三峡水库消落带淹水—落干交替下紫色土力学特性变化模拟

三峡水库消落带在高压淹水浸泡和干湿交替作用下,土壤力学特性必然发生变化,影响土体抗侵蚀性能,破坏库岸稳定性。目前对消落带土壤力学特性变化及其对淹水—落干驱动的响应尚不明确。以三峡水库消落带广泛分布的紫色土为研究对象,模拟水压作用和淹没—出露交替过程,研究紫色土应力—应变和抗剪强度参数对高压淹水和干湿交替作用的响应。结果表明:水柱压力、干湿交替次数和干湿交替幅度都能显著驱动紫色土力学特性发生变化。与对照组相比,随着水柱压力增加,紫色土刚度逐渐增强,黏聚力降低幅度变小,内摩擦角增大。随干湿交替次数增加,紫色土刚度逐渐减小;内摩擦角有所增大,黏聚力的变化趋势与之相反,且随干湿交替次数的增加而显著降低。随干湿交替幅度增加,抗剪强度迅速降低(相同围压下),黏聚力增大,内摩擦角降低;与对照组相比,干湿交替幅度越小,土壤的内摩擦角增大越多,黏聚力降低越多。     

干湿循环条件下重庆地区三种土壤抗剪强度的动态变化

选择广泛分布于重庆丘陵山区的黄壤、钙质紫色土和中性紫色土3种土壤,通过对室内三轴剪切试验,测定含水率和干密度交互作用对土壤抗剪强度指标的影响,在含水率和干密度对土壤抗剪强度影响分析的基础上,3土壤按各自最优含水率和干密度制作干湿循环试验土样,进行干湿循环条件下土壤抗剪强度的动态变化分析。试验结果显示：(1)在相同干密度情况下,3种土壤粘聚力c值随着含水率的增加呈现出先增加后减小的趋势,在相同土壤含水率水平下,土壤粘聚力c值随干密度增大而增大,3种土壤内摩擦角φ值在各干密度条件下均随着含水率增加呈明显减小的趋势。(2)含水率和干密度的交互作用对土壤粘聚力c值有显著影响,粘聚力c值在1.3-1.7g/cm₃干密度范围内随着干密度的增大而增大,且每一个干密度都有一个含水率与之对应,在这样一个交互作用下粘聚力c值达到最大,含水率和干密度的交互作用对内摩擦角φ值影响相对较小,同一干密度下,其φ值差异不大,随干密度的增大缓慢增大。(3)3种土壤的粘聚力c值均随干湿循环次数的增加均呈减小趋势,且前两次循环c值衰减幅度都很大,从第三次干湿循环到第五次干湿循环粘聚力c值衰减幅度很小,趋于稳定。(4)3种土壤在干湿循环后内摩擦角φ值总体呈减小趋势,但不同土壤类型间存在差异,第五次循环结束后,黄壤为24.6?,中性紫色土为22.6?,钙质紫色土为19.3?。     

不同类型土壤－柠条根系复合抗剪力学特性的比较

为揭示柠条根系固土抗蚀机理,以柠条锦鸡儿与低液限粘土、砒砂岩风化土、含细粒土砂3种土壤类型的根土复合体做为对象进行室内直剪试验,研究3种土壤类型的柠条根土复合体抗剪强度及强度指标,分析其差异性。结果表明:3种不同土壤类型下柠条根土复合体剪切规律均服从摩尔－库仑强度破坏准则。0.05显著水平下,12.5 kpa下根系提高土体抗剪强度优于25 kpa。抗剪强度、残余抗剪强度及二者的强度指标均为柠条根与3种土壤类型根土复合体优于相应素土。抗剪强度、残余抗剪强度、粘聚力及残余粘聚力大小排序为:低液限粘土根土复合体 > 砒砂岩风化土根土复合体 > 含细粒土砂根土复合体,内摩擦角和残余内摩擦角大小排序为:含细粒土砂根土复合体 > 砒砂岩风化土根土复合体 > 低液限粘土根土复合体。粘聚力、残余粘聚力的增长率区间为9.97% ~ 45.78%,内摩擦角和残余内摩擦角的增长率区间为?4.09% ~ 2.40%。根会增强土壤抗剪强度及残余抗剪强度。柠条根系对提高低液限粘土的抗剪特性作用效果最明显,提升效果最好。粘聚力在根土复合体抗剪强度、残余抗剪强度的增加中起主要作用。     

