上,指出了植物固土护坡效应发展趋势,即体现在水文效应方面,需开展大气-土体-植物水分迁移对边坡稳定性影响研究; 根-土复合体强度理论模型方面,进一步探讨Wu-Waldron-Model模型和Fiber-Bundle-Model模型所适用的工况条件; 数值模拟方面,需进一步探讨在建立计算模型时应系统考虑植物根型特征、根系强度等诸因素以及这些因素对计算结果的影响; 在工程实践方面,进一步开展植物护坡方法在边坡工程中的应用,探索植物护坡在不同地质、气候和区域环境条件下的应用与维护,使植物固土护坡效应体现出水文效应、力学效应、景观效应的有机结合。     

高寒矿区排土场边坡土体抗剪强度特征

为研究高寒矿区排土场边坡草本植物根-土复合体抗剪强度特征及其影响因素,以青藏高原东北部天骏木里煤田江仓矿区排土场为研究区,对组合种植垂穗披碱草（Elymus nutans Griseb.）和冷地早熟禾（Poa crymophila Keng）的排土场边坡,测得边坡地表以下不同深度根-土复合体密度、含水率和含根量等指标,通过室内直剪试验获得素土和复合体黏聚力c和内摩擦角φ;采用灰色关联法得到密度、含水率和含根量与抗剪强度指标c和φ间的关联度。试验结果表明:排土场边坡相同取样点位置和层位,根-土复合体密度和含水率均小于素土,且第二层（地表以下10~20 cm）根-土复合体含根量显著小于第一层（地表以下0~10 cm）,第二层含根量较第一层平均降低幅度为31.66%;此外,根-土复合体c值较素土大,第一层和第二层根-土复合体c值较素土其平均增加幅度为32.69%、13.42%,两者的φ值则未表现出显著性变化规律;根-土复合体抗剪强度指标c和φ与密度关联度相对较高,与含水率关联度次之,与含根量关联度相对较小。研究结果对高寒矿区采用种植植物方式开展排土场边坡生态恢复,科学有效地防治坡面水土流失、浅层滑坡等地质灾害,具有一定的理论研究价值和实际指导意义。      

基于试验与模型的根系增强抗剪强度分析

在总结近代学者对植物根系固土作用机制研究的基础上,采用大盒直剪试验与物理模型,对重庆缙云山地区6种常见植物:马尾松、香樟、广东山胡椒、四川大头茶、白毛新木姜子、四川山矾根系的增强抗剪强度进行对比。通过自制的大盒直剪仪对植物实际固土效果进行了测定,该大直剪仪具有简单、经济、易行等特点。通过对多种植物根系进行抗拉试验和根土复合体受力分析,确定了植物根系的抗拉强度与植物根面积比率。利用Wu模型对6种植物的根系固土效能进行模型计算。结果表明,不同的植物根系类型对增强抗剪强度值的影响非常显著。在重庆缙云山地区的土壤质地情况下,Wu的根土复合体模型高估了根系增强土壤的抗剪强度约为90%。基于该结论,为使Wu模型计算的根系固土强度值较为准确,修订Wu模型中的k值为0.63。     

柴达木盆地盐湖区盐生植物根土复合体抗剪强度试验研究

本研究选取柴达木盆地内大柴旦盐湖南岸5种优势草本盐生植物, 即赖草(Leymus secalinus (Georgi) Tzvel.)、海韭菜(Triglochin maritimum L.)、毛穗赖草(Leymus paboanus (Claus) Pilger)、芦苇(Phragmites australis (Cav.) Trin. ex Steud)、无脉苔草(Carex enervis C. A. Mey.)等作为试验供试种, 采用由地表向下分层制取根-土复合体试样的方法, 分别对区内5种植物根-土复合体和不含根系素土试样进行了直剪试验. 试验结果表明, 根-土复合体的粘聚力c值由地表向下呈逐渐降低趋势, 且赖草、毛穗赖草、无脉苔草3种草本植物平均粘聚力c值由表层的14.83 kPa逐渐降至下层的6.23 kPa, 海韭菜、芦苇2种草本植物平均粘聚力c值则由表层的15.62 kPa逐渐降至下层的11.83 kPa; 根-土复合体的粘聚力c值由表层至下层呈逐渐降低, 其主要与根-土复合体中的根面积比和含根量由表层至下层呈逐渐降低具有密切关系; 5种草本植物根-土复合体内的摩擦角φ值未表现出一定的规律性. 根-土复合体在50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa垂直压力下的抗剪强度均大于相应素土的抗剪强度, 与不含根素土相比, 5种草本根系在地表以下的上层、中层、下层等3层对土体粘聚力增幅为40.7%~875.6%, 体现了5种草本植物对浅层土体具有显著加筋作用.     

冻融循环下含节理类岩石试样剪切破坏特性

为探究冻融循环对节理岩石抗剪力学特性的影响,针对冻融循环前后不同连通率节理岩石试样进行剪切特性试验,探究了节理试样的剪切破坏机制,对比分析了冻融前后节理试样抗剪强度的衰减趋势,分析了黏聚力及内摩擦角随岩石试样剪切破坏面分形维数的变化规律。结果表明：随冻融循环次数的增加,节理试样剪切应力-位移曲线发生显著变化,峰值剪应力出现明显下降,黏聚力及内摩擦角对比冻融前试样出现明显劣化,并且随节理试样连通率的增加,劣化程度加剧;在节理连通率相同时,随冻融循环次数的增加,剪切破坏面的分形维数呈现近指数函数递增的趋势,随分形维数的增加,节理试样的黏聚力损伤因子、内摩擦损伤因子也呈现指数函数增加的趋势;在冻融循环次数相同时,内摩擦角损伤因子随节理连通率的增大呈先减小后增大的趋势,而黏聚力损伤因子在冻融循环次数为30次前后分别呈递增和先减后增的趋势。