植被发育斜坡土体大孔隙结构多尺度特征

植被发育斜坡土体中普遍存在大孔隙,在强降雨过程中大孔隙产生的优先流加快降雨入渗,影响斜坡稳定。大孔隙结构影响优先流过程和优先流的水动力特性。为探明植被发育斜坡土体大孔隙结构的多尺度特征,本文在分析土体大孔隙研究进展的基础上,提出适用于研究植被发育斜坡土体大孔隙的试验方法。以云南省段家营、头寨、象冲、东月各、白泥山和贵州八渡滑坡的植被发育斜坡土体为研究对象,采用挖掘法、染色示踪法、CT扫描法、SEM法定性和定量分析植被发育斜坡土体大孔隙的多尺度几何形态和分布特征。研究表明:挖掘法、染色示踪法、CT扫描法、内窥镜检查和SEM法适用于分析植被发育斜坡土体的大孔隙结构;植被发育斜坡土体的大孔隙有腐烂根系通道、根-土间隙、动物通道、团聚体间大孔隙、土-石间隙、干缩裂隙和成因不明大孔隙,其中前四种是主要类型;各种大孔隙相互交织组成大孔隙网络系统;受到植物物种、树龄、动物物种、土体生态系统和立地条件的影响,不同类型大孔隙的多尺度几何形态和分布特征不同。将先进技术手段与染色剂溶液降雨模拟示踪试验结合起来,研究大尺度的大孔隙三维几何形态和分布特征是未来的主要工作。     

植被发育玄武岩斜坡土体基质吸力及其影响因素

植被发育斜坡非饱和带垂直深度50 cm范围内根系密布,与根系相关的大孔隙很大程度上降低了土体密实程度,而垂直深度50 cm范围内根系稀疏,土体较密实,孔隙比较小。基质吸力受土体孔隙分布影响显著。对昆明呈贡县某植被发育玄武岩斜坡垂直深度10~20 cm和60~80 cm处取原状样(编号为XA和XB)进行了基质吸力测试,结果表明相同含水率下基质吸力XA小于XB。对头寨沟滑坡左翼某植被发育玄武岩斜坡垂直深度10~20 cm和60~80 cm处取原状样(编号为TA和TB)也进行了基质吸力测试,结果表明相同含水率下基质吸力TATB。对研究区土体有机质含量测试发现,TA、TB分别为14.89%、3.28%,而XA、XB分别为1.05%、0.39%。土壤有机质自身结构疏松多孔,并且会增大土壤比表面积和毛管孔隙度,改善颗粒级配和土体结构,使土壤吸附作用增强,利于土壤水分的保持,进而影响到土体土-水特征曲线。     

根-土间隙对斜坡降雨入渗的贡献——以头寨和段家营地区为例

在植被发育程度较高的云南昭通头寨试验区和呈贡段家营试验区,使用亚甲基蓝和罗丹明B溶液多次进行染色示踪渗透试验,发现根-土间隙的导流现象十分明显,其导流作用很可能已经超过了传统的三类土体大孔隙。对不同尺寸根-土间隙流道内水分入渗速度模型进行推导与理论计算,并将其与实测实值进行比较分析,最后讨论了头寨试验区和呈贡段家营试验区斜坡土体中根-土间隙在降雨入渗过程中导流量所占比例。结果表明:昭通头寨和呈贡段家营试验区斜坡土体中根-土间隙的尺寸主要集中在0.5~1.0 mm,多数间隙尺寸为0.5 mm左右,根-土间隙流道内水分下渗速度主要分布在区间0.027~0.203 mm/s和0.014~0.102 mm/s,两试验区土体中根-土间隙的导流量分别占总入渗量的72%~82%和54%~70%,相同面积上,头寨试验区土体中根-土间隙的导流量是呈贡段家营试验1.67倍,根-土间隙对降雨入渗的贡献是显著的。     

