基于均匀化理论的根土复合体三维本构关系

黄土高原水土流失严重，自然灾害频发，而植被可有效减少浅层滑坡，其中根系加固是对环境有利的土壤稳定措施。为定量研究植物根系对土体的增强效果以及根土复合体在力的作用下的变形发展规律，该研究将根土复合体视为天然纤维增强复合材料，基于均匀化理论，构建根土复合体的数值计算模型。利用有限元软件的二次开发功能，建立周期性边界条件，对根土复合体单胞的等效弹性模量和强度参数进行计算；通过根土复合体的三轴压缩试验和数值模拟，验证单胞计算理论的准确性；最后对单胞进行细观力学分析。研究表明：1）该研究建立的根土复合体单胞模型，可有效预测其等效弹性参数，与试验相比，轴向弹性模量相对误差为2.2%。2）单胞模型可以预测根土复合体的黏聚力c和内摩擦角φ，与试验相比，c和φ仅相差4.41 kPa和0.93°；在保证精度的同时大大提高了计算效率（与标准尺寸试件模型相比减少了90%的单元数）。3）根系的存在允许土体产生更大的变形和承受更大的应力。研究成果从周期复合材料的角度为黄土高原根系固土机理研究提供了新思路。     

五种护坡草本植物根系固土效果研究

对于公路边坡而言,植物根系在稳定土壤结构、提高土壤抗冲性、防治土壤侵蚀方面作用显著。为准确地评价植物根系的固土作用,选取北京地区常见的5种护坡草本植物,研究了其根系结构特征和根系强度特征,比较了不同草本植物根系结构的差异,结果表明:选取的草本植物根系生长深度除紫花苜蓿外多在0.6 m以内,沙打旺和狗尾草的根系总长度最大,表现出更好的抵抗拔出破坏的能力,而高羊茅和沙打旺根系在土壤中的数量较多,表现出更好的增强浅层土壤抗剪强度的效果。因此,北京地区的护坡草本植物,从根系固土的角度分析,沙打旺表现最好,其次是狗尾草、高羊茅和白三叶,表现较差的为紫花苜蓿。     

林木根系固土的理论基础

为了探索林木根系的固土作用,半个多世纪以来许多学者从不同侧面对根系的固土作用进行了大量的研究和探索,在根系固土理论研究上取得了一定成果。鉴于此,概述了莫尔-库仑强度理论、加筋理论、锚固理论等根系固土基础理论以及须根理论模型（W氏模型）、垂直根系木本植物根-土相互作用力学模型、水平根系根-土相互作用力学模型等根系固土的分析模型。依据固土理论,提出了今后根系固土作用研究重点是根系的分布特征,根系与土的摩擦特性以及根系的力学性能。     

草本植物根系网固土原理的力学试验探究

通过试验测定了生物软措施草本植物根系的最大拉力及最大拉力作用下根系断裂面直径 ,计算植物根系最大抗拉强度 ,结果表明香根草根系平均抗拉强度 85 m Pa>假俭草 2 7.3m Pa>白三叶 2 4 .6 m Pa>莎草 2 4 .5 m Pa>宜安草 19.7m Pa>马尼拉草 17.5 m Pa>狗牙根 13.4 m Pa。土壤剪切力试验表明香根草根系 沙土处理 >沙土对照 ,香根草根系 黏土 >黏土对照。探讨了草本植物根系网的固土性能 ,提出根系最大抗拉强度代表根系材料的受力潜能 ,可作为评判根系网的固土刚性的一个有效指标 ,为利用生物软措施代替或部分代替工程措施的作用 ,固土护坡防止土壤侵蚀及滑坡崩岗的灾害治理提供了力学理论依据     

植被根系固土机理研究进展

坡面植被不仅可以稳定岩土边坡,而且具有美化生态环境的作用。为了阐明植被根系对不稳定斜坡的影响,根据多年来根系固土的研究成果,从根系固土力学基础、根系几何力学特性、根系对土壤抗冲与抗剪的影响等方面,对植被根系护坡机理进行了综述,分析了目前研究中存在的不足,并就今后研究中应注意的问题提出了看法。     