紫色土坡耕地生物埂土壤抗剪强度对干湿作用的响应

生物埂土壤水分在次降雨中存在"干-湿-干"变化过程,这对生物埂土壤抗剪强度具有削弱作用。该文以紫色丘陵区花椒埂(HJ)和桑树埂(SS)为研究对象,通过根系现场挖掘法和土壤物理、力学性质测定等综合方法,研究生物埂土壤水分及抗剪强度在天然降雨干湿作用下的衰减-恢复效应。结果表明:1)生物埂土壤含水率随干湿作用表现出"急剧增加-急剧降低-稳定波动"趋势,小雨条件下生物埂0~20 cm土壤含水率变化明显;而在大雨和暴雨条件下,生物埂0~30 cm土壤含水率均变化明显,且分别在3种降雨发生后第5、7、9天土壤含水率趋于稳定;2)生物埂土壤黏聚力和内摩擦角均呈现"急剧衰减—相对稳定—逐渐恢复"趋势,小雨条件下生物埂对土壤黏聚力和内摩擦角具有增强效应且随垂直深度呈降低趋势;3)花椒埂、桑树埂在暴雨条件下能显著削弱干湿作用对土壤抗剪强度的劣化效应,2种生物埂的土壤黏聚力劣化率较对照埂分别降低44.03%、65.05%,而内摩擦角劣化率分别降低42.47%、45.70%。研究结果可为紫色丘陵区坡耕地生物埂措施设计和坡耕地耕层水土资源保护利用提供技术支持。     

紫色土坡耕地埂坎土壤裂隙发育及其对抗剪强度的影响

【目的】探究失水过程中埂坎的裂隙发育规律及其对抗剪强度的影响，为揭示埂坎失稳机制提供科学依据。【方法】以典型紫色土坡耕地埂坎为研究对象，模拟试验埂坎土壤水分耗散和裂隙发育过程，测试土壤抗剪强度，分析土壤抗剪强度与裂隙发育的关系。【结果】埂坎裂隙发育具有明显的阶段性特征，裂隙面积率、面积-周长比、形状指数和分形维数总体表现为先快后慢再趋于稳定。裂隙发育的阶段性对土壤抗剪强度及其参数的影响存在差异，快速发育阶段（31%≥w> 22%），裂隙发育和无裂隙发育试样的土壤抗剪强度、黏聚力和内摩擦角无明显差异；缓慢扩展和基本稳定阶段（22%≥w> 10%），裂隙发育通过影响土壤黏聚力对抗剪强度影响较大。试验条件下，裂隙发育试样的土壤抗剪强度总体小于无裂隙发育试样，土壤抗剪强度随含水率衰减而逐渐增大。裂隙发育和无裂隙发育试样抗剪强度的差异主要取决于土壤黏聚力，试验范围内的最小黏聚力（10.97 kPa）出现在质量含水率20%左右。裂隙发育试样的黏聚力随水分耗散的变化幅度不大，而内摩擦角则随水分耗散呈近似线性增大，裂隙发育试样的土壤抗剪强度主要受内摩擦角影响。【结论】紫色土坡耕地埂坎土壤裂...     

