草本植物根系对土体加筋的效应

通过从野外直接挖取地毯草、弯叶画眉草、牛筋草根系,与海南地区红黏土随机混合制作成重塑加筋土复合体,分析不同含水率、不同含根率下,不同植物对土体的加筋效应。试验表明:植物根系能显著提高土体的抗剪强度,随着土体含根率的提高,根系土体的抗剪强度值越大;重塑根系土体的抗剪强度值随着土体含水率的降低而增加;重塑加筋土体的黏聚力随含根率增加而增加,随含水率的提高而降低;重塑加筋土体的内摩擦角有一定程度的提高,但是变化较小;弯叶画眉草重塑土体的加筋效果较好。     

石漠化区多花木蓝和双荚决明根土复合体抗剪特性研究

石漠化地区土壤易流失,植被恢复难度大。选取贵州石漠化区有代表性的灌木树种多花木蓝和双荚决明为研究对象,采用四联直剪仪对多花木蓝和双荚决明根-石灰土重塑试样进行直剪试验,主要分析了根径、法向压力和含水率对根土复合体抗剪特性的影响。结果表明:植物根系的存在对土体抗剪强度有积极作用,主要以加筋的形式增强土体的抗剪强度,以根径2～3 mm对石漠化地区固坡护坡效果较好。法向压力对复合体抗剪特性的影响最显著,因其影响复合体的密实性来间接影响抗剪强度,表现为法向压力越大,土体密实性越好,根土复合体抗剪强度越大。根土复合体的抗剪强度随含水率的增加呈先增加后减小的趋势,在含水率14.3%时,根土复合体抗剪强度最大,固土效果最佳。2种植物中,多花木蓝总体上较双荚决明更能增强土体抗剪强度。本研究可为石漠化地区边坡绿化和水土保持树种的筛选及根径大小的控制提供参考。     

扦插措施根系固土的力学增强效应分析

为了定量化分析扦插措施根系对边坡稳定性的贡献,采用固结不排水三轴剪切试验研究不含根土体及根-土复合体的抗剪强度,并使用数显土壤紧实度仪对边坡的紧实度进行测量,分析新生根系对边坡紧实度的影响。结果表明：加根土的强度和抗变形能力增强。扦插措施新生根系能有效提高土体的黏聚力,其对内摩擦角的影响不明显,而对边坡土壤紧实度的改善作用显著。     

林木根系与黄土复合体的抗剪强度试验研究

为了深入了解林木根系在增强黄土抗剪强度中的作用机理,该文用三轴压缩试验方法研究了林木根系与黄土构成的复合体的应力 应变及强度特性,探讨了不同根系直径、根系分布方式、复合体含水量和围压下的土体抗剪强度.试验证明,根系-土壤复合体抗剪强度τf与法向正压力σ的关系符合库仑定律, 即τf=σtan+C.由试验结果可知,根系直径相同时,复合体含水量从12.72%增至15%,水平根系的根土复合体的抗剪强度减小,垂直根系和复合根系的复合体抗剪强度增加;复合体含水量一定时,3种分布方式的根土复合体的抗剪强度都随根系直径的增加而增大;根系直径和复合体含水量一定时,复合根系的根土复合体的抗剪强度最大,垂直根系次之,水平根系最小.      

黄河源区弯曲河流河岸带抗剪特性

[目的]为了定量化分析黄河源区弯曲河流河岸带根-土复合体的抗剪强度。[方法]在黄河源区河南县兰木措曲对2个河湾河岸边采取原位制样、室内试验分析的方式,测定根-土复合体抗剪强度。[结果]草甸型河岸带根-土复合体平均黏聚力可达18k Pa,其中河湾凹岸根-土复合体黏聚力比凸岸黏聚力平均约高10%,河湾两岸根-土复合体抗剪强度随着含水量的增大而减小。[结论]该研究为深入分析滨河植被对河岸的抗剪增强作用、减少河岸崩塌频率提供理论依据。     

不同含水率水平下根-土复合体抗剪强度试验研究

本文以典型的沙地柏群落中选取的土样与根系作为研究对象,通过实验室直接剪切试验方法对比分析在不同含水率下无根系扰动土和有沙地柏根系存在的根土复合土样的抗剪性能.得出:根-土复合体可以提高土壤的抗剪强度,起到固土护坡的作用.同时根土中含水率的大小及植被根系密度对土的抗剪强度均明显很大影响,且随着根系的生长,土的抗剪性能的增...     

