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。     

西宁盆地黄土区边坡土体含水量对植物根-土复合体抗剪强度影响的试验研究

为进一步研究植物根系的固土护坡力学效应,探讨边坡土体含水量对植物根系增强土体抗剪强度的影响,以西宁盆地长岭沟流域作为研究区,选取两种优势灌木植物柠条锦鸡儿(Caragana korshinskii Kom.)、白刺(Nitraria sphaerocarpa Maxim.)和两种优势草本植物芨芨草(Achnatheru...     

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。     

植被护坡研究综述

近年来,随着我国工业、交通以及城镇化的快速发展,工程建设如雨后春笋。随之而来的是各种工程问题,其中最为突出的是边坡破坏问题,尤其是高速铁路、新扩建机场、新城区等长距离和大面积工程建设中,开挖或回填导致了大量人工边坡的出现,打破了原有边坡的平衡状态。因此,研究边坡防护方法和技术变得至关重要。边坡防护方法中,植被护坡技术因其成本低、效果好而被广泛应用,但当前植被护坡机理和实施技术的研究还比较分散。本文从植被护坡加固机理的水文效应、力学效应两个方面对当前植被护坡的相关研究成果进行了分类总结。得出：（1）水文效应体现在植被护坡的降雨截流作用;（2）力学效应体现在根-土相互作用增加了边坡岩土体的抗剪强度;（3）加固机理即为短根对边坡岩土体的加筋作用、长根的锚固作用以及防止坡面冲刷风化的作用。总体而言,学者们对植被护坡的加固机理和关键技术已经做了大量的试验和数值模拟研究。但植被护坡领域仍然存在着定量分析不充分的问题,同时学者们常将植被护坡的水文效应与力学效应分离,使得研究的情况与真实情况存在着较大的差异。此外,实际工程中对植被的选择和植被后期养护方法的研究也不充分。     

香根草固土护坡工程特性初步研究

香根草的根系长度和抗拉力或强度都较大,单根的抗拉力或强度的平均值为12.4N或69.7MPa,而且群根效应显著,对边坡起着“活着的土钉”作用。深扎广布于坡体中的根系网,显著改善边坡土体的物理力学性质,明显提高边坡土体的强度及稳定性,可较大幅度地降低作用于护坡挡墙上的主动土压力强度(总主动土压力的减少值大于15%);浓密成丛的香根草可分散径流和减少径流量,有效降低降雨与径流对坡面的冲击力及侵蚀量,对坡面起到较好的防护作用;此外,光合作用强、速生快长的香根草及其发达根系网的吸收与蒸腾作用,可降低边坡土体中的含水量及孔隙水压力,增强土中吸力,进而提高边坡土体的强度,增强边坡的稳定性;穿扎广布于坡体土中的香根草根系网系统,类似“活性钢筋网”,与边坡体固结共同作用、融合胶结构成类似原位复合的重力墙,可较好地防止及控制边坡位移或失稳的发生。初步研究表明;香根草护坡的力学效果较为理想,且具有较强的经济效益及环境效益优势。     

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。      

西宁盆地周边灌木植物护坡水文效应影响要素研究

通过对试验区种植的生长期为5年的柠条锦鸡儿、霸王、白刺、四翅滨藜和北方枸杞等5种灌木地上部分生长量进行观测和统计,并对其护坡水文效应影响要素进行了探讨和研究。结果表明:灌木植物的地上生长量影响着灌木植物护坡水文效应和固坡效果; 其中,其株高、地径对于灌木植物的水文效应的影响均不同,且相同生长期的5种灌木植物其地上部分生长量指标所表现出的水文效应和固坡效果差异较大。通过试验区影响灌木植物护坡水文效应影响因素的研究,有助于筛选出护坡水文效应及护坡效果相对显著的灌木植物属种。     

黄土边坡植物根系固土护坡效应研究

黄土高原生态环境脆弱,且随着人类工程活动日益频繁,黄土滑坡等地质灾害问题也日益严重。植物护坡是恢复黄土边坡生态和防治黄土边坡地质灾害的有效手段。本文基于延安地区黄土边坡调查,通过植物科属分布及密度,及其在边坡植被群落结构中的生长特征等分析,查明植物生长特征与边坡生境的相关联系,筛选适宜当地环境的护坡树种;通过原位试验,分析植物根系固土护坡效应;最后在总结上述研究成果的基础上,提出了该地区适宜的护坡植物,为陕北地区黄土边坡植物防护设计提供了理论依据。本研究成果能促进植物在西北黄土地区的工程应用,为西北黄土边坡复合型生态防护技术提供指导。     

