寒旱环境植物根系增强边坡土体抗剪强度试验研究

研究以地处西宁盆地的青海大学自建试验区作为研究区。采用草本、灌木植物单一种植和混合种植的方式,对种植植物边坡及未种植植物的素土边坡在A层(坡面地表0cm)、B层(坡面以下20cm)深度处的根—土复合体试样进行直接剪切试验,探讨了单一种植和混合种植两种种植方式下边坡土体抗剪强度的变化特征。结果表明:(1)单一种植的草本边坡在A层处根—土复合试样的粘聚力值分别为24.09,22.81kPa,均显著大于灌木边坡A层深度处根—土复合体试样的粘聚力值19.03,17.91kPa,且相对于素土试样的粘聚力值,草本根—土复合体试样的粘聚力值的增加幅度依次为104.67%,93.80%,灌木根—土复合体试样粘聚力值的增加幅度依次为61.68%,52.17%,显然,草本根—土复合体的粘聚力值增长幅度大于灌木植物;(2)随边坡土体深度的增加,单一种植方式下草本边坡根—土复合体试样粘聚力值呈递减趋势,即粘聚力值依次由24.09,22.81kPa递减至19.06,21.02kPa,这在一定程度反映出草本对边坡浅层土体抗剪强度的增强作用相对较为显著;(3)2种草本和灌木混合种植方式下根系对边坡土体抗剪强度的贡献值,均大于相应位置处2种草本和灌木单一种植方式下的贡献值,即混合种植条件下复合体的粘聚力值较单一种植时的增加幅度为0.13%~42.83%。该研究成果为定量评价边坡不同种植方式下植物根系增强边坡土体抗剪强度提供了理论依据,同时为进一步探讨植物根系增强边坡土体抗剪强机理具有一定理论价值和实际意义。     

寒旱环境灌木根系增强边坡土体抗剪强度特征

为深入研究根系与剪切面呈不同夹角α条件下,边坡土体中根系对土体抗剪强度的影响,以及定量分析评价植物根系对边坡土体抗剪强度的增强作用,该项研究以生长期为150 d的柠条锦鸡儿、霸王根系及其组成的柠条锦鸡儿根-土复合体、霸王根-土复合体为研究对象分别进行室内单根拉伸试验和复合体剪切试验。通过对2灌木根系进行单根拉伸试验,得到2种灌木根系单根的抗拉强度,并对根系与剪切面夹角α分别为45°、60°、75°、90°等4种条件下的根-土复合体进行剪切试验,得到4种α角度条件下的根-土复合体试样抗剪强度;在此基础上,分析探讨了单根抗拉强度与根-土复合体试样粘聚力值之间的关系。结果表明:柠条锦鸡儿根系的单根抗拉强度较霸王根系的单根抗拉强度略高;柠条锦鸡儿根-土复合体、霸王根-土复合体试样,在4种不同α角度条件下的黏聚力均显著大于素土黏聚力;当α角由45°增大至90°时,2种灌木根-土复合体的黏聚力值呈逐渐增大的趋势,且黏聚力的增长率亦表现出一致性变化规律,即2种灌木根-土复合体试样的黏聚力的增长率均随着α角的增大而呈增大趋势;根-土复合体黏聚力值与单根抗拉强度存在正相关关系。由上述复合体黏聚力值的变化规律反映出,试验区2种灌木根系对边坡土体抗剪强度具有显著增强作用,同时亦反映出随根系的单根抗拉强度的增大,根系对土体粘聚力值的增强效果相对愈加显著,且随根系与剪切面间夹角不同,根系增强边坡土体抗剪强度贡献具有不同的变化规律,即表现在根系与剪切面之间的夹角趋于垂直时,根系具有相对最大限度地增强土体抗剪强度的作用。该研究结果为定量评价植物根系增强边坡土体抗剪强度的贡献,提供了试验方面的数据支撑,这为进一步深入探讨植物根系增强边坡土体抗剪强机理提供参考。     