周期性淹水对水库消落带根土复合体抗剪性能的影响

为了探究三峡水库消落带根土复合体抗剪性能的影响机制，以狗牙根根土复合体为研究对象，利用三轴试验，定量分析含水率、干湿交替次数以及含根量对根土复合体抗剪性能的影响。结果表明：(1)随着干湿交替次数和含水率的增加，土壤抗剪性能逐渐劣化，含水率13%的根土复合体抗剪强度依次比含水率18%、含水率23%的土壤抗剪强度提高0.12%～14.76%,12.47%～21.14%;经历干湿交替6次与3次的根土复合体抗剪强度比经历1次的降低6.31%～14.71%与2.41%～8.19%。(2)根系含量能显著影响土壤抗剪性能，含根量为1.5 mg/cm³的土壤抗剪强度比含根量为0.5 mg/cm³的土壤抗剪强度提高0.86%～21.10%,内摩擦角增长0.09%～16.31%,黏聚力增长2.27%～30.55%。(3)含水率是影响土壤抗剪性能最主要的因素，对抗剪强度的贡献程度排序上为含水率(61.30%)>干湿交替次数(21.17%)>含根量(8.28%)。研究结果为消落带固土护岸的物种筛选、群落构建、水土保持生态建设、生态系统重建以及水库岸线管理...     

冻融循环和土壤性质对东北黑土抗剪强度的影响

为了揭示东北黑土区季节性冻融循环作用和土壤性质对土壤可蚀性的影响,采集黑龙江省宾县典型薄层黑土区(BX)和克山县典型厚层黑土区(KS)0—20cm的耕层土壤,通过室内冻融循环模拟和土壤直剪试验,分析了冻融作用和土壤性质对土壤抗剪强度的影响。结果表明:(1)经历1次冻融作用后BX和KS 2种供试土壤抗剪强度分别减小3.9%和9.2%,二者黏聚力分别减小15.2%和29.4%,内摩擦角分别减小1.4%和3.6%。经历7次冻融作用后,BX和KS2种供试土壤抗剪强度分别减小9.1%和15.1%,土壤黏聚力分别减小40.7%和74.5%,土壤容重分别减小6.7%和9.2%。受土壤有机质、水稳性团聚体、黏粒含量等的影响,KS土壤抗剪强度、黏聚力、内摩擦角和土壤容重的减小幅度皆大于BX供试土壤。(2)2种供试土壤抗剪强度皆随冻融循环次数的增加呈先逐渐减小后趋于稳定的变化趋势;第1次冻融循环对土壤抗剪强度破坏最大,经历1次冻融循环后2种土壤抗剪强度和黏聚力的减小量分别占7次冻融循环土壤抗剪强度和黏聚力总减小量的43.4%和61.0%,37.3%和39.4%。(3)土壤抗剪强度与土壤容重和团聚体平均重量直径(MWD)呈极显著的正相关,而与冻融循环次数呈极显著的负相关。     

土壤含水量对浅层滑坡区土体抗剪强度影响

通过对重庆缙云山一浅层滑坡区杉木和马尾松林地上土壤剖面原状土、过2mm筛后土壤的剪切试验,研究了土壤含水量对浅层滑坡区土体抗剪强度的影响。结果表明：原状土土壤断面抗剪强度随土壤天然含水量增大而减小,随土层加深而增大。土层越深,土壤含水量对土壤抗剪强度的影响越小。同一土壤在不同的含水量的条件下,随着含水量的增大,粘聚力C值和内摩擦角φ值均减小,并且土壤含水量对土壤粘聚力C值的影响程度大于对土壤内摩擦角φ值的影响程度。     

基于模糊综合评判的崩岗重力侵蚀评价方法

发育于花岗岩出露区的典型崩岗岩土受干湿效应影响,致使坡体在重力作用下产生崩坍,这是崩岗形成后最主要的侵蚀形式。通过对原状土进行5种干湿水平处理,采用直剪试验研究干湿效应下崩岗岩土抗剪强度及其指标变化规律。结果显示：从风干到增湿过程,抗剪强度及其指标衰减明显,粘聚力C下降幅度最大为92％,而内摩擦角9最大降幅为48％。随着垂直压力递增,抗剪强度增大。此外,基于不同干湿效应下岩土抗剪强度指标变化规律,运用模糊综合评判法对不同干湿水平、干湿阶段崩岗坡体稳定性等级（重力侵蚀）进行评价,并讨论了完善该模型的途径,可为崩岗危害性分级、针对性治理提供技术支撑。     

