退化高寒草原人工恢复植被根系及根-土复合体力学特性研究

为研究人工恢复草本植物对青藏铁路沿线退化高寒草原土体抗剪强度增强作用,以青藏铁路沱沱河段人工草地建植区为研究区,通过对区内生长期为1 a的3种组合种植草本植物开展单根拉伸和根-土复合体直剪试验,评价了3种草本组合单根、根-土复合体力学强度特性。研究结果表明:组合类型I即扁穗冰草（Agropyron cristatum）+碱茅（Puccinellia distans）+冷地早熟禾（Poa crymophila）,其3种草本平均根径（0.06～0.34 mm）、平均抗拉力（0.58～3.09 N）、平均抗拉强度（36.87~221.70 MPa）相对最大;3种草本组合其单根抗拉力与根径呈幂函数正相关关系,而抗拉强度与根径呈幂函数负相关关系;直剪试验结果表明,3种草本组合其根-土复合体黏聚力均随深度增加而降低,其中组合类型I其根-土复合体黏聚力相对最大为32.62 kPa,且较组合类型II、组合类型III根-土复合体黏聚力的增加幅度分别为15.3 %、57.7 %,表现出草本组合类型I具有相对更为显著的增强土体抗剪强度作用。研究结果可为青藏铁路沿线高寒草地退化、水土流失、浅层滑坡等灾害防治提供理论依据,同时对采用种植植被开展沿线生态恢复具有实际指导意义。     

寒旱环境草本植物根系护坡的时间尺度效应

为研究植物护坡效应的可持续性,选取芨芨草、细茎冰草、垂穗披碱草、赖草4种草本植物,分别对生长时间为1~4年的上述草本进行了野外现场拉拔试验。试验结果表明:4种草本其平均抗拔力、平均须根数、平均根径和平均根长随生长时间的增加,均呈增加趋势。芨芨草的平均抗拔力与生长时间之间存在显著幂函数关系,垂穗披碱草、细茎冰草和赖草之间均存在指数函数关系;4种草本的平均须根数与生长时间之间均存在较显著的对数函数关系;芨芨草的平均根径与生长时间之间呈显著的幂函数关系,垂穗披碱草和细茎冰草之间均呈指数函数关系,赖草的根径与生长时间之间呈对数函数关系;芨芨草的平均根长与生长时间之间呈显著的对数函数关系,细茎冰草和赖草之间均呈线性函数关系,垂穗披碱草的平均根长与生长时间之间呈幂函数关系。     

击实黏土单轴拉伸特性试验研究

为研究土的拉伸特性,对击实黏土进行直接拉伸试验。试验表明,不同抗拉强度的击实黏土具有不同的拉伸应力-应变曲线型式,即应变软化型、应变硬化型和应变强化型;在试验涉及的干密度和含水率范围内,击实黏土的抗拉强度随干密度的增加而增加,随含水率的增加而减小,且具有较好的线性关系;拉伸速率对击实黏土的抗拉强度和应力-应变曲线的型式也有明显影响,对同一干密度和含水率的土样,低拉伸速率测得的抗拉强度往往较小,且应力-应变曲线为软化型,而较高的拉伸速率测得的抗拉强度较大,且应力-应变曲线为强化型。     