土壤粒径对灌木植物根-土摩阻特性影响

为了系统性研究灌木植物根系的固土力学效应,探讨土体对根系的摩阻特性,以4种不同土壤粒径（原级配,1.0~2.0,0.5~1.0,<0.5 mm）和3年生的典型护坡植物种火棘及紫穗槐为研究对象,采用室内直剪的方式对根系进行根—土界面直剪摩擦试验。结果表明：（1）根—土及土—土界面的摩阻强度与垂直荷载呈明显的正线性关系;随土体粒径的增加,根—土及土—土界面的摩阻强度、摩擦系数、黏聚力和摩擦角均呈现下降趋势,且在相同粒径范围内,火棘根—土界面摩阻特性显著优于紫穗槐和素土;（2）根—土界面与素土界面的剪应力随位移的增长速率呈现先增大后减小的趋势;根—土界面剪应力与位移关系曲线呈现曲折蜿蜒式上升,而素土曲线表现为平缓式上升;（3）土体粒径越小,根土间接触面的比表面积越大,细小的土壤颗粒与根表面发生镶嵌,加大接触面的咬合力,使摩阻能力加大。研究结果对进一步探讨灌木植物根—土相互作用力学机制,以及利用灌木植物提高试验区边坡土体稳定性、防治坡面浅层滑落具有一定的理论指导意义。     

植物根-土复合体原位剪切试验研究现状及其进展

为了进一步评价植物根系增强土体抗剪强度的作用及其变化规律,结合国内外学者在此领域所开展的研究,系统地阐述了根-土复合体的结构、性能及草本、灌木植物根系增强边坡土体稳定性的贡献,讨论了原位剪切试验对于评价植物根系增强边坡稳定性贡献的优势;并初步探讨了根-土复合体原位剪切试验的发展方向,即对于坡体不同深度条件下根-土复合体中根系与土体之间的摩擦力大小以及土体密度、含水量等物理性指标对根系提高土体强度的影响程度尚需进一步研究;对于根-土复合体原位剪切试验装置中相关构件参数如剪切盒尺寸等的设计,以及所反映的边坡土体抗剪强度大小等方面尚需做进一步探讨。     

杨柴根系提高土体抗剪特性的研究

采用直剪仪对杨柴(Hedysarum fruticosum)重塑的根-土复合体及素土进行不同法向荷载下的剪切试验,研究根-土复合体在土壤含水量,布根数量,根系直径以及变形速率梯度条件下的剪切特性,讨论法向应力,布根数量,根系直径,土壤含水率及剪切速率等对根-土复合体抗剪特性的影响。结果表明,在0.8m左右的浅土层内,根-土复合体提高土体抗剪强度的效果显著,根-土复合体粘聚力显著增大的情况下抗剪强度呈明显增大趋势,根-土复合体抗剪强度相对于素土的增长率为14%,粘聚力的增长率为17%,粘聚力的增加对复合体抗剪强度的提高起到显著的作用。杨柴在12.5kPa垂直荷载对应的0.8m的浅土层,当土壤含水率在12.5%~16.5%,布根数量4~6根,根系直径在1~2mm径级范围,土壤孔隙水承压条件下,根系提高土体抗剪强度的有效性达到最佳范围。     

