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。     

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。     

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.     

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。     

护坡植物根系与岩体相互作用的力学特性

通过野外原位拉拔试验，选取灌木铁仔、黄荆、羊蹄甲和禾本科金发草等4种植物，按着生点基岩风化程度不同，测定植株的抗拔力、单根的力学特性和生物指标，研究护坡植物根系与岩体相互作用的力学特性。试验结果表明：受根系构型、受力单根的极限抗拉力及作用根系数量的影响，其单根极限抗拉力随根径的增加而增大，之间有很好的幂函数关系；随植物类型不同，单根的拉力-伸长率关系不同，且极限伸长率随着根径的不同而变化，羊蹄甲与黄荆的拉力-伸长率为线性关系，遵从胡克定律，而灌木铁仔的拉力-伸长率为对数函数关系，羊蹄甲与黄荆根系的极限伸长率表现为随根径增大而降低，铁仔根系的极限伸长率与根径的关系表现出单峰形曲线；在地茎或株高相近的情况下，灌木的抗拔力随基岩风化程度的加剧而增大，在基岩风化程度相近的情况下，抗拔力随地茎、株高及地下生物量的增加而增大，之间具有很好的指数关系；草本植物金发草生物指标与抗拔力之间无明显的数学关系，与基岩问的力学作用不明显。探明根系力学作用特性随植被与基岩类型改变而改变的特征，可为岩石边坡植被护坡工程构造设计及植被类型选择提供必要的参考。     

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。     

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。     

塔里木河流域河岸植被根系护坡的力学机制

荒漠植被根系发达,能够有效稳定边坡、遏制水土流失。以塔里木河典型岸坡植被根系为研究对象,对塔里木河干流上、中游的6个典型河段进行现场勘查并取样,共取土样28组,17组为根–土复合体,包括红柳、甘草、骆驼刺、芦苇、胡杨、白刺6种植被根系。分别对6种不同植被的根–土复合体及相应的素土进行室内直接剪切试验,对比分析黏聚力和内摩擦角的变化规律,定量评价不同植被根系对河岸土体抗剪强度的增强效果;对6种植被根系进行单根抗拉试验,分析不同植被根系的抗拉强度及抗剪强度与根系直径的关系。试验结果表明:(1)根系能提高土体抗剪强度且主要是通过提高黏聚强度来实现的,对内摩擦角影响较小;(2)根–土复合体黏聚力普遍比素土高,6种植被根系下由3.14~16.51 kPa提高到9.43~28.30 kPa;(3)根系抗拉强度随直径的增大而减小,而抗拉力随直径增大而增大。通过分析根–土之间相互作用的力学特点,将根系假设为刚性状态和柔性状态,建立植物护坡中根–土相互作用的力学模型,分别推导出刚性状态下根系提高土体抗剪强度最大值以及柔性状态下根系提高土体抗剪强度最小值的计算公式,根据公式计算得出不同植被根系提高土体抗剪强度最大值和最小值范围,并与试验结果进行对比分析,结果表明:实测土体抗剪强度增加值全部在理论计算范围以内,说明模型计算方法的合理性,为实际工程植被护坡效应的评价提供理论依据。     

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。     

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。     

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。     

人工冻结竖井中冻土壁强度与变形分析*

 在K0排水固结后再冻结(K0DCF)过程下，通过冻结兰州砂土和冻结兰州黄土的卸载剪切试验发现，不同围压下两种土质的应力-应变曲线均类似于理想刚塑性应力-应变曲线，但是K0固结段却表现出明显的差异。他们的屈服强度随围压的增大而线性增大，且黄土的屈服强度明显大于砂土；破坏变形随围压的增大也线性增大。他们的屈服强度均随温度的降低而增加，但黄土的强度值明显大于砂土；对破坏变形则存在两种不同的关系，对砂土，随温度的降低破坏变形降低；对黄土，随温度的降低破坏变形逐渐增大。     