植被混凝土基材2种草本植物根-土复合体直剪试验研究

通过在植被混凝土基材上对狗牙根和紫花苜蓿2种有代表性的草本植物进行样地种植和室内直剪试验,分析植被混凝土基材上不同深度根-土复合体抗剪强度的分布规律,对比基材空白样地相应深度的抗剪强度,证实和量化了草本植物根系增强土壤抗剪切强度的作用。试验表明:根-土复合体在0-10cm土层内摩擦角变化不明显,粘聚力随深度先增大后减小;与基材空白样样地相比,根-土复合体内摩擦角变化不大,粘聚力变化显著,狗牙根粘聚力最大增幅为129.4%,紫花苜蓿粘聚力最大增幅为77%;狗牙根根-土复合体抗剪强度比同期生长的紫花苜蓿根-土复合体的抗剪强度高。     

斥水剂作用下非饱和土壤抗剪强度测定及其变化规律

为获得斥水性土壤抗剪强度的变化规律,采用二甲基二氯硅烷(dimethyldichlorosilane,DMDCS)作为斥水剂,获得了不同斥水程度的改性砂土。在此基础上配制了不同斥水剂体质比和不同含水率的改性砂土及不同亲水黏土质量分数的改性混合土,并采用非饱和土直剪仪开展了不固结不排水剪强度试验。结果表明:1)不同DMDCS体质比下的5种改性砂土斥水等级均为极度。改性混合土的斥水等级受DMDCS和黏土含量的共同影响。相同DMDCS体质比下,随着黏土含量的增加,改性混合土的斥水性能不断减弱;相同黏土含量下,随着DMDCS体质比的增加,改性混合土的斥水性能不断增大。2)不同DMDCS体质比、含水率及黏土含量下的改性土壤抗剪强度均可用摩尔-库仑强度准则描述。DMDCS体质比从0增至1%时,黏聚力从19.6陡降至10.4 kPa,随后缓慢降低,最终趋于稳定。内摩擦角则随着DMDCS体质比的增加缓慢减小,从0时的16.2o降至3%时的11.8o;随着含水率的增加,改性砂土黏聚力逐渐减小,而内摩擦角呈先升后降形态;随着黏土含量的增加,改性混合土黏聚力显著增大,内摩擦角表现为先升后降,变幅不大。纯改性砂土的黏聚力仅为9.3 kPa,而掺入5%的黏土时,其黏聚力骤升至27.2 kPa;当黏土质量分数为50%时,混合土黏聚力为55.1 kPa;内摩擦角最大值为16.2°(黏土质量分数15%),最小值为9.7°(黏土质量分数50%)。该成果可为深入研究斥水性土壤力学性能及工程应用提供参考。     

含根量对秋枫根-土复合体抗剪强度的影响

为研究含根量对秋枫(Bischofia javanica)根-土复合体抗剪强度的影响,利用纵剖面法探究了秋枫根面积比沿土层深度的分布规律,基于根面积比的分布范围,分别对7级不同根面积比梯度的重塑垂直根-土复合体试样在4级正应力下进行了改进的大盒直剪试验,定量探究了不同含根量对土体抗剪强度的影响,分析了根-土复合体黏聚力和内摩擦角的变化规律。结果表明:相比于素土,秋枫根-土复合体抗剪强度的增幅为1%～25%;在相同根面积比情况下,根-土复合体抗剪强度随正应力的增大而增高,但其增长幅度却相应减小;随着根面积比的增大,根-土复合体抗剪强度呈现先增高后降低的趋势,存在最优含根量使根-土复合体抗剪强度达到最大值。4级正应力下的峰值抗剪强度值分别为100,121,136,142 kPa,对应的根面积比均为0.20%;当根系含量超过最优含根量时,根-土复合体抗剪强度出现了较大幅度的衰减,衰减率与正应力有关,正应力越大,衰减幅度越小;根面积比对根-土复合体抗剪强度指标的影响主要体现为黏聚力的改善,而对内摩擦角的影响较小。研究结果可为秋枫根系固土稳坡提供一定的理论依据,对进一步认识乔木根土相互作用具有积极意义。     

