寒旱环境植物根系增强边坡土体抗剪强度的原位剪切试验研究

 选取西宁盆地及其周边地区作为试验区,以种植在试验区30°边坡生长期为150 d的垂穗披碱草、细茎冰草等2种草本和柠条锦鸡儿、霸王等2种灌木为供试种,采用草本和灌木单一种植以及组合种植等2种方式,分别开展原位剪切试验评价植物根系增强边坡土体抗剪强度贡献;在此基础上,将本次试验结果与Wu-Waldron-Model模型(简称WWM模型)计算结果进行对比分析,得出如下结论：(1) 根–土复合体抗剪强度较素土表现出较大程度提高,采用单一种植草本和灌木的根–土复合体抗剪强度增幅为47.61%～98.24%;草本和灌木混合种植的根–土复合体抗剪强度增幅则为104.47%～173.93%,同时反映出草本和灌木混合种植条件下的根–土复合体抗剪强度增幅,显著大于单一种植条件下的根–土复合体抗剪强度增幅。(2) 通过将WWM模型计算结果与原位剪切结果进行对比,对比结果表明：采用WWM模型计算得到的单一种植和组合种植2种条件下,根–土复合体抗剪强度增量变化规律与原位剪切试验得到的抗剪强度增量变化规律基本一致,上述结果实现了采用原位试验和模型理论计算相结合的方法,定量评价试验区草本和灌木根系增强边坡土体抗剪强度贡献。     

寒旱环境灌木植物根–土相互作用 及其护坡力学效应

 通过在试验区将4种护坡灌木植物种植在PVC管内,分别对土体、4种灌木根–土复合体试样做直接剪切试验,对比非含根土体与4种灌木含根系土体抗剪强度指标,评价试验区生长时间为1 a灌木根系的护坡力学效应;通过对比4种灌木根–土复合体抗剪强度,评价生长时间为1 a的4种灌木根–土复合体的护坡力学强度增强效应。试验结果表明：(1) 4种灌木根–土复合体当其含根量、含水量一定时,抗剪强度随垂直压力的增大而呈线性增大,表明试验区灌木根–土复合体抗剪强度与剪切面上的法向压力成正比,且符合库仑定律;(2) 4种灌木根–土复合体的黏聚力显著大于素土的黏聚力,而内摩擦角 的变化不显著;(3) 四翅滨藜、柠条锦鸡儿、霸王、白刺灌木根–土复合体的黏聚力与素土相比,其增长幅度分别是76.3%,62.7%,45.8%,22.0%。试验区灌木根–土复合体剪应力与剪切位移关系反映出灌木根–土复合体受剪力作用开始段近似线性,接近剪破时呈圆滑曲线,达到剪破后近似为水平线,灌木根–土复合体剪应力随着垂直压力的增大而呈显著增加趋势;剪应力的增大开始阶段基本呈线性,接近剪破时呈非线性。根据试验区4种灌木植物根–土复合体强度,它们的护坡贡献按由大至小分别是：四翅滨藜、柠条锦鸡儿、霸王、白刺。     

寒旱环境灌木植物根-土相互作用及其护坡力学效应

通过在试验区将4种护坡灌木植物种植在PVC管内,分别对土体、4种灌木根-土复合体试样做直接剪切试验,对比非含根土体与4种灌木含根系土体抗剪强度指标,评价试验区生长时间为1a灌木根系的护坡力学效应;通过对比4种灌木根-土复合体抗剪强度,评价生长时间为1a的4种灌木根-土复合体的护坡力学强度增强效应.试验结果表明:(1)4种灌木根-土复合体当其含根量、含水量一定时,抗剪强度随垂直压力的增大而呈线性增大,表明试验区灌木根-土复合体抗剪强度与剪切面上的法向压力成正比,且符合库仑定律;(2)4种灌木根-土复合体的黏聚力显著大于素土的黏聚力,而内摩擦角的变化不显著;(3)四翅滨藜、柠条锦鸡儿、霸王、白刺灌木根-土复合体的黏聚力与素土相比,其增长幅度分别是76.3%,62.7%,45.8%,22.0%.试验区灌木根-土复合体剪应力与剪切位移关系反映出灌木根-土复合体受剪力作用开始段近似线性,接近剪破时呈圆滑曲线,达到剪破后近似为水平线,灌木根-土复合体剪应力随着垂直压力的增大而呈显著增加趋势;剪应力的增大开始阶段基本呈线性,接近剪破时呈非线性.根据试验区4种灌木植物根-土复合体强度,它们的护坡贡献按由大至小分别是:四翅滨藜、柠条锦鸡儿、霸王、白刺.     

