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。     

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。     

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。     

花岗岩残积土边坡草本植物根固效应试验

为了推进根系固土机制的定量研究,在前期边坡调查和植物筛选的基础上,人工种植了百喜草、假俭草、狗牙根3种常见的护坡植物,根据各深度下原状根-土复合体干密度、含水率和质量含根量等物理性质指标,设计了重塑根-土复合体直剪试验方案,实施了3种植物原状和重塑根-土复合体的直剪试验。结果表明:3种原状根-土复合体的抗剪强度在各级法向压力作用下均随含根量的增加而逐渐增大;3种原状根-土复合体的黏聚力和内摩擦角均随深度的增加而减小;3种植物根系在相同的土体状态下对黏聚力的影响排序为狗牙根百喜草假俭草;对土体内摩擦角的影响排序为假俭草百喜草狗牙根。植物根系增强土体抗剪强度的作用不仅受植物种类的影响,还与土体的干密度和含水率密切相关,干密度的增加对黏聚力的提升有显著影响,对内摩擦角的影响却并不大;3种植物重塑根-土复合体的最优含水率均为25%左右。在重塑根-土复合体的直剪试验中,很难探求含根量对抗剪强度指标的影响。     

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。     

基于两种计算模型的油松与元宝枫根系固土效能分析

[目的]定量分析北方常见植物(油松、元宝枫)根系对提高土壤抗剪能力的作用,为更好地评价植物根系固土效能提供理论基础。[方法]选取不同根系面积比(RAR)的油松(Pinus tabulaeformis)根土复合体、元宝枫(Acer truncatum)根土复合体及素土分别进行了不同垂直压力下的直剪试验,得出了油松根土复合体、元宝枫根土复合体及素土的抗剪强度增量。并通过根系的拉伸试验测定了植物根系的抗拉强度,同时使用Wu的根土复合体模型和Pollen的纤维束模型对抗剪强度增量进行模拟并与实际测定的抗剪强度增量进行对比分析。[结果](1)根系主要通过增强土壤的黏聚力来增强土壤的抗剪切强度;(2)植物根系抗拉强度、拔出强度与根系直径都符合幂函数关系,抗拉强度和拔出强度大小存在阈值,根系大于2mm时,根系拔出强度小于根系抗拉强度,小于2mm时则反之;(3)Wu的根土复合体模型高估植物根系固土效果值平均为26.81%,而纤维束模型对根系提高土壤抗剪强度则平均高估9.82%。[结论]相对于Wu模型,纤维束模型对土壤的固土效果的计算更为准确。     

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。     

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。     

生态防护技术对稀土矿山边坡的固坡效果

[目的]探讨以狗牙根系和竹格为主要材料组成的生态护坡模式对离子型稀土矿山原地浸矿采场边坡的固坡效果及加筋效应,为赣南地区稀土矿山采场边坡防治技术提供新的思路。[方法]使用狗牙根与稀土矿砂质黏土构成的根—土复合体为研究对象,通过直剪试验分析土壤含根量和含水率对抗剪强度的影响,采用二维有限元法分析"竹格+狗牙根"的生态护坡模式对边坡稳定性的增强作用,利用正交试验的直观分析法对竹桩间距、长度和直径支护参数进行优化。[结果]植物根系可以显著提升土壤的黏聚力,但对内摩擦角的影响较小。当含根量达到0.5%及以上时,根—土复合体的抗剪强度增幅呈下降趋势,即存在最优含根量。根系对25%含水率条件下的土体加筋效应最显著。该生态护坡模式能够显著增强边坡的稳定性,当竹桩长度取3 m,间距2.5 m,直径8 cm时,其防护效果最佳。[结论]狗牙根根系在不同含水率、不同含根量条件下其加筋效果存在差异,"竹格+狗牙根"的生态护坡模式能够有效防止边坡浅层土的滑移。     

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。     

某滑坡炭质软岩抗剪强度受含水量影响分析

通过对某滑坡其炭质软岩在不同含水量下进行大量的抗剪强度试验,得出抗剪强度与含水量的关系曲线,分析曲线变化特征。因物质成分决定其力学性质,故进一步对岩样进行X-射线分析,得到其矿物成分;同时进行红外吸收谱分析,得到其化学成份。从而从内因上解释曲线变化特征及阐述抗剪强度受含水量的影响。     

人工石质边坡构树根系抗剪特性研究

研究构树根系抗剪切特性,可为岩石边坡生态防护提供理论依据。采用室内单根抗剪切试验分析了上、下坡向,一级、二级、三级侧根的抗剪切强度和应力—应变曲线。结果表明:下坡向根系数量、根径大于上坡向,根系平均长度小于下坡向;根系的剪切力-应变曲线与其生长方位、根径、根系分级有相似的曲线形状;分级根系的剪切力为一级>二级,下坡向一级根系剪切力大于上坡向,但二级根系剪切力反而小,最大剪切力随根径增加而增大;根系的抗剪强度随着根径的增大而减小,呈线性关系;抗剪强度值随着根径的而增大;下坡向根系平均抗剪强度大于上坡向,各根系平均抗剪强度为一级>二级>三级,但上下坡向和各级根系间无显著差异。抗剪强度是影响边坡稳定的重要因素,它既可以加固土体,又能影响植物的锚固作用。     