松嫩平原苏打盐渍土土壤水分特征研究

以苏打盐化草甸土和苏打碱土2 种土壤类型为研究对象,研究苏打盐渍土土壤水分特征,并对土壤水分特征曲线进行模拟。结果表明,0~40 cm土壤层,盐化草甸土总孔隙度大于50%,毛管孔隙中以0.1~1.2 mm当量孔径的粗孔隙为主,苏打碱土总孔隙度低,主要以小于0.1 mm当量孔径的细孔隙为主;0~40 cm土壤层在相同水势作用下,盐化草甸土土壤含水率明显高于苏打碱土,说明苏打碱土土壤持水能力较低。通过模型模拟,获得不同土壤层的水分特征曲线参数,模拟值与实测值相关系数均在0.9 以上,模型具有可靠性。     

沙土内摩擦角与粒径、含水率及天然坡角的关系

沙的摩擦性质是影响沙丘形态的重要因素之一,研究沙土内摩擦角对于探讨床面沙波形态、沙丘流动性、沙丘稳定性、沙丘防护等都具有实际意义。本文实验研究了内摩擦角与粒径、含水率及天然坡角的定量关系。结果表明:当粒径从<0.125 mm增大到0.315～0.4 mm时,内摩擦角从32.25°减小到28.06°; 而粒径从0.315～0.4 mm增大到0.63～0.8 mm时,内摩擦角却从28.06°增大到31.47°。主要原因是,粒径小时颗粒的比表面积大,颗粒间接触面积大使得内摩擦角大。粒径大时,颗粒表面棱角突出,颗粒间嵌入咬合作用明显使得内摩擦角大。当含水率从0%增加到15%时,内摩擦角从29.07°增大到31.84°; 而含水率从15%增加到20%时,内摩擦角却从31.84°减小到30.75°。主要原因是一定含水率下沙土表现出黏聚性,而高含水率下水的润滑作用使得颗粒间摩擦力减小。内摩擦角与天然坡角都反映沙土摩擦特性,两者相等。     

六盘山典型植被类型土壤中石砾对大孔隙形成的影响

六盘山山区土壤中存在大量的石砾,对土壤大孔隙的形成具有重要影响。为了深刻了解和评价土壤中石砾对大孔隙形成的可能作用,本研究分析了六盘山典型植被类型下土壤中的石砾体积含量、大孔隙度变异以及石砾体积含量对大孔隙度、大孔隙半径与密度的影响。结果表明,石砾含量增加导致土壤大孔隙的平均半径和体积增大,特别是导致半径大于1.4 mm的大孔隙密度的增大,但对较小半径的大孔隙密度影响不大;总体上,石砾对土壤大孔隙度的形成影响随土深的增加而越来越明显,说明六盘山地区土壤的大孔隙明显同时受到生物因素和石砾含量因素的影响。     

植被发育斜坡土体中根-土间隙的导流特性

水分或溶液在土体中的迁移具有空间和时间上的异质性。以植被发育斜坡云南昭通头寨沟和昆明呈贡段家营为研究试验区,分别运用亚甲基蓝和罗丹明B溶液进行了多次染色示踪渗透试验,发现根-土间隙的导流现象十分明显,其导流作用很可能已经超过了传统的三类土体大孔隙。然而,国内外研究者对根-土间隙方面的研究还比较欠缺。为此,对根-土间隙宽度为0.5~3.0 mm,步长为0.5 mm流道内单相流体摩擦阻力系数和入渗速度进行了理论计算,并讨论了在同一流道和不同间隙流道内影响水分下渗速度的因素,结果表明:根-土间隙的大小对根-土间隙通道内流体的流动特性有着重要影响,随着间隙的减小摩擦阻力系数也相应减小;间隙对流动阻力系数的影响还依赖于Re的大小,其影响随Re的减小而减小。在昭通头寨植被发育斜坡土体中,根-土间隙宽度主要集中在0.5~1.0 mm,间隙内水分下渗的速度分布在区间0.014~0.203 mm/s;相同面积上,头寨试验区渗透速率是呈贡段家营试验区的26.28倍。由于根-土间隙的存在,大大地促进了土体水分的快速下渗,对滑坡孕育的贡献是显著的。     

