西宁盆地黄土区典型草本植物单根抗拉力学特性试验

为进一步探讨西宁盆地黄土区草本植物根系固土护坡力学效应,该项研究以种植于西宁盆地自建试验区生长期为150 d的垂穗披碱草(Elymus nutans Griseb.)、细茎冰草(Agropyron trachycaulum Linn.Gaertn.)及紫花苜蓿(Medicago sativa L.)3种草本植物作为试验供试种,通过单根拉伸试验对比分析了3种草本植物在不同根径级别条件下,单根抗拉力、单根抗拉强度以及单根极限延伸率的差异性及其与根径之间的关系,同时进一步分析了3种草本植物单根在拉伸过程中表现出的应力-应变特征。试验结果表明:3种草本植物根径在(0.10,0.20]、(0.20,0.30]、(0.30,0.40]、(0.40,0.50]及(0.50,0.60]mm 5个根径级别条件下,紫花苜蓿单根抗拉力和单根抗拉强度较垂穗披碱草平均高1.32倍、1.30倍,较细茎冰草平均高1.26倍、1.31倍;垂穗披碱草单根极限延伸率较细茎冰草和紫花苜蓿平均高1.13倍和2.16倍。进一步研究表明,在根径为0.10~0.60 mm条件下,3种草本植物单根抗拉力和单根抗拉强度随着根径的增加,分别呈幂函数增长和幂函数降低关系;3种草本植物单根极限延伸率随着根径的增加呈逐渐增大变化趋势。单根拉伸试验过程中,3种草本植物单根应力-应变关系曲线表现出弹性变形、弹塑性变形、应变硬化及断裂破坏4个阶段,其中垂穗披碱草和细茎冰草的应力-应变关系曲线具有双峰值现象。研究结果表明,紫花苜蓿根系增强边坡土体抗剪强度的作用相对较为显著,其次为细茎冰草和垂穗披碱草。该项研究成果对于科学有效防治研究区高寒干旱环境条件下,坡面水土流失、浅层滑坡等地质灾害现象的发生,具有理论研究价值和实际指导意义。     

模拟自然降雨条件下植物根系增强边坡土体抗剪强度特征

该研究以位于青藏高原东北部黄土区的西宁盆地作为试验区,采用柠条锦鸡儿(Caragana korshinskii Kom.)、霸王(Zygophyllum xanthoxylon(Bunge)Maxim.)、垂穗披碱草(Elymus nutans Griseb.)、细茎冰草(Agropyron trachycaulum(Linn.)Gaertn.)的单播种植,以及柠条锦鸡儿分别与细茎冰草、垂穗披碱草混播种植等2种方式,开展了原位模拟降雨试验并采用直接剪切试验,系统分析了模拟降雨试验前后试验区边坡表层以下3个不同位置处复合体抗剪强度大小及其随深度变化规律。结果表明:模拟降雨试验前,由柠条锦鸡儿与细茎冰草、垂穗披碱草混播的边坡a层(0~20 cm)根-土复合体黏聚力分别为19.5、18.9 k Pa,均较相同条件下单播边坡a层复合体黏聚力大;混播种植边坡各层根-土复合体黏聚力均较模拟降雨试验后裸坡a层土体黏聚力大,其中柠条锦鸡儿与细茎冰草混播边坡、垂穗披碱草混播边坡模拟降雨试验后,a层复合体黏聚力分别较裸坡a层黏聚力的增幅为30.65%~56.45%;柠条锦鸡儿、霸王、垂穗披碱草、细茎冰草单播边坡b层复合体黏聚力增幅为4.17%~38.89%;柠条锦鸡儿分别与细茎冰草、垂穗披碱草混播边坡b层黏聚力增幅为29.17%~34.72%;边坡c层土体黏聚力增幅相对不及a层、b层显著,反映了草本起到浅层加筋作用,灌木则起到深部锚固作用。     