基于土-水特征曲线的植物边坡抗剪强度研究

土-水特征曲线通常用于估计非饱和土壤的抗剪强度,但是由于植物根系的吸水作用和加筋效应,使得植物边坡的抗剪强度不能直接利用基于基质吸力的非饱和土抗剪强度计算公式进行计算。以裸露边坡和植被边坡为研究对象,采用张力计现场测试和室内剪切试验相结合的方法,拟合水土特征曲线关系。结果表明:(1)植物根系的植入有效地提高了边坡土体的进气值,较素土进气吸力值增幅41.10%。在同等含水率条件下,植物边坡基质吸力明显大于素土边坡,提高了边坡土体的持水能力。(2)边坡红黏土基质吸力与含水率的关系符合V-G模型,利用最小二乘法得到模型参数。(3)随着体积含水率的增大,带根土与素土的抗剪强度参数值变化趋势大致相同,均呈现先增大后减小的趋势,但带根土的变化参数大,当含水率21.29%时,带根土黏聚力相较于素土增加了4.86 kPa,增幅18.55%,而内摩擦角对根系存在的敏感程度不如黏聚力。(4)随着土壤基质吸力不断增大,植被边坡与素土边坡的抗剪强度力学参数变化趋势大体相同,当土基质吸力为60～90 kPa土体的黏聚力提高最为明显,但植被边坡由于植物根系的存在,土体内基质吸力对边坡土体的抗剪强度提高幅度更大,黏聚力与内摩擦角最大增长幅度分别为37.34%和40.30%。通过建立土-水特征曲线参数与植物边坡抗剪强度的关系,可计算不同含水率或基质吸力条件下植物边坡的抗剪强度,为进一步分析工程实际中植物边坡的稳定性提供理论依据。     

土壤孔隙水承压条件下4种根—土复合体抗剪特性

采用直剪仪对4种沙生植物重塑的根-土复合体及素土进行快剪试验,探讨了其抗剪强度以及根径和垂直压力对抗剪强度的影响.结果表明,柠条、沙柳、沙地柏、白沙蒿根-土复合体在1.5 m(25 kPa)的浅层土体范围内抗剪强度均大于素土,4种植物根-土复合体的内摩擦角与素土相比差异不明显;在根径相同(1.25 mm)的情况下,4种植物根-土复合体的黏聚力均大于素土,其黏聚力增加率的变化范围在4.60%～46.23%之间,大小顺序为:柠条＞沙地柏＞沙柳＞白沙蒿;4种植物随着根径的增加,复合体的抗剪强度均有不同程度的增大.     

生态护坡中根系对土体抗剪强度的影响

在护坡工程中,植被发达的根系能对边坡土体产生一定程度的加筋作用,从而可提高边坡的浅层稳定性。为探究植物根系对土体抗剪强度的影响,采用常规三轴不固结不排水试验,测定不同含根量、含水率对重塑粉质黏土抗剪指标的影响,结果表明:①根土复合体与素土的应力-应变变化趋势相同,说明摩尔-库仑强度准则同样适用于根土复合体,其不同主要体现在黏聚力大小上;素土和根土复合体均大约在轴向应变2%处出现主应力差峰值,然后逐渐趋于破坏。②根土复合体的抗剪强度明显大于素土,并且在含水率为9%时黏聚力增加显著,说明根能起到加筋作用,能够用来约束土体变形、增加抗剪强度。③在一定条件下,黏聚力和含根量成线性正相关关系;黏聚力和含水率对数成反比关系,即在一定条件下随着含水率增大,黏聚力降低。通过拟合得到根系加筋效应公式τ_f=c+σtan φ=c_0+a+bx+σtan φ,只要给定含水率和含根量,就能初步计算出抗剪强度。     

西南山区云南松根土复合体力学特性及其对浅层坡体稳定性的影响

[目的] 探究西南山区云南松根土复合体力学特性及其对坡体稳定性的影响，为该区浅层滑坡机理认识，识别预警与防治等提供理论基础与数据支持。 [方法] 以四川省凉山州中研究极为缺乏且与浅层滑坡密切相关的云南松根系为研究对象，开展根土复合体抗剪强度试验和FLAC 3D边坡安全系数数值模拟，探究了不同根系密度、根系分布方式与土壤含水量组合下乔木根土复合体的力学性质及浅层边坡稳定性。 [结果] 较高的植物根系密度可明显提高土体的抗剪强度，与素土相比，黏聚力、内摩擦角提高比例分别高达45.5%，9.6%。然而，根径与根系抗拉强度却呈显著的幂函数负相关关系(p＜0.05)，根径低于2 mm的细根抗拉强度最强；同时，乔木根系水平或垂直分布方式下，土壤含水量的增加均会降低土体的抗剪强度，不利于边坡稳定，而乔木交错分布最有利于提高土壤的抗剪强度和边坡稳定性。 [结论] 乔木根系的高密度发育，复杂交错分布，细根丛生等特点对提高根土复合体抗剪强度与边坡稳定性具有重要作用，适度地增加边坡植被覆盖是控制浅层滑坡发生的重要措施之一。通过评价地质灾害多发区不同条件下乔木根系护土固坡效应，可为震后地质活跃区开展生态修复提供理论支持。     

