不同降雨强度下植被护坡对边坡位移的影响

为研究不同降雨强度下植物根系对边坡土体位移的控制效果,采用PLAXIS 3D有限元软件对3种降雨强度下植物根系固土边坡进行数值模拟计算,结果表明:边坡未采用植物根系护坡时,降雨会导致边坡表层土体发生较大位移,土体位移增大范围包含整个坡面。边坡采用植物根系护坡时,能有效减少边坡表层土体位移,边坡土体位移增大范围比无根系防护边坡明显减小,主要分布在边坡坡面中上部。降雨强度为5,10和20 mm/h时,植物根系固土边坡土体最大位移相比无根系防护边坡减小幅度分别为89.8%,80.3%和71.8%,可见降雨条件下植物根系能够有效控制边坡土体位移,但随着降雨强度增大,植物根系对边坡表层土体位移的控制效果会有所减弱。对边坡进行稳定性分析可知,植物根系的存在能有效提高边坡浅层范围内土体的抗剪强度,从而使边坡表层土体塑性点数量减少;还能显著减小发生滑坡时的偏应变增量,并且缩小潜在滑动面的发生区域,提升边坡的稳定性。为了保证强降雨条件下边坡稳定性,提出了植物根系结合锚杆支护的综合护坡方式,该支护方式能够有效降低强降雨条件下边坡土体的位移,增强边坡稳定性。     

关于植物根系形态分布研究进展与新方法探讨

根系是影响植物生长的重要组成部分,同时根系对浅层边坡加固具有重要作用。根系结构是一个具有自相似特征的非规整复杂形体,欧氏几何中难以定量测量,将分形理论应用于根系结构中,能很好的定量描述根系结构形态。本文分析植物根系护坡和分形理论在植物根系中应用这两个领域国内外研究成果。在此基础上提出,基于L-系统理论构建植物根系形态模型,利用有限元软件数值模拟根系模型与土共同作用对边坡稳定性影响的思路。     

季冻区边坡表层粉质粘土力学指标影响因素室内试验研究

本文通过室内三轴试验研究冻融作用下边坡表层粉质粘土土体随含水量、密实度、冻融次数、是否存在植物根系等不同条件下土的力学指标变化规律,对提高季冻区边坡防护效果具有一定的理论指导意义。研究结果表明:(1)土体主应力差在植物根系作用下明显提高,在含水率13%左右提高明显;加根土主应力差随土的密实度增加而显著提高。(2)含水率较小时,土体黏聚力随含水率的增加而增大,当含水率在13%左右时,黏聚力最大,当含水率大于13%后,黏聚力开始随含水率增加而减小。植物根系作用下粘聚力随土体密实度增加而增大。(3)随含水率增加土体内摩擦角减小,含水率越大内摩擦角减小幅度越大。含水率较大时植物根系对土体内摩擦角影响较小;含水率较小和密实度较大时植物根系对提高土内摩擦角作用明显。     

铀尾矿库茅草植物根系发育的分形特征

研究了非线性科学中的分形几何理论,并将其应用到植物根系发育的结构上,对铀尾矿库上采集的茅草（Lemongrass）植物根系分形特征进行了研究。用FractalFox软件计算了植物根系的分形维数,结果发现：这种植物根系分维数都介于1．3305～1．5214之间,说明这种植物根系分形特征明显。实验中还发现生长在水环境旁的根系分维数明显高于在干燥环境下的根系分维数,说明湿润的环境能促进植物根系发育。     

川南不同退耕还竹林土壤团聚特征比较

以川南地区常用的退耕还林竹种撑绿竹和硬头黄竹为研究对象,分析退耕5年、10年和非退耕竹林土壤团聚特征和分形维数,探讨分形维数与土壤基本特性之间的关系.结果表明:与农耕地相比,退耕还竹林地土壤水稳性大团聚体含量明显增加,退耕10年的撑绿竹和硬头黄竹林水稳性团聚体含量最高,分别为农耕地的163.27％和158.36％;平均质量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)的变化范围为0.84～2.50 mm和1.04～1.98 mm,不同土层间MWD和GMD表现一致,均为表层土最高,中层土次之,下层土最低;各土层的微团聚体分形维数为2.308～2.526,且由表层土到中层土呈上升趋势,至下层土无明显变化规律.回归分析表明土壤分形维数与土壤黏粒(＜0.002 mm)含量呈极显著正相关关系,与其他粒级含量、土壤密度和土壤有机质含量无显著相关性,因此无法用土壤分形维数来表征该地区土壤密度和有机质含量.研究表明:退耕还竹有利于降低土壤板结,提高土壤大团聚体数量;撑绿竹和硬头黄竹均可以有效降低土壤分形维数,改善土壤通透性,提高土壤结构的稳定性,进而增加土壤的抗侵蚀能力,发挥保持水土作用.     