排土场土体裂缝区植被根系及抗剪强度分布特征

为揭示排土场土体裂缝区植物根系和抗剪强度分布特征,采用根钻法、WinRHIZO根系分析系统和直剪仪研究了0—60 cm土层植物根系、黏聚力和内摩擦角随土层深度的变化规律。结果表明:3个样地根系特征参数不同,随土层深度增加而减小,主要分布在0—20 cm土层,根密度和根重密度为88.81～303.03个/10³cm³,0.15～2.69 mg/cm³。根系以径级d≤0.1 mm和0.1 mm相似文献   

花棒沙柳根与土及土与土界面直剪摩擦试验与数值模拟

花棒和沙柳是毛乌素沙地中分布最广泛的优良防风固沙树种,在固定流动沙丘和半流动沙丘上效果明显。为了探索花棒和沙柳根-土界面的摩擦特性,该文选取毛乌素沙地5 a生人工种植花棒、沙柳的根系为研究对象,通过直剪摩擦试验研究界面类型、土壤含水率和垂直荷载对花棒、沙柳根-土界面以及素土-素土界面摩擦特性的影响,并采用有限元软件对直剪摩擦试验进行数值模拟。结果表明:花棒和沙柳根系对土壤抗剪强度的提高作用与根-土界面的黏聚力无关,与摩擦角有关。花棒根-界面的摩擦角显著高于素土-素土和沙柳根-土界面(P0.05)。土壤含水率的变化对根-土界面的黏聚力与摩擦角的影响规律相似,旱季和雨季对根系提高土壤抗剪强度的作用有显著影响(P0.05)。根-土界面的抗剪强度与垂直荷载的关系同样满足莫尔-库伦准则,本构关系为双曲线。花棒根-土界面抗剪强度极显著高于素土-素土界面和沙柳根-土界面(P0.01),从抵抗根-土位移的角度,花棒的固沙效果优于沙柳。该文所采用的应力、位移边界条件和Coulomb摩擦模型,模拟计算的根-土界面和素土-素土界面的抗剪强度与试验结果基本一致(最大相对误差10%),因此根-土界面的直剪摩擦试验可以通过本文所建立的有限元数值模型来模拟。研究结果可为根系固土作用的理论研究和防风固沙树种的筛选提供参考。     

鄂东南崩岗区花岗岩风化岩土体抗剪强度的异向性

旨在从岩土力学性质的角度为崩岗侵蚀提供理论依据,采用直接剪切实验,对鄂东南崩岗区典型花岗岩风化岩土体剖面不同方向上原状土的抗剪强度进行测定,并分析了花岗岩风化岩土体抗剪强度在剖面尺度上的异向性及其影响因素。结果表明,饱和条件下,花岗岩风化岩土体黏聚力和内摩擦角的变化范围分别为3.19～19.26 kPa和26.50°～32.42°,其中B_2层黏聚力最大,而各层次间内摩擦角的差异并不明显(p0.05);黏聚力和内摩擦角均存在明显的异向性,其中水平方向总体大于垂直方向,且黏聚力的异向性较内摩擦角更明显。不同方向上抗剪强度的影响机理不同,其中,垂直于剖面方向上,黏聚力主要受毛管孔隙度(r=-0.97,p0.01)和粉粒含量(r=0.94,p0.05)的影响,而水平方向上仅与粉粒含量(r=0.91,p0.05)显著相关;而液限对水平方向上的内摩擦角影响显著(r=-0.99,p0.05)。对于花岗岩风化岩土体抗剪强度的异向性而言,其主要受自然含水率(r=-0.98,p0.01)、有机质(r=-0.93,p0.05)和塑限(r=-0.97,p0.05)影响。研究结果对于从力学稳定性角度揭示崩岗的发生机理具有重要意义。     