基于统计理论的青海河南县地区5种草本植物根系力学特性研究

为合理定量评价草本植物根径、抗拉力和抗拉强度等指标分布特征,本研究选取生长于青海河南县地区的黄花棘豆(Oxytropis ochrocephala)、早熟禾(Poa annua)、紫花针茅(Stipa purpurea)、青藏苔草(Carex moorcroftii)和矮嵩草(Kobresia humilis)5种草本植物为研究对象,通过室内单根拉伸试验对上述草本单根抗拉力、根径和抗拉强度进行了测定;在此基础上,利用正态分布、伽马分布、泊松分布、瑞利分布以及威布尔分布等统计模型对上述指标的分布进行了定性拟合分析,最后采用柯尔莫哥洛夫-斯米洛夫检验对该指标进行了定量检验。结果表明:5种统计模型中,泊松分布对3项指标值分布的描述性相对较差,威布尔和伽马分布则对上述3项指标的分布描述较好,剩余分布对指标描述的适用性则介于两者之间。此外,所有指标均不服从泊松分布,根径均服从正态分布、伽马分布和威布尔分布,个别植物服从瑞利分布,抗拉力和抗拉强度均服从伽马分布和威布尔分布,个别植物服从瑞利分布和正态分布;除紫花针茅根径最优分布为威布尔分布外,其余植物根径最优分布均为伽马分布,除矮嵩草抗拉力服从威布尔分布外,剩余植物抗拉力最优分布均为伽马分布,紫花针茅根系抗拉强度最优分布为正态分布、青藏苔草和矮嵩草为伽马分布、早熟禾与黄花棘豆最优分布均为威布尔分布。该项研究结果对于实现合理定量评价草本植物根系根径、抗拉力和抗拉强度性能具有重要的理论参考价值。     

西宁盆地黄土区草本和灌木组合根系分布特征及其增强土体抗剪强度效应

为了研究草本和灌木组合种植条件下根系的护坡力学效应，本试验以种植于西宁盆地自建试验区生长期为1 a的6种草本和灌木组合作为试验供试种，在草本和灌木组合根-土复合体原状试样直剪试验基础上，评价了6种组合根系分布特征及其对边坡土体抗剪强度的增强效应。试验结果表明:试验区6种草本和灌木组合根系主要分布在边坡地表以下0~30 cm深度范围内，含根量随着取样深度增加呈线性函数或指数函数降低趋势；6种组合草本与灌木根系质量比随着土体深度增加，呈先降低后增大的变化趋势，且两者间符合二次函数关系；6种草本和灌木组合根-土复合体黏聚力在边坡地表以下0~30 cm深度范围内，较素土黏聚力增幅为2.47% ~70.96%，说明草本和灌木组合根系能够起到增强边坡土体黏聚力的作用，其中组合5(紫花苜蓿+垂穗披碱草+碱茅+草地早熟禾+柠条锦鸡儿)对边坡土体黏聚力的增强作用相对较为显著。上述试验成果对于西宁盆地及其周边地区生态恢复和植被护坡工程实施具有一定的实际指导意义和理论研究价值。     

不同应力路径下岩石三轴卸荷力学特性与强度准则研究EI北大核心CSCD

基于3种不同应力路径下花岗岩三轴卸荷试验,研究了岩石的应力-应变全过程曲线和变形特征及其强度准则。试验结果表明,卸围压过程中,侧向应变与围压先呈线性后呈非线性关系,且其增长速率约为轴向应变增长速率的3-5倍,表现出明显的侧向扩容,其扩容程度与卸载路径有关;从不同围压与体积应变曲线所围面积可以看出,卸荷前围压越大,卸荷释放的能量越大;变形模量随围压卸载而逐渐减小,且随初始围压增大,总体上呈负指数分布趋势,且同一种卸荷应力路径时,变形模量的减小量随初始围压增大有所增大,泊松比随围压降低而不断增大,两者之间呈现明显的非线性关系;岩石破坏特征以剪切破坏为主;采用幂函数型摩尔强度准则很好反应了岩石的强度特征。研究结果对地下金属矿深部开采具有一定的指导意义和参考价值。     

