3种植物根-土复合体抗剪特性对比分析

采用直剪仪对3种植物重塑的根-土复合体及素土进行室内剪切试验,探讨其抗剪强度以及土壤含水率对抗剪强度的影响,结果表明:在相同径级(d=1.25mm)和快剪条件下,在0.8m的浅层土范围,3种植物根-土复合体抗剪强度相对于素土的增长率大小顺序为柠条(60%)沙棘(35%)杨柴(29%);3种植物根-土复合体粘聚力值相对于素土的增长率大小顺序为柠条(39%)杨柴(38%)沙棘(28%);而3种植物根-土复合体的内摩擦角相对于素土的增长率值均为负值,分别为-2%(柠条),-14%(沙棘)和-21%(杨柴)。因此,可以认为粘聚力的增加对提高根-土复合体抗剪强度起到重要的作用。土壤含水率对3种植物根-土复合体抗剪强度的影响结果显示:随着土壤含水率的增加,3种植物根-土复合体抗剪强度及粘聚力均呈现先增大后减少的趋势,且植物种不同,其抗剪强度和粘聚力峰值出现时的土壤含水率不同。通过上述研究得出,植物根系增强土壤抗剪强度的作用大小不仅受植物种的影响,还与土壤含水量密切相关,植物种不同,其根系增强土体抗剪强度的作用达到最佳时所要求的土壤水分条件亦不同,存在最适含水量或含水量区域。     

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。     

快剪条件下柠条根对3种土壤土工特性的影响

针对内蒙古中部地区3种主要土壤类型(含细粒土砂、低液限粉土、低液限粘土)和3年生的典型水土保持植物种柠条(Caragana microphylla Lam.),采用室内直剪的快剪实验对3种土壤根-土复合体在土壤孔隙水承压时的土工特性(抗剪特性及残余特性)进行研究。结果为:在根系分布的浅层土(埋深1.5m),3种土壤根-土复合体的抗剪强度、残余强度均大于相应素土的强度值,且均随土壤中细粒(粒径0.075mm)含量的增加而增大,表现为低液限粘土根-土复合体(细粒含量为71.68%)低液限粉土根-土复合体(细粒含量为56.58%)含细粒土砂根-土复合体(细粒含量为30.56%);3种土壤根-土复合体的黏聚力与残余黏聚力值也符合上述规律,内摩擦角与残余内摩擦角值与相应素土相比无明显规律,但随土壤中细粒含量的增加而减少。柠条根提高3种土壤残余强度的增长率(5.77%~15.67%)要大于提高土壤抗剪强度的增长率(5.62%~13.21%),这与根的弹塑性变形特性及根-土界面间的摩阻特性有关。柠条根提高土体土工特性的有效性随土体埋深的增加而减弱。     

平茬对柠条根-土复合体抗剪特性的影响研究

平茬是灌木人工林培育中常用的手段,灌木多通过平茬达到复壮目的。以内蒙古砒砂岩区典型水土保持功能灌木柠条根-土复合体为研究对象,进行剪切试验研究,分析平茬复壮对柠条根-土复合体抗剪特性的影响,阐明柠条人工灌木林平茬复壮机制,确定最佳平茬方案,进而为柠条人工灌木林管理提供科学依据。结果表明,在12.5 kPa、25 kPa的条件下,2 a生柠条根-土复合体的抗剪强度分别为31.43%和11.02%,而未平茬柠条根-土复合体的抗剪强度分别为24.01%和7.35%,根系的存在明显提高了浅层土体的抗剪强度;平茬和未平茬柠条根-土复合体粘聚力相对于素土的增长率分别为37.24%和52.23%,平茬和未平茬柠条根-土复合体内摩擦角相对于素土的增长率分别为10.11%和4.78%。表明在12.5 kPa和25 kPa下平茬后的效果优于未平茬,其中摩擦力发挥了重要的作用。     

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。     

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。     

花棒根-土复合体直剪试验的有限元数值模拟与验证

为深入了解花棒(Hedysarum scoparium)根系在增强土壤抗剪强度中的作用机理,同时减少试验成本和挖掘根系对环境的破坏,该文采用有限元数值模拟的方法研究了宁夏毛乌素沙地5 a生人工种植花棒根系的根截面积比(root area ratio,RAR)和垂直荷载对根-土复合体抗剪强度的影响,并对模拟结果进行了试验验证。研究表明:花棒根-土复合体的抗剪强度与垂直荷载的关系符合摩尔库伦(Mohr–Coulomb)屈服准则,花棒根系对土壤的抗剪强度有显著的提高作用。随RAR的增加,花棒根系表观黏聚力(root apparent cohesion,SR)呈线性增加(R20.9)。在相同的RAR下,花棒根-土复合体抗剪强度相对于素土抗剪强度的增长率随垂直荷载的增加逐渐降低,符合对数函数变化规律(R20.9);在相同的垂直荷载下,随RAR的降低,花棒根-土复合体抗剪强度相对于素土抗剪强度的增长率呈线性递减(R20.9);在较低垂直荷载的情况下,花棒根系提高土壤抗剪强度的作用更明显。研究发现与素土相比花棒根-土复合体的剪应力峰值出现较晚,当土壤出现明显塑性变形时,花棒根系的固土能力才能体现出来。数值模拟结果和室内试验结果显示:利用该文所建立的花棒根-土复合体直剪试验的有限元数值模型,模拟计算的根-土复合体抗剪强度与室内试验结果基本一致,相对误差绝对值的平均值1.87%,花棒根-土复合体的直剪试验可以通过该研究所建立的有限元数值模型来模拟。研究结果对于深入了解植物根系加固土壤的作用机理和推进根-土相互作用的数值模拟研究具有重要参考意义。     