紫穗槐根系形态与固土护坡效应研究

本文采用紫穗槐根系的现场调查和根系扫描图像数据的方法,通过对根长量、根长密度、根体积和单位体积土中含根量4根系指标数据的测定和分析,研究根系对边坡土体水土保持的效果。结果显示,紫穗槐属于深根性直根树种,主干根的优势极为显著,分布最深可达50 cm土层以下,须根在各个土壤层次中均有不同径级根系的分布,根长和根量指标也随着土层的加深而均匀递减。根系能够对土体起到锚固和加筋作用,对边坡表层土体的水土侵蚀起到有效保护作用。     

公路植物护坡水文与力学效应的理论研究

公路边坡种植植物后土体和植物体系组成有机整体，提高了边坡的稳定性。其中茎叶的水文效应与根系的力学效应起着主要的作用。建立茎叶的水文模型以及根一土相互作用力学模型，即可以定性及定量分析植物的护坡作用，为植物护坡工程的设计计算提供一定的参考，以达到减小水土流失和边坡病害的发生的目的。     

根系对边坡土体抗崩解能力影响的试验研究

通过对模型箱根—土的试验研究,探索了混合种植林草的边坡土体的初始含水量、边坡坡度及有效根密度等对边坡土体抗崩解能力的影响。研究结果表明:边坡土体的抗崩解能力不但与边坡坡度和土体的初始含水量有关,更与边坡土体中的有效根密度有关;在一定的初始含水量条件下,土体抗崩解能力随着有效根密度的增大而呈幂函数增长趋势;在此基础上提出了不同初始含水量和不同有效根密度条件下土壤完全崩解所需时间的计算公式。研究结果为揭示植物根系对边坡稳定性的增强机理提供了理论基础,也对促进生态护坡和植物边坡的水土保持等技术的发展具有一定的理论及工程应用价值。     

四种暖季型草坪草的固土性能研究

对4种暖季型草坪草的固土性能进行了力学试验比较。对根系抗拉强度和土壤抗剪强度进行测定,结果表明:不同草坪草根系具有不同的抗拉强度,百喜草根系平均抗拉强度34.64 MPa假俭草27.58 MPa狗牙根26.31MPa结缕草22.82 MPa;不同坡度与植物种类影响着根系对土体抗剪强度的强化作用;运用加权平均法综合评价分析4种暖季型草坪草土体抗剪强度,排序为百喜草假俭草结缕草狗牙根。     

泥石流生物治理机理探讨——用测树木根系固结力方法

<正> 前人研究植物根系多从事于根系的形态、分布、类型和功能,尚未见到国内文献记载研究树木根系固结力。泥石流研究中研究森林与泥石流形成关系和研究森林在泥石流治理中的作用,亦多是从森林水文学角度去研究,也就是研究林木土地上部分的作用,而多数忽略了地下部分(根系)与土体之间的力的关系——即固结力,这种“力”,有利于土体稳定,防止坡地重力侵蚀,从而减少泥石流固体物补给,因此森林植被也起到防治泥石流的作用。本文介绍笔者自1980年以来从事森林植被与泥石流形成关系和生物防治泥石流研究,利用研究     

路基边坡草灌植被消减降雨侵蚀作用机理探讨

为深入探讨草灌植被消减降雨侵蚀作用机理,提高其生态防护效益,2005～2008年,选择路基边坡不同土壤类型和草灌植被为研究对象,通过野外径流小区法和数据分析,探讨了边坡草灌植被消减降雨侵蚀作用机理。结果表明:(1)降雨侵蚀力被草灌植被消减效果得到量化,植被覆盖度越大,效果越好;(2)降雨侵蚀力R值与土壤流失量正相关,建立了二者幂函数关系式;(3)边坡植被保持水土效果:砂姜黑土:紫花苜蓿93.1%,高羊茅92.3%,紫穗槐91.8%,狗牙根88.0%,小叶扶芳藤77.9%;黄粘土:紫穗槐96.6%,紫花苜蓿95.8%,高羊茅95.4%,小叶扶芳藤94.6%,狗牙根89.1%;粉砂土:高羊茅91.8%,紫花苜蓿90.7%,狗牙根87.3%,紫穗槐84.2%,小叶扶芳藤82.4%。该成果对路基边坡生态防护具有实际指导作用和理论价值。     

天然红海榄支柱根的空间连接与分形表征

以广东湛江特呈岛红树林自然保护区内的红海榄纯林、红海榄+木榄、红海榄+白骨壤、红海榄+木榄+白骨壤混交林4种群落类型为对象,运用最小距离指数、连接度指数分析红海榄支柱根的空间连接和分布规律;同时,采用分形维数与拓扑指数确定红海榄支柱根的分形特征,分析根系分支状况以及分形特征与支柱根性状之间的相关性.结果表明:红海榄同级支柱根之间的空间连接程度不高,近于随机分布格局;4种群落类型中红海榄支柱根均具有较好的分形特征,分形维数为1.468 5～1.554 5,具有较强的利用与占据生态空间的能力;红海榄支柱根拓扑结构复杂,拓扑指数为0.366 4～0.448 5,接近叉状分支模式,有利于扩展生态空间和增加植株的稳定性;根系分形维数与支柱根数量、平均连接长度等性状之间的相关关系显著.     