重塑黏土抗拉特性试验研究

利用应变控制式拉伸试验仪研究重塑黏性土的单轴抗拉特性,探究了含水率、干密度、高径比对试样应力应变曲线、抗拉强度、峰值应变以及拉伸能量的影响,并分析了其内在机理,讨论了土体抗拉强度的来源。试验结果表明:（1）含水率和干密度对抗拉强度影响很大,呈线性相关,具体表现为:含水率升高,抗拉强度先增大后减小;干密度越大,抗拉强度越大。在高径比相同的情况下,高度和直径的变化对抗拉强度影响不大;（2）峰值应变由应力应变曲线形态决定,因而主要受土样的抗拉强度、可塑性以及破坏方式影响;（3）应力应变曲线大致可分为四类,曲线形态各不相同;（4）拉伸能量由应力应变曲线形态决定。含水率影响试样的抗拉强度和塑性,干密度影响试样的抗拉强度和内部结构,因而两者对拉伸能量的影响很大。高径比不变时,试样高度和直径的变化对拉伸能量影响不大。     

掺砾心墙料拉裂力学特性试验研究

研究掺砾心墙料的拉裂特性对深入研究高土石坝水力劈裂、坝顶裂缝以及坝肩横缝等问题至关重要,但目前已有的研究尚不够深入。基于自主研制的单向拉伸试验装置,对不同掺砾量下的心墙料进行了系列的单向拉伸试验,依据试验结果分析了掺砾心墙料拉裂破坏的机制。在此基础上得到以下结论：在试样各自最大干密度及最优含水率下,随着掺砾量的增加,心墙料的抗拉强度和拉应变呈线性递减关系;所有试样的拉应力?应变曲线呈分段指数关系,极限拉应力前后试验曲线可分别采用正负指数关系来描述;进行了系列三轴排水剪试验,分析各试样抗拉强度与强度指标的关系发现,对于所研究的掺砾心墙料,抗拉强度与其黏聚力呈较好的线性关系,在不具备试验条件的情况下,此关系可用来大致估算心墙料的抗拉强度。相关试验结果可为实际土心墙坝抗裂设计提供参照。     

不同应力路径下岩石三轴卸荷力学特性与强度准则研究

基于3种不同应力路径下花岗岩三轴卸荷试验,研究了岩石的应力-应变全过程曲线和变形特征及其强度准则。试验结果表明,卸围压过程中,侧向应变与围压先呈线性后呈非线性关系,且其增长速率约为轴向应变增长速率的3～5倍,表现出明显的侧向扩容,其扩容程度与卸载路径有关;从不同围压与体积应变曲线所围面积可以看出,卸荷前围压越大,卸荷释放的能量越大;变形模量随围压卸载而逐渐减小,且随初始围压增大,总体上呈负指数分布趋势,且同一种卸荷应力路径时,变形模量的减小量随初始围压增大有所增大,泊松比随围压降低而不断增大,两者之间呈现明显的非线性关系;岩石破坏特征以剪切破坏为主;采用幂函数型摩尔强度准则很好反应了岩石的强度特征。研究结果对地下金属矿深部开采具有一定的指导意义和参考价值。     

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。      

不同应力路径下钙质砂的力学及变形特性试验研究

钙质砂是海洋钙质生物死亡后形成的一种具有丰富内部孔隙、低强度、不规则形状和易破碎的岩土材料。通过对钙质砂分别开展的等向压缩、常规三轴压缩、平均主应力为常数的三轴压缩、减压的三轴压缩和等应力比加载5种试验,探讨了不同应力路径下钙质砂的力学及变形特性。试验结果表明应力路径对钙质砂的抗剪强度和变形特征具有重要影响。钙质砂在等向压缩条件下具有明显的各向异性特征;常规三轴压缩试验条件下,密实钙质砂呈现低压剪胀、高压剪缩的变形特征,且峰值强度与初始固结压力之间呈幂函数关系;平均主应力为常数的三轴压缩试验中,增加偏应力会引起试样的体变;与常规三轴压缩试验不同,在减压的三轴压缩试验中,应力-应变关系曲线均表现为应变软化;而等应力比加载试验中,试样基本处于弹性状态下,且轴向应力与轴向应变之间呈幂函数关系。试验结果还发现钙质砂的切线泊松比不仅要考虑钙质砂的变形和应力状态等的影响,还要考虑应力路径的影响。不同应力路径试验条件下峰值应力比大小顺序与最大体变大小顺序不受初始固结压力的影响。钙质砂的峰值内摩擦角均随着初始固结压力的增大而减小,大致与初始固结压力的对数呈线性函数关系。     

