生态护坡中根系对土体抗剪强度的影响

在护坡工程中,植被发达的根系能对边坡土体产生一定程度的加筋作用,从而可提高边坡的浅层稳定性。为探究植物根系对土体抗剪强度的影响,采用常规三轴不固结不排水试验,测定不同含根量、含水率对重塑粉质黏土抗剪指标的影响,结果表明:①根土复合体与素土的应力-应变变化趋势相同,说明摩尔-库仑强度准则同样适用于根土复合体,其不同主要体现在黏聚力大小上;素土和根土复合体均大约在轴向应变2%处出现主应力差峰值,然后逐渐趋于破坏。②根土复合体的抗剪强度明显大于素土,并且在含水率为9%时黏聚力增加显著,说明根能起到加筋作用,能够用来约束土体变形、增加抗剪强度。③在一定条件下,黏聚力和含根量成线性正相关关系;黏聚力和含水率对数成反比关系,即在一定条件下随着含水率增大,黏聚力降低。通过拟合得到根系加筋效应公式τ_f=c+σtan φ=c_0+a+bx+σtan φ,只要给定含水率和含根量,就能初步计算出抗剪强度。     

草本植物根系对高液限土的加固效应

[目的]探索草本植物根系对高液限土的加固效应,为工程中合理预估植物根系在高液限土质边坡防护中的作用提供依据。[方法]以高羊茅根系及其与高液限土壤构成的根—土复合体为研究对象,通过一系列室内直剪试验分析高液限土含水率和含根量对抗剪强度的影响。[结果]在土样中掺加根系可以显著提升其黏聚力,小幅提升其内摩擦角。根系对土体的加固效果随着含水率增加呈现先上升后减小的趋势。不同含水率梯度下根—土复合体的最优含根量有所区别,对于20%和25%含水率的土样,其最优含根量大致在0.3%附近,对30%含水率土样在0.4%附近,对35%~45%含水率土样在0.5%附近。[结论]草本植物根系可以有效抑制高液限土的水敏性,且在不同含水率梯度下根系发挥的作用差异显著。     

基于三轴UU试验的土体含水率对根土复合体强度特性的影响

为研究自然边坡其强度特性随含水率的变化规律。通过设计不同体积含水率(20%,27%,35%,40%,45%)和2种含根量(RAR=0.1%,0.3%)的重塑土进行不固结不排水三轴试验,以研究含水率对土体破坏方式、抗剪强度和初始切线模量的影响。结果表明：(1)试样破坏模式多为剪切变形和剪胀变形,在含水率为20%,27%时,出现明显剪切贯穿面破裂带,其余含水率下表现为剪胀变形;(2)含水率对根土复合体抗剪强度主要体现在黏聚力上,含水率从20%升至45%时,2种含根量的根土复合体黏聚力分别降低67%,72%;含水率低于35%时,可用对数关系表示,随含水率升高,黏聚力明显降低;含水率达到35%以上时,可用线性关系表示,黏聚力下降速度减缓;含根量增加,抗剪强度提高;(3)不同含根量和围压下根土复合体初始切线模量与含水率关系可以用线性关系拟合,含水率从20%升至45%时,2种含根量的根土复合体初始切线模量平均分别降低43%和47%。综合考虑土体弹塑性和植物因素对土体位移或变形的影响,可提高边坡稳定性计算精度。研究结果可为植物边坡以及水土保持植被建设治理提供科学参考,丰富根系固土领域的科学理论。     

冻融时间和含水率对紫穗槐加筋黄土抗剪强度的影响

[目的]研究紫穗槐根系在不同含水率和不同融化时间对土体加固作用,为季冻区紫穗槐固土效应提供设计依据。[方法]以取自西宁市黄土为研究对象,用室内三轴试验方法研究紫穗槐根系根—土复合体的应力应变及强度特性,探讨在不同解冻时间和不同含水率下紫穗槐根—土复合体抗剪强度指标变化规律,并通过SEM电镜扫描试验从微观的角度评价紫穗槐根系的加固机理。[结果]紫穗槐根系在不同含水率时有不同的加筋情况,在低含水率和高含水率加筋作用更加明显;在冻融前后紫穗槐根系的加筋作用体现在当土体受到荷载作用时,紫穗槐根系会束缚土颗粒之间的移动,增大土颗粒之间的咬合以及增大根系和土颗粒之间的接触面,从而增大内摩擦角;通过电镜扫描试验可以看出,紫穗槐根系可以抑制土体中的裂隙产生与发展,从而增大土体的整体性。[结论]紫穗槐根系在不同地区均能起到加筋作用。不同含水率会存在不同的最佳含根量,紫穗槐根系的固土作用体现在增大土体的内摩擦角,增加土体的整体性。     

