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。     

油松根系的固土力学机制

为深入了解林木根系固土力学机制,探讨不同条件下的根系固土作用,对油松根系进行了拉伸、拔出和根土复合体三轴试验。结果表明,油松根系的抗拉力随根系直径的增大成幂函数关系增加,而抗拉强度随直径的增大无明显变化规律;根系受拉的应力—应变曲线特征参数不同,以二次多项式模型拟合效果最好,均为单峰曲线,具有弹塑性材料的特征,极限应力和极限延伸率的大小与根系直径无明显的关系;根土界面最大摩擦力随着根径的增加呈现出近似线性的增长趋势。根径越大,根系越深,根土界面摩擦力就越大,进而对土壤的摩擦锚固作用就越强。相同根径时,根土复合体的抗剪强度随围压的增加而增大。相同围压下,根土复合体的抗剪强度随着根径的增加而增大。相同的根径和围压下,垂直埋根方式的根土复合体抗剪效果好于水平埋根方式。     

黄土高原刺槐根系国土的力学增强效应评价

为了评价根系固土的力学增强效应,采用三轴压缩试验研究了中国西北黄土高原上的刺槐(Robiniapseudoacacia)根系-黄土复合体.结果表明:根土复合体极限主应力差最多时候比素土提高了70%,复合体抵抗剪切破坏的能力比素土有明显提高;根系能显著增强土壤黏聚力,复合体黏聚力在含水量12.7%时比素土提高了38%～162%,在含水量12.7%时比素土提高了22%～50%,对土壤内摩擦角影响较小;在含垂直根、水平根和复合根的3种复合体中,根体积比高的复合根土复合体比根体积比低的水平根与垂直根土复合体具有更高的增强土壤抗剪强度的特性;土壤含水量的增加直接导致土壤内部黏聚力下降,对素土和根土复合体抗剪强度产生的是负面效果.     

花棒根-土复合体直剪试验的有限元数值模拟与验证

为深入了解花棒(Hedysarum scoparium)根系在增强土壤抗剪强度中的作用机理,同时减少试验成本和挖掘根系对环境的破坏,该文采用有限元数值模拟的方法研究了宁夏毛乌素沙地5 a生人工种植花棒根系的根截面积比(root area ratio,RAR)和垂直荷载对根-土复合体抗剪强度的影响,并对模拟结果进行了试验验证。研究表明:花棒根-土复合体的抗剪强度与垂直荷载的关系符合摩尔库伦(Mohr–Coulomb)屈服准则,花棒根系对土壤的抗剪强度有显著的提高作用。随RAR的增加,花棒根系表观黏聚力(root apparent cohesion,SR)呈线性增加(R20.9)。在相同的RAR下,花棒根-土复合体抗剪强度相对于素土抗剪强度的增长率随垂直荷载的增加逐渐降低,符合对数函数变化规律(R20.9);在相同的垂直荷载下,随RAR的降低,花棒根-土复合体抗剪强度相对于素土抗剪强度的增长率呈线性递减(R20.9);在较低垂直荷载的情况下,花棒根系提高土壤抗剪强度的作用更明显。研究发现与素土相比花棒根-土复合体的剪应力峰值出现较晚,当土壤出现明显塑性变形时,花棒根系的固土能力才能体现出来。数值模拟结果和室内试验结果显示:利用该文所建立的花棒根-土复合体直剪试验的有限元数值模型,模拟计算的根-土复合体抗剪强度与室内试验结果基本一致,相对误差绝对值的平均值1.87%,花棒根-土复合体的直剪试验可以通过该研究所建立的有限元数值模型来模拟。研究结果对于深入了解植物根系加固土壤的作用机理和推进根-土相互作用的数值模拟研究具有重要参考意义。     

尖萼金丝桃根系对边坡土体抗剪强度的影响

[目的]探讨根系单根抗拉拔强度对边坡土体抗剪强度的影响,定量分析根系对边坡土体抗剪强度的增强作用,为评价植物根系增强边坡土体抗剪切性能提供依据。[方法]以2 a生尖萼金丝桃根系及其组成的根土复合体为研究对象,分别进行室内单根拉拔试验和根土复合体剪切试验,获得根系的抗拉强度及根土复合体试样黏聚力值;在此基础上分析根系抗拉强度与根土复合体黏聚力值之间的关系。[结果]尖萼金丝桃根系抗拉强度与根系直径存在负向幂函数关系,相关性系数均大于0.92;根系拉拔位移、抗拉拔力均与根系直径呈正相关关系,拉拔位移与抗拉拔力之间也表现为显著正相关关系;抗拉强度与根系直径、拉拔位移、抗拉拔力两两之间均呈负相关关系;根土复合体的黏聚力相较于无根素土均有不同程度的增长,增幅达17.25%～94.76%,黏聚力、黏聚力增长率均与根土面积比、根土体积比呈正相关关系。[结论]尖萼金丝桃根系拉拔特征对边坡土体抗剪强度产生显著的影响,边坡土体抗剪切性能评价指标与根系拉拔特征变化密切相关。     

