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%。     

火烧迹地土壤根系特征及其对抗剪强度的影响

作为火后泥石流典型起动物源,火烧迹地浅表层滑坡的发生与其所在部位根系特征改变密不可分。为了研究林火过后火烧迹地根系变化对土壤力学性质的影响,本文以四川省乡城县正斗乡仁额拥沟泥石流火烧区和未火烧区的土壤根系特征和抗剪强度进行对比研究,通过室内单根抗拉试验和根-土复合体直剪试验,旨在探究火烧迹地土壤根系特征的变化及其对土壤抗剪强度的影响。结果表明:火烧区浅表层土壤中根系的数量、根径、根质量密度和根长密度相较于未火烧区都有所降低,分别降低了23.15%,51.35%,62.98%,29.10%;单根抗拉力随着根系直径的增加而增大,抗拉强度随着根系直径的增加而减小,但在根径相同的条件下,火烧区土壤的抗拉力和抗拉强度均有所减小;火烧区根-土复合体的抗剪强度明显小于未火烧区根-土复合体,主要体现在根系抗拉力减小造成土壤黏聚力下降,而内摩擦角则变化不大,所得结果为火烧迹地浅表层滑坡形成机理剖析提供了依据。     

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。      

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。      

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。     

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。     

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.     

寒旱环境草本与灌木植物单根拉伸试验强度特征研究

为进一步探讨寒旱环境植物护坡力学效应,本项研究在自建试验区选取了适宜于当地气候条件下生长的乡土草本和灌木植物共5种作为供试种,并分别对其进行了单根拉伸试验,较为系统地分析了5种草本和灌木植物根系的强度特征。试验结果表明: 5种草本和灌木植物其单根抗拉力分别随根径增大而增大,两者之间呈幂函数关系;同时,其单根抗拉强度表现出随根径的增加呈减小的规律,且两者间具有幂函数关系;草本植物垂穗披碱草单根抗拉强度大于细茎冰草,而灌木单根抗拉强度由大至小依次为柠条锦鸡儿、霸王、白刺。此外,对比分析生长期为1a和2a的3种灌木单根拉伸试验的应力-应变关系曲线得出,灌木植物单根在拉伸试验阶段初期,应力-应变之间呈线性关系,表现出弹性材料特性;至试验的中期和后期阶段时应力-应变之间呈非线性关系,表现出弹塑性材料特性;进一步研究表明灌木单根的最大伸长率随着生长期的增加呈下降趋势。该研究成果在防治研究区浅层滑坡、水土流失等地质灾害,以及保护区域生态地质环境等方面具有重要理论研究价值和实际指导意义。     

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。     

冻融作用下草本植物根系加固土体试验研究

为了研究植物根系在冻融作用下对边坡土体的加固效应,取哈尔滨、东营、合肥等地公路常见的3种草本植物根系作为研究对象,基于植物根系与土体之间的界面摩擦效应,对不同植物根系在不同次数冻融作用后的根-土复合体进行了拉拔试验以及直剪试验。结果表明：结缕草根系与土体之间的摩擦效应最为显著,加筋效果最好;狗尾草的根系与土体之间的摩擦效应最差,但狗尾草根系抗冻性较好。根-土复合体模型的抗剪强度随冻融作用次数的增加发生变化,体现在黏聚力不断减小,后趋于稳定;内摩擦角先增大后减小,之后趋于稳定。所得结果可为植物护坡加固工程以及加筋土作用机理研究提供数据参考。     

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。     

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。     

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。