气阻作用下堆积碎石土渗透规律

降雨过程中,堆积碎石土渗透特性改变是触发滑坡等灾害的主要因素。碎石土中封闭气泡阻碍水相流动,从而对雨水入渗产生影响。通过自制渗流沉降综合测试仪,进行入渗试验,探究不同雨强(1.2 mm/min、1.6mm/min、2.0 mm/min)下,碎石土的渗透规律与沉降变形。通过Seep/w软件耦合Air/w软件进一步分析不同雨强下气阻作用对湿润锋迁移速度的影响。结果表明:入渗深度-时间曲线存在阶梯状趋势,即湿润锋迁移速度首先随表层土含水率的突增迅速增加至最大值(约30~40 mm/min),然后随气压的增加缓慢减小,最后湿润锋迁移速度随气压减小略微增大,湿润锋平均迁移速率(无积水状态)随雨强的增大趋近线性增长;碎石土沉降变形在入渗过程中经历缓慢增长、急剧增大、逐渐停滞三个阶段,雨强为2.0 mm/min时,碎石土发生急剧沉降变形时间最早(约50 min);碎石土渗透系数与干密度呈线性负相关关系。     

试论伏牛山南坡土壤垂直分异规律——兼论亚热带北界的划分

在野外土壤调查和室内土壤理化分析的基础上,开展了伏牛山南坡土壤组成和性质垂直分异、土壤类型划分以及亚热带北界问题的讨论。研究表明：(1) 调查断面上土壤表层HA/FA随高度增加而增大,且均小于1,海拔900 m左右土壤胡敏酸的芳构化程度最低;随高度增加土壤pH和盐基饱和度先下降后上升;海拔900 m以下的土壤中均有明显的黏化层,向上土壤黏粒淋溶淀积逐渐减弱;海拔900 m以下的土壤土体风化程度高,大部分氧化物的平均迁移系数和土体淋溶率小于1,土体Saf小于5.06,淀积层游离铁含量大于20 g·kg-1,铁游离度大于40%,具有弱富铁铝作用,剖面中出现明显的铁锰新生体,而向上土体风化程度减弱,不发生富铁铝作用,剖面中不出现铁锰新生体。(2) 伏牛山南坡海拔550 m以下出现黏磐黄褐土 (饱和黏磐湿润淋溶土),550~950 m出现普通黄棕壤 (普通铁质湿润淋溶土),950~1900 m出现棕壤 (普通简育湿润淋溶土或暗沃简育湿润雏形土),1900 m以上出现暗棕壤性土或草甸暗棕壤 (暗沃冷凉湿润雏形土)。(3) 伏牛山南坡亚热带北界约在海拔950 m。     

初始含水率对黄土滑坡堰塞坝溃决影响研究

黄土区各类地质灾害伴随着极端降雨频繁发生,然而当前针对黄土滑坡堰塞坝溃决机制的相关研究成果较少,尤其是初始含水率、密实度、来水流量等参数对堰塞坝溃决的影响仍缺乏系统研究,其灾害机理尚不清晰。在影响堰塞坝溃决的众多因素中,初始含水率对黄土滑坡堰塞坝的稳定性有着重要影响,本文基于室内模型试验,初步探究了0%～25%含水率对黄土堰塞坝溃决的影响。试验表明:(1)不同初始含水率下的黄土滑坡堰塞坝溃决模式有四种,含水率为0%～18.75%时,堰塞坝溃决模式主要为漫顶溃决;18.75%～21.25%时漫顶溃决与渗漏管涌溃决并存;21.25%～23.75%时溃决模式表现为漫顶溃决与坝体失稳溃决并存;23.75%～25%时表现为坝体失稳溃决。其中漫顶溃决过程具有三个典型阶段:溃口及冲沟发展阶段—溃口扩大阶段—溃口稳定阶段。(2)不同初始含水率下的黄土堰塞坝坝体侵蚀规律为:随着土体初始含水率的逐渐增大,水流对溃口底部的下切作用和溯源侵蚀能力逐渐减弱,牵引侵蚀作用增强。(3)对于漫顶溃决模式,溃决后的溃口宽深比随土体初始含水率的增大,呈现出先增大后减小的趋势,而发生坝体失稳溃决的堰塞坝溃口宽深比无显著规律。该研究成果可以为黄土堰塞坝溃决灾害的防灾减灾提供一定的理论参考。     

