贺兰山云杉林根土复合体提高边坡稳定性分析

为了研究贺兰山青海云杉林(Picea crassifolia)边坡根土复合体对边坡稳定性的影响,该文在直剪试验、三轴试验等获得的土壤参数基础上,建立了基于有限元理论的贺兰山青海云杉林边坡稳定性计算数值模型,并在5种坡度条件下(18.43°、21.80°、26.57°、33.69°、45.00°)计算了无林边坡和有林边坡的安全系数、最大塑性应变、最大位移、破坏时间及它们的增长率随坡度的变化规律,并计算了土壤强度参数摩擦角、黏聚力、剪胀角与安全系数的灰色关联度矩阵和平均关联度。结果表明:1)无林边坡与有林边坡的安全系数随坡度的变化规律是一致的,都以幂函数递减。有林边坡相对于无林边坡安全系数的增长率以指数函数增加,且坡度越陡根土复合体对边坡稳定性的提高作用越强;2)根土复合体的存在可以延长边坡的破坏时间,有林边坡的破坏时间均高于无林边坡,根土复合体提高边坡破坏时间的增长率随坡度的增大呈抛物线增加,且坡度越陡提高作用越明显。边坡破坏时有无塑性贯通区会明显改变最大塑性应变、最大位移、破坏时间的值;3)摩擦角、黏聚力、剪胀角3个土壤强度参数中,黏聚力是影响边坡稳定的主导因素,摩擦角、剪胀角的影响次之,此规律不受边坡坡度的影响,这是根土复合体可以显著影响边坡稳定性的根本原因之一。该文的研究结果对于解释森林根土复合体加固边坡作用的本质、推进边坡稳定性计算的数值模拟、防治贺兰山浅层滑坡及水土流失灾害都具有重要的意义。     

黄土边坡稳定性系数随坡度的变化规律研究

利用理正岩土边坡稳定性分析系统,对不同坡度的76例黄土边坡模型分别采用基于极限平衡条分法的瑞典法、简化毕肖普法和简化简布法进行定量计算,将计算结果进行统计分析,研究了黄土边坡的稳定性系数随坡度的变化规律。研究结果表明:黄土边坡稳定性系数随坡度的增大而减小,该过程大致可分为3个阶段,即坡度55°时的陡降段、坡度66°时的平缓段、坡度介于55°～66°时的过渡段;预测模型可用幂函数表达,拟合曲线的决定系数较高,通过验证该预测模型具有合理性,可用于计算具有相似条件的不同坡度的黄土边坡稳定性系数。     

缙云山典型植物群落次生演替中土壤抗冲性研究

通过原状土冲刷试验,研究了缙云山10种存在次生演替序列的典型植物群落坡面薄层水流的水力学参数特征及侵蚀产沙量的变化。研究结果表明：（1）在1,1．5,2L／min放水流量下,植物群落间坡面薄层水流的侵蚀产沙量大多存在极显著的差异;（2）坡面薄层水流的雷诺数和弗汝德数有随放水流量增大而增大的趋势,但其流型和流态保持不变;（3）由坡面产沙量与径流切应力的概念模型并结合产沙量和径流切应力的试验数据,确定10种植物群落土壤的临界切应力以评价植物群落土壤的抗冲性强弱（抗冲性由强到弱的顺序为：白茅〉栲树〉四川大头茶〉香樟〉润楠〉慈竹〉杉木十香樟〉毛竹〉马尾松十香樟〉马尾松）;随着植物群落由低级向高级的演替进程,土壤抗冲性总体呈增强趋势;（4）通过土壤抗剪强度预测临界切应力的模型,在野外可快速、较准确地判断土壤抗冲性的强弱。     

西宁盆地黄土区荷载条件下植被护坡力学效应

为探讨西宁盆地黄土区边坡在荷载条件下植物根系对边坡稳定性的影响,该项研究以西宁盆地西山长岭沟流域为试验区,在自建边坡上种植草本植物垂穗披碱草(Elymus nutans)和灌木植物柠条锦鸡儿(Caragana korshinskii),通过在边坡坡顶施加载荷,边坡坡面布设位移计与土压力盒的方式,监测荷载条件下边坡坡面土体位移与土压力变化;在此基础上,对边坡植被根-土复合体开展剪切试验,分析荷载条件下边坡坡面不同位置处根-土复合体抗剪强度及其变化特征。试验结果表明:在坡顶荷载条件下,在边坡相同位置处的根-土复合体粘聚力c值均大于施加载荷前;3种植物边坡的根-土复合体粘聚力c值均大于相同条件的未种植素土边坡;在荷载条件下,组合植被边坡的坡面土体位移量显著小于单一植被边坡和素土边坡,组合植被边坡在竖直和水平方向的位移量与草本植被边坡相比减小1.60~1.77 mm,与灌木植被边坡相比减小3.78和4.11 mm,与素土边坡相比减小7.39和6.29 mm。研究结果对防治高寒半干旱地区坡面水土流失、浅层滑坡等地质灾害,具有参考价值和指导意义。     

