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.     

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。     

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。     

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–土复合体强度模型试验研究

在自行设计、加工的原位剪切试验装置中分别种植灌木植物霸王和柠条锦鸡儿,通过对2种坡度的素土、霸王根–土复合体和柠条锦鸡儿根–土复合体进行原位剪切试验,测得素土和根–土复合体抗剪力、抗剪强度的动态变化,评价灌木植物护坡的时间效应,并采用室内直剪试验方法检验原位剪切试验结果的合理性。试验得出以下结论：(1) 根–土复合体的抗剪力和抗剪强度均大于同种坡度的素土,即植物根系可显著提高边坡土体的抗剪能力,且霸王根–土复合体抗剪力和抗剪强度主要体现在剪切面处断裂根系的抗拉或抗剪作用、拔出根系的根–土摩擦力及滑移根系的锚固、摩擦作用,柠条锦鸡儿根–土复合体主要体现在根系的锚固和根–土摩擦作用,同时,素土和灌木根–土复合体的抗剪力和抗剪强度随着坡度的增加而减小;(2) 素土的剪切力在3 s左右达到峰值,而根–土复合体的剪切力峰值时间为69.8～168.2 s;素土试样在剪切位移为1 mm内抗剪强度均达到峰值,而剪切位移为23.13～83.13 mm时霸王根–土复合体和柠条锦鸡儿根–土复合体抗剪强度达到峰值,即根–土复合体的剪切力峰值时间、抗剪强度峰值位移均较素土相对滞后,这反映了在剪切过程中根系的抗拉能力、根–土界面的摩擦作用逐步转化为根–土复合体的抗剪能力,从而延缓坡面变形破坏的时间;(3) 为了验证原位剪切试验结果的准确性,对素土和灌木根–土复合体进行室内直剪试验,其抗剪强度值与原位剪切试验值接近,反映原位剪切试验及其结果的合理性。上述研究成果对于开展研究区西宁盆地及其周边地区坡面水土流失、浅层滑坡等地质灾害的防治,以及对青藏高原东北部黄土地区边坡生态工程建设、区域生态环境保护具有重要的理论指导价值和现实意义。     

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。     

西宁盆地黄土区2种灌木植物根–土界面微观结构特征及摩擦特性试验

以种植于西宁盆地自建试验区生长期为2 a的灌木植物柠条锦鸡儿(Caragana korshinskii Kom.)、霸王(Zygophyllum xanthoxylon Maxim.)为试验供试种,采用扫描电镜观察方法,分析了这2种灌木根表面、与根接触土体表面、未与根接触土体表面的微观结构特征及其对根–土界面摩擦特性的影响。在此基础上,通过单根拉拔试验定量评价2种灌木根–土界面静摩擦因数和单位面积摩擦阻力。扫描电镜观察试验结果表明,柠条锦鸡儿根表面粗糙程度相对高于霸王;与2种灌木根接触土体表面均表现出相对平整和致密的特征;未与根接触土体表面则表现出凹凸不平和粗糙多孔状的特征。灌木根生长过程中对与其接触的土体表面存在平整化作用,平整化后的与根接触土体表面粗糙度显著降低,故根–土界面摩擦特性主要取决于根表面粗糙程度。单根拉拔试验结果进一步表明,柠条锦鸡儿较霸王具有相对更为显著的根–土界面静摩擦因数(分别为0.74±0.03和0.56±0.04)和根–土界面单位面积摩擦阻力(分别为22.94±1.15 kPa和17.26±1.36 kPa)。研究结果为进一步探讨寒旱环境条件下西宁盆地黄土区植物根–土相互作用力学机制,以及科学、有效地防治研究区和与区内自然条件相类似的其他地区,水土流失、浅层滑坡等地质灾害的发生具有理论研究价值和实际指导意义。     

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。     

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

以大柴旦盐湖区及其周边地区为例,选取海韭菜、赖草、毛穗赖草、无脉苔草4种优势盐生植物,对其单根进行单根拉伸试验以及4种植物根–土复合体抗剪强度试验。分别获得4种植物单根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种植物平均单根抗拉力值为4.67~10.97 N,平均单根抗拉强度值为12.32~49.99 MPa,且4种植物平均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 k Pa,不含根素土试样黏聚力值为8.10 k Pa,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 k Pa,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 k Pa,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。     