华北土石山区白桦根系分布特征及力学性能研究

以华北土石山区常见乔木白桦根系为研究对象,采用全挖法,从根长、根径、土层深度等方面进行比较,利用Sketchup Pro 8软件建立根系的形态模型;并在实验室进行根系抗拉强度及根土复合体抗剪强度的试验。结果表明,白桦根系垂直分布范围集中在0～60 cm的土层中,对坡面浅层水土保持起着重要作用,用软件模拟出的根系形态较接近实际;根系抗拉力与直径成正比,抗拉强度随直径的增加而减小;白桦根系能明显增强土体的抗剪强度,且根系交叉方式不同,根土复合体的抗剪强度也不同。     

3种植物根-土复合体抗剪特性的影响因素

本文采用直剪仪对内蒙古中西部3种乡土植物柠条(Caragana korshinskii Kom)、沙棘(Hippophae rhamnoides Linn.)和杨柴(Hedysarum leave Maxim)的根-土复合体进行不同法向荷载下的剪切试验研究,分析根密度、根径和剪切速率等对根土复合体抗剪特性的影响,揭示3种植物根土复合体抗剪特性的共同规律及其种间差异性,从根系固土力学的角度为该区域水土流失防治的植物措施中树种的选择及其配置提供一方面科学的参考依据;结果表明,在12.5 KPa对应的80 cm土层,3种植物根-土复合体的抗剪强度、黏聚力总体呈现随着根径的增加呈先增大后减小的变化特征。3种植物根-土复合体抗剪强度、粘聚力间相比较大小顺序一致,其中抗剪强度均值大小为柠条17.91±2.7A沙棘16.8±2.1 B杨柴15.53±0.7C,粘聚力均值大小顺序为柠条7.81±1.6 A沙棘7.19±2.33 B杨柴5.99±2.14 C。根密度对3种植物根-土复合体抗剪强度及其强度指标的影响与根径总体呈现一致的变化特征。3种植物根土复合体在0.8 mm/min的快剪时对应的抗剪强度和黏聚力、内摩擦角均大于0.02 mm/min慢剪时对应的值。表明,土壤含水率在一定范围内的增加可以提高表层土壤的力学性能。通过上述研究结论得出,植物种不同则生物学特性不同,每种植物根系固土力学性质达到最佳时所要求的内在条件(根径、根密度等)和外在条件(剪切速率),既有相同之处也有区别。     

黑沙蒿与粉土质砂根-土及土-土界面摩阻特性

以鄂尔多斯上湾煤矿塌陷区水土保持先锋灌木之一黑沙蒿和粉土质砂为研究对象,通过直剪试验和根-土复合体单根拉拔试验,探究土壤质量含水率、根径对黑沙蒿根-土界面及土-土界面摩阻特性的影响。结果表明:在土壤埋深72 cm和144 cm左右,2种剪切界面的抗剪强度值均随质量含水率增加呈先增后减趋势;黑沙蒿根-土复合体最大拉拔力与根径呈明显线性正相关,其抗剪强度随根径增加而减小;土壤质量含水率从3.94%增至19.94%,黑沙蒿根-土界面摩擦系数由0.48减至0.38,土-土界面摩擦系数由0.43减至0.35;2种剪切界面的黏聚力随土壤质量含水率增加呈现先增后减趋势,土壤质量含水率为11.94%时,黑沙蒿根-土界面黏聚力峰值为4.51 kPa,土-土界面黏聚力峰值为4.56 kPa。     

不同土壤生物工程措施根系附加黏聚力研究

[目的]研究4种不同土壤生物工程措施对边坡土体抗剪强度的提高作用。[方法]设置了一处长40 m的人工边坡,在边坡上使用扦插、灌丛垫、层栽与梢捆4种土壤生物工程措施,并在施工8、12个月后分别开展根系现场调查,在实验室进行单根抗拉试验,并引入RWM模型量化研究4种不同土壤生物工程对边坡抗剪强度的提高作用。[结果]旱柳根系抗拉强度随根系直径增大逐渐减小,能产生显著的根系加筋作用;随着土层深度的增加,根的面积比减小,4种土壤生物工程措施完工12个月后的各径级的根系截面积比率(RAR)相比于8个月后提高43.75%~69.38%;土壤生物工程可以明显提高边坡的抗剪强度,随着根系的发展,12个月以后各种措施附加黏聚力比8个月时有明显的增长。20 cm土层深度时灌丛垫与梢捆措施附加黏聚力高于扦插和层栽,且根系所产生的附加黏聚力最大,对边坡的浅层土壤的加筋作用优于另外2种措施。20 cm深度以下灌丛垫与梢捆措施根系附加黏聚力逐渐下降,而扦插与层栽措施附加黏聚力逐渐增加,对深层土壤具有一定的锚固作用。[结论]研究可为土壤生物工程技术在农田水利护坡中的广泛应用提供量化评价方法和理论指导。     