周期性淹水对水库消落带根土复合体抗剪性能的影响

为了探究三峡水库消落带根土复合体抗剪性能的影响机制，以狗牙根根土复合体为研究对象，利用三轴试验，定量分析含水率、干湿交替次数以及含根量对根土复合体抗剪性能的影响。结果表明：(1)随着干湿交替次数和含水率的增加，土壤抗剪性能逐渐劣化，含水率13%的根土复合体抗剪强度依次比含水率18%、含水率23%的土壤抗剪强度提高0.12%～14.76%,12.47%～21.14%;经历干湿交替6次与3次的根土复合体抗剪强度比经历1次的降低6.31%～14.71%与2.41%～8.19%。(2)根系含量能显著影响土壤抗剪性能，含根量为1.5 mg/cm³的土壤抗剪强度比含根量为0.5 mg/cm³的土壤抗剪强度提高0.86%～21.10%,内摩擦角增长0.09%～16.31%,黏聚力增长2.27%～30.55%。(3)含水率是影响土壤抗剪性能最主要的因素，对抗剪强度的贡献程度排序上为含水率(61.30%)>干湿交替次数(21.17%)>含根量(8.28%)。研究结果为消落带固土护岸的物种筛选、群落构建、水土保持生态建设、生态系统重建以及水库岸线管理...     

生态防护技术对稀土矿山边坡的固坡效果

[目的]探讨以狗牙根系和竹格为主要材料组成的生态护坡模式对离子型稀土矿山原地浸矿采场边坡的固坡效果及加筋效应,为赣南地区稀土矿山采场边坡防治技术提供新的思路。[方法]使用狗牙根与稀土矿砂质黏土构成的根—土复合体为研究对象,通过直剪试验分析土壤含根量和含水率对抗剪强度的影响,采用二维有限元法分析"竹格+狗牙根"的生态护坡模式对边坡稳定性的增强作用,利用正交试验的直观分析法对竹桩间距、长度和直径支护参数进行优化。[结果]植物根系可以显著提升土壤的黏聚力,但对内摩擦角的影响较小。当含根量达到0.5%及以上时,根—土复合体的抗剪强度增幅呈下降趋势,即存在最优含根量。根系对25%含水率条件下的土体加筋效应最显著。该生态护坡模式能够显著增强边坡的稳定性,当竹桩长度取3 m,间距2.5 m,直径8 cm时,其防护效果最佳。[结论]狗牙根根系在不同含水率、不同含根量条件下其加筋效果存在差异,"竹格+狗牙根"的生态护坡模式能够有效防止边坡浅层土的滑移。     

紫色土和黄壤草本根土复合体抗剪性能试验研究

以重庆常见的紫色土和黄壤草本根土复合体为试验对象,研究含水率和含根量对土壤抗剪强度的影响,结果表明:①在试验含根量范围内,根系提高了土样抗剪强度,黏聚力和内摩擦角随含根量的增加而增大,但存在最优含根量区域,黄壤最优含根量为1%,紫色土最优含根量为0.6%;②在试验含水率范围内,黏聚力和内摩擦角受含水率影响显著(P<0.05),且随含水率的增加表现为先增加后减少,存在最优含水率,黄壤最优含水率为20%,紫色土最优含水率为25%;③在试验含水率范围内,含根量对紫色土黏聚力和内摩擦角的影响比黄壤大。     

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。     

不同类型土壤—柠条根系复合抗剪力学特性的比较

为揭示柠条根系固土抗蚀机理,以柠条锦鸡儿与低液限粘土、砒砂岩风化土、含细粒土砂3种土壤类型的根土复合体做为对象进行室内直剪试验,研究3种土壤类型的柠条根土复合体抗剪强度及强度指标,分析其差异性.结果表明:3种不同土壤类型下柠条根土复合体剪切规律均服从摩尔—库仑强度破坏准则.0.05显著水平下,12.5kpa下根系提高土...     