黏性土边坡上条形基础安全距离分析

在边坡上修建建筑物时,基础距坡顶的水平距离将直接影响到建筑物和边坡的稳定性,而目前缺乏合理确定基础距坡顶安全距离的方法。采用数值方法建立了不排水条件下黏性土坡上条形基础的计算模型,通过与经典文献中的计算结果对比验证了数值计算的可行性,然后通过数值计算得到的承载力系数变化趋势来确定安全距离。在大量数值分析的基础上,研究了土体强度、土体重度、基础宽度、边坡坡角等因素对于安全距离的影响。结果表明:土体的归一化抗剪强度对于边坡破坏模式以及基础的安全距离都有较大的影响;当边坡较陡尤其是抗剪强度较低时,基础距坡顶的安全距离明显增大;当坡高大于一定值后对于基础承载力系数的影响可忽略不计。通过结果整理,得到了不同情况下的安全距离的建议取值,为实际工程中确定建筑物在坡上的位置提供参考。     

宿迁市公路边坡绿化常见草本植物根系固土特性研究

本文以江苏省宿迁市绿化常用草本植物高羊茅为研究对象,通过植物学和材料力学的研究方法,对高羊茅根系的土体分布特征和单根抗拉力学特性进行研究分析。结果显示:在0~40 cm土层中,高羊茅直径≤1.0 mm的根系密度大于直径>1.0 mm的根系,且其生物量随土层深度的增加而减少;高羊茅根系的单根抗拉力与根系直径之间呈正相关关系,抗拉强度与直径之间呈负相关关系。研究表明高羊茅根系具有较强的固土护坡能力,可以有效增强土体稳定性,在减缓公路土石边坡水土流失方面发挥较大作用。     

毛乌素沙地油蒿植冠下表层土壤粒径特征分析

为探索毛乌素沙地油蒿植冠下表层土壤结构与土壤稳定性的关系,分析了油蒿植冠微环境下土壤粒径特征及其相关因素。研究表明:油蒿植冠下表层土壤机械组成以砂粒为主,占总质量的81.51%,其次是粉粒,占16.66%,粘粒含量最少,占1.83%,有机质平均含量4.52 g/kg,总氮平均含量0.19 g/kg,受油蒿植株形态结构特征等因素影响,油蒿植冠下表层土壤不同方向、同一方向不同距离处土壤颗粒组成及养分状况存在差异;油蒿植冠下表层土壤颗粒分形维数介于1.694至1.876之间,土壤分形维数与土壤粘粒含量呈显著正相关(p0.05),与砂粒、粉粒的相关性不显著,与土壤有机质、总氮含量呈显著负相关(p0.05)。土壤微团聚体作为土壤结构的颗粒单元,其含量及组成与土壤抗侵蚀性密切相关,在对油蒿群落进行恢复重建过程中,要充分考虑油蒿植冠微环境下表层土壤粒径特征。     

基于分形维数特征的原木漏节图像的研究

采用X射线法透射木材,根据检测透射物体后射线的强度差异,建立木材X射线的分形模型。采用计算盒子维数的方法对原木漏节X射线图像进行有效的边缘检测,用分形维数D的大小来定量描述原木漏节图像的不规则程度,以确定缺陷所在。研究表明背景部分与边缘部分的分形维数存在一定程度的差别,正常部分分维数值大约在2.007 3左右,漏节边缘分维数值大约在1.400 0~1.900 0之间。     

基于分形维数的黄土丘陵沟壑区不同人工林对土壤结构和养分的影响

研究黄土丘陵沟壑区不同人工林土壤颗粒的分形特征及其与土壤结构和养分的关系,以土壤体积分形维数来比较清水河县不同人工林对土壤结构和养分的影响,以期了解不同人工林土壤的结构和养分状况,为人工林的林种选取和合理化经营提供参考。以研究区9种人工林为研究对象,以无林地地作为对照,利用激光粒度仪测定土壤粒径分布并计算分形维数,用单项指标评价养分状况,将土壤分形维数与养分进行相关分析。研究区人工林土壤体积分形维数值介于2.1785～2.3192之间,土壤体积分形维数表现为油松×落叶松>落叶松、油松×山杏（P>0.5）>沙棘×柠条、山杏×柠条、沙棘（P>0.5）>油松、柠条、山杏（P>0.5）>裸地。土壤体积分形维数与黏粒、碱解氮、速效钾、速效磷呈显著正相关（P<0.5）,与砂粒呈显著负相关（P<0.5),与粉粒、有机质无明显相关性。不同人工林养分评价结果与分形维数差异不显著。研究区人工林对土壤结构和养分改良效果显著,油松×落叶松、油松×山杏混交林及落叶松纯林对于土壤结构和养分影响较大,改良效果最佳。     