黄土高原陡坡土坎植被根-土复合体抗剪强度研究

以黄土高原陡坡土坎6种典型植物群落类型为研究对象，在分析植被根系密度指标的基础上，通过直剪试验，探讨不同植物群落的根-土复合体抗剪强度以及根系对提高抗剪强度的作用。结果表明:1）6种群落的根系密度指标值均具有显著性差异，白刺花-铁杆蒿群落的根重密度、根长密度和根表面积密度在所有群落类型中均为最高，分别为2 757.07 g/m³、17 886.22 m/m³和16.96 m²/m³；2）6种群落之间的根-土复合体的抗剪强度均显著高于素土抗剪强度，其中白刺花-铁杆蒿群落相对于素土的抗剪强度增加值最大，为32.98 kPa，且抗剪强度增加值随土层深度增加而降低；3）根-土复合体抗剪强度相对于素土抗剪强度的增加值与根系密度指标值呈对数函数关系，随根系含量增加而升高。     

高等级公路边坡植物护坡机理与深根锚固作用

从植物根系的力学作用、茎叶及枯枝落叶的水文效应、植物的蒸腾排水效应3个方面分析了植物护坡的作用机理.通过对胡枝子(Lespedeza bicolor Turcz)根系的野外试验证实:深根具有锚固作用;有植物根系的边坡,在剪切处于不同阶段时,抗剪强度由根与土的复合体和植物根共同承担;植物根系不能延长土体结构发生破坏的时间,只能延长根与土复合体的破坏过程.     

根系逐渐破坏过程中固土效果研究

植物根系的固土效果会随根系破坏而发生变化,但其变化过程并不明确。以重庆缙云山的四川山矾为研究对象,以2 mm为根系径级,采用逐径级剪除根系法模仿根系逐渐遭到破坏的过程;同时测量根系的抗拉与抗拔强度,利用自制大盒直剪仪测量根土复合体的抗剪强度,并与Wu模型计算值作对比,系统研究根系逐渐破坏过程中的固土效果。结果表明,春季生四川山矾3年幼苗的植物根系抗拉强度随着根系直径的减小而减小。当根系直径小于2 mm时,根系拉拔强度要高于植物根系的抗拉强度,当根系直径大于2 mm时,则根系抗拉强度更大。大盒直剪测量结果显示,根系破坏过程中根土复合体的抗剪强度首先保持不变,当大于2 mm的根系开始与土壤分离时,根土复合体的抗剪强度会快速下降。在一定范围内,根面积比越大,根土复合体的抗剪强度越大,根系对土壤的加固作用越强。在根系逐渐破坏过程中,Wu模型在一定程度上高估了根土复合体的抗剪强度,且高估值与根面积比呈正相关关系。      

树木根系固土力学机制研究综述

近30 a来,由于科学技术的发展和生态环境建设的需要,根系固坡力学机制研究成为学科交叉的新领域。鉴于此,概述了近30 a来固土力学机制的研究进展及今后研究方向。综观根系固坡的研究历程,研究集中在林木根系抗拉、锚固、根系-土壤复合体提高抗剪强度等方面。今后应加强对根系纤维素、半纤维素的定量分析,探讨不同植物根系弹性、抗拉力及应力-应变关系的差异,加强水土保持树种搭配的理论研究,从不同力学特性的根系相搭配的角度来研究根系固土护坡的功效。在边坡的稳定方面,应用有限单元方法研究根土复合体边坡的应力场、位移场的变化及边坡的稳定性情况,并用有限元的方法解决实际生产中的边坡造林中树种选择、造林密度等问题。     

植物根系固土护坡效应的原位测定

通过对南望山山脚下樟树的4个含根土样和素土样在现场进行原位剪切试验,对比素土样和4个含根土样的强度值、位移值,分析评价植物根系的固土护坡效应。结果表明:1)根系的存在提高了土体的峰值强度和残余强度,且根系提高土体残余强度的程度更高;2)同素土样相比,4个含根土样在强度峰值点对应的位移值更大,在土体被剪破前,含根土体能够承受更大的变形,根系增加了土体的延性;3)含根土体的应变软化段曲线较素土体的更加平缓,根系降低了土体峰值点后抗剪强度的减小幅度,使土体在较大应变处仍能保持较高的强度,提高了土体的延性;4)剪切断面上总根长、根面积比与土体抗剪强度的增量均成正相关。     