我国温带荒漠生物土壤结皮孔隙结构分布特征

对原状生物土壤结皮孔隙结构、孔隙率及其垂直连通性进行室内微观扫描与计算机断层摄影成像分析。结果表明,生物土壤结皮团聚体特征明显,其孔隙率的增大主要是由大孔隙数量的增加而形成,同时,土壤孔隙连通性也随大孔隙数量的增加而增大,生物土壤结皮的发育导致表层土壤具有明显的极其复杂的土壤结构演化特征。     

青藏高原东北部观赏地被植物马蔺根系固土护坡效应研究

为了进一步丰富青藏高原东北部地区植被护坡工程植物选择,推动区内植被护坡工程实用性和观赏性兼顾发展。该项研究以青藏高原东北部观赏地被植物马蔺为研究对象,以青海省大通县朔北藏族乡至东峡镇之间区域为研究区,在野外植物分布特征和生长特征调查的基础上,结合单根拉伸试验和重塑根-土复合体三轴压缩试验,定量评价了野生马蔺植株和根系生长特征、单根抗拉特性以及根系对土体抗剪强度的增强效应。试验结果表明：马蔺主要分布在研究区内洪积扇、坡积裙和河漫滩等地貌单元,立地条件包括上述地貌单元内的林下坡地、田间、道旁、湿地、荒地等;通过选取两处试验区开展调查可知,马蔺平均株高、冠幅和植株密度分别为75.22±11.40 cm、106.09±25.62 cm和1.51±0.55 株/m2;马蔺标准株根系分布深度可达50 cm,主要分布在0~30 cm深度范围内,根幅约40~50 cm;马蔺根径为0.20～0.70 mm,单根抗拉力、抗拉强度和延伸率平均值分别为7.94±2.91 N,46.30± 11.06 MPa和54.17%±17.08%,随着根径的增大,单根抗拉力和单根抗拉强度分别呈幂函数增大和幂函数降低关系,单根极限延伸率随着根径的增大呈逐渐增大变化趋势,但二者之间未表现出相对显著性的关系;马蔺根系对土体黏聚力和内摩擦角均有增强作用,可分别显著增强0~30 cm和0~10 cm深度范围内土体黏聚力和内摩擦角,且对土体黏聚力的增强作用较为显著。该项研究成果对于选用观赏地被植物马蔺进行研究区坡面水土流失、浅层滑坡等地质灾害现象的生态防护工作,具有理论研究价值和实际指导意义。     

泥石流颗粒组成的分形特征

泥石流是主动的流域物质输移形式,土体的颗粒组成决定了泥石流的活动。不同地区、不同流域、不同密度的泥石流样本分析表明,高密度(如籽s>2g/cm3)泥石流的颗粒分布曲线总体上具有指数形式,指数呈现出显著的区域性差异。泥石流多发生在一定的指数区间;颗粒组成具有良好的分形特征,不同密度泥石流颗粒的分形区间不同,这个区间可以认为是形成泥石流结构的颗粒区间,从而也确定了泥石流基质的颗粒界限;颗粒的分维随密度变化,密度越大(大颗粒含量越多),分维越大。颗粒的分形结构也是颗粒孔隙的分形结构,它决定了土体的液化,因而也决定了泥石流所表现的特征。     