库水位下降条件下残积土边坡的力学响应

为了进一步认识库水位下降对残积土边坡力学响应的作用机理,基于饱和—非饱和渗流以及非饱和土力学理论,采用有限元软件,分析了库水位下降条件下残积土边坡的渗流场、应力场和位移场分布特征。结果表明,库水位下降过程中,路基内浸润线随下降速率的不同而差异较大,但随时间增长趋于一致;路基内孔隙水压力及位移均随水位下降持续时间及下降速率的增大而增大,坡体土有效应力逐渐增大,但总应力不变;边坡安全系数随时间呈现出先下降后上升的变化趋势,建议在水库泄洪管理方面,适当控制泄洪速率,同时加强路基坡体排水,以有利于库岸边坡稳定。     

冻融条件下土壤抗冲性的变化特征

为揭示冻融作用对风沙土抗冲性的影响,以季节性冻融区风沙土为研究对象,通过室内放水冲刷试验对冻融条件下土壤抗冲系数的变化特征进行了研究。结果表明:坡度、放水流量、土壤含水量、冻融循环次数和土层深度对土壤抗冲系数均具有显著影响(P0.05),土壤抗冲系数对各因素敏感程度大小为坡度放水流量土壤含水量土层深度冻融循环次数;土壤抗冲系数随坡度、放水流量、冻融循环次数增加而减小,随土壤含水量的增加先增大后减小,随土层深度的增加先减小后增大。     

不同覆盖度条件坡面水流阻力规律

为探明植被覆盖条件下坡面水流阻力特性,以流体力学和水力学基本理论为依据,通过6个坡度、7个流量和5种覆盖度组合条件下室内放水试验,系统研究了植被覆盖条件下坡面水流阻力的特征。结果表明:坡面植被水流曼宁系数随水深、雷诺数、坡度的变化与植被覆盖度密切相关,当植被覆盖度较高时,曼宁系数随水深、雷诺数的增加而增大,随坡度的增加而减小;相反,当覆盖度较低时,曼宁系数随水深、雷诺数的增大而减小,坡度对曼宁系数的影响逐渐减小;各试验工况下,曼宁系数随弗汝德数的增大呈单调递减趋势,增加最终都趋近于稳定值。     

海涂围垦区排灌工程边坡土壤侵蚀过程的水动力学特征

利用人工模拟降雨试验研究降雨强度和坡度两因子对海涂围垦区排灌工程边坡侵蚀产沙过程及其对径流水动力学参数的响应关系。结果表明,边坡输沙率随降雨历时增加呈S形曲线增长。随雨强和坡度增大,坡面细沟发育迅速,侵蚀量急剧增加,但在坡度25°附近存在一个侵蚀的临界坡度。高雨强和陡坡下,坡面平均流速显著增大,侵蚀输沙率与平均流速之间呈显著线性正相关关系。试验坡面径流雷诺数较小,变化于8.5~42.6之间,水流剪切力为分散边坡土颗粒的主要作用力;坡面输沙率和平均雷诺数之间呈抛物线正相关关系,且在雷诺数较小时坡面输沙率随雷诺数的增长较缓慢,随水流雷诺数的增大,水流紊乱程度越强,坡面产沙能力越强。坡面径流所受阻力系数均随雨强和坡度增大线性降低,输沙率与Manning糙率系数和Darcy-Weisbach阻力系数均呈线性负相关关系。     

小型木结构谷坊的水平荷载试验及稳定性研究

木谷坊做为一种新型结构不同于常规工程设计 ,世界上虽出现了此类景观坝体 ,但没有适合现代技术水平的设计方法。为此进行木谷坊水平荷载试验 ,研究木谷坊稳定计算方法。木谷坊采用Φ =10～ 15cm ,L =4m间伐杉木叠加而成 ,层间用Φ =16mm螺栓固定 ,木间堵石。荷载试验采用千斤顶及测力计 ,测定每次加荷后坝体水平位移 ,计算作用坝底的水平力、力矩与位移的关系及坝体稳定性。试验结果表明 :逆转稳定系数为 1 82 >1 5 0 ;摩擦因数为 1 78>1 2 0 ;剪切变形稳定系数为 1 5 0 >1 2 0 ;地基支撑力 196kN/m2 >垂直地基应力 6 8 1kN/m2 ,满足技术设计要求。从水平荷载试验结果分析 ,为充分发挥木谷坊的功能 ,应采用在坝上游允许有拉伸应力的设计方法     