Estimation of runoff critical shear stress for soil erosion from soil shear strength

Critical shear stress is an important soil parameter governing detachment by runoff which appears in numerous erosion models. Soil shear strength has been often presented as the best soil property to predict critical shear stress. However, only a few studies have documented the relationship between soil shear strength and critical shear stress, and the results obtained have sometimes seemed contradictory. This is why we have put together all available data about the relationship between critical shear stress and soil shear strength in order to analyse and discuss its significance and its generality. Results showed that contradictions between different studies mainly arise because total shear stress is a poor predictor of detachment on rough soils. When grain shear stress is used rather than total shear stress, a significant relationship between saturated soil shear strength and critical shear stress does exist. Soil shear strength may thus be used to predict critical grain shear stress. However, it is recalled that in general only total shear stress is predicted by erosion models, which makes detachment predictions difficult on rough natural soils.     

竖向压力和剪切速率对小麦直剪强度及剪胀特性的影响

为了得出粮仓设计中粮堆强度和剪胀特性等关键指标,通过直剪试验研究粮堆剪切破坏面上,在竖向压力50~300 k Pa、剪切速率0.78~2.33 mm/min条件下,小麦粮堆单元体的强度和剪胀特性。结果表明:小麦粮堆单元体剪切分为弹性、塑性变形和籽粒压缩3个阶段。小麦粮堆单元体抗剪强度符合莫尔库伦强度准则,剪切速率从0.78 mm/min增大至2.33 mm/min,咬合应力从7.5 k Pa增大至12.9 k Pa,内摩擦角从38.2°变化为35.0°,剪胀角介于5.1°~4.8°之间。弹性阶段发生剪缩,最大剪缩体变小于0.4%;塑性变形阶段发生剪胀,最大剪胀体变大于最大剪缩体变,竖向压力越大最大剪胀体变越小,剪切速率越大随着压力的增大最大剪胀体变的变化越小。研究结果可用于粮仓内粮堆应力、变形的计算,为粮食仓储结构的设计提供依据。     

石匣小流域整地措施对土壤剪切性质的影响

为了解坡面整地措施对坡体稳定性的影响和土壤物理性质对土壤抗剪强度的差异性,选取石匣小流域4个标准样地,通过测量多个土壤物理性质指标(土壤容重、土壤含水率、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、紧实度和液限),研究不同坡面整地措施的土壤临界剪切力随深度的变化,以及土壤抗剪切破坏能力的强弱关系和影响因素。结果表明:原状土的临界剪切力随深度的增加而增加;通过库伦公式得出的土壤抗剪强度与土壤临界剪切力的回归方程为σ=0.0123τf+0.6308。土壤物理性质对抗剪强度的影响不同,紧实度、容重与含水率对抗剪强度的影响相对较大。对于不同的坡面整地措施,土壤抗剪切能力强弱顺序为梯田水平条裸地,其中,在水平条上种植针叶树,土壤抗剪切能力优于种植阔叶树。在北京石匣地区,布设坡面整地措施时,需因地制宜地增加田面宽度,并种植针阔混交林以增加土壤抗剪强度。     

静动荷载作用下小麦剪切特性试验研究

为研究静动载荷作用下的粮食剪切特性,利用开发的新型粮食动直剪仪,设计了孔隙率为39%、36%、33%以及竖向压力为50、100、150、200k Pa下的小麦单调直剪、往复剪切及往复后单调直剪试验,研究了小麦静动力剪切特性,并对比分析了小麦单调直剪与往复后单调直剪的强度、变形结果。研究结果表明:单调直剪试验中,同一孔隙率下,竖向压力越大,其软化现象越明显,剪胀现象越不明显,剪胀角越小,竖向压力为50、100、150、200k Pa下对应的剪胀角分别为4.5°、3.6°、2.4°、0.7°;同一竖向压力下,随着小麦孔隙率减小,其软化现象越明显,内摩擦角也越大,孔隙率为39%、36%、33%的小麦对应的内摩擦角分别为22.2°、24.4°、28.1°。剪胀角也随着小麦孔隙率减小而增大,对应的剪胀角分别为1.3°、3.6°、9.9°;往复剪切试验中,孔隙率越小,小麦往复剪切软化现象越明显,剪缩现象越不明显,最大剪缩量越小,孔隙率为39%、36%、33%的小麦对应的最大剪缩量分别为2.77、1.74、1.15 mm。往复后单调直剪与单调直剪试验结果对比表明,往复后单调直剪的小麦抗剪强度明显增大,其剪胀现象更明显,最大剪胀量也增大。试验结果可为粮仓结构安全性设计,尤其是粮仓结构动力分析提供依据。     