基于CT扫描与细观力学的植物侧根固土机理分析

为了探寻植物根系加固土体、防护边坡的作用机理,该文从细观角度对根系固土的力学特性进行了探讨,并利用长江科学院研制的CT三轴仪,分别对素土样和2种含根土样进行不固结不排水的CT实时三轴剪切试验。通过对试样3个断面在不同应变时刻所对应的CT扫描数据进行定量分析发现,3个扫描层中素土样的(CT数均值)ME-ε1关系曲线下降段和(CT数方差)SD-ε1关系曲线上升段的变化幅度均大于2种含根土样曲线相应阶段的变化幅度;这说明含根土体内部缺陷发育速度更慢,含根土样内部裂纹萌生和扩展得更加缓慢,根系具有阻裂作用。文中重点对3种土样在高度的7/16处的断面上的CT扫描图片进行了定性和定量分析。利用Matlab软件自编后处理程序,对CT扫描图片进行了二值化处理,并统计出断面上的裂隙率、根附近区域及其之外区域的总裂隙大小、最大裂隙区域的长度和宽度信息。通过对含根土样和素土样受压过程的CT演化图片和断面上统计的裂缝数据信息进行比较分析,来对比说明素土和含根土样中裂纹扩展以及试样破坏过程的差异,从而揭露了根系的阻裂作用和桥联作用。最后得出根系固土的细观力学机理主要表现为根系对土体的阻裂作用和桥联作用。     

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。     

黄土区不同龄期灌木柠条锦鸡儿根系的分布特征及其固土护坡效果

为定量评价西宁盆地黄土区优势灌木柠条锦鸡儿根系固土护坡效果,该研究以区内生长期为幼龄期（<6 a）、中龄期（6～14 a）和老龄期（>14 a）3个龄期的柠条锦鸡儿为研究对象,通过原位挖掘法与原位拉拔试验相结合的方式,调查不同龄期柠条锦鸡儿根系形态学指标和根系分布特征,并通过单根拉伸试验获得单根抗拉强度。以此为基础,利用WWM模型对不同龄期柠条锦鸡儿根系附加黏聚力进行计算,评价不同龄期柠条锦鸡儿根系对土体抗剪强度的增强效果。结合有限元数值模拟分析,定量评价不同龄期柠条锦鸡儿根系加筋和锚固作用对黄土边坡稳定性的贡献。结果表明：随着龄期的增加,柠条锦鸡儿根系埋深、根系总根长、主根根径和主根根长均逐渐增加;各龄期柠条锦鸡儿根系主要分布在0～0.6 m土层深度范围内,随着土层深度增加,幼龄期和老龄期根系根长和根数呈逐渐减少趋势;中龄期根系则呈先增大后减小趋势,根长和根数的最大值出现在0.3～0.6 m的土层深度内。幼龄期和老龄期柠条锦鸡儿根面积比和根系附加黏聚力均随着土层深度增加而逐渐减少,中龄期柠条锦鸡儿则呈先增大后减小变化趋势,且该龄期根系增强土体抗剪强度的效果相对最为显著。不...     

黄土高原刺槐和侧柏根系固坡的有限元数值模拟

为探讨黄土高原主要造林树种刺槐和侧柏根系对土质边坡稳定性的作用,该文以刺槐(Robinia pseudoacacia)和侧柏(Platycladus orientalis)为例,应用有限元数值模拟法构建二维造林边坡稳定性分析模型,研究林木根系的空间异质性对水平阶整地坡和对照自然坡稳定性的影响。研究发现:1)无论是否经过整地处理,造林都可以提高边坡的稳定性,且刺槐根系的固土效果优于侧柏根系(P0.001);2)在不考虑水文过程的前提下,水平阶整地模式的人工林边坡稳定性优于对照自然坡;3)当根系表观附加黏聚力增加到某一阈值后,造林边坡的安全系数进入平稳阶段不再大幅上升,说明边坡稳定性模型对根系附加黏聚力计算法的精度并不敏感,揭示了根系固坡领域的研究重点应从过去的试图提高根系附加黏聚力的计算精度转变为提高评价造林边坡稳定性的准确性;4)根系附加黏聚力随坡位的变化而变化,两树种没有明显的规律,但安全系数均表现出较敏感于坡下位根系,建议在林分经营管理中充分利用坡下位林木的固土效益。该研究成果可为黄土高原地区浅表层滑坡灾害的防治工作提供理论依据。     

不同种植模式对作物根系固土拉力特性的影响

玉米大豆间作体系对土壤流失的影响研究多集中在地上部,而鲜有研究报道玉米大豆间作根系特征对固土拉力特性的影响。采用田间径流小区试验,研究了坡耕地条件下玉米大豆间作(MD)、玉米单作(MM)、大豆单作(DD)和裸地(CK)的生物量和根系固土拉力。结果表明:MD处理的玉米根系密度较MM处理增加了19.64%,10—20cm土层深度范围内MD处理与MM和CK处理间差异显著(p0.05),MD处理较MM和CK处理分别高出了4.25%和4.84%,在0—10cm范围内,MD处理较MM和CK处理分别提高了2.49%和15.85%,在20—30cm范围内,MD处理较MM和CK处理分别提高了1.56%和6.25%。MD处理的地上部分鲜重生物量较MM处理增加了2.46%,干重生物量较MM处理增加了7.31%,地下部分鲜重生物量较MM处理增加了5.06%,干重生物量较MM处理增加了3.17%。在0—30cm土层范围内,能有效保持土壤水分,提高土壤含水率。MD处理较MM处理、DD处理和CK处理不论在玉米样方还是在大豆样方其固土能力均强,在施加相同荷载情况下,间作处理比单作处理土壤样方的位移偏移量较单作处理时偏移量小。     