四川山矾根系分支节点对根系固土效益的影响

【目的】研究根系形态学参数和力学参数对固土效果的影响,进一步了解根-土相互作用机制和固土机制。【方法】利用改装过的万能试验机测定四川山矾根系的抗拉强度、杨氏模量、摩擦力等力学特性,利用自制的大盒直剪装置测定含根土样本的抗剪强度。分析根系形态学参数与力学特性参数的关系。【结果】1)四川山矾的根直径与根长、抗拉强度、杨氏模量和拔出力都符合幂函数关系。其中,根直径与抗拉强度和杨氏模量呈负相关,根直径与根长、拔出力呈正相关。2)四川山矾根系分支节点数的增加,可显著提高根系拔出力,但分支节点对单位根长度拔出力的影响较小。3)四川山矾根系分支节点的增加,可显著提高根系的土壤加固效果,每存在1个分支节点可提高根系附加抗剪强度约50%。分支节点的增加可显著提高单位根长和根直径的附加抗剪强度。4)主成分分析发现,对根系附加抗剪强度的极值影响最大的参数为根长之和,而对根系附加抗剪强度的屈服值影响最大的参数为根直径之和。【结论】四川山矾根系分支节点的存在对根系的拔出强度和最终的固土效果都有显著影响,是根系固土效果定量研究中的重要参数,这对理解和分析边坡植物根系加固土壤的机制有重要意义。     

微生物固化粉土坡面的植物适生性研究

微生物固化粉土坡面能够提高粉土边坡的抗侵蚀能力,微生物固化防护层的物理力学特性以及植物的适生性是影响该技术应用的重要因素。采用巴氏芽孢杆菌以及胶结液对粉土进行表层喷洒固化处理,研究高羊茅和披碱草在微生物固化表层的粉土中的出苗生长情况。试验结果显示,提高胶结液浓度能够获得更高的粉土表层固化层强度。采用高浓度胶结液的固化层水稳定性更好。粉土表层经微生物固化后高羊茅和披碱草的出苗率随着固化层贯入阻力的提高而降低,出苗时间延迟4～5 d。固化层贯入阻力低于280 k Pa时,出苗率可达到80%以上。采用菌液和浓度为0.75～1.00 mol/L、喷洒量0.06 m L/cm2的胶结液喷洒3遍处理,可以保证粉土坡面既具有一定防护强度,又能够保证高羊茅正常生长。粉土经微生物固化表层后不适于披碱草的生长。研究结果表明,微生物固化粉土坡面对草本植物具有一定的适生性;植物种类及固化层强度是影响出苗率和出苗速率指数的重要因素。将微生物坡面防护与植物防护相结合的粉土坡面防护技术有良好的发展潜力。     

基于连续断裂过程的根系黏聚力Wu氏模型修正系数的确定

【目的】研究根系黏聚力Wu氏模型的修正系数,可提高Wu氏模型的精确度,进而提高造林边坡稳定性评价的准确性。【方法】针对Wu氏模型对根系黏聚力的高估问题,以刺槐和侧柏根系为研究对象,应用复合材料学的连续破坏理论,阐述根系的渐进失效过程,提出基于连续断裂过程的根系黏聚力Wu氏模型修正系数,即断裂修正系数,并研究不同算法间修正系数的差异性以及修正系数与根截面积比之间的关系。【结果】根系断裂修正系数随算法(P0.001)、树种(P0.001)和土层深度(P0.001)的变化而有显著差异;位移控制式算法引入的修正系数显著高于由拉力控制式算法引入的修正系数(P0.001);断裂修正系数随深度的增加而增加,表层30 cm内的修正系数显著低于深层根系(P0.001);根截面积比与断裂修正系数的负相关性存在阈值,当根截面积比小于阈值时(刺槐0.14,侧柏0.11),断裂修正系数随着根截面积比的增加而减少;当根截面积比大于阈值时,断裂修正系数的根截面积比效应不显著。【结论】根系断裂修正系数随算法和树种不同而变化,随土壤深度增加而增大,且在根截面积比阈值范围内(刺槐0.14,侧柏0.11)与根截面积比呈负相关关系。研究结论能为评价造林边坡的稳定性、揭示植物护坡的力学机理提供理论基础,并为水土保持工程植物措施的选择提供科学依据。