非饱和黏性土的抗拉强度与抗剪强度关系试验研究

 通过对具有一定抗拉强度的非饱和黏性土在不同含水量状态下的重塑土样进行剪切和拉伸对比试验研究，结果表明，非饱和黏性土的抗剪强度指标c和j在一定范围内都随含水量的增大而减小；以三轴拉伸试验围压为大主应力、轴向应力为小主应力所确定的各应力圆符合莫尔–库仑准则；物理性状相同的非饱和黏性土重塑土样的抗拉强度与抗剪强度存在一定的函数关系。提出在无拉伸试验条件情况下，可通过相应物理性状的剪切试验结果计算非饱和黏性土的抗拉强度思想。     

关于土体隧洞围岩稳定性分析方法的探索

 长期以来，地下隧洞围岩稳定性分析没有科学合理的方法，一直停留在以洞周某点位移或塑性区大小的经验值作为判断稳定性的依据。隧洞洞周位移或收敛位移受围岩弹性模量、洞室形状大小等因素影响，洞周不同部位的位移值也不相同，很难找到统一的位移判据标准。以塑性区大小作为围岩稳定性的判据要优于位移标准，但围岩塑性区受泊松比、洞室形状大小等因素影响，不同软件计算出的塑性区大小也有差异，这种方法同样也不可靠。由此可见，传统的经验分析法不够合理。为此，提出将基于有限元强度折减法求出的安全系数作为稳定性分析判据，该判据有严格的力学依据，有统一的标准，而且不受其他因素的影响。以黄土洞室为例，提出洞室的剪切与拉裂安全系数的概念，通过不断折减土体的抗剪强度参数c，j 值或c，j 与抗拉强度，使黄土隧洞围岩塑性区不断扩展，直至塑性应变或位移发生突变时，即表明隧洞发生剪切破坏，此时的折减系数即为剪切安全系数。通过不断折减土体的抗拉强度参数，使黄土隧洞内临空面处(不包括底部临空面)围岩出现第一个单元拉裂破坏时，即表明隧洞发生拉裂破坏，此时的折减系数即为拉裂安全系数。该研究仅是对围岩稳定性分析方法的尝试性探索，供同行分析、讨论。     

草本植物加固边坡的力学原理

草本植物根系使边坡土体浅层成为土体和根系的复合材料,它通过根土摩擦作用和根的抗拉作用,增强了根系土层的整体抗剪强度,但至今人们对草本植物根系对边坡岩土体的作用及效应的研究仍很少,亟待深入。通过对草本植物根系加固边坡的力学原理进行了全面的分析,不但提出了根土作用的力学模型,而且对边坡增加的抗剪强度和增加的边坡稳定性系数进行了定量计算。从而为草本植物生态护坡提供了理论依据。     

GFRP筋拉伸力学性能温度效应试验研究

 玻璃纤维增强塑料(GFRP)材料的力学性能对工作环境温度很敏感，在设计时应充分考虑环境温度对此的影响。通过试验研究在不同工作环境温度(20 ℃～120 ℃)条件下GFRP筋拉伸力学性能的温度效应。加载设备采用MTS322电液伺服静动万能试验机，试验温度由环境箱进行自动控制。试验结果表明：试件在加载过程中，会因损伤而发出清脆响声，其表面出现白斑状裂纹，随荷载增加响声增大而渐密；破坏形态多为较大范围内发生片状裂开破坏，偶见某一断面断裂破坏，均为脆性破坏；GFRP筋的力学性能对环境温度非常敏感，极限抗拉强度、抗拉初始弹性模量、屈服应变和极限延伸率随着环境温度增加而下降，而抗拉屈服后弹性模量变化规律则相反；GFRP筋应力–应变曲线在20 ℃～80 ℃时为双线性，随着温度升高，其屈服点逐渐降低，在100 ℃，120 ℃时应力–应变曲线变为线性。通过试验分析，建立考虑环境温度影响的GFRP筋应力–应变关系及其相关参数同环境温度的关系；提出考虑环境温度影响的GFRP筋极限抗拉强度计算公式。试验研究成果为GFRP筋在不同环境温度条件下应用提供了科学依据。