土壤孔隙水承压条件下4种根—土复合体抗剪特性

采用直剪仪对4种沙生植物重塑的根-土复合体及素土进行快剪试验,探讨了其抗剪强度以及根径和垂直压力对抗剪强度的影响.结果表明,柠条、沙柳、沙地柏、白沙蒿根-土复合体在1.5 m(25 kPa)的浅层土体范围内抗剪强度均大于素土,4种植物根-土复合体的内摩擦角与素土相比差异不明显;在根径相同(1.25 mm)的情况下,4种植物根-土复合体的黏聚力均大于素土,其黏聚力增加率的变化范围在4.60%～46.23%之间,大小顺序为:柠条＞沙地柏＞沙柳＞白沙蒿;4种植物随着根径的增加,复合体的抗剪强度均有不同程度的增大.     

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。     

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。     

土壤水分对植物根-土界面相互作用特性的影响

为研究不同土壤水分下不同植物根系与土壤界面的摩阻特性,使用直剪仪对内蒙古中西部的5种典型乡土植物(柠条、沙棘、杨柴、紫花苜蓿和沙打旺)的根系在不同土壤含水率下进行根-土界面直剪摩擦试验。结果表明:当土壤含水率在4.5%~24.5%时,5种植物根-土界面摩擦系数均大于素土的土-土界面的值,且随着土壤含水率的增加,根-土界面和土-土界面摩擦系数均呈下降趋势,其中沙棘根-土界面的摩擦系数和黏聚力均大于其他4种植物的值,表明仅从根系与土壤间的相互作用特性来看,沙棘根系固土抗蚀的作用明显优于其他4种植物。根-土界面和土-土界面黏聚力均随着土壤含水率的增加呈先增后减的变化特征,且植物种不同黏聚力峰值出现时对应的土壤含水率亦不同。     

含根量对秋枫根-土复合体抗剪强度的影响

为研究含根量对秋枫(Bischofia j avanica)根-土复合体抗剪强度的影响,利用纵剖面法探究了秋枫根面积比沿土层深度的分布规律,基于根面积比的分布范围,分别对7级不同根面积比梯度的重塑垂直根-土复合体试样在4级正应力下进行了改进的大盒直剪试验,定量探究了不同含根量对土体抗剪强度的影响,分析了根-土复合体黏聚...     

汶川典型植物根-土复合体抗剪强度影响因素评价

为探究不同植物根-土复合体抗剪强度的差异性及各因素对其的影响程度,选取汶川县针叶林、阔叶林、灌丛、草地4种不同植被覆盖区为研究区,通过野外制取16种优势植物根-土复合体和无根裸土原状试样并开展室内快剪试验.分析了汶川县典型植物根系对土体抗剪强度和抗变形能力的增强作用,运用灰色关联法分析影响复合体抗剪强度的因素.结果 表...     

芒萁根系对崩岗红土层土壤抗剪强度的影响

为探究植物根系对崩岗红土层土壤抗剪强度的作用机制,采取室内直剪试验,研究不同含水率条件下芒萁（Dicranopteris dichotoma）根系对红土层抗剪强度的影响。结果表明：（1）不同根重密度土体的抗剪强度总体随含水率增加而下降,含根土体的抗剪强度大于素土。（2）黏聚力随着含水率的增加均呈先增大后减小的趋势,而随根重密度的增加呈增大的趋势,且增量逐渐减小。（3）内摩擦角与土壤含水率之间呈线性负相关,但与根重密度之间无明显关系。（4）含水率对抗剪强度的影响大于根重密度,可用含水率和根重密度模拟根土复合体的抗剪强度（NSE=0.84）。综上,根系的作用可增加崩壁红土层土壤的抗剪强度,但高含水率条件下根系的增强效应降低,可通过减少水分注入以增加崩壁根土复合体的稳定性。     

黄土区灌木柠条锦鸡儿根-土间摩擦力学机制试验研究

为系统研究灌木植物根系的拉拔摩擦力学机制,该项研究在西宁盆地黄土区的自建试验区内选取生长期为2 a的柠条锦鸡儿作为供试种进行根系拉拔摩擦试验。试验结果表明:柠条锦鸡儿主根的作用主要为提供根-土间静摩擦力,侧根的作用则主要表现为增大根-土间最大静摩擦力、根-土间最大摩擦力及根-土间最大摩擦力对应的根系位移;柠条锦鸡儿根-土间最大摩擦力随着根系总表面积、根系总体积、根系总长、根系总干质量、侧根数5个根系形态学指标的增加而增大,根-土间最大摩擦力与5个根系形态学指标之间可建立幂函数关系,且通过相关性分析可知,根系总表面积是与柠条锦鸡儿根-土间最大摩擦力相关程度相对较为显著的根系形态学指标;在本试验条件下(土体质量含水率15.1%,密度1.65g/cm3)由单根(不含侧根的主根)拉拔摩擦试验所得到的柠条锦鸡儿主根与土体间静摩擦系数为0.738 9±0.04,该值显著大于区内不含根系土体内摩擦系数0.504 0±0.03,表明柠条锦鸡儿根-土界面间的摩擦力值及抵抗变形的能力大于不含根系土体。该项研究结果对于进一步探讨研究区灌木根系的拉拔摩擦力学机制,以及科学有效地防治坡面水土流失、浅层滑坡等地质灾害具有指导意义和实际应用价值。     

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。     

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。