紫色土坡耕地不同规格土坎稳定性分析

土坎稳定性对其发挥水土保持效益具有重要意义,分析紫色土坡耕地土坎规格对稳定性的影响可为三峡库区乃至长江上游紫色土区坡耕地整治、中低产田改造等工程中土坎规划设计和建造提供依据。根据野外调查结果,设定0. 8、1. 0、1. 2和1. 4 m 4种高度和50°、60°、70°和80°4种外边坡坡度共组合成16种规格土坎。通过直剪试验获取紫色土埂坎土壤抗剪强度参数,利用极限平衡分析法计算稳定性系数、响应面分析法建立稳定性系数与高度和外边坡坡度响应模型。结果表明:土坎外边坡坡度一定时,稳定性系数随高度增加呈非线性衰减;高度一定时,稳定性系数随外边坡坡度变陡总体呈降低趋势。总体来看,土坎高度和外边坡坡度对其稳定性的影响极为显著(P 0. 01),但二者的交互效应对稳定性的影响不显著。研究规格范围内,土坎潜在滑动面最不稳定的土体条块基底抗剪力均大于运动剪切力。土坎稳定性系数随着运动剪切力和右侧剪切力的增加呈降低趋势,而基底法向力和右侧法向力变化对土坎稳定性系数没有明显影响。结合紫色土坎的稳定性特征、三峡库区紫色土坡耕地的条件和农民耕作的便利性,土坎高为1. 0～1. 2 m,外边坡约60°较为适宜。     

含植被坡体稳定性的年际变化规律研究

植被对边坡稳定的影响主要体现在2方面,一是植物地上部分的自重以及风荷载对坡面的压力;二是植物根系的固土作用.植物种类和生长期对含植被坡体土壤抗剪强度的影响随植物的生长发育过程而变化,且这种变化难以量化.本文通过构建单株植物模型,分析含有不同类型植被的浅层均质土坡安全系数的年际变化规律.结果表明,在综合考虑植被自重、风荷载和根系的影响条件下,含侧柏和荆条的坡体安全系数会随着植物的生长发育逐渐增大,分别在树龄为50年和30年左右达到峰值1.549和1.817,随后趋于稳定,二者的峰值安全系数较植被种植初期分别增加46.8％和54.9％.植被自重和风荷载减弱坡体的稳定性,其中植被自重影响相对较小,使含侧柏和荆条坡体的安全系数分别降低0.1％和0.7％,而风荷载的影响较为明显,使其安全系数分别降低5.9％和5.8％.研究结果可为正确评估坡体稳定性以及布设植物护坡措施提供一定的科学参考.     

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。     

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。     

植被护坡研究进展与展望

在回顾国内外植被护坡发展简史的基础上,总结了植被护坡的功能,详细介绍了植被护坡机理的研究进展。从植物的截留降水、削弱溅蚀和抑制地表径流等方面分析了植被护坡的水文效应,并从植物单根抗拉强度、根-土相互作用、根-土复合体及边坡稳定分析等方面分析了植物护坡的力学效应,最后探讨了植被护坡的发展方向。     

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。     

多花木蓝根系与土体界面摩阻特征

为研究灌木植物根系的固土护坡力学效应,探讨根系与土体间相互作用的特性。以多花木蓝为供试植物,进行植物根系切片并计算根系的表面凹凸度,选取0~0.5,0.5~1.0,1.0~1.5,1.5~2.0mm 4种粒径的粉质黏土,在不同的土体含水率和根径条件下,制备根土复合体扰动试样,进行单根抗拔摩阻试验和直剪摩阻试验,探讨土体含水率、植物根径以及土体粒径对根土界面摩阻特性的影响。结果表明:多花木蓝根系的表面凹凸度随根径变化无显著性差异,根系的拉拔剪应力集中在17.36~32.76kPa,而根土界面的摩擦系数为0.10~0.20;根系拉拔剪应力和根土界面摩擦系数随土体粒径和土体含水率的增加逐渐下降;土体含水率和土体粒径愈低,根系形态特征对根系的拉拔剪应力和根土界面摩擦系数的影响愈显著。研究结果对分析根土界面摩阻特性的影响因素,以及利用灌木植物提高边坡土体结构稳定和防治水土流失、土壤侵蚀等地质灾害具有重大的指导意义。     

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。     

植物根系固坡效应模拟及稳定性数值分析

随着生态环境保护的要求日益提高,植物护坡工程的理论和实践研究得到了发展。由于植物根系及其分布的随机性和复杂性,根土相互作用机理以及根系固坡的定量化研究工作还很不深入。本文对根系固土力学机制和根土复合介质抗剪强度模型进行了评述,将根系对土体的强度贡献以“表观凝聚力”表示,采用数值方法对植物根系固坡效应及其稳定性进行了分析,考虑根系强度增量以及护坡深度,在多种情况下进行了边坡整体安全系数计算。分析结果可为植物根系的力学效应评判、护坡植物的选取,以及其优化布设等纵深研究方面提供了理论基础。