碱胁迫条件下草本植物根系力学强度试验研究

本项研究选取适宜于黄河源区寒旱环境生长的两种草本植物垂穗披碱草（Elymus nutans Griseb）和老芒麦（Elymus sibiricus Linn）作为供试种,通过室内培育种植方法,采用浓度分别为25mmol·L-1、50mmol·L-1、75mmol·L-1、100mmol·L-1的NaHCO₃溶液对垂穗披碱草和老芒麦两种植物进行了碱胁迫处理,同时采用浓度为0mmol·L-1的溶液作为未进行碱胁迫处理对照组。在碱胁迫处理后第15d和第30d,分别测定了两种植物单根抗拉力、单根抗拉强度,以及脯氨酸含量、丙二醛含量、叶绿素含量、相对电导率值等4个抗盐碱性生理指标。试验结果表明:碱胁迫对两种植物单根抗拉力影响程度随浓度增加而增大,亦随生长时间增加而增大,其中当碱胁迫浓度为25mmol·L-1时,两种植物单根抗拉力值均大于未进行碱胁迫处理呈正常生长的对照组植物,而当浓度大于25mmol·L-1时,两种植物单根抗拉力值均小于对照组的两种植物;碱胁迫条件下两种植物单根抗拉强度较对照组两种植物均呈增大趋势,增幅为3%～16%,且相同浓度条件下,两种植物单根抗拉强度随生长时间增加而呈降低趋势,降幅为1%～18%;相同浓度和相同生长时间条件下,老芒麦单根抗拉力值较垂穗披碱草大0.13～0.53N,且老芒麦单根抗拉强度值较垂穗披碱草大20～65MPa;由灰色关联分析结果可知,在碱胁迫条件下,脯氨酸含量、丙二醛含量、叶绿素含量、相对电导率值等4种生理指标中,相对电导率值与两种植物单根抗拉力及单根抗拉强度关联度相对最大即为0.888～0.996,反映出两种植物单根抗拉力及单根抗拉强度受相对电导率值影响相对较为显著。本项研究对于进一步探讨盐碱胁迫条件下,植物根系力学强度特征和影响机理等方面具有重要理论研究价值,同时利用植物有效防治黄河源土地盐碱化地区水土流失、浅层滑坡、沙化等灾害具有现实意义。     

新型土工单轴拉伸试验装置的研制及应用

针对目前土工单轴拉伸试验水平的不足,研制了一套新型土工单轴拉伸试验装置,该套装置主要由试样制备、加载、控制与数据采集4个部分组成。试验装置通过燕尾槽与双滑动底板的设计,可以制备不同拉伸段长度的试样并分别开展相应的单轴拉伸试验;通过试样形式与所对应拉伸夹具的设计,解决了试样端部在拉伸过程中出现的松弛与应力集中问题;通过双导轨拉伸装置的设计,避免了试样在拉伸过程中出现的应力偏心现象;通过双级变速箱的设计使最小拉伸速率可达到0.001 mm/min,能够准确描述材料单轴拉伸破坏的演化过程,并能准确测试材料的抗拉强度以及全过程的拉应力-位移关系曲线。基于所研制的试验装置开展了黏性土的单轴拉伸试验,试验结果表明:黏性土的单轴拉伸破坏形式不是纯脆性破坏,而是在抗拉强度后存在一个软化阶段,此时仍具有一定的承载能力;随着试样拉伸段长度的增大,抗拉强度呈对数减小,峰值位移呈对数增大;随着拉伸速率的增加,抗拉强度呈对数增加,峰值位移呈线性增加;抗拉强度与峰值位移均随压实度的递增呈线性增加;随着含水率的递增,试样的抗拉强度先增大后减小,即存在一个峰值,而峰值位移呈线性增加。     