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。     

3种植物根-土复合体抗剪特性对比分析

采用直剪仪对3种植物重塑的根-土复合体及素土进行室内剪切试验,探讨其抗剪强度以及土壤含水率对抗剪强度的影响,结果表明:在相同径级(d=1.25mm)和快剪条件下,在0.8m的浅层土范围,3种植物根-土复合体抗剪强度相对于素土的增长率大小顺序为柠条(60%)沙棘(35%)杨柴(29%);3种植物根-土复合体粘聚力值相对于素土的增长率大小顺序为柠条(39%)杨柴(38%)沙棘(28%);而3种植物根-土复合体的内摩擦角相对于素土的增长率值均为负值,分别为-2%(柠条),-14%(沙棘)和-21%(杨柴)。因此,可以认为粘聚力的增加对提高根-土复合体抗剪强度起到重要的作用。土壤含水率对3种植物根-土复合体抗剪强度的影响结果显示:随着土壤含水率的增加,3种植物根-土复合体抗剪强度及粘聚力均呈现先增大后减少的趋势,且植物种不同,其抗剪强度和粘聚力峰值出现时的土壤含水率不同。通过上述研究得出,植物根系增强土壤抗剪强度的作用大小不仅受植物种的影响,还与土壤含水量密切相关,植物种不同,其根系增强土体抗剪强度的作用达到最佳时所要求的土壤水分条件亦不同,存在最适含水量或含水量区域。     

黄河源区4种植物根系力学特性及根-土复合体抗剪强度研究

为研究黄河源区高寒草地植物根系力学特性及其增强土体抗剪强度效应,选取黄河源区不同退化类型区的4种优势种草本植物(小蒿草、紫花针茅、矮火绒草、细叶亚菊)开展单根拉伸、剪切试验和根-土复合体直剪试验,结果表明:区内4种草本植物的单根抗拉强度和抗剪强度与根径之间呈幂函数关系,其中紫花针茅的平均单根抗拉强度(46.81 MPa)和平均单根抗剪强度(39.34 MPa)均为最大;4种植物根-土复合体重塑试样及素土试样按黏聚力大小排序为小嵩草(14.16 kPa)紫花针茅(13.25 kPa)矮火绒草(10.89 kPa)细叶亚菊(9.32 kPa)素土(6.07 kPa)。此外,进一步研究表明,区内4种草本植物的平均单根抗拉、抗剪强度与其相对应的根-土复合体黏聚力间存在一定程度的关联性。     

昭通烂泥箐滑坡源区原生状态根-土复合体抗剪特征

以昭通烂泥箐滑坡源区优势物种鸢尾科鸢尾属鸢尾原生根系—土复合体作为研究对象,采用直剪试验对复合体抗剪特征进行深入研究,并与室内相同含水率重塑复合体试验结果对比分析。结果表明,整体上无根素土具有应变软化特征,而复合体具有应变硬化的特性,各复合体的抗剪强度均比素土的高,且抗剪强度随着含根量的增加而增加,根系加固效应明显,但复合体并没出现与重塑土类似的最优（最佳）含根量。原状复合体的c值随含根量的增加没有明显变化规律,而φ值则逐渐递增,其增长率也有相同的变化趋势。复合体破坏断面显示根系为主根系且垂直贯通剪切面,垂向压力大时固土效应最优;无主根的侧根直径较小,根系在复合体中倾斜分布,特别是与剪切错动方向一致时会影响固土效应发挥。素土破坏模式为破坏面并不完全水平整体的剪切破坏,复合体则是非根系被剪断或拉断,而根系被拔出土体,根—土界面产生明显相对位移的破坏模式。研究结果可为以增强复合体抗剪强度为目的的护坡植被的选择提供基础理论依据。     

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.     