土壤-草本植被根系复合体抗水蚀强度与抗剪强度的试验研究

分析了草本植被根系保持水土效能的机理，提出将根茎连接处形成的微型“栏上栅”及“滤水土体”抵抗径流推移破坏的极限能力，作为土壤-草本植被根系复合体的抗水蚀强度，并研究了它与含根量的相关性。通过复合体原型结构试样的直剪试验，证明复合体的抗剪强度τf与法向压力σ的关系符合库伦定律，即τf＝σtan C，但式中是土粒与土粒、土粒与根系之间的综合内摩擦角（13°～25°）；C是土位与土粒、土粒与报系之间的凝聚力，以及由土的剪应力传递给根系而引起的根系抗拔力之和（16～60kPa）。由试验结果知，复合体抗剪强度随含根量增加而增大，随含水量增多而减小；C值与含根量呈正相关，而值与含根量关系不大。     

土体含水率和相对密实度变化与植物根系固坡效果

在土样中加入植物纤维,模拟植物根系的加筋作用,采用三轴试验,研究含水率和土体相对密实度的变化对植物根系复合土抗剪强度指标变化的影响.结果表明:土体越密实,植物根系加筋效果越明显,相对密实度为85％时,可使最大主应力差增加20％～ 30％;相对密实度为75％时,植物根系的加筋效果不明显.黏聚力和内摩擦角也表现出类似的情形,无论是否加筋,黏聚力首先随含水率的增加而增大,含水率超过14％后,随含水率增加而减小;含水率在14％时,植物根系加筋对黏聚力提高的效果最明显.内摩擦角基本上随含水率的增加而减小,含水率越大,植物根系对内摩擦影响越小.研究成果可对植物固坡的设计提供依据.     

五节芒和胡枝子的固土护坡力学特性研究

[目的]分析植物根系在土壤中的力学性质,证明植物能提高坡面的稳定性。[方法]以胡枝子、五节芒为研究对象,测定植物根系的抗拉强度。[结果]根系的存在确实对土体抗剪强度有所提高;当根系的总长度恒定时,根系粗细是影响抗拉拔力的主要因素。[结论]植物根系可以提高土体的抗剪强度和抗拉拔能力,增强边坡的稳定性。     

天然草本植被根系对表层土壤抗剪强度的影响

利用直剪仪在试验室测定了一年生天然草本植被(主要为稗草和狗尾巴草)根系特征参数对土壤-根系复合体抗剪强度的影响。结果显示,土壤-根系复合体抗剪强度与根重密度的相关性大于其与根长密度或根-土面积比的相关性。土壤-根系复合体抗剪强度随着土壤干密度和根重密度的增大而增大,但随土壤含水量的增大而减小。土壤干密度和土壤含水量对土壤-根系复合体抗剪强度的影响程度大于根重密度的影响程度,其与土壤-根系复合体抗剪强度的标准回归系数(Beta值)分别为0.456、-0.321和0.186。当根重密度为5~10kg/m3时,一年生天然草本植被根系可增大土壤-根系复合体抗剪强度19.8%~39.5%。     

黄土高原植物根系增强土体抗剪强度的模型与试验研究

为研究黄土高原植物根系固土力学机制,通过Wu & Waldron(WWM)模型和Fiber Bundle(FBM)模型, 确定了黄土高原地区主要造林树种油松、刺槐、荆条和丁香4种植物根系对土体抗剪强度的增强作用,并用原位直剪试验对其进行了验证。应用ABAQUS有限元软件构建造林边坡稳定性分析模型,通过数值模拟的方法从边坡尺度上量化4种不同植物根系固土作用。结果表明:通过原位直剪试验的验证,发现评价植物根系对土体抗剪强度增强作用的WWM、FBM模型均存在一定的误差,因而建议进一步完善该理论模型。同时,基于原位直剪试验测定的根系对土体抗剪强度的增强作用,进行边坡稳定性分析,发现4种植物造林边坡稳定性均高于裸坡,边坡安全系数平均提高4.38%,最大等效塑性应变平均减小50.08%,最大水平位移平均减小40.83%,最大竖向位移平均减小14.84%;4种植物措施中,荆条造林措施对浅表层土体的固土效果最佳。研究结论为评价造林边坡的稳定性,揭示根系固土的力学机理提供理论基础和科学依据。