盐生植物根系增强土体抗剪强度效应试验研究

以大柴旦盐湖区及其周边地区作为试验区,选取海韭菜、芦苇2种优势盐生植物作为供试种,通过对2种盐生植物根—土复合体试样和素土试样进行剪切试验,探讨了盐生植物根系对土体抗剪强度增强作用以及土体抗剪强度的影响因素。结果表明:2种植物根—土复合体试样粘聚力值为13.48~21.87kPa,不含根系素土试样粘聚力值为8.45kPa,与不含根系素土相比,根—土复合体的粘聚力值增长量为5.03~13.42kPa,其增长幅度为59.53%~158.82%;海韭菜根—土复合体试样粘聚力值大于芦苇,2种盐生植物根—土复合体试样粘聚力值与2种盐生植物在一定范围内的根系含量之间呈正相关关系,同时一定程度上表明了试验区2种植物根系增强土体强剪强度的机制表现为,在一定范围内根—土复合体中根系密度和数量愈高则其对土体抗剪强度增强程度相对愈显著,且海韭菜对土体粘聚力的增强作用显著大于芦苇。该研究成果对研究区以及与该区地质条件相类似的其他地区利用盐生植物增强土体抗剪强度,以实现有效地防治地表水土流失、浅层滑坡等地质灾害具有理论研究价值和实际指导意义。     

模拟自然降雨条件下植物根系增强边坡土体抗剪强度特征

该研究以位于青藏高原东北部黄土区的西宁盆地作为试验区,采用柠条锦鸡儿(Caragana korshinskii Kom.)、霸王(Zygophyllum xanthoxylon(Bunge)Maxim.)、垂穗披碱草(Elymus nutans Griseb.)、细茎冰草(Agropyron trachycaulum(Linn.)Gaertn.)的单播种植,以及柠条锦鸡儿分别与细茎冰草、垂穗披碱草混播种植等2种方式,开展了原位模拟降雨试验并采用直接剪切试验,系统分析了模拟降雨试验前后试验区边坡表层以下3个不同位置处复合体抗剪强度大小及其随深度变化规律。结果表明:模拟降雨试验前,由柠条锦鸡儿与细茎冰草、垂穗披碱草混播的边坡a层(0~20 cm)根-土复合体黏聚力分别为19.5、18.9 k Pa,均较相同条件下单播边坡a层复合体黏聚力大;混播种植边坡各层根-土复合体黏聚力均较模拟降雨试验后裸坡a层土体黏聚力大,其中柠条锦鸡儿与细茎冰草混播边坡、垂穗披碱草混播边坡模拟降雨试验后,a层复合体黏聚力分别较裸坡a层黏聚力的增幅为30.65%~56.45%;柠条锦鸡儿、霸王、垂穗披碱草、细茎冰草单播边坡b层复合体黏聚力增幅为4.17%~38.89%;柠条锦鸡儿分别与细茎冰草、垂穗披碱草混播边坡b层黏聚力增幅为29.17%~34.72%;边坡c层土体黏聚力增幅相对不及a层、b层显著,反映了草本起到浅层加筋作用,灌木则起到深部锚固作用。     