两种方法测定根-土复合体抗剪强度试验对比研究

为了便捷、有效且减少地表破坏面积地原位测定根—土复合体抗剪强度,采用改制后的十字剪切仪在青海大学校内原生植被生长的试验区,分别进行了三种植被覆盖度和三种含水量条件下根—土复合体原位十字剪切试验和室内直接剪切试验。试验结果显示:当土体含水量相同时,室内直剪试验测得的根—土复合体平均粘聚力为20.39~36.49kPa,原位十字剪切试验测得的根—土复合体抗剪强度为35.92~102.36kPa;当植被覆盖度相同时,室内直剪试验测得的根—土复合体平均粘聚力为32.46~23.32kPa,原位十字剪切试验测得的根—土复合体抗剪强度为109.7~68.12kPa。两种试验结果均表现为:根—土复合体的抗剪强度随植被覆盖度的增大而增大,随含水量的增大而减小。原位十字剪切试验测得的根—土复合体抗剪强度值大于直接剪切试验所测得的剪切强度值,平均增幅达到94.23%。两种试验结果产生差异的主要原因是由于剪切过程中剪切方式、破坏面积、受剪根系的数量及破坏程度不同而造成。其中,原位十字剪切试验是在原位不破坏土体结构和根系分布的基础上,将根—土复合体完全剪破,相对更能准确、直观地反映边坡滑坡过程中的变化规律。     

受降雨影响的浅水泥沙颗粒起动规律

山区浅层水流深度极浅且移动缓慢,降雨条件下其泥沙输移现象尚不明确。为探明受到降雨影响下的浅水河流均匀沙起动问题,该研究假设雨滴落入河道后会影响到整个水流区,形成雨滴群与水流混合的流体,从孔隙介质流理论入手,假设当降雨存在时床面泥沙颗粒增加了向上的附加力,进一步分析泥沙颗粒的受力情况,推导出层流水流泥沙颗粒起动关系表达式。从含沙水流流速分布规律得到启发,雨滴落入层流水流的状态类似于含沙水流,当降雨存在时层流水流流速分布仍然满足线性关系。利用无降雨泥沙起动经典试验数据,确定了拖曳力系数以及上举力系数,发现两者都是沙粒雷诺数的函数。利用已有研究的降雨实测数据,求出了8种降雨强度(0.254～152.4mm/h)下的雨滴直径分布概率密度表达式(R~2=0.998),进而求出雨滴的平均直径表达式,并给出受降雨影响的层流水流泥沙颗粒起动切应力计算模型。该研究模型表明降雨的存在使得泥沙起动所需的临界摩阻流速减小。通过与已有研究进行对比分析,该研究建立的受降雨影响的浅水泥沙颗粒起动计算公式具有最高的精度,平均误差仅为14.8%,能够为山区水沙灾害防治提供理论支撑。     

重庆缙云山典型植被原状土与重塑土抗剪强度研究

为了从土壤力学方面探索防治水土流失的途径与措施，该文采用直剪仪对重庆缙云山5种典型植被的原状土和重塑土抗剪强度进行试验测定。通过比较相同植被同干密度、同含水率的原状土与重塑土在同一垂直荷载下的剪切差异，分析了根(极细根)在土壤－根系复合体(原状土)中的作用。研究结果表明：原状土剪切位移小于重塑土；在相同垂直荷载作用下，同一植被原状土的抗剪强度大于与其同干密度、同含水率的重塑土。原状土的剪切破坏近似于塑性破坏，而重塑土则属于弹性破坏；原状土的抗剪强度与含根量呈正相关，并以此建立关于原状土的抗剪强度回归模型。     

不同布根形式对草本植物根土复合体抗剪强度试验

为研究不同根系布置方式(方形、梅花形、环形)对草本植物根—土复合体抗剪强度影响,引入面积置换率的概念,解决了相同含根量或相同根数时无法同时满足方形、梅花形和环形布置的难题。在此基础上选取中国过渡带北侧山地土壤与莎草科植物开展植物根—土复合体抗剪强度试验研究,分析了相同布置形式下含根量对根—土复合体抗剪强度的影响、根系布置方式(方形、梅花形、环形)对草本植物根—土复合体抗剪强度增强作用以及抗剪强度指标变化规律。结果表明:根—土复合体试样的抗剪强度和黏聚力随着含根量的增大而逐渐增加;根—土复合体试样的内摩擦角随着含根量的增加变化不明显。根—土复合体试样的抗剪强度和黏聚力随着径级的增加而逐渐增大;根—土复合体内摩擦角与根系径级关系不大且规律性不明显。在法向应力较小时,根系的布置形式对根—土复合体的抗剪强度影响较小,当法向应力较大时,根系的布置形式对根—土复合体的抗剪强度影响不能忽略,且面积置换率越大,该误差越大。根—土面积置换率的较小时,方形布置的根系对黏聚力和内摩擦角影响最大,随着根—土面积置换率的增加,方形、梅花形及环形布置形式对根—土复合体黏聚力和内摩擦角的影响趋于稳定。