植物根-土复合体剪切试验及其力学模型研究现状与展望

近年来随着基础工程建设的快速实施,各类开挖边坡的数量逐年增加,由此引起的坡面水土流失、浅层滑坡等地质灾害呈显著增长趋势,给区域生态环境造成了严重的影响。为了科学有效地探讨解决这类环境地质问题,国内外学者开展了大量有关植物固土护坡理论方面的研究。在简论述植物护坡发展历史的基础上,着重探讨了根-土复合体的剪切试验及其力学模型的研究现状,并从根系特征对土体抗剪强度的影响、根-土复合体剪切试验、根-土复合体力学模型等3个方面论述了该研究领域的发展趋势。     

贺兰山3种乔木单根及根土复合体力学特性

为研究和比较贺兰山山杨、青海云杉、油松单根和根土复合体的力学特性,通过单根拉伸、三轴压缩、饱和渗透试验测定了3种乔木单根和根土复合体的力学参数及土水特征曲线。结果表明:3种乔木单根力学特性存在显著差异,且直径对单根的力学特性有显著影响。单根最大拉力与直径成幂函数相关,随直径增大而增大;单根抗拉强度、杨氏模量与直径成对数函数相关,随直径增大而减小。山杨单根平均最大拉力(0.38kN)青海云杉(0.25kN)油松(0.17kN);山杨单根平均抗拉强度(33.39 MPa)青海云杉(27.79MPa)油松(18.45MPa);山杨单根平均杨氏模量(0.17GPa)青海云杉(0.12GPa)油松(0.11GPa)。3种乔木根土复合体的黏聚力、弹性模量存在显著差异,但摩擦角没有显著差异(平均值30.48°)。山杨根土复合体的黏聚力(10.65kPa)青海云杉(8.97kPa)油松(7.13kPa);山杨根土复合体的弹性模量(2.17 MPa)青海云杉(2.52 MPa)油松(4.21 MPa)。3种乔木根土复合体的土水特征曲线、渗透函数曲线都存在极显著差异,山杨根土复合体的渗透能力油松青海云杉。研究结果对于评价山杨、青海云杉、油松稳定边坡能力和建立贺兰山边坡稳定性分析数值模型都具有重要参考价值。     

植物根-土复合体固坡力学效应及模型研究现状与进展

论述了草本和灌木植物根系加筋土体、锚固土体、牵拉土体的力学效应,并结合国内外学者所采用的理论分析、模型试验、数值模拟等多种方法,系统评价了根系提高土体强度的力学效应及其对边坡稳定性的影响,并在此基础上指出了今后的研究方向。     

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。     

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。...     

草本植物根系网的固土机制模式与力学试验研究

针对生物软措施的力学固土护坡作用进行了力学机制方面的探讨,提出植物根系网固土力学机制模式的四个层次,以及对不同草本植物根系的固土性能进行了力学试验比较。结果表明不同植物根系具有不同的抗拉强度。香根草根系平均抗拉强度最大达85 m Pa,其次为假俭草,平均抗拉强度27.3 m Pa,白三叶根系平均抗拉强度为24.6 m Pa,莎草根系平均抗拉强度为24.5 m Pa,宜安草根系平均抗拉强度为19.7 m Pa,百喜草根系平均抗拉强度为19.23 m Pa,马尼拉草根系平均抗拉强度为17.5 m Pa,狗牙根根系平均抗拉强度为13.45 m Pa。不同的植物根系具有不同的抗拉强度、不同的固土性能与其遗传结构及其组织材料不同有关。充分了解和认识植物根系固土性能,科学合理运用生物软措施代替或部分代替工程措施在我国繁重的生态环境保护和恢复的基本建设工程项目中具有重要的应用价值和意义。     

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...     