泥石流源区砾石土的粒度分形特征

以19条泥石流沟源区75个砾石土试样的颗分数据为基础,应用分形理论研究泥石流沟源区砾石土粒度组成特征,并对粒度分形特征与土体颗粒组成的关系进行了讨论。结果表明:1.粒度分布具有分形特征,以一重分形特征为主;2.一重分形特征表明土体各粒组的含量连续分布性较好;二重分形表明土体各粒组的含量连续分布相对较差,某一粒组含量存在突变;3.所研究的沟道平均粒度分维值Da在2.45～2.78间,且平均粒度分维值Da随粘粒含量Pc增加逐渐增大,具有一重分形特征的沟道二者满足关系式Da=0.108ln(Pc)+2.511。最后探讨了研究源区砾石土粒度分形特征的意义。     

不同水力路径下非饱和粉质土的破坏与变形特性

通过压力板仪、temple仪和直剪仪对非饱和粉土经过脱湿之后和不同含水量状态分别进行抗剪强度试验研究。试验结果表明:如果采用净应力来描述,非饱和土的有效粘聚力随着含水量的增大而减小,或随着基质吸力的增大而增大,但有效内摩擦角基本保持不变。当饱和度相同时,经过脱湿之后的土体有效粘聚力较大,反映出滞回效应。如果采用有效应力来描述,抗剪强度曲线则归一化为一条临界状态线,而与含水量大小和水力路径无关,从而证明了采用有效应力的合理性与有效性。在修正剑桥模型基础上,将饱和度和基质吸力作为内变量,提出屈服强度的硬化函数,建立渗流与变形耦合模型,从而可以考虑前期降雨历史对非饱和土边坡稳定性的影响。     

配重浮球覆盖下干旱区平原水库节水率研究

干旱区平原水库具有水面积大、蒸发强烈等特点，采用直径100 mm的配重浮球来抑制平原水库的无效蒸发。以月为时间尺度，分别从浮球间孔隙造成的蒸发损失率和风浪环境中配重浮球湿润表面造成的蒸发损失率进行研究，最终建立浮球覆盖下水面蒸发抑制率和节水率计算模型。结果表明：（1） 非冰冻期内，浮球间孔隙造成的蒸发损失率呈现先增大后减小，在7月达到全年最高值11.6%；冰冻期内（12月和1月），浮球间孔隙造成的蒸发损失率达到全年最低值9%。（2） 相同覆盖面积下，浮球润湿率随风速的增大呈曲线增长，且覆盖面积越大，润湿率随风速的变化速率越慢。相同风速下，浮球润湿率随覆盖面积的增大呈直线下降。各覆盖面积下，单位面积节水率在7月达到最大值，分别为76.6%、78.1%、79.6%、81.2%；在4月达到最低值，分别为51.9%、54.0%、58.2%、61.3%。综上所述，配重浮球在风浪环境中稳定性好、防蒸发节水率高，是一种较为理想的防蒸发材料。     

柴达木盆地大柴旦盐湖区盐生植物根-土复合体力学强度试验研究

本文以柴达木盆地大柴旦盐湖区作为试验区,分别筛选出5种优势盐生植物,即海韭菜(Triglochin maritimum Linn.)、芦苇(Phragmites australis Trin.)、赖草(Leymus secalinus Tzvel.)、毛穗赖草(Leymus paboanus Claus.)、无脉苔草(Carex enervis C. A. Mey.)作为试验供试种,分别对5种盐生植物根-土复合体试样和不含根系素土试样进行了室内直接剪切试验和三轴压缩试验,对比了不含根系素土试样与根-土复合体试样的抗剪强度指标;在此基础上,评价了5种盐生植物根系增强土体抗剪强度作用。试验结果表明：(1)当含水量和密度值分别为29.01%和1.65g/cm3时,5种盐生植物根-土复合体试样的抗剪强度指标粘聚力c值为10.38kPa-19.19kPa,且显著大于素土试样的粘聚力c值5.95kPa,内摩擦角 值未表现出变化规律;(2)相对于不含根系的素土试样,由直剪试验和三轴试验得到的5种盐生植物根-土复合体试样的粘聚力增长幅度分别为16.8%~108.7%、19.2%~113.6%;(3)由直剪试验与三轴试验结果表明,区内5种盐生植物根-土复合体试样抗剪强度大小变化顺序表现出一致的规律性,即由大至小依次为：芦苇、海韭菜、赖草、毛穗赖草、无脉苔草、素土。该项研究结果为区内进一步开展盐生植物增强土体抗剪强度机理等方面的研究具有理论研究价值和实际指导意义。     