不同植物对黄土边坡产流产沙与抗剪强度的影响

[目的]探讨不同草本植物对黄土边坡产流产沙与抗剪强度特征的影响,为进一步开展高寒干旱和半干旱地区,有效防治因降雨诱发水土流失、浅层滑坡等地质灾害,提供理论依据和实际指导。[方法]在西宁盆地长岭沟流域自建试验区,选取垂穗披碱草(Elymus nutans)、老芒麦(Elymus sibiricus)、细茎冰草(Agropyron trachycaulum)3种优势草本植物为试验供试种,开展原位人工模拟降雨试验与室内直剪试验,分析了模拟降雨条件下6种不同类型植物边坡坡面产流产沙及根—土复合体抗剪强度特征。[结果]在模拟降雨条件下,草本植物能显著抑制坡面产流产沙,阶梯形边坡相对直形边坡能显著降低坡面产流产沙,且随着草本生长期增加坡面产流产沙显著降低,生长期为2 a的种植垂穂披碱草阶梯形边坡坡面累积产沙量较垂穂披碱草直形边坡降幅为79.68%,生长期为1 a的种植垂穂披碱草阶梯形边坡平均产沙率较阶梯形未种植裸坡降低幅度最大为86.27%,表明种植垂穂披碱草阶梯形边坡有效抑制坡面的产流能力相对显著;进一步研究表明,降雨使边坡土体平均含水率增大,导致边坡浅层土体黏聚力降低;与直形边坡相比较,模拟降...     

基于三轴UU试验的土体含水率对根土复合体强度特性的影响

为研究自然边坡其强度特性随含水率的变化规律。通过设计不同体积含水率(20%,27%,35%,40%,45%)和2种含根量(RAR=0.1%,0.3%)的重塑土进行不固结不排水三轴试验,以研究含水率对土体破坏方式、抗剪强度和初始切线模量的影响。结果表明：(1)试样破坏模式多为剪切变形和剪胀变形,在含水率为20%,27%时,出现明显剪切贯穿面破裂带,其余含水率下表现为剪胀变形;(2)含水率对根土复合体抗剪强度主要体现在黏聚力上,含水率从20%升至45%时,2种含根量的根土复合体黏聚力分别降低67%,72%;含水率低于35%时,可用对数关系表示,随含水率升高,黏聚力明显降低;含水率达到35%以上时,可用线性关系表示,黏聚力下降速度减缓;含根量增加,抗剪强度提高;(3)不同含根量和围压下根土复合体初始切线模量与含水率关系可以用线性关系拟合,含水率从20%升至45%时,2种含根量的根土复合体初始切线模量平均分别降低43%和47%。综合考虑土体弹塑性和植物因素对土体位移或变形的影响,可提高边坡稳定性计算精度。研究结果可为植物边坡以及水土保持植被建设治理提供科学参考,丰富根系固土领域的科学理论。     

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。     

灌木柠条锦鸡儿根-黄土状盐渍土界面相互作用力学特性

为了进一步探讨西宁盆地黄土区灌木植物根系固土护坡力学效应,以区内优势灌木植物柠条锦鸡儿为研究对象,开展不同土体密度、含水量、含盐量和根径单因素变化条件下的单根垂直拉拔试验,探讨和分析了上述因素对灌木植物根-土界面相互作用力学特性的影响和作用机理。结果表明:在垂直埋深为25 cm及其他因素恒定的情况下,随着土体密度由1.20 g/cm³增长到1.60 g/cm³,单根最大抗拔出力由(28.60±2.83)N增长至(114.33±7.17)N,呈指数函数增长趋势; 随着土体含水量由6.00%增长到22.00%,单根最大抗拔出力由(152.80±10.07)N降低至(31.50±5.53)N,呈指数函数降低的变化趋势; 随着土体含盐量由0.59%增长至2.00%,单根最大抗拔出力呈现出先增大后减小的变化趋势,在含盐量为1.00%时,单根最大抗拔出力达到峰值(61.20±0.94)N,且二者关系符合二次函数关系; 在根径为2.74～9.57 mm范围内,随着单根平均根径的逐渐增大,单根最大抗拔出力由25.20 N线性增长至97.10 N。在此基础上,提出了垂直单根最大抗拔出力计算模型,并指出计算垂直单根最大抗拔出力所需的根-土界面综合黏聚力和综合摩擦角可通过根-土界面直剪试验获得。     