模拟降雨条件下寒旱地区边坡土体位移及土压力特征

为深入研究降雨条件下寒旱地区植物边坡与裸坡浅层位移及土压力特征,定量评价植物护坡效应,以位于西宁盆地的青海大学自建试验区为例,通过对柠条锦鸡儿边坡与裸坡开展原位模拟降雨试验,系统分析两种边坡浅层土体的土压力值及其水平、垂直方向上位移量变化规律;在此基础上评价这两种类型边坡的稳定性。得到以下主要结论:降雨前后,柠条锦鸡儿边坡a层（边坡表层以下0~20 cm）、b层（边坡表层以下（20~40 cm）土体含水率增加幅度均较裸坡降低32.03 %、13.63 %,反映出模拟降雨过程中植物茎叶起到降雨截流作用;降雨后两种边坡平均土压力值均较降雨前略高,其中裸坡增加0.125 kPa,柠条锦鸡儿边坡增加0.129 kPa。降雨前后柠条锦鸡儿边坡在水平、垂直方向的平均位移量分别为0.031,0.027 cm,裸坡坡面的分别为0.196,0.158 cm,说明柠条锦鸡儿根系在一定程度上起到有效抑制坡面土体变形效果,达到了提高边坡稳定性的作用。     

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...     

雨滴溅蚀下压实黄土变形破坏规律研究

针对工程建设中存在的裸露黄土路堤边坡水土流失现象,为进一步研究降雨条件下雨滴击溅对路堤边坡的破坏作用,本文通过室内模拟单雨滴溅蚀试验,观测试件表面溅蚀坑深度随时间的变化情况,分析不同地表压实度和雨滴击溅速率两种因素作用下压实黄土的溅蚀破坏规律。在此基础上,研究了压实度、含水率对黄土耐溅蚀性的影响,分析了降雨强度与土体溅蚀破坏的关系。结果表明:当溅蚀坑内存在薄层积水时,短历时降雨易使土体发生表层破坏;反之,容易产生二次溅蚀,二次溅蚀易造成黄土路堤边坡的深层破坏。     

降雨冲刷对黄土公路边坡植物防护影响的试验研究

通过对裸露黄土公路边坡、厚层基材植草公路边坡、三维网植草公路边坡以及平台植树公路边坡的现场降雨冲刷试验,阐述了不同防护型式的公路黄土边坡在降雨条件下的坡面径流、含泥量以及坡面冲刷情况,得出了降雨对边坡坡面的侵蚀过程,首先是从雨滴直接打击土体开始,进而引起溅蚀,分散土粒,紧接着发生超渗径流造成坡面冲刷。以及对坡面破坏最大的是坡顶上方来水等重要结论。验证了坡面植物防护以及平台植树等防护方法可以有效降低降雨冲刷对坡面的侵蚀破坏,为黄土地区公路边坡植物防护的设计施工以提供了可靠的依据。     

黄土边坡降雨冲刷模型试验研究

西部黄土地区高边坡多采用骨架结构进行防护,但其服役期间容易产生土体侵蚀破坏,造成防护效力的局部丧失,严重者甚至可诱发垮塌灾害。通过开展人工模拟降雨冲蚀模型试验,对比分析了裸坡和骨架边坡的坡面冲蚀过程、含沙量、径流量及累计冲蚀量,探讨了骨架结构的防护效果,厘清了骨架关键部位处的坡面冲蚀规律,揭示了强降雨诱发骨架防护边坡侵蚀破坏机制。试验结果表明：骨架结构具有一定防护效力,但其框格边缘土体容易侵蚀破坏;随着降雨时间增长,裸坡和骨架边坡的含沙量、径流量及累计冲蚀量均逐渐增加。相比于裸坡,冲蚀60 min时骨架边坡的含沙量降低25%(坡比1 ︰ 1.5),21.4%(坡比1 ︰ 1.75),径流量降低33.6%(坡比1 ︰ 1.5),31.4%(坡比1 ︰ 1.75),累计冲蚀量降低43.6%(坡比1 ︰ 1.5),40.0%(坡比1 ︰ 1.75);骨架关键部位,尤其是尖角边缘土体所承受的雨水冲刷作用较强,其冲蚀演化历程归纳为：溅蚀-片蚀-细沟侵蚀-切沟侵蚀(初次冲蚀),或溅蚀-片蚀-切沟侵蚀(再次冲蚀);骨架结构可限制土颗粒运移、削弱径流冲蚀,起到截流、挡水及分流作用,但也会在骨架关键部位处产生较为明显的边缘汇流现象,容易使得骨架支撑土体的侵蚀破坏,造成骨架结构的局部悬空。研究成果可为黄土地区路堤边坡拱形骨架防护的优化设计与现场施工提供参考。     