基于核磁共振技术的结合水含量对重塑黄土抗剪强度影响试验研究

重塑黄土抗剪强度对黄土重大工程的长期稳定与安全有着极其重要的影响,然而,由于传统测试方法的限制,对于结合水与抗剪强度之间关系的认识并不充分。本文基于无损、可靠、精确与便捷的核磁共振技术,针对不同含水率的重塑黄土开展了结合水发育特征与重塑黄土抗剪强度的试验研究。利用结合水与自由水的冰点不同,寻找二者的核磁共振信号界限—T_2截止值,然后获取不同含水量直剪试样的核磁共振驰豫曲线,最后结合快剪试验分析结合水含量与土体抗剪强度的关系。试验结果表明:(1)重塑黄土内结合水含量随含水量的上升而增多,且增长趋势逐渐变缓,结合水所占比例也在不断地下降。(2)当土体内含水量增大时,并不会单独发育某一赋存状态的水,而是在某个含水率区间内主要发育某一种赋存状态的水。(3)重塑黄土中结合水的增加会导致粘聚力的降低,对内摩擦角没有明显影响。重塑黄土试样内结合水主要是通过削弱土体的粘聚力从而降低黄土土体抗剪强度,且土体内结合水含量与粘聚力c值及抗剪强度大小呈线性负相关。本文研究成果可为非饱和黄土边坡与高填方工程的稳定性计算等方面提供技术支持与理论参考。     

柴达木盆地大柴旦盐湖区盐生植物根-土复合体力学强度试验研究

以柴达木盆地大柴旦盐湖区作为试验区,分别筛选出5种优势盐生植物,即海韭菜(Triglochin maritimum Linn.)、芦苇(Phragmites australis Trin.)、赖草(Leymus secalinus Tzvel.)、毛穗赖草(Leymus paboanus Claus.)和无脉苔草(Carex enervis C.A.Mey.)作为试验供试种,分别对5种盐生植物根-土复合体试样和不含根系素土试样进行了室内直接剪切试验和三轴压缩试验,对比了不含根系素土试样与根-土复合体试样的抗剪强度指标;在此基础上,评价了5种盐生植物根系增强土体抗剪强度作用。试验结果表明:(1)当含水量和密度值分别为29.01%和1.65 g/cm3时,5种盐生植物根-土复合体试样的抗剪强度指标粘聚力c值为10.38~19.19 k Pa,且显著大于素土试样的粘聚力c值5.95 k Pa,内摩擦角φ值未表现出变化规律;(2)相对于不含根系的素土试样,由直剪试验和三轴试验得到的5种盐生植物根-土复合体试样的粘聚力增长幅度分别为16.8%~108.7%、19.2%~113.6%;(3)由直剪试验与三轴试验结果表明,区内5种盐生植物根-土复合体试样抗剪强度大小变化顺序表现出一致的规律性,即由大至小依次为,芦苇、海韭菜、赖草、毛穗赖草、无脉苔草和素土。该项研究结果为区内进一步开展盐生植物增强土体抗剪强度机理等方面的研究具有理论研究价值和实际指导意义。     

深基坑土钉墙支护结构的现场测试研究

结合某深基坑土钉墙支护工程,开展了系列现场测试,包括土钉的应变测试、基坑地表位移测试及基坑土体的变形破坏现象调查等。通过现场测试研究,获得了土钉体在承力过程中的受力特点。并探讨了土钉支护结构在不同土层中的适宜性,为土钉计算设计理论的完善提供了试验资料和分析依据。