寒旱环境植物根系增强边坡土体抗剪强度试验研究

研究以地处西宁盆地的青海大学自建试验区作为研究区。采用草本、灌木植物单一种植和混合种植的方式,对种植植物边坡及未种植植物的素土边坡在A层(坡面地表0cm)、B层(坡面以下20cm)深度处的根—土复合体试样进行直接剪切试验,探讨了单一种植和混合种植两种种植方式下边坡土体抗剪强度的变化特征。结果表明:(1)单一种植的草本边坡在A层处根—土复合试样的粘聚力值分别为24.09,22.81kPa,均显著大于灌木边坡A层深度处根—土复合体试样的粘聚力值19.03,17.91kPa,且相对于素土试样的粘聚力值,草本根—土复合体试样的粘聚力值的增加幅度依次为104.67%,93.80%,灌木根—土复合体试样粘聚力值的增加幅度依次为61.68%,52.17%,显然,草本根—土复合体的粘聚力值增长幅度大于灌木植物;(2)随边坡土体深度的增加,单一种植方式下草本边坡根—土复合体试样粘聚力值呈递减趋势,即粘聚力值依次由24.09,22.81kPa递减至19.06,21.02kPa,这在一定程度反映出草本对边坡浅层土体抗剪强度的增强作用相对较为显著;(3)2种草本和灌木混合种植方式下根系对边坡土体抗剪强度的贡献值,均大于相应位置处2种草本和灌木单一种植方式下的贡献值,即混合种植条件下复合体的粘聚力值较单一种植时的增加幅度为0.13%~42.83%。该研究成果为定量评价边坡不同种植方式下植物根系增强边坡土体抗剪强度提供了理论依据,同时为进一步探讨植物根系增强边坡土体抗剪强机理具有一定理论价值和实际意义。     

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。     

西宁盆地黄土区坡形及植被类型对坡面土壤入渗影响

为进一步探讨青藏高原东北部黄土区草本植物护坡机理,选取西宁盆地长岭沟流域自建试验区,通过设计2种不同坡形和选取适宜当地气候条件生长的3种草本植物,采用野外试验区人工模拟降雨方法,首先分析了坡面土壤水文参数(土壤入渗、坡面土体含水量)分布变化,进而探讨了影响种植草本坡面土壤水分入渗的主要因素与特征,最后对坡面土壤水分入渗过程进行模型模拟与评价。结果表明:种植垂穗披碱草阶梯形边坡产流时间相对最晚,直形裸坡阶段产流量最大,其最大阶段累积径流量在降雨试验40~45 min时,为17 730 mL;2种坡形边坡坡面平均稳定入渗速率由大到小依次为阶梯形种植垂穗披碱草边坡(0.519 mm/min)、直形垂穗披碱草边坡(0.423 mm/min)、直形老芒麦边坡(0.422 mm/min)、直形细茎冰草边坡(0.318 mm/min)、阶梯形裸坡(0.321 mm/min)和直形裸坡(0.192 mm/min),且种植垂穗披碱草和老芒麦边坡土体含水量在地表以下0—50 cm增幅相对最高,说明种植草本有助于边坡土体内部水分入渗。在此基础上,采用Horton模型、Kostiakov模型和通用经验模型进行坡面土壤水分入渗模拟,结果表明直形边坡土壤水分入渗过程以Horton模型和通用经验模型的拟合效果相对较为理想;阶梯形边坡则以Horton模型得到的土壤水分入渗拟合效果相对最优;最后,通过Pearson相关性分析得出,区内边坡土壤水分入渗特性主要影响因素为土壤有机质与植被覆盖度,且土壤有机质与初始入渗率间呈显著正相关关系(R²为0.986),植被覆盖度与稳定入渗率间则呈极显著相关关系(R²为0.997)。研究结果对于科学有效防治高寒半干旱区水土流失以及研究不同植被类型及坡形水土保持能力具有理论研究价值和实际指导意义。     

西宁盆地黄土区草本植物群根效应及其护坡贡献

通过对种植在30°和45°边坡条件下、生长期为1年的垂穗披碱草和芨芨草进行的野外原位动态拉拔试验,分析了试验区所种植的2种草本植物在不同坡度条件下株高、地径、须根数、根长、分蘖数等生长量指标与其抗拔力之间的关系。试验结果表明：植物株高对其抗拔力影响相对较为明显,即当株高达到一定高度时,植物的护坡效果得以较好地发挥出来;两种坡度条件下植物生长量指标存在一定差异,产生该差异的主要原因是不同边坡土体中水分含量不同。植物根系抗拔力与作用时间之间的动态变化过程可划分为初始、中间和最终3个阶段,不同坡度条件下同种草本的抗拔力存在差异,相同坡度条件下不同草本的抗拔力亦存在一定差异。     