紫色土埂坎根-土复合体土水特性与抗剪强度

研究根-土复合体土-水特征曲线与抗剪强度的关系,可为紫色土埂坎根-土复合体强化机理的揭示与埂坎稳定性的维持提供科学依据。选取三峡库区典型紫色土坡耕地埂坎草本植物根—土复合体为研究对象,结合Hyprop2土壤水分特征曲线测量仪、滤纸法与直剪试验,拟合土-水特征曲线,揭示基质吸力对根-土复合体抗剪强度的影响。结果表明:(1)根-土复合体土-水特征曲线明显分为边界效应区、过渡区与非饱和残余区,3种常用模型(B-C、VG、F-X)中F-X模型拟合该曲线效果最好,根-土复合体饱和含水率、进气吸力、残余区含水率以及相同体积含水率下的基质吸力均高于素土。(2)随着体积含水率降低,根-土复合体黏聚力先增大后减小,试验范围内黏聚力最大值51.25 kPa出现在体积含水率约23%时,内摩擦角则线性增大。相同体积含水率下,根-土复合体黏聚力较素土最大增加50%,内摩擦角提升不大。(3)基质吸力对根-土复合体抗剪强度的增强作用具有阶段性特征,各阶段临界吸力值与土-水特征曲线一致,过渡区(基质吸力为3~500 kPa)土体抗剪强度提高明显,进入非饱和残余区后(基质吸力>500 kPa)由于黏聚力下降,土体抗剪强度增速减慢,根-土复合体抗剪强度随基质吸力增大而提升的幅度大于素土。通过建立埂坎根-土复合体土-水特征曲线和抗剪强度的关系,可估测实际工况下的埂坎土体抗剪强度,进而为坡耕地埂坎的建设、维护管理以及坡耕地侵蚀阻控提供理论依据。     

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。     

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...     

南方红壤坡地不同利用模式的水土保持及生态效益研究

通过对15°红壤坡地11个利用模式10年土壤侵蚀研究,认为红壤坡地土地利用模式中林作系统水土保持效果优于农作系统。林作系统中水土保持效果以常绿阔叶林最好,次为混交林,毛竹林和针叶林。农作系统中顺坡植物篱种植、等高梯化种植、顺坡水平沟种植水土保持效果较好。研究认为红壤坡地土地利用模式应以林作为主,尽可能发展高效的经济林。而如发展农业种植,则以顺坡植物篱种植模式最佳,次为等高梯化种植模式。     

柏叶口水库工程区水土保持及生态修复

为防止柏叶口水库工程区水土流失,减小工程建设对生态的破坏,使因工程施工所破坏的生态系统得以尽快恢复,对柏叶口水库建设过程中水库淹没区、枢纽区、料场区等不同功能区可能增加的水土流失量及其危害进行了分析和预测。结果表明,工程施工扰动,地貌土壤侵蚀模数增大是新增水土流失的主要原因。针对各功能区水土流失的基本特征提出了以工程防治和生态修复相结合,充分发挥生态自我修复能力,加快植被恢复的水土保持措施。在水库不同的功能区采取相应的工程措施或生态措施。生态恢复与培育的主要措施是栽植油松、落叶松、乔木或刺槐,其间散播苜蓿草种。     

开发建设项目生态修复环境效益评价

[目的]近年来煤炭等开发建设项目引起的环境问题日渐成为全社会关注的焦点,评价生产建设项目生态修复效益,量化生产建设项目水土保持生态工程的效果,旨在为今后开发建设项目评价提供可参考的技术与经验。[方法]以陕西省子长县永兴煤矿资源整合项目为例,建立开发建设项目水土保持生态修复效益评价体系,计算了各评价指标在不同建设时期的隶属度值,分别采用主成分分析法和层次分析法计算指标权重,并根据拉格朗日乘子法对指标权重进行了综合,最后采用生态效益指数对开发建设项目生态修复环境效益进行综合评价。[结果]考虑了主客观信息在内的拉格朗日乘子法计算得到的综合权重能够反映出开发建设项目各建设时期不同指标的特点;基于综合权重计算得到的生态效益指数显示该项目在建设前期生态效益指数最高,而试运行期的生态效益指数0.392高于施工期0.318,表明生态修复工程在试运行期开始发挥了水土保持效益。[结论]提出的生态修复效益评价体系及方法可行,可以为其他生产建设类项目生态效益评价提供一定的参考。     

构筑北京市新世纪水土保持生态环境建设模式的探讨

“水土流失已成为中国的头号环境问题,水土保持是生态环境建设的主体”。如何构筑新世纪水土保持生态环境建设模式是值得研究的问题。对北京市典型小流域的治理特点、模式、效益、经验及存在问题进行了分析和探讨。同时,根据发达国家相同阶段的情况,笔者对新世纪北京市水土保持生态环境建设提出了一些设想和建议,目的在于抛砖引玉,引发讨论,以期形成共识,共同构筑符合新世纪的水土保持生态环境建设模式。     

水土保持生态自然修复与生态文明建设

水土资源是人类发展与文明的根基,如何整治日趋恶化的生态环境、防止水土流失、恢复和重建受损的生态系统成为生态文明建设的关键.水土保持生态自然修复是一个费省效宏的水土流失综合防治办法,水土保持生态修复是实现资源节约型、环境友好型社会的重要途径,也是建设生态文明与美丽中国目标实现的重要载体.在分析水土保持生态自然修复与生态文明建设相互关系的基础上,概括我国水土保持生态自然修复的成效与经验,明确水土保持生态自然修复工作需要亟待加强的几个领域,提出未来实施水土保持生态自然修复工作的若干发展策略.     