基于破损参数简化的二元介质冻结粉细砂土本构模型

二元介质模型在非冻结岩土材料中已得到广泛研究,但在冻土领域的相关研究尚不充分。为探讨三轴试验条件下冻结粉细砂土的强度变形特性,此处引入二元介质理论对冻土应力-应变关系进行分析研究。针对现有二元介质模型参量多、确定方法复杂的特点,推导了基于破损参数简化的二元介质模型;并结合开展的5种细颗粒含量、4种围压条件下的冻土三轴试验,对推导模型进行了验证。结果表明:随轴向应变的增大,应力-应变曲线可划分为线弹性阶段、弹塑性阶段和应变软化阶段,3个阶段均可通过胶结元和摩擦元转化理论进行较好的解释;同一围压下随细颗粒含量的增大,偏应力和体胀最大值均呈降低趋势,抗剪强度呈线性减小趋势;在横截面积修正条件下,随轴向应变的增大,5种细颗粒含量冻结粉细砂土均表现为应变软化特性,体积变形表现出由体缩向体胀转化发展的趋势;偏应力发展3个阶段的转折点,与体积变形中体缩极值点和体缩体胀转折点较为契合;通过三轴试验偏应力实测值与基于破损参数简化的二元介质本构模型计算值对比分析,简化模型可以较好地模拟冻结粉细砂土的偏应力-轴向应变关系。     

尺寸和加载速率对冻结水泥土单轴压缩影响

为揭示尺寸效应和加载速率效应对冻结改良土力学特性的影响规律,以冻结水泥改良土为研究对象,开展了不同尺寸与加载速率条件下的单轴压缩试验,通过分析试验数据,讨论了高径比和加载速率对试样强度与变形特性的影响。研究结果表明,高径比影响试样的应力-应变曲线类型及峰值后的变形特性。高径比增加,应力-应变曲线出现明显弹性屈服点,峰后脆性增强,试样破坏形式由劈裂破坏变为单一剪切破坏。试样的抗压强度、切线模量、起始屈服模量、破坏应变随高径比变化均可用抛物线进行拟合,综合考虑,推荐试验宜采用高径比为1.62~2.02的试件。在试验设定的温度和加载速率条件下冻结水泥土的单轴压缩应力-应变关系均为应变软化型。与冻土类似,冻结水泥土的抗压强度与起始屈服强度同样随温度的降低和加载速率的增加而增大。不同温度下冻结水泥土抗压强度与加载速率的关系可用幂函数表示。温度越低,起始屈服强度受加载速率影响越大。温度和加载速率对冻结水泥土切线模量也有较大影响,不同加载速率条件下切线模量与温度呈线性关系。冻结水泥土的破坏应变随温度的降低和加载速率的增加而增大,在1.94%~6.94%之间变化,不同加载速率条件下破坏应变与温度呈幂函数关系。     

寒旱环境黄土区灌木根系护坡力学效应研究

文章采用原位拉拔试验,测定了生长2年的灌木柠条锦鸡儿、四翅滨藜、霸王、白刺的抗拔力,研究了根系的分布特征,并分析了上述植物的护坡效果。试验结果表明:4种灌木的根系分布类型均以主直根型为主,根系发达,侧根主要集中在地表以下20~80cm的土层中;4种灌木的原位抗拔力依次为四翅滨藜>柠条锦鸡儿>白刺>霸王,抗拔力与根径符合幂函数关系,与根系数量符合线性关系,与株高符合指数函数关系;随着生物指标的增加,四翅滨藜和柠条锦鸡儿的抗拔力递增幅度明显高于霸王和白刺;从根系分布特征和力学效应考虑,四翅滨藜和柠条锦鸡儿可作为寒冷干旱半干旱黄土地区的优势护坡灌木种。     