黄土高原坡沟系统重力侵蚀数值模拟研究

采用有限差分软件FLAC3D对黄土高原坡沟系统重力侵蚀机理进行探索,对坡沟系统应力场和位移场进行数值模拟,分析了不同侵蚀基准面抬升高度对坡沟稳定性及重力侵蚀的影响。结果表明,随侵蚀基准面逐渐抬升,坡沟系统逐渐稳定,最大位移、安全系数及滑塌概率的变化符合指数函数分布规律。拟合方程精度较高,可应用于坡沟重力侵蚀的定性分析与定量计算。凹形边坡整体几何形态能够有效降低应力集中,减缓重力侵蚀的发生程度;坡沟系统上部位移是以"沉降"模式为主,梁峁顶和梁峁坡是重力侵蚀最为强烈的部位。随侵蚀基准面逐渐抬升,各方向位移均有不同程度降低。     

膨胀性岩质边坡加固方案的数值试验研究

膨胀性岩质边坡,由于其复杂性,加固方案不易确定。运用有限元方法对膨胀性岩体边坡的加固措施进行了较全面的数值试验研究,得出了坡顶超载与竖向位移、节理间距与坡顶变形及锚杆对坡顶变形影响的规律。该成果可为膨胀性岩质边坡加固方案的确定提供科学依据。     

黄土高原小流域重力侵蚀数值模拟

为研究黄土高原小流域重力侵蚀机理,采用fish语言编写多层复杂地形建模的前处理程序,对多层复杂地形建模进行了二次开发。从力学稳定性角度,采用有限差分FLAC3D软件对黄土高原小流域概化模型进行重力侵蚀机理研究,分析了流域重力侵蚀的发育过程,并对小流域位移场和应力场进行了数值模拟。结果表明：建立的三维模型能真实地表现小流域地形、地貌,仿真效果良好。小流域重力侵蚀过程分为发育期、成熟期和稳定期3个阶段,沟头溯源区是小流域侵蚀最强烈的部位;凹形的边坡整体几何形态利于边坡稳定,减缓了重力侵蚀的发生程度。建模方法和数值模拟结果可应用到重力侵蚀研究中,为推动流域侵蚀产沙时空规律研究的深入发展和小流域水土流失综合治理以及生态环境建设提供科学依据。     

王家岭煤矿风井场地边坡稳定性分析与评价

针对王家岭煤矿风井场地边坡稳定性问题,调查分析了该边坡的工程地质条件和影响边坡稳定性的因素.在用赤平投影法对边坡稳定性进行定性评价的基础上,采用极限平衡法(Sarma法)和有限元法对整个场地典型边坡剖面进行了不同工况条件下的稳定性分析,并给出了安全稳定系数.结果表明,二者分析结果基本一致,验证了所用方法的合理性.对类似工程问题的评价、治理有一定的借鉴和指导意义.     

黄土高原主要草本植物化学元素含量及其聚类分析研究

本文以黄土高原68个主要草本植物植株中N、P、K、Ca、Mg元素含量测定结果为基础,分析了该区草本植物这5种元素含量的特征及其元素间的相互效应,同时又以各元素含量对68个草本样品进行了聚类分析。     

黄土区植物根系对营养元素在土壤剖面中迁移强度的影响

不同植物群落根系对土壤元素迁移具有显著影响,不同基因型植物细根的特殊剖面分布特征,是其适应和改善土壤养分物理化学逆境的生理生态学基础。采用原状土柱淋滤实验装置及大型挖掘剖面壁法,在陕北黄土丘陵沟壑区研究并定量分析了不同径级根系对黄土中营养元素K、Na、Ca、Mg、Cu、Mn、Fe、Si、Al迁移强度的影响,旨在探索土壤养分生物有效性的提高途径。结果表明,不同植被类型土壤营养元素淋溶迁移的剖面差异并非完全取决于土壤中元素或矿物含量的大小,而是主要受制于直径1mm的须根根系在剖面中的缠绕分布特征。不同植被类型土壤中营养元素的迁移强度随土层深度增加呈递减规律。不同植物根系对黄土中营养元素迁移强度的影响具有显著差异,其大小顺序为:林地草地农地。林、草地土壤中元素迁移强度序列有明显变异的临界土层深度分别在30cm和10cm处。在林、草地和农地土层中常量元素水迁移强度序列为CaNaMgKSiAl,微量元素基本为CuMnFe。植物根系对营养元素迁移能力的影响具有明显的区域范围,随着直径1mm有效根密度和根量的增大,根系对土壤元素迁移强度的影响显著增强。