全国水土保持生态修复类型分区研究

生态修复是水土保持工作的主要任务之一.因地制宜,分区实施水土保持生态修复,意义重大.在<全国水土保持生态修复分区研究>的基础上,对全国水土保持生态修复分区做了进一步研究.从增强地方编制及实施水土保持生态修复规划的可操作性的角度出发,以县为单位界定了4个一级生态修复类型区和13个二级生态修复类型区的边界,绘出了全国水土保持生态修复类型区图,阐述了各类型区的自然、经济和社会状况.     

论生态恢复与水土保持

 生态恢复是研究生态整合性的恢复和管理过程的科学,现已成为世界各国的研究热点。目前,恢复已被用作一个概括性的术语,包括重建、改建、改造、再植等含义,一般泛指改良和重建退化的生态系统,使其重新有益于利用,并恢复其生物学潜力。生态恢复的原则包括自然法则、社会经济技术原则和美学原则。我国的水土保持小流域治理是通过工程的手段进行生态恢复的典范。水土保持小流域治理应以生态经济系统理论作指导,正确处理好人口再生产、自然再生产和经济再生产三者之间的关系,才能真正做到人与自然的和谐共处。水土保持小流域治理的方法是系统工程方法,包括综合调查与系统诊断、模型开发与治理规划、防治体系与模式设计、组织机构与运行机制等方面的内容。我国的水土保持工作亟需开拓创新,创新是水土保持工作的灵魂。只有认真纠正目前水土保持工作中存在的2种偏向,全面贯彻人与自然和谐共处的发展方针,把当地人民群众的社会需求与水土保持工作有机结合起来,才能实现“山川秀美”的宏伟目标。     

崩岗治理技术措施研究进展与展望

[目的]总结分析当前崩岗治理技术措施研究现状,为制定更为合理的崩岗防治策略提供参考。[方法]通过文献查阅,根据崩岗的空间结构特征,分别从集水坡面、崩壁、崩积堆、沟谷和冲积扇等方面系统性地总结了针对不同部位的崩岗治理技术措施。[结果]总结探讨了不同技术的特点、适用性以及存在的问题,对崩岗的不同治理模式进行了归纳,并对未来崩岗治理技术的研究方向进行了展望。[结论]工程与生物技术相结合的修复方式是目前采用最广泛的治理措施。今后的崩岗治理工作的开展应注重修复效果评价指标体系构建、水土保持作用机制、创新修复技术应用、修复技术与农业生产相结合以及预防措施等方面的研究。     

腐植酸在土壤改良和污染修复中的应用现状及研究展望

[目的]总结腐植酸在土壤改良和污染修复中的应用成效,为腐植酸的应用研究和产品研发提供科学参考。[方法]在长期对腐植酸资源的特性及其实践应用进行研究的基础上,参考了大量关于腐植酸研究的学术文献,综合分析了腐植酸改良土壤和修复土壤污染的原理、技术和应用情况。[结果]腐植酸可以改良土壤团粒结构,提高肥料利用效率,维持土壤酸碱平衡和促进土壤生物活性,在退化土壤、盐碱地改良,废弃地复垦,重金属和有机物污染土壤修复中具有重要作用。在土壤改良和污染修复应用研究中主要存在如下问题：(1)腐植酸来源和分级分类不清,基础性研究不足。(2)腐植酸新材料和技术研发缓慢,行业整体技术有待提升。(3)腐植酸技术规范和标准建设与应用发展不相匹配,限制推广速度。[结论]未来研究重点应放在如下几方面：(1)煤基和生物腐植酸资源分类、组分分离和互作效应等基础研究。(2)腐植酸在土壤改良和污染修复中的应用基础研究。(3)腐植酸检测方法研究和产品质量标准制定。(4)腐植酸新产品应用研发与示范园建设。