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。     

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。     

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。     

黄土丘陵沟壑区退耕年限对根—土复合体抗剪强度的影响

"退耕还林(草)"工程的有效实施,导致黄土高原植被迅速恢复,势必会引起植物根系和土壤理化性质变化,影响根—土复合体抗剪强度。为探究植被恢复年限对根—土复合体抗剪强度的潜在影响,在陕西省安塞区纸坊沟小流域选择6个不同退耕年限(5,12,20,27,37,46年)的撂荒地和1个坡耕地,进行不同土层深度(0—10,10—20,20—30,30—40,40—50 cm)根—土复合体原位剪切试验,同时测定根系特性和土壤理化性质。结果表明,随着退耕年限增加,0—50 cm土层根—土复合体抗剪强度均值呈"S"形增大趋势(51.80～124.01 J/m~2),与坡耕地相比,抗剪强度依次增加2.5%,54.6%,48.7%,86.5%,139.4%和129.3%。除坡耕地外,随着土层深度增加,根系密度明显减少,根—土复合体抗剪强度逐渐下降。根—土复合体抗剪强度与土壤有机质含量、根长密度和根质量密度呈对数正相关关系,与团聚体稳定性和有效根密度呈线性正相关关系。通径分析表明,团聚体稳定性、根质量密度和有机质含量是影响根—土复合体抗剪强度的关键因素。研究结果为评估植被恢复的水土保持效益及生态服务功能、揭示根—土复合体抗剪强度随退耕年限变化的动力机制提供理论基础。     

不同根系含量对山原红壤抗剪强度的影响

[目的]探讨云南省昆明市呈贡区段家营一植被覆盖的斜坡区不同含量植被根系对山原土壤抗剪强度的增强效应,为相关研究提供理论依据。[方法]制备0(无根系空白样),0.467,0.93,1.4 mg/cm~3这4种根系含量以及20%,25%,30%,35%,40%这5种含水量的根—土复合体试验样品进行抗剪强度试验。[结果]根—土复合体中,植被根系能提供给土壤额外的抗剪能力和抵抗土体变形来增强土体的抗剪强度,植被根系对土体抗剪强度有明显的增强效应,但这种增强效应是有限的。根系含量在0.93 mg/cm~3时,根系对土体的抗剪强度增强效果最好。随着根系含量的增加,黏聚力和内摩擦角总是呈现负相关性的关系,在低含水量情况下,黏聚力随根系含量增加而先降低后增加,内摩擦角随根系含量变化则相反。当含水量低且根系含量相对较少时(当含水量≤35%,根系含量≤0.93 mg/cm~3时),土壤参与剪切整个过程且为被剪主体,得到的黏聚力和内摩擦角均为正值,符合库仑定律;当含水量较高且根系含量较多时(当含水量=35%,根系含量=1.4 mg/cm~3时以及当含水量=45%,根系含量≥0.467 mg/cm~3时),被剪主体为根系,得到的黏聚力为负值,不符合库仑定律。[结论]库仑定律不适用于高含水量和高含量植被根系的根—土复合体抗剪强度的研究。在采用植被护坡时可用试验确定边坡土壤抗剪强度最高时的最佳含根量和含水量。     

沙地柏根系径级对根土复合体抗剪强度的影响

采用应变控制式直剪仪,通过对含不同沙地柏根系径级的扰动土进行室内直剪试验,分析研究根土复合体的抗剪性能。结果表明沙地柏根系的加入,增强了土体的抗剪强度,且根土复合体的抗剪强度符合库伦定律;当所含根系径级小于某个极限值时,根土复合体的抗剪强度随着径级的增大而增大,当超过这一极限值,则随着所含根系径级的增大,其抗剪强度逐渐减小,随着根系径级的逐步增大,由于根自身抵抗土体剪切变形能力增强,使得根土复合体的抗剪强度值开始回升;一定竖向荷载下,根土截面比△过小,对复合体抗剪性能影响微弱;根土截面比过大,根系与土壤胶结力降低,对抗剪强度产生负影响,因此,存在一个最佳根土截面比,在此比值附近,根土复合体的抗剪强度达到最大。本研究可为沙地柏在作为水土保持树种栽植方面提供理论依据。     