植物根系对土体加筋效应研究

以自建的西宁盆地周边试验区为例,通过对寒旱环境4种类型试样即素土、草本–土复合体、灌木–土复合体、灌木–草本–土复合体试样分别进行三轴压缩试验,对比分析这4种试样的强度及其相应的应力–应变特征,评价试验区植物根系对边坡土体的加筋效应及其固土护坡贡献。结果表明:(1)在围压20,30和40 kPa作用下,根–土复合体和素土的主应力差随着轴向应变的增大而呈增大趋势,且最终趋于稳定值,曲线形态基本属于应变硬化型。在荷载作用的初始阶段,根–土复合体的抗剪能力较素土增长快;(2)在3级围压作用下,根–土复合体试样的剪切峰值均大于素土,且4种试样的剪切峰值具有一致性的变化规律,即柠条锦鸡儿根–芨芨草根–土复合体>芨芨草根–土复合体>柠条锦鸡儿根–土复合体>素土;(3)根–土复合体较素土的黏聚力c值增长率依次为94.1%,66.6%,39.2%,且柠条锦鸡儿根–芨芨草根–土复合体的黏聚力较芨芨草根–土复合体、柠条锦鸡儿根–土复合体的黏聚力增长率分别为16.5%,39.4%。该变化规律反映试验区植物根系对边坡土体具有显著的加筋作用,同时也说明草本与灌木植物组合种植的形式对试验区土体的加筋效果较单一种植草本或灌木植物显著。研究成果为试验区和相似地区,开展边坡浅层滑坡、水土流失等地质灾害的防治提供理论依据。     

青藏高原黄土区护坡灌木植物根系力学 特性研究

 为研究灌木根系固土护坡的力学机制,以西宁盆地为例,对青藏高原黄土区柠条锦鸡儿、白刺、霸王、四翅滨藜4种灌木进行室内单根拉伸、剪切试验,系统分析灌木根系材料的力学特性。试验与研究结果表明：根系抗拉力和抗剪力均与根径呈幂函数或指数函数关系,且随根径增大而增大,生长期为18个月的4种灌木的抗拉力与抗剪力大小依次为：四翅滨藜＞柠条锦鸡儿＞霸王＞白刺;根系抗拉强度与根径间呈幂函数或指数函数的关系,随根径增大而减小。根系拉伸的应力–应变特征随不同灌木种的根系结构组成不同而不同,4种灌木种单根拉伸应力–应变曲线均表现出在根系受拉后的初期阶段,应力–应变呈直线关系,当荷载超过弹性极限,拉力继续增加时,应力–应变关系反映出非线性弹性特征,4种灌木种延伸率均可达13%以上,且根系最大延伸率随根径增大而降低。研究区根系密集且毛细根分布较多的0.3～0.8 m的浅层土体具有较大的抗拉强度、抗剪强度和抗变形能力,对防治边坡表层水土流失、增强根–土复合体抗剪强度、减缓与防治边坡的滑移变形具有重要作用。根据4种供试灌木根系力学特性并结合根系形态特征,四翅滨藜和柠条锦鸡儿根系固土护坡作用较大。     

寒旱环境黄土区灌木植物根系拉拔试验及其根系表面微观结构特征研究

为了系统性研究不同根系形态灌木植物根系的抗拉拔特性以及根–土界面微观结构特征对根–土界面摩擦强度的影响,本项试验选取种植于西宁盆地生长期为2 a的灌木植物柠条锦鸡儿、霸王进行室内根系拉拔试验;在此基础上通过扫描电镜方法进一步探讨根系表面微观结构特征及其对根–土界面摩擦强度的影响。试验结果表明:生长期为2 a的灌木柠条锦鸡儿、霸王的根系最大抗拔出力平均值分别为78.89?24.47,67.78?32.82 N,柠条锦鸡儿、霸王根系抗拔出力达到最大值时所对应的根系在土体中相对位移平均值分别为4.02?1.84,10.67?4.04 mm;柠条锦鸡儿根系在拉拔试验中表现出呈完整拔出型和断裂拔出型2种模式,霸王根系表现出断裂拔出型和周皮滑移型2种模式;2种灌木根系最大抗拔出力均随着根系总表面积、根系总体积、根系总长、根系总干质量、侧根数5个根系形态学指标的增加而增大,其中,根系总表面积是对根系抗拔出力影响相对较为显著的根系形态学指标;柠条锦鸡儿根系表面沿轴向方向发育相对密集的凹槽和凸脊,且其表面分布有网格结构,其根系表面微观结构复杂程度大于霸王,根–土界面间的摩擦强度相对强于霸王。柠条锦鸡儿根系相对霸王具有更强的固土护坡能力。该研究结果可为进一步探讨寒旱环境下灌木植物根系与土体相互作用力学机制以及为研究区固土护坡植物的筛选提供参考。     

