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。     

花岗岩残积土边坡草本植物根固效应试验

为了推进根系固土机制的定量研究,在前期边坡调查和植物筛选的基础上,人工种植了百喜草、假俭草、狗牙根3种常见的护坡植物,根据各深度下原状根-土复合体干密度、含水率和质量含根量等物理性质指标,设计了重塑根-土复合体直剪试验方案,实施了3种植物原状和重塑根-土复合体的直剪试验。结果表明:3种原状根-土复合体的抗剪强度在各级法向压力作用下均随含根量的增加而逐渐增大;3种原状根-土复合体的黏聚力和内摩擦角均随深度的增加而减小;3种植物根系在相同的土体状态下对黏聚力的影响排序为狗牙根百喜草假俭草;对土体内摩擦角的影响排序为假俭草百喜草狗牙根。植物根系增强土体抗剪强度的作用不仅受植物种类的影响,还与土体的干密度和含水率密切相关,干密度的增加对黏聚力的提升有显著影响,对内摩擦角的影响却并不大;3种植物重塑根-土复合体的最优含水率均为25%左右。在重塑根-土复合体的直剪试验中,很难探求含根量对抗剪强度指标的影响。     

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。     

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。...     

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。     

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。     

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...     

两种草本植物对红黏土边坡的固土护坡效应

[目的] 探讨两种草本植物对红黏土边坡的固土护坡效应,为该类型边坡、河道、大坝的生态治理提供科学参考。 [方法] 以红黏土边坡为研究对象,选取狗牙根和香根草作为护坡植物,通过种植试验、根系拉伸试验、直剪试验、室内模拟冲刷试验,探讨两种草本植物的护坡效应。 [结果] ①种植150 d内,两种草本植物均稳定生长,根系抗拉强度持续增加;生长30～150 d,狗牙根的最大抗拉力从0.84 N增至8.59 N,香根草的最大抗拉力从4.78 N增至89.89 N。 ②生长120 d时,对比无根土,狗牙根根土复合体的黏聚力提升91.1%,内摩擦角提升12.45%;香根草根土复合体的黏聚力提升107.47%,内摩擦角提升12.74%。 ③生长150 d时,对比裸坡,狗牙根坡的径流速率降低45.02%～54.15%,产沙速率降低58.3%～93.85%,60 min累计产沙量降低81.02%;香根草坡的径流速率降低35.46%～46.48%,产沙速率降低46.8%～89.44%,60 min累计产沙量降低74.61%。 [结论] 两种草本植物对红黏土边坡都具有良好的固土护坡效应,香根草对土体抗剪强度的增益效果更明显,狗牙根的水土保持效果更显著。     

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。     

黄土区3种优势灌木根土复合体的抗剪强度研究

黄土区水土流失严重,生态护坡是比较推崇的防护手段,特别是灌木具有发达的根系,对含根土体有较为明显的抗剪增强作用,因此,比较自然条件下区域适生优势灌木的根土复合体抗剪强度,对于合理选择固土护坡植物具有重要意义。以黄土区常见的优势乡土灌木达乌里胡枝子(Lespedeza davurica)、中国沙棘(Hippophae rhamnoides)和狼牙刺(Sophora viciifolia)为研究对象,野外采用三维土柱挖取灌木的根系,进行不同直径单根抗拉试验和根土复合体的剪切试验。结果表明:(1)达乌里胡枝子、沙棘和狼牙刺的根系集中分布于0—40 cm土层中,它们的根长密度、根表面积密度和生物量密度随着土层深度的增加表现出整体递减的趋势。(2)达乌里胡枝子、沙棘和狼牙刺根系的抗拉力(Tensile Resistance,TR)与抗拉强度(Tensile Strength,TS)都表现为关于直径(D)的幂函数(aD^b),其中抗拉力与根径呈正相关(b>1),而抗拉强度与根径呈负相关(b<1)。(3)不同灌木根土复合体的抗剪强度在地下分布是不同的,在根际范围内随土层加深,达乌里胡枝子根土复合体的抗剪强度表现出先增加后减少而后增加又减少的趋势,最大抗剪强度的土层是20—30 cm和50—70 cm,沙棘和狼牙刺根土复合体的抗剪强度表现出先增加后减少的趋势,最大抗剪强度的土层分别是30—50 cm,0—20 cm。说明灌木的细根可以更好地起到固土护坡的作用,建议在黄土区优先选择达乌里胡枝子和沙棘作为护坡植物,从而为生态护坡提供一些参考。     

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。     

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。     

内蒙古中西部3种乡土植物根系抗拉力学特性的对比研究

[目的]研究内蒙古中西部地区3种乡土植物种根系的抗拉机理,为该区水土保持的树种选择提供依据。[方法]以内蒙古中西部地区3种常见植物柠条、沙棘和紫花苜蓿根系为对象,进行室内单根瞬时极限拉伸试验研究。[结果](1)3种植物单根极限抗拉力随着直径的增加而增大,单根极限抗拉强度随直径的增加均呈幂函数递减。(2)当直径在0.19mm~2.89mm范围内相同径级时,3种植物单根极限抗拉强度和弹性模量均值大小顺序相同,依次为:柠条沙棘紫花苜蓿,3种植物根径≤0.5mm的细根具有较大的极限抗拉强度和弹性模量;(3)同一树种当根系直径相同时,土壤含水率高则其单根平均极限抗拉强度小。[结论]根系的力学特性与形态结构特征的结合,是选择适宜的水土保持树种非常重要的因素。从根系抗拉性能方面评价3种植物根系固土抗蚀能力大小则柠条优于沙棘和紫花苜蓿。     

根系主要成分含量对根系固土效能的影响

选取中国北方两种常见树种油松(Pinus tabulaeformis)和元宝枫(Acer truncatum),对这两种树0.2~6mm直径的根系直径、根系抗拉强度、整根的根土复合体强度、根系3种主要成分含量(纤维素含量、半纤维素含量与木质素含量)进行测定。结果表明,随着根系直径的增加,植物根系半纤维素含量增高,纤维素含量与木质素含量降低,从而植物的抗拉强度降低。植物根系抗拉强度与纤维素含量、木质素含量成正相关关系,与半纤维素含量成负相关关系。因此,在排除根系结构影响的前提下,植物根系纤维素含量与木质素含量是导致不同植物种固土效果差异的直接原因。     

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。