砂浆-花岗岩界面动态轴向拉伸力学性能试验研究

骨料-砂浆界面过渡区的力学性能对混凝土宏观受力特性有很重要的影响。在MTS试验机上对40个砂浆-花岗岩交界面试件进行了动态轴向拉伸力学性能试验研究,分析不同应变率（10-6～10-2 s-1）、不同程度预静载（30%、50%、70%静载强度）以及往复荷载（1、5 Hz）对交界面动态轴向拉伸力学性能的影响,并对其动态破坏机制进行了初探。研究结果表明：①交界面动抗拉强度随应变率增加有明显增加趋势;②较小预静载（不超过50%）不仅没有使动抗拉强度降低,反而有可能提高动抗拉强度,较大的预静载对损伤弱化效应起主导作用,从而使动抗拉强度降低;③往复荷载作用下会出现明显的低周疲劳损伤,而且残余变形随往复荷载的频率增加而减小;④不同应变率下的交界面应力-应变曲线上升段类似,约50%强度后呈现非线性变化,但非线性程度随应变率增加趋向不明显。另外,尝试性地进行了交界面试件轴向拉伸应力-应变全曲线的试验,得到了稳定断裂的全过程曲线。     

冻土的单轴抗压、抗拉强度特性试验研究

在寒区工程建筑物设计中,冻土的抗压、抗拉强度是两个重要的力学指标.在负温条件下,对粉质黏土、黄土和砂土进行单轴抗压和劈裂抗拉试验,研究冻土破坏时的破坏形态、破坏机理、应力-应变曲线和拉应力与径向位移关系曲线的形式,分析单轴抗压强度和劈裂抗拉强度的差异以及这两种强度随土质特性和温度的变化规律.试验结果表明：单轴载荷作用下试样破坏后呈鼓状,且表现为应变软化型塑性破坏特征;劈裂作用下产生沿直径向试样两侧延伸的裂缝,不同土质破坏后裂缝扩展的宽度和深度不同;冻土的抗压强度与抗拉强度均与负温存在很好的线性相关性,随温度的降低而增大;在相同温度条件下,冻土的抗压强度大于其抗拉强度;对于同一种冻土,其抗压强度的温度效应比抗拉强度的温度效应显著.本试验分析结果可为寒区工程的实际应用提供参考.     

宝兰客运专线王家沟隧道原状黄土各向异性研究

针对黄土隧道开挖过程中不同部位（拱顶或拱腰）处围岩表现出的变形及强度各向异性情况,以宝鸡-兰州客运专线王家沟隧道原状黄土为例,着重探讨原状黄土结构强度各向异性问题。分别取王家沟隧道原状黄土水平与竖直方向进行抗剪、无侧限抗压及抗拉强度试验研究,考虑结构性对各向异性的影响,并对王家沟原状黄土进行电镜扫描,从微观结构上分析原状黄土具有各向异性的原因,最后探讨了原位状态下黄土各向异性的发生机制。结果表明：水平与竖直向应变比随围压的增大而减小,随归一化偏差应力的增大先增大后减小,峰值点随归一化偏差应力呈幂函数递增。提出原状黄土结构强度各向异性几何模型,并给出原状黄土各向异性强度参数指标。     

饱和砂性土非线性蠕变模型试验研究

采用单向压缩试验研究了常州不同含水层饱和砂性土的蠕变特性。试验结果表明,饱和砂性土的变形既与应力有关,也与时间有关。在一定应力作用下,其变形随时间的增加而增加,经过一段时间后才能达到稳定,应变与应力、时间都呈非线性关系。对试验结果的统计分析表明：用幂函数可以很好地拟合饱和砂性土的应力-应变-时间关系。这一结论有助于更深入地研究长期抽水作用下的地面沉降问题。