植被护坡根系浅层固土与分形特征关系初步研究

 植被护坡工程中,植物根系的空间分布对根土加筋复合体强度产生重要影响。将紫花苜蓿和狗压根2种常用护坡植物种植在容器内,根系贯穿容器内全部土层(植被混凝土基材)后,分别对非含根土样、2种复合体沿土层深度进行直剪试验,同时分析根系的分形特征,通过对比,研究植物根系分形维数与土体黏聚力增加值的关系。研究结果表明：(1) 根系扎入土体后能显著增强土层的抗剪切强度,特别是黏聚力增加幅度明显,但紫花苜蓿和狗牙根对复合体黏聚力的增加存在显著性差异;(2) 2种植物均具有明显的分形,含根量多并且根系分布相对均匀的土层根系分形维数较大;(3) 土层黏聚力增加值与土层内根系分形维数存在显著正相关关系。     

不同支护模式下黄土高边坡开挖变形离心模型试验研究

 为研究不同支护模式下黄土高边坡的开挖变形特征和支护结构性状,以观音堂隧道进口明洞段黄土高边坡为实例,采用土工离心机,开展黄土高边坡在无支护、全断面土钉支护、上部土钉下部预加固桩复合支护模式下的离心模型试验,试验结果表明：(1) 桩–钉复合支护体系能够显著提高黄土高边坡的稳定性,坡体上部土钉的布设有效地调动了边坡更大范围内土体变形的调整,使得边坡土体的潜在滑移面向坡体内侧转移,将潜在滑移面的剪出口位置限制在预加固桩桩顶以下,而下部预加固桩的布设则有效地承担上部滑体的推力作用,保证坡体在开挖过程中的稳定性。(2) 全断面土钉支护在一定程度上起到了加固边坡土体的作用,但由于土钉支护范围有限,当潜在滑移面深度超出土钉加固范围后,边坡土体发生更大范围内的失稳现象,加剧坡体的破坏。(3) 对于黄土高边坡的加固,桩钉复合支护要优于全断面土钉支护。     

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。     

湿陷性黄土高贴坡变形模式和稳定性分析

采用原状黄土与重塑黄土联合制作模型,针对湿陷性黄土高贴坡在天然含水量及饱和状态时的稳定性和变形模式开展离心试验研究。结果表明：湿陷性黄土高贴坡在天然含水量状态下稳定性较好,贴坡体固结变形是高贴坡变形的主导因素,高贴坡工后变形量及变形速率前期较大,后期较小,且贴坡体厚度越大,工后沉降也越大,变形稳定所需的时间也越长,贴坡体厚度与工后沉降量呈现线性关系;当土体饱和时,贴坡体固结及黄土湿陷共同导致高贴坡沉降变形,若沉降变形过大,坡体可能沿水分浸入时形成的软弱带开裂破坏;湿陷性黄土层的强度决定湿陷性黄土高贴坡的稳定性,坡体破坏时滑裂面将通过湿陷性土层,其位置取决于湿陷性黄土层与其相邻土层的强度差异。当强度差异较大以致湿陷性黄土层与相邻土层的接触面形成软弱夹层时,则接触面必为滑裂面的一部分,且强度相对较小的接触面首先破坏,滑裂面上部土层表现出比较典型的平移滑动模式;反之,滑裂面近似圆弧,且与接触面之间存在一定厚度的过渡层。     

循环荷载作用下黄土边坡变形研究

 通过室内不排水动三轴试验,研究列车循环荷载长期作用下,Q3黄土的动强度以及动应力–动应变关系。结果表明,Q3黄土动应变随动应力及振动次数的增加而增大,动弹性模量随动应变增大逐渐减小,动强度随循环次数的增加而降低。在此基础上,建立黄土边坡的动力分析模型,分析机车振动荷载作用下边坡的变形规律。结果表明,边坡位移随时间的增大而增大,下边坡的变形量要远远大于上边坡的变形量,边坡位移表现为一个非稳定的变形过程;由于机车荷载的作用,黄土的动强度下降,从而造成边坡的稳定性降低,相对于上边坡而言,下边坡更易失稳。