紫色土坡耕地埂坎土壤抗剪性能对含水率的响应

选取三峡库区典型紫色土坡耕地埂坎进行试验,通过室内三轴试验研究不同含水率(质量分数6%、11%、16%、21%、26%和31%)对埂坎土壤抗剪强度指标的影响,以深化紫色土坡耕地埂坎力学性质研究。结果表明:1)试验含水率范围内,紫色土坡耕地埂坎土壤黏聚力受含水率影响显著(P0.05),且随着含水率增加呈现出先增大后减小的趋势,明显的峰值出现在含水率质量分数11%左右,黏聚力为85.52 k Pa;2)埂坎土壤内摩擦角随含水率增加而减小,呈非线性衰减,符合一阶指数衰减规律。高含水率时,衰减缓慢;3)紫色土坡耕地埂坎抗剪强度受含水率变化影响显著(P0.05),埂坎土壤极限主应力差随含水率和围压的变化明显且具有规律性。相同围压下,埂坎土壤极限主应力差随含水率增大而迅速减小,即土体的抗剪强度降低。相同含水率下,极限主应力差随围压增大而增大,低含水率时增加明显,高含水率时增加缓慢。当含水率质量分数达到26%左右,埂坎土壤抗剪强度趋于低值;4)紫色土埂坎土壤的应力-应变曲线随含水率递增依次呈现应变软化型、硬化型和弱硬化型。研究结果可为三峡库区高标准基本农田等工程的埂坎建设提供依据和技术支撑。     

金沙江干热河谷冲沟区优先流影响下的土壤力学特性

为探究金沙江干热河谷冲沟区优先流与土壤力学的相关机理，揭示优先流影响下土壤抗剪强度特征规律，丰富干热河谷冲沟发育区沟侵蚀机理，为该地区进一步开展沟蚀治理提供理论依据。在典型冲沟发育区选择完整冲沟为研究对象，基于染色示踪、土壤理化、原状土直剪试验，利用RDA等统计方法分析优先流与土壤力学指标间的相关性，明晰优先流和抗剪强度的关系。结果表明：(1)由于冲沟发育使冲沟内由集水区到沟底优先流发育程度逐渐降低。土壤含水率、容重、总孔隙度、有机质含量均呈优先流区大于基质流区，机械组成分形维数整体上基质流区(2.680～2.874)大于优先流区(2.746～2.893)。(2)冲沟区优先流通过影响土壤黏聚力和内摩擦角进而对抗剪强度产生影响，一定程度上会降低土体抗剪强度。集水区、沟头抗剪强度大于沟床和沟底。优先流区黏聚力(1.24～2.65 kPa)小于基质流区黏聚力(1.91～4.27 kPa),优先流区内摩擦角(19.52°～22.47°)略大于基质流区内摩擦角(17.68°～22.35°),优先流区抗剪强度(36.66～43.68 kPa)整体小于基质流区抗剪强度(38.74～47.32 kPa...     

紫色土埂坎根-土复合体土水特性与抗剪强度

研究根-土复合体土-水特征曲线与抗剪强度的关系,可为紫色土埂坎根-土复合体强化机理的揭示与埂坎稳定性的维持提供科学依据。选取三峡库区典型紫色土坡耕地埂坎草本植物根—土复合体为研究对象,结合Hyprop2土壤水分特征曲线测量仪、滤纸法与直剪试验,拟合土-水特征曲线,揭示基质吸力对根-土复合体抗剪强度的影响。结果表明:(1)根-土复合体土-水特征曲线明显分为边界效应区、过渡区与非饱和残余区,3种常用模型(B-C、VG、F-X)中F-X模型拟合该曲线效果最好,根-土复合体饱和含水率、进气吸力、残余区含水率以及相同体积含水率下的基质吸力均高于素土。(2)随着体积含水率降低,根-土复合体黏聚力先增大后减小,试验范围内黏聚力最大值51.25 kPa出现在体积含水率约23%时,内摩擦角则线性增大。相同体积含水率下,根-土复合体黏聚力较素土最大增加50%,内摩擦角提升不大。(3)基质吸力对根-土复合体抗剪强度的增强作用具有阶段性特征,各阶段临界吸力值与土-水特征曲线一致,过渡区(基质吸力为3~500 kPa)土体抗剪强度提高明显,进入非饱和残余区后(基质吸力>500 kPa)由于黏聚力下降,土体抗剪强度增速减慢,根-土复合体抗剪强度随基质吸力增大而提升的幅度大于素土。通过建立埂坎根-土复合体土-水特征曲线和抗剪强度的关系,可估测实际工况下的埂坎土体抗剪强度,进而为坡耕地埂坎的建设、维护管理以及坡耕地侵蚀阻控提供理论依据。