青藏高原东北部黄土区灌木植物根系护坡效应的数值模拟

为研究青藏高原东北部黄土地区灌木植物根系与边坡稳定性之间的关系,以试验区西宁盆地及其周边黄土边坡为例,选取适合于研究区生长的柠条锦鸡儿、四翅滨藜、霸王及白刺4种灌木进行坡面种植,并对其根–土复合体进行力学强度试验,且采用二维有限元法模拟试验区生长期为2a的4种灌木植物根系对边坡稳定性的增强作用。试验和模拟结果表明:试验区种植4种灌木植物的坡体,其水平方向和垂直方向的位移显著小于素土边坡,相比较而言,种植4种灌木植物的坡体所发生的水平和垂直最大位移量相对由小至大的顺序依次为柠条锦鸡儿、四翅滨藜、霸王及白刺;4种灌木植物其侧根和主根在土体中分别起到加筋和锚固作用,这种根–土相互作用增加了坡体的黏聚力和抗剪强度,从而使试验区边坡应力集中范围缩小,塑性破坏区面积减小。试验区边坡安全系数计算结果表明,与素土边坡相比,试验区四翅滨藜、柠条锦鸡儿、霸王、白刺根–土复合体边坡相对稳定安全系数依次增强80.5%,48.7%,22.1%和8.0%。由此说明试验区4种灌木植物其护坡贡献大小依次为柠条锦鸡儿、四翅滨藜、霸王及白刺。研究成果可作为青藏高原东北部黄土区采用优势护坡灌木植物,防治坡面浅层滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害发生的理想依据之一。     

青藏高原东北部黄土区护坡灌木柠条锦鸡儿根系拉拔摩擦试验研究

 为研究灌木植物根系与土体间摩擦阻力的特性,对种植在西宁盆地及其周边黄土边坡试验区生长16个月的灌木植物柠条锦鸡儿的根系,分别在1.22,24.39,36.59,51.22 kN四个等级垂直压力下,以2.67 mm/min的速率对其施加水平拉力进行拉拔摩擦试验,试验结果表明,柠条锦鸡儿根–土之间的摩擦力随根系在土体中位移的增加而逐渐增大,根–土间摩擦力与位移关系曲线在试验开始阶段均呈线性关系,随后表现出显著的非线性关系;试验过程中,随着根系在土体中相对位移的增大,根–土之间的摩擦力增幅显著,且增大到一定程度时,趋于峰值并保持恒定,说明此时根–土之间的摩擦力发挥到最大且与拉拔力平衡;随着根系在土体中相对位移的逐渐增大,根–土之间的摩擦力趋于逐渐减小,当减小到某一程度时就不再减小,并保持稳定状态,进而处于新的平衡状态。试验结果还表明,根–土之间的摩擦力随垂直压力的增大而显著增加,并且这种增加呈线性关系。同时,随着土体含水量的增加,根–土间的摩擦力呈逐渐降低的趋势,且在试验研究范围内近似呈线性关系。上述研究对进一步探讨灌木植物根系对土体加筋与锚固作用机制,增强试验区边坡土体稳定性、防治坡面浅层地质灾害具有理论指导意义和实际应用价值。     

雨林乔木直根根土复合体的抗剪强度试验研究EI北大核心CSCD

为探索不同类型的雨林乔木直根根土复合体的抗剪强度,采用自行设计加工的大型根土复合体直剪仪对不同根径、根数以及根系分布条件下的根土复合体进行直剪试验。通过电动汽车千斤顶,对上剪切盒匀速缓慢施加推力,试验过程中实时记录千斤顶推力的大小、直根相对剪切盒的位移及剪切盒位移等。试验结果显示:土中根系的分布类型、根径大小、根数和剪切深度会影响到根土复合体的抗剪强度及相应的强度指标;植被根系对土体的加筋作用具有积极作用,为后续更加深入地研究乔木根系对小型边坡的治理奠定试验基础。     

雨林乔木直根根土复合体的抗剪强度试验研究

为探索不同类型的雨林乔木直根根土复合体的抗剪强度,采用自行设计加工的大型根土复合体直剪仪对不同根径、根数以及根系分布条件下的根土复合体进行直剪试验。通过电动汽车千斤顶,对上剪切盒匀速缓慢施加推力,试验过程中实时记录千斤顶推力的大小、直根相对剪切盒的位移及剪切盒位移等。试验结果显示:土中根系的分布类型、根径大小、根数和剪切深度会影响到根土复合体的抗剪强度及相应的强度指标;植被根系对土体的加筋作用具有积极作用,为后续更加深入地研究乔木根系对小型边坡的治理奠定试验基础。     