紫穗槐根-土界面拉拔摩阻特性

[目的]探究不同影响因素下紫穗槐根—土界面拉拔摩阻特性的变化规律，为研究区栽培植物种的选择提供理论依据。[方法]通过室内拉拔试验研究有无须根、根径、拉拔速率对紫穗槐根—土复合体最大拉拔力、拉拔摩阻强度、根土界面摩擦系数的影响。[结果]紫穗槐直根带须根—土复合体和直根—土复合体拉拔过程中的拉拔力—时间曲线以及拉拔力—位移曲线基本一致，但同径级紫穗槐直根带须根—土复合体的最大拉拔力、根土界面摩擦系数、拉拔摩阻强度较直根—土复合体均提高了1.3倍，须根明显提高了根段的固土性能。随根径增大，紫穗槐直根—土复合体的最大拉拔力、拉拔摩阻强度、根土界面摩擦系数呈指数正相关；随拉拔速率增大，紫穗槐直根—土复合体的根土界面摩擦系数、拉拔摩阻强度均呈增大趋势，即500 mm/min(0.74,40.11 kPa)>10 mm/min(0.65,35.58 kPa)。冗余分析表明根径、有无须根、拉拔速率与紫穗槐根—土界面拉拔摩阻特性指标均呈显著相关关系，其中贡献率最高的是根径(55.4%),其次是有无须根(23.7%),第三是拉拔速率(20.9%)。[结论]紫穗槐具有较强的固土性能，在承受大风拉拔、径...     

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...     

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。     

油松根系的固土力学机制

为深入了解林木根系固土力学机制,探讨不同条件下的根系固土作用,对油松根系进行了拉伸、拔出和根土复合体三轴试验。结果表明,油松根系的抗拉力随根系直径的增大成幂函数关系增加,而抗拉强度随直径的增大无明显变化规律;根系受拉的应力—应变曲线特征参数不同,以二次多项式模型拟合效果最好,均为单峰曲线,具有弹塑性材料的特征,极限应力和极限延伸率的大小与根系直径无明显的关系;根土界面最大摩擦力随着根径的增加呈现出近似线性的增长趋势。根径越大,根系越深,根土界面摩擦力就越大,进而对土壤的摩擦锚固作用就越强。相同根径时,根土复合体的抗剪强度随围压的增加而增大。相同围压下,根土复合体的抗剪强度随着根径的增加而增大。相同的根径和围压下,垂直埋根方式的根土复合体抗剪效果好于水平埋根方式。     

基于图像重建的黄连根系-土壤复合体力学特性仿真与试验

针对黄连（Coptis chinensis）收获过程机械化程度低，根土复合体力学特性研究缺乏的问题，该研究以收获期黄连为研究对象，运用增量式运动恢复结构（incremental structure from motion，ISFM）和多视图立体（multi-view stereo，MVS）算法，通过多视角图像三维重构，将建立的高保真根系形态模型应用于不同条件下的根系-土壤复合体力学特性研究中。首先，通过田间采样和室内力学特性试验，得到根茎的平均剪切模量和泊松比，并测得不同深度的土壤和根土复合体的平均抗剪强度等物理力学参数。再以试验获得的入土深度为0～30 mm的土壤和根土复合体的平均抗剪强度作为响应值，采用Plackett-Burman试验和Central Composite试验等进行离散元仿真参数标定，并在EDEM软件中进行不同深度的土壤和根土复合体直剪试验数值模拟。结果表明：当土壤含水率在49.58%～62.96%、根系含水率在80%～230%的范围内时，在不同入土深度下，收获期黄连根土复合体离散元模型的内聚力和内摩擦角与试验结果的平均误差分别为3.48%和5.21%，标准差分别为3.44%和1.63%，验证表明通过图像重建根系模型可靠，并可用于模拟根土复合体力学行为。模拟方法可为黄连机械化收获关键工作部件设计和工作参数优化等提供理论依据。     

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。     

基于两种计算模型的油松与元宝枫根系固土效能分析

[目的]定量分析北方常见植物(油松、元宝枫)根系对提高土壤抗剪能力的作用,为更好地评价植物根系固土效能提供理论基础。[方法]选取不同根系面积比(RAR)的油松(Pinus tabulaeformis)根土复合体、元宝枫(Acer truncatum)根土复合体及素土分别进行了不同垂直压力下的直剪试验,得出了油松根土复合体、元宝枫根土复合体及素土的抗剪强度增量。并通过根系的拉伸试验测定了植物根系的抗拉强度,同时使用Wu的根土复合体模型和Pollen的纤维束模型对抗剪强度增量进行模拟并与实际测定的抗剪强度增量进行对比分析。[结果](1)根系主要通过增强土壤的黏聚力来增强土壤的抗剪切强度;(2)植物根系抗拉强度、拔出强度与根系直径都符合幂函数关系,抗拉强度和拔出强度大小存在阈值,根系大于2mm时,根系拔出强度小于根系抗拉强度,小于2mm时则反之;(3)Wu的根土复合体模型高估植物根系固土效果值平均为26.81%,而纤维束模型对根系提高土壤抗剪强度则平均高估9.82%。[结论]相对于Wu模型,纤维束模型对土壤的固土效果的计算更为准确。