红黏土边坡香根草根土复合体的强度特性

[目的]针对植物护坡效应,探究香根草根系的力学特性及其根土复合体强度特征影响因素,为植物护坡工程设计提供参考依据。[方法]利用模型箱模拟红黏土填筑边坡进行香根草种植,利用根系拉拔试验和原状根土复合体直剪试验等室内试验,研究香根草的力学性能及根土复合体强度特征的影响因素。通过对试验结果进行拟合分析及Spearman相关性分析,分别得出了香根草根系直径与抗拉性能的关系及不同指标对其根土复合体抗剪强度的影响效果。[结果]试验香根草根系平均抗拉力为19.05 N,平均抗拉强度为20.12 MPa;香根草根系的抗拉力、抗拉强度与根系直径呈显著的幂函数关系;土中的根重密度RWD随着深度增加而降低。Spearman相关分析结果显示,根重密度RWD与根土复合体的黏聚力c呈正向强相关关系(R=0.882)。[结论]随着香根草根系直径增大,其抗拉力增大,抗拉强度降低;根重密度RWD的提升能显著提高香根草-红黏土根土复合体的黏聚力c,但对于摩擦角φ提升效果不明显。     

麦冬和多花木蓝根系抗拉拔特性试验研究

[目的]揭示麦冬和多花木蓝根系根土界面的抗拉拔力特性,为根土界面摩擦特性的进一步研究提供依据。[方法]通过控制5个梯度的土壤含水率,采用直接施加垂直拉拔荷载的单根拉拔试验方法。[结果]麦冬和多花木蓝单根的最大抗拉拔力随根径的增加而增大且呈非线性幂函数关系;在相同土壤容重条件下,麦冬和多花木蓝单根的最大抗拉拔力随土壤含水率的增加而呈先增加后减小的趋势。在土壤含水率介于一定范围内时,多花木蓝根的最大抗拉拔力大于麦冬根的最大抗拉拔力,而在其它土壤含水率条件下,麦冬根的最大抗拉拔力大于多花木蓝根的最大抗拉拔力;并发现麦冬根的最大抗拉拔力的最大值在含水率为10.43%附近,而多花木蓝根的最大抗拉拔力的最大值则在含水率为13.00%附近。[结论]根径、土壤含水率和植物种类影响根土界面的抗拉拔力。     

金沙江干热河谷乡土草本植物根系提高土体抗剪强度及其模型预测

开展金沙江干热河谷乡土草本植物根系提高土体抗剪强度及预测的研究,为该地区生态恢复、边坡防护、水土流失防治等生态工程中植物选择及其固土能力的计算提供依据.采用原位剪切试验测定扭黄茅(Heteropogon contortus)、莎草(Eulaliopsis binata)、芸香草(Cymbopogon distans)、旱茅(Schizachyrium delavayi(Hack.)Bor)等4种乡土草本植物根系及素土的抗剪切强度;用根系拉力计和电子卡尺测定根系的抗拉强度和直径:用Wu和Waldron垂直根模型(WWM)及纤维束根增强模型(FBM)对根系提高土体抗剪能力进行预测.结果表明:1)4种植物根系直径约80％分布在0.1～1mm的范围内,扭黄茅、莎草、旱茅根系的直径和抗拉强度之间成负幂函数关系,芸香草两者间没有相关性.2)扭黄茅、莎草、旱茅、芸香草的根系可将土体的抗剪强度分别提高20.7％、85.3％、84.4％、16.1％.3)用WWM模型预测扭黄茅、早茅、莎草的提高土体抗剪能力,其预测值是实测值的3.59～10.83倍;用FBM模型的预测值是实测值的1.24～2.62倍.旱茅、莎草根系提高土体抗剪强度的能力强于扭黄茅和芸香草,在干热河谷的生态工程中可优先选用;对根系提高土体抗剪强度的预测,FBM模型要优于WWM模型.     

冀西北地区白桦根系-土壤界面摩擦性能

林木根系通过摩擦锚固作用实现对土体的固持。以冀西北地区白桦的根系为对象,通过垂直拉拔试验,探究根径、根系土中埋深、土壤含水率、海拔、根系生长方向等因素对根系-土壤界面摩擦性能的影响。结果表明:根土摩擦力随着埋深、根径的增大而增大,同根系直径满足幂函数关系,决定系数大于0.82,拟合良好;土壤含水率由11.85%增大至17.85%,根土摩擦力先增后减,最大拔出力对应土壤含水率范围在13.85%～17.85%之间;不同海拔位置、不同生长方向的根系,其根土界面摩擦力也有所差异。冗余分析结果表明,根系直径和海拔对根土摩擦力贡献接近且较高。研究结果对冀西北地区林木树种的选择和生态环境的保护具有重要的意义。     