黄土边坡降雨冲刷模型试验研究

针对边坡表层受降雨冲刷易引发水土流失并导致滑坡灾害的难题, 以黄土边坡为例, 提出了一种基于减排水理念的生态固坡综合防护方法。采用自主研制的边坡降雨模拟实验装置, 考虑不同改良剂掺量、格构防护形式、雨强、历时、坡比等因素对防护效果的影响, 研究不同因素组合影响下的边坡土体侵蚀规律与演化机理。试验结果表明, 黄土边坡坡面侵蚀可归纳为溅蚀、片蚀、沟蚀、坍塌、滑坡的过程; 随改良剂掺量增加, 改良边坡抗侵蚀能力增强, 综合考虑提出改良剂的最优掺量为3‰; 与素土边坡相比, 3‰改良剂改良边坡受雨强的影响较小; 随降雨历时增加, 改良剂改良效果越明显; 改良剂、框格梁以及两者的综合利用, 均能有效提高边坡抗雨水冲刷与侵蚀能力; 边坡坡度增大至一定程度, 坡体受降雨侵蚀易突然发生整体滑塌, 需进行重点关注; 改良剂主要通过絮凝作用使土颗粒之间镶嵌黏结更紧密, 从而提高黄土的持水性和抗蚀性。     

植被增渗效应对花岗岩残积土浅层滑坡的影响机理研究

华南地区台风暴雨诱发的滑坡往往呈浅层、流态化、群发性等特征,大量调查发现植被增渗效应对花岗岩残积土滑坡的形成具有显著影响,但目前研究大多探讨植被根系对土体渗透性的影响,未能揭示植被增渗效应对浅层滑坡的影响机理。基于此,以“2019.6.9”广东省龙川县群发性滑坡灾害为例,通过大量现场勘查,查明滑坡区域地质环境条件与植被发育情况,分析植被对浅层滑坡的增渗效应;采用“双环入渗法”测得不同植被样地的入渗速率,分析其下渗过程和渗透规律;选取典型滑坡剖面,建立地质模型,运用Geo-Studio软件对强降雨条件下浅层滑坡渗流规律和土体应力-应变特征进行模拟;最后结合模拟结果和现场调查情况,分析强降雨条件下植被增渗效应对浅层滑坡的影响机理。结果表明：植被能够有效地增强土壤渗透能力,渗透能力大小依次为针叶林地、灌木林地、裸土地;在植被增渗效应影响下,雨水入渗到根土复合层底部会发生滞水现象,浅层土体迅速趋于饱和,土体中孔隙水压力及渗流力瞬时剧增,土体饱水使得残积土发生软化,同时边坡自重增加,最终导致斜坡失稳。研究结果可为华南地区暴雨群发性滑坡的形成机理、预警预报等提供科学依据,具有重要的意义。     

坡面降雨溅蚀及其模拟

对雨滴的溅蚀过程及影响因素作了全面的分析。在揭示黄土地区梁峁上部雨蚀规律的基础上,运用牛顿第二运动定律,推导出雨滴对土粒撞击力的表达式。在假定雨滴溅蚀率与雨滴侵蚀力成线性关系情况下,推导出雨滴溅蚀量表达式,经桥沟流域径流场上应用,效果令人满意。     

植被作用下膨胀土渗透和力学特性及堑坡防护机制

以广西膨胀土为研究对象,考虑植被的影响,进行了现场渗透和植被根系加筋作用力学试验,并在试验结果的基础上,对膨胀土堑坡的植被防护作用进行数值模拟。研究结果表明,植被根系的加筋作用和植被的蒸发、蒸腾作用是从两个不同的方面维持边坡稳定的,并且在降雨过程中的发挥过程有着先后的顺序。根系的加筋作用增强了土体的强度,植被的蒸发、蒸腾作用阻止了土体强度的进一步衰减。此外,植被覆盖下土体的吸湿与脱湿过程应采用不同的渗透曲线,由于植被防护在施工后未长成的一段时间内十分脆弱,所以对生长期内的植被根系力学特性进行研究具有重要意义。项目研究成果可为膨胀土地区堑坡植被防护设计和施工的发展和应用提供有益参考。     

基于遥感影像的地理特征信息的提取与分析

以云南省会泽县为例,基于ETM+、ASTER、DEM等遥感影像数据运用ArcGIS、ERDAS等遥感软件提取研究区的植被、地形、坡度坡向等一系列地理特征信息,并生成相关图件,为本区的农业规划、水土流失、地质灾害、资源开发、土壤侵蚀等相关研究提供多方面的空间信息参考.