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。     

布根方式及根系径级对根土复合体抗剪性能的影响

以沙地柏根系及其土壤所构成的根土复合体为研究对象,通过根土复合体的室内直剪试验,研究了沙地柏根的不同径级、不同布置方式对根土复合体抗剪性能的影响。结果表明,在不同法向应力作用下,有根系存在的根土复合体抗剪强度均明显高于无根扰动土的抗剪强度。在根土复合体中,垂直存在的根系对提高土体抗剪强度的贡献大于水平存在的根系。在所含根数一致的情况下,根土复合体的抗剪强度并不与所含根系径级的大小成正比,而是随着根系径级的增大呈现递增—回落—反弹的趋势。该试验的研究可为今后沙地柏水土保持树种的栽植提供一定的技术参数及理论支撑。     

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。     

青海柴达木盆地盐湖区5种盐生植物根-土复合体抗剪强度影响因素及评价

为探讨高寒干旱环境下盐生植物根—土复合体抗剪强度影响因素以及复合体抗剪强度特征,选取了位于柴达木盆地西北部的尕斯库勒盐湖区作为研究区,筛选出芦苇、海韭菜、无脉苔草、赖草和洽草5种优势盐生植物作为试验供试种,对其进行了室内根—土复合体原状试样直剪试验,分析了复合体容重、含水量、根长密度(RLD)、根重密度(RWD)和根面积比(RAR)5种因素对根—土复合体抗剪强度影响;在此基础上,采用灰色关联法进一步评价了上述5种因素对复合体抗剪强度的影响程度,结果表明:盐生植物根—土复合体粘聚力c值、摩擦角φ值与影响因素间的灰色关联度容重为0.740,0.879,含水量为0.698,0.849,根重密度为0.692,0.609,根长密度为0.655,0.519,根面积比为0.631,0.569;5种盐生植物根—土复合体粘聚力c值与5种影响因素容重之间的关系相对较为显著。其中芦苇根系增强土体粘聚力c值作用相对较为显著,其根系在土体中呈近似垂直状分布,故在试样中根系多数穿过剪切面,即当复合体发生剪切变形时,试样中根系基本均能起到抵抗剪切变形作用。该研究成果对研究区及其周边地区有效防治坡面水土流失、浅层滑坡等地质灾害现象发生具有一定理论研究价值和实际指导意义。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

香根草应用于铁路边坡防护的力学研究

针对目前较少研究香根草在边坡防护的力学作用的情况,通过香根草力学试验,测定、分析香根草的力学指标,定量检验香根草在边坡防护中的力学作用。通过试验分析发现,香根草护坡可以提高土的黏聚力和内摩擦角,从而提高土的抗剪强度,进而增加土壤稳定性。香根草根系必须达到一定密度,抗剪强度才能提高,从而发挥边坡防护的作用。     

剪切方式对重塑黄土残余强度的影响

[目的]探究剪切方式对重塑黄土残余强度的影响,为黄土滑坡工程评价及治理提供科学依据。[方法]利用环剪仪对泾阳重塑黄土进行环剪试验。[结果]重塑黄土的峰值强度及残余强度均随着有效法向应力的增加而增大。随着有效法向应力的增加,土体达到残余强度所需的剪切位移减小;重塑黄土的变形表现为受剪压缩。单级剪得到的残余强度指标值与多级剪切得到的残余强度指标值的均值相近。[结论]剪切方式建议首选单级剪切。     

重塑黄土抗剪强度的环剪试验研究

[目的]研究大应变条件下黄土强度的影响因素及规律,为黄土地区发生滑坡等大变形破坏提供理论依据。[方法]利用环剪仪对重塑黄土进行大剪切位移下的剪切试验,探究不同正应力及剪切方式对不同含水率的重塑黄土其残余强度的影响。[结果]正应力越大,残余强度越大,达到残余强度所需的剪切位移越小;随着含水率的增大,残余黏聚力浮动值不大,残余内摩擦角逐渐减小,并据此拟合出残余内摩擦角与含水率的参考公式;从脆性指数的角度得出所研究的重塑黄土的应变软化都不明显,且脆性指数随着正应力和含水率的增加而降低。[结论]重塑黄土的峰值强度和残余强度受含水率、正应力的影响规律相似,可通过含水率对残余强度进行估算。     

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。