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。     

不同植物对黄土边坡产流产沙与抗剪强度的影响

[目的]探讨不同草本植物对黄土边坡产流产沙与抗剪强度特征的影响,为进一步开展高寒干旱和半干旱地区,有效防治因降雨诱发水土流失、浅层滑坡等地质灾害,提供理论依据和实际指导。[方法]在西宁盆地长岭沟流域自建试验区,选取垂穗披碱草(Elymus nutans)、老芒麦(Elymus sibiricus)、细茎冰草(Agropyron trachycaulum)3种优势草本植物为试验供试种,开展原位人工模拟降雨试验与室内直剪试验,分析了模拟降雨条件下6种不同类型植物边坡坡面产流产沙及根—土复合体抗剪强度特征。[结果]在模拟降雨条件下,草本植物能显著抑制坡面产流产沙,阶梯形边坡相对直形边坡能显著降低坡面产流产沙,且随着草本生长期增加坡面产流产沙显著降低,生长期为2 a的种植垂穂披碱草阶梯形边坡坡面累积产沙量较垂穂披碱草直形边坡降幅为79.68%,生长期为1 a的种植垂穂披碱草阶梯形边坡平均产沙率较阶梯形未种植裸坡降低幅度最大为86.27%,表明种植垂穂披碱草阶梯形边坡有效抑制坡面的产流能力相对显著;进一步研究表明,降雨使边坡土体平均含水率增大,导致边坡浅层土体黏聚力降低;与直形边坡相比较,模拟降...     

黄土高原刺槐根系国土的力学增强效应评价

为了评价根系固土的力学增强效应,采用三轴压缩试验研究了中国西北黄土高原上的刺槐(Robiniapseudoacacia)根系-黄土复合体.结果表明:根土复合体极限主应力差最多时候比素土提高了70%,复合体抵抗剪切破坏的能力比素土有明显提高;根系能显著增强土壤黏聚力,复合体黏聚力在含水量12.7%时比素土提高了38%～162%,在含水量12.7%时比素土提高了22%～50%,对土壤内摩擦角影响较小;在含垂直根、水平根和复合根的3种复合体中,根体积比高的复合根土复合体比根体积比低的水平根与垂直根土复合体具有更高的增强土壤抗剪强度的特性;土壤含水量的增加直接导致土壤内部黏聚力下降,对素土和根土复合体抗剪强度产生的是负面效果.     

寒旱环境黄土区灌木与草本植物护坡的水文效应研究

为筛选出护坡效果好的植物,在试验区坡面种植了4种灌木与4种草本植物,观测分析了其护坡的水文效应。试验结果表明:灌木与草本植物的根、茎、叶随着其生长年限的增加而增加;从试验区灌、草植物护坡的水文效应来看,灌木以四翅滨藜表现最强,草本以芨芨草表现最强,二者的株高、分枝数(或分蘖数)、覆盖面积在年度间的增加幅度均比其他同类植物显著;灌、草植物的根、茎、叶具有较强的水文互补效应,在试验区及与其环境条件相同的边坡,采用四翅滨藜+芨芨草+细茎冰草和四翅滨藜+赖草+披碱草护坡,其效果较为理想。     

风荷载作用下三种乔木对边坡变形和稳定的影响

植被对边坡稳定影响机制是全世界性的课题,研究多集中于根系固土能力和边坡稳定性增益方面,针对植被边坡土体变形和稳定性对风荷载作用的响应机制并不清晰。为探讨风荷载作用下土体应力发展和稳定性影响规律,该研究基于前期调查选取缙云山3种典型乔木（杉木、润楠、大头茶）,采用Geo-studio建立边坡数值模型,分析了各坡体模型在不同风速下的应力、位移和边坡稳定系数。结果表明：1）风荷载作用下,在根土盘位置出现了应力集中现象,迎风侧根土盘上部和下部表现为压力和张力,背风侧则相反;随风速和坡度增大,整体转动趋势加剧,总位移中坡位>上坡位>下坡位。2）当坡度较小时,边坡稳定系数随风速增大先轻微增大后迅速降低,坡度较大时,稳定系数随风速变化单调递减。45°陡坡在最大风速（30 m/s）下,大头茶、润楠和杉木的安全系数较无风时分别降低3.6%、27%、11.8%,大头茶边坡在风荷载下平均应力和总位移最小,稳定性受风荷载影响最小。3）林冠宽度、根盘直径对边坡稳定性影响的极差随风速增大而放大,冠高和根盘深度的极差变化不大,林冠宽度和根土盘直径参数为主要影响稳定性的主要因子。类似大头茶具有较大根土盘直径的树种护坡作用受风荷载影响较小,而类似润楠和杉木具有较大树冠高度,较小根土盘直径和较大根系深度的植边坡在风荷载作用下应力集中现象和位移增大趋势明显,风力对稳定性不利,不建议作为多风区域高边坡防护树种。研究结果有助于理解和认识风荷载下土体应力传递机制和对边坡稳定的影响,为多风区域植被边坡防护提供依据。     