黄土区3种优势灌木根土复合体的抗剪强度研究

黄土区水土流失严重,生态护坡是比较推崇的防护手段,特别是灌木具有发达的根系,对含根土体有较为明显的抗剪增强作用,因此,比较自然条件下区域适生优势灌木的根土复合体抗剪强度,对于合理选择固土护坡植物具有重要意义。以黄土区常见的优势乡土灌木达乌里胡枝子(Lespedeza davurica)、中国沙棘(Hippophae rhamnoides)和狼牙刺(Sophora viciifolia)为研究对象,野外采用三维土柱挖取灌木的根系,进行不同直径单根抗拉试验和根土复合体的剪切试验。结果表明:(1)达乌里胡枝子、沙棘和狼牙刺的根系集中分布于0—40 cm土层中,它们的根长密度、根表面积密度和生物量密度随着土层深度的增加表现出整体递减的趋势。(2)达乌里胡枝子、沙棘和狼牙刺根系的抗拉力(Tensile Resistance,TR)与抗拉强度(Tensile Strength,TS)都表现为关于直径(D)的幂函数(aD^b),其中抗拉力与根径呈正相关(b>1),而抗拉强度与根径呈负相关(b<1)。(3)不同灌木根土复合体的抗剪强度在地下分布是不同的,在根际范围内随土层加深,达乌里胡枝子根土复合体的抗剪强度表现出先增加后减少而后增加又减少的趋势,最大抗剪强度的土层是20—30 cm和50—70 cm,沙棘和狼牙刺根土复合体的抗剪强度表现出先增加后减少的趋势,最大抗剪强度的土层分别是30—50 cm,0—20 cm。说明灌木的细根可以更好地起到固土护坡的作用,建议在黄土区优先选择达乌里胡枝子和沙棘作为护坡植物,从而为生态护坡提供一些参考。     

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。     

根—土复合体强度及其非线性特性试验研究

[目的]研究根—土复合体的非线性破坏准则,并结合不同含根量(G=0.12%,0.24%,0.36%)、不同含水率(w=13.22%,16.22%,19.22%)条件下根—土复合体强度,开展根—土复合体非线性特性研究,为生态水土防治工作提供科学参考。[方法]采用GDS三轴仪开展了根—土复合体的固结不排水三轴试验,获得根—土复合体应力—应变曲线及抗剪强度指标。[结果]素土与根—土复合体应力—应变关系曲线为硬化型。含根量与根—土复合体峰值强度成正比关系,但含水率对其峰值强度的影响表现出反比关系。当G=0.36%时,根—土复合体峰值强度的最大增幅为70.1%;当w=13.22%时,根—土复合体峰值强度最大增幅为86.7%。根—土复合体非线性破坏准则在正应力低于临界应力时呈非线性,在正应力高于临界应力时呈线性。c,k为根—土复合体非线性破坏准则中描述根系作用的关键参数,其中c与含根量和含水率均成正比关系,c越大,根系对根—土复合体强度的贡献程度越大;k与含根量成反比,与含水率成正比,k越小,根—土复合体强度包线的非线性化特征越明显。[结论]含根量(G)和含水率(w)对根—土复合体强度有显著影响。...     

基于图像重建的黄连根系-土壤复合体力学特性仿真与试验

针对黄连（Coptis chinensis）收获过程机械化程度低，根土复合体力学特性研究缺乏的问题，该研究以收获期黄连为研究对象，运用增量式运动恢复结构（incremental structure from motion，ISFM）和多视图立体（multi-view stereo，MVS）算法，通过多视角图像三维重构，将建立的高保真根系形态模型应用于不同条件下的根系-土壤复合体力学特性研究中。首先，通过田间采样和室内力学特性试验，得到根茎的平均剪切模量和泊松比，并测得不同深度的土壤和根土复合体的平均抗剪强度等物理力学参数。再以试验获得的入土深度为0～30 mm的土壤和根土复合体的平均抗剪强度作为响应值，采用Plackett-Burman试验和Central Composite试验等进行离散元仿真参数标定，并在EDEM软件中进行不同深度的土壤和根土复合体直剪试验数值模拟。结果表明：当土壤含水率在49.58%～62.96%、根系含水率在80%～230%的范围内时，在不同入土深度下，收获期黄连根土复合体离散元模型的内聚力和内摩擦角与试验结果的平均误差分别为3.48%和5.21%，标准差分别为3.44%和1.63%，验证表明通过图像重建根系模型可靠，并可用于模拟根土复合体力学行为。模拟方法可为黄连机械化收获关键工作部件设计和工作参数优化等提供理论依据。