土壤水分对植物根-土界面相互作用特性的影响

为研究不同土壤水分下不同植物根系与土壤界面的摩阻特性,使用直剪仪对内蒙古中西部的5种典型乡土植物(柠条、沙棘、杨柴、紫花苜蓿和沙打旺)的根系在不同土壤含水率下进行根-土界面直剪摩擦试验。结果表明:当土壤含水率在4.5%~24.5%时,5种植物根-土界面摩擦系数均大于素土的土-土界面的值,且随着土壤含水率的增加,根-土界面和土-土界面摩擦系数均呈下降趋势,其中沙棘根-土界面的摩擦系数和黏聚力均大于其他4种植物的值,表明仅从根系与土壤间的相互作用特性来看,沙棘根系固土抗蚀的作用明显优于其他4种植物。根-土界面和土-土界面黏聚力均随着土壤含水率的增加呈先增后减的变化特征,且植物种不同黏聚力峰值出现时对应的土壤含水率亦不同。     

黄土区灌木柠条锦鸡儿根-土间摩擦力学机制试验研究

为系统研究灌木植物根系的拉拔摩擦力学机制,该项研究在西宁盆地黄土区的自建试验区内选取生长期为2 a的柠条锦鸡儿作为供试种进行根系拉拔摩擦试验。试验结果表明:柠条锦鸡儿主根的作用主要为提供根-土间静摩擦力,侧根的作用则主要表现为增大根-土间最大静摩擦力、根-土间最大摩擦力及根-土间最大摩擦力对应的根系位移;柠条锦鸡儿根-土间最大摩擦力随着根系总表面积、根系总体积、根系总长、根系总干质量、侧根数5个根系形态学指标的增加而增大,根-土间最大摩擦力与5个根系形态学指标之间可建立幂函数关系,且通过相关性分析可知,根系总表面积是与柠条锦鸡儿根-土间最大摩擦力相关程度相对较为显著的根系形态学指标;在本试验条件下(土体质量含水率15.1%,密度1.65g/cm3)由单根(不含侧根的主根)拉拔摩擦试验所得到的柠条锦鸡儿主根与土体间静摩擦系数为0.738 9±0.04,该值显著大于区内不含根系土体内摩擦系数0.504 0±0.03,表明柠条锦鸡儿根-土界面间的摩擦力值及抵抗变形的能力大于不含根系土体。该项研究结果对于进一步探讨研究区灌木根系的拉拔摩擦力学机制,以及科学有效地防治坡面水土流失、浅层滑坡等地质灾害具有指导意义和实际应用价值。     

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。     

三种护坡植物根-土复合体抗剪强度比较

以紫穗槐、胡枝子及狗牙根根系及其与土壤构成的根-土复合体为研究对象,通过对根-土复合体的室内直剪试验,比较分析了不同物种根系和不同含根量对根-土复合体的抗剪强度的影响。结果表明,根系的存在提高了土体的抗剪强度,根-土复合体的抗剪强度随着含根量的增加而增大,但当含根量达到一定值时根-土复合体的强度增加并不明显,即存在最佳含根量范围;与无根扰动土相比,根-土复合体内摩擦角无显著变化,但显著提高了黏聚力,其中紫穗槐、胡枝子、狗牙根黏聚力平均增幅分别为47.5%,39.2%和38.9%;紫穗槐、胡枝子和狗牙根根-土复合体对土壤的抗剪强度影响不同。在水土流失区种植乔灌木物种能有效增加坡体稳定性,降低土壤侵蚀。