贺兰山云杉林根土复合体提高边坡稳定性分析

为了研究贺兰山青海云杉林(Picea crassifolia)边坡根土复合体对边坡稳定性的影响,该文在直剪试验、三轴试验等获得的土壤参数基础上,建立了基于有限元理论的贺兰山青海云杉林边坡稳定性计算数值模型,并在5种坡度条件下(18.43°、21.80°、26.57°、33.69°、45.00°)计算了无林边坡和有林边坡的安全系数、最大塑性应变、最大位移、破坏时间及它们的增长率随坡度的变化规律,并计算了土壤强度参数摩擦角、黏聚力、剪胀角与安全系数的灰色关联度矩阵和平均关联度。结果表明:1)无林边坡与有林边坡的安全系数随坡度的变化规律是一致的,都以幂函数递减。有林边坡相对于无林边坡安全系数的增长率以指数函数增加,且坡度越陡根土复合体对边坡稳定性的提高作用越强;2)根土复合体的存在可以延长边坡的破坏时间,有林边坡的破坏时间均高于无林边坡,根土复合体提高边坡破坏时间的增长率随坡度的增大呈抛物线增加,且坡度越陡提高作用越明显。边坡破坏时有无塑性贯通区会明显改变最大塑性应变、最大位移、破坏时间的值;3)摩擦角、黏聚力、剪胀角3个土壤强度参数中,黏聚力是影响边坡稳定的主导因素,摩擦角、剪胀角的影响次之,此规律不受边坡坡度的影响,这是根土复合体可以显著影响边坡稳定性的根本原因之一。该文的研究结果对于解释森林根土复合体加固边坡作用的本质、推进边坡稳定性计算的数值模拟、防治贺兰山浅层滑坡及水土流失灾害都具有重要的意义。     

紫花苜蓿对黄土边坡浅层破坏防护时间效应的数值分析

为探究紫花苜蓿对黄土边坡浅层破坏防护的时间效应,该研究考虑降雨入渗条件并以含不同生长期紫花苜蓿的黄土边坡为例,基于室内土工试验获取参数,分别采用含植物根系的无限边坡模型和数值模拟两种方法进行稳定性分析。结果表明：降雨作用使得边坡潜在滑动面位置由坡体内部转移到降雨最大入渗深度处;随着坡面植被的生长,边坡浅层土体的强度逐渐提高,潜在滑动面又逐渐转移到边坡内部。根据数值模拟强度折减法,边坡稳定系数随着植被生长不断增大。对比无限边坡模型与数值模拟方法计算的边坡稳定系数,植物根系生长到1.0 m且不论在天然状态或降雨条件下黄土边坡均处于稳定状态,植物根系在0～0.8 m且在降雨条件下时处于不稳定状态,随着边坡植物生长期的延长,边坡稳定系数总体变化趋势一致,即先降低再逐渐增大。草本植物随着生长期的延长,对降雨条件下黄土边坡坡面侵蚀有明显的抑制作用,从而草本植物根系生长能够提高黄土边坡稳定性。当草本植物生长时间达到150 d时,能够有效防治黄土坡面侵蚀,并提高黄土边坡稳定性,因此草本植物生长的前5个月为关键期。研究成果对于黄土边坡浅层破坏防护以及实现黄土地区可持续发展具有重要的理论意义和应用价值。     

不同护坡草本植物的根系分布特征及其对土壤抗剪强度的影响

为明确用于三峡库区植被构建的边坡植物物种根系特征与土壤抗剪强度之间的关系,该文以裸地为对照,应用WinRHIZO(Pro.2004c)根系分析系统对香根草(Vetiveria zizanioides(Lin.) Nash)、百喜草(Paspalum notatum Flugge)、狗牙根(Cynodon dactylon(L) Pers.)和紫花苜蓿(Medicago sativa L.)4种护坡草本的根系特征进行定量分析.研究发现:香根草的根长密度和根表面积密度显著大于其他草本;各草本类型的根长密度、根表面积密度及根重密度均随着土壤深度的增加递减,但随深度的增加,不同草本类型的差异逐步缩小;不同草本类型土壤内摩擦角φ和粘聚力c大小均为:香根草>百喜草>紫花苜蓿>狗牙根>裸地,且随土层深度的增加而降低;随着根长密度、根表面积密度的增大,土壤内摩擦角φ呈显著的对数增长,土壤粘聚力c呈显著的线性增长,且与直径D≤5 mm不同径级的根系特征之间存在明显的相关性.结果表明:相对于裸地而言,4种草本均能显著增强土壤内摩擦角φ和粘聚力c,且根系对土壤内摩擦角φ的提高程度大于土壤粘聚力c;根长密度和根表面积密度,尤其是直径D≤5 mm径级的根长密度和根表面积密度能很好的表征土壤的抗剪强度,可作为评估土壤抗剪强度的重要参数.