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%。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。      

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.