寒旱环境盐生植物根系固土护坡力学效应及其最优含根量探讨

 本项研究以大柴旦盐湖区及其周边地区为例,选取海韭菜(Triglochin maritima Linn.)、赖草(Leymus secalinus Tzvel.)、毛穗赖草(Leymus paboanus Claus.)、无脉苔草(Carex enervis C. A. Mey.)等4种优势盐生植物,对其单根进行了单根拉伸试验以及4种植物根–土复合体抗剪强度试验。分别获得了4种植物单根最大抗拉力和单根抗拉强度;通过对4种盐生植物根–土复合体在不同含根量梯度下的直接剪切试验,探讨了根系对土体抗剪强度增强作用以及根–土复合体的最优含根量。由单根拉伸试验结果表明,4种植物单根抗拉力值为4.67～10.97 N,单根抗拉强度值为12.32～49.99 MPa,且4种植物单根抗拉强度由大至小依次为赖草、毛穗赖草、无脉苔草、海韭菜;4种植物根–土复合体扰动试样黏聚力值为10.44～27.42 kPa,不含根素土试样黏聚力值为8.10 kPa,与不含根系素土相比,根–土复合体的黏聚力增长量为2.34～19.32 kPa,其增幅为28.89%～238.52%;根系增强土体抗剪强度存在最优含根量,根–土复合体试样中的含根量处于最优含根量时,4种植物根-土复合体的抗剪强度为相对最大值,其黏聚力值为17.94～27.42 kPa,黏聚力由大至小依次为海韭菜、赖草、毛穗赖草、无脉苔草。该研究成果对大柴旦盐湖区以及与该区地质条件相似的其他地区开展利用盐生植物增强土体抗剪强度,且对于开展有效防治土体侵蚀和地表水土流失等地质灾害的发生具有理论价值和实际意义。     

粉砂土岸坡三维加筋生态护坡结构力学效应研究

加筋生态护坡是土工织物与植草相结合形成的一种护坡形式,在保证工程生态性的同时大大提高了生态护坡的强度,有广泛的应用前景。以黑龙江同抚堤防工程粉砂土岸坡防护工程为例,开展了三维加筋生态护坡结构的现场原位测试与加筋土体力学特性室内试验研究,揭示了该护坡技术固土护坡力学效应。试验结果表明:对比纯植被护坡和遮阳网表层覆盖护坡方式,三维加筋生态护坡结构对土体加筋作用最为有效。土工网可以帮助植被根系在岸坡表层形成良好的加筋层,而植被根系则帮助土工网与岸坡土体更紧密地结合。加筋生态结构效果主要表现为增加了土体黏聚力,但对内摩擦角影响不大;一个生长周期内草本型植被根系加筋区域集中在地面以下20cm左右的深度;土体含水率和含根量对根土复合体抗剪强度有明显影响,随着土体中含根量和含水率的增加,根土复合体抗剪强度呈先增加后减少的趋势,即对于高羊茅这类抗剪型根系,其加固土体时存在最佳含根量和含水率使其强度最高。     

边坡岩土体抗剪强度原位试验研究

针对碟子沟风井场地边坡特征,在边坡典型位置的岩石与土层界面和软弱泥岩夹层处分别进行了原位剪切试验,获得了相应的抗剪强度指标。通过与滑带土相同工况下的室内试验强度指标对比,发现室内试验指标较原位剪切试验获得的内聚力和内摩擦角低,并分析了室内外试验结果差异的原因。试验研究表明,边坡岩土体的大型原位剪切试验对边坡稳定性分析和工程治理优化具有重要价值。     

贵州红棕色玄武岩风化土强度试验研究

在滇黔地区公路建设中,沿线边坡表层经常广泛分布着红棕色玄武岩风化土,厚度较大,风化程度较高,降雨作用对边坡的稳定影响较大。土质边坡的稳定性在很大程度上取决于土的抗剪强度指标,但目前对玄武岩风化土的强度缺乏系统深入的研究,给该地区工程建设带来了挑战。通过现场原位推剪试验和一系列室内土工试验,得出了该红棕色玄武岩风化土的抗剪强度指标变化规律、含水量对土体强度的影响、峰值强度和残余强度之间的差异,为边坡稳定性分析提供了必要的参考依据。     

粘土的抗剪强度指标试验对比分析

抗剪强度是土的重要力学性能之一,室内剪切试验主要有直剪试验、三轴试验、无侧限抗压强度试验。实际工程中常采用较为简便的室内直剪试验来确定土体抗剪强度中内摩擦角φ和黏聚力c。试验表明,对同样性质土样进行直剪试验和三轴压缩试验得出的内摩擦角φ和黏聚力c相差较大。说明了两者之间的差异。