柴达木盆地盐湖区盐生植物根–土复合体物理力学性质指标概率统计分析EI北大核心CSCD

根–土复合体抗剪强度值是评价土壤抗侵蚀能力的重要指标,受植物生长期、植物种类等因素影响,植物根–土复合体抗剪强度值往往表现出较大程度的变异性。为有效降低这种变异性,在实际研究过程中需开展一定数量的复合体剪切试验,以便合理地确定根–土复合体抗剪强度值大小,以及复合体抗剪强度影响因素的作用程度。为此,开展定量分析不同植物根–土复合体抗剪强度、影响复合体抗剪强度的主要因素,以及复合体抗剪强度指标与各影响因素之间的关系,是亟待解决的关键问题。基于此,本文以生长于柴达木盆地大柴旦盐湖湖滨区的5种盐生植物根–土复合体为研究对象,通过室内直剪试验对上述根–土复合体原状试样进行直剪试验,获得其抗剪强度指标黏聚力c值和内摩擦角j值;通过烘干称重法获得复合体含水率、通过洗根称重法获得其含根量、采用游标卡尺测定法获得其根径。在此基础上,以黏聚力c值、内摩擦角j值、含水率、根径和含根量5项试验值为指标,进一步分析了含水率、含根量和根径3种因素与复合体黏聚力c值和内摩擦角j值的相关性,并采用正态分布、伽马分布、瑞利分布和威布尔分布函数对上述5项指标进行拟合分析,获得了相应分布函数的分布参数;最后采用柯尔莫哥洛夫–斯米洛夫检验(KS test)对上述指标进行分布检验。研究结果表明:复合体5项物理力学性质指标中,含水率与黏聚力c值存在负相关性,含根量与黏聚力c值呈正相关性,其余2项指标(根径、含水率)与黏聚力c值间相关性不显著,且含水率、含根量、根径与内摩擦角φ值间相关性亦不显著;此外,内摩擦角j值服从正态分布和伽马分布,其余4项指标均服从正态分布、伽马分布和威布尔分布;其中,内摩擦角j值最优分布函数为正态分布,黏聚力和含根量最优分布函数为威布尔分布,根径和含水率最优分布函数均为伽马分布。该项研究成果对于合理分析根–土复合体抗剪强度指标的影响因素,进一步深入探讨复合体抗剪强度影响因素之间的相互作用关系具有理论参考价值和实际指导意义,且为合理评价研究区及其与研究区自然条件相类似地区的不同盐生植物增强土体强度,防治盐湖区草原荒漠化现象的发生提供理论支撑,同时对于实现区域生态环境的可持续发展具有重要的现实意义。     

土体粒径对盐生植物根–土复合体抗剪强度影响的试验研究

 为研究盐生植物根系的固土护坡力学效应,探讨土体粒径对植物根系加筋固土作用和提高土体抗剪强度的影响。以青海柴达木盆地大柴旦盐湖区为研究区,选取海韭菜(Triglochin maritima Linn.)和无脉苔草(Carex enervis C.A.Mey.)2种优势盐生植物作为供试种,选取粒径大小分别为颗粒直径d≤0.25 mm和d≤0.5 mm粒径条件下的2种土体,制备根–土复合体扰动试样和不含根系素土扰动试样,分别进行了不固结不排水三轴压缩试验,以探讨2种盐生植物增强土体抗剪强度贡献,以及2种粒径条件下的根–土复合体抗剪强度指标变化规律;在此基础上,探讨土体粒径差异对根–土复合体抗剪强度的影响。试验结果表明：盐生植物根系加筋固土作用主要表现为在2种不同土体粒径条件下,海韭菜根–土复合体与无脉苔草根–土复合体抗剪强度强度均显著大于素土抗剪强度,且垂直布根海韭菜根–土复合体的抗剪强度显著大于水平或倾斜布根无脉苔草根–土复合体抗剪强度;土体粒径的差异可影响植物根系增强土体抗剪强度大小,即主要表现为在相同的含根量条件下,土体粒径愈小,由该粒径土体与根系共同组成的根–土复合体黏聚力值则愈大。同时,进一步研究表明,水平或倾斜布根的无脉苔草根–土复合体的抗剪强度受土体粒径大小的影响,相对大于垂直布根的海韭菜根–土复合体中的土体粒径大小对其抗剪强度影响。研究成果对于进一步探讨盐生植物根–土复合体抗剪强度的影响因素,以及利用盐生植物有效防治研究区水土流失、土壤侵蚀等地质灾害方面具有重要理论指导意义。     

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。     

根系—土复合体抗剪强度力学模型与实验分析

通过实验和建立力学模型对比分析根系对土壤抗剪强度提高的影响,并与试验结果进行了对比分析,为生态护坡植物根系固土效应提供了一定的科学依据。     

根系形态和层次结构对根土复合体力学特性影响研究

植物根系的结构特征包括形态和层次结构,对根土复合体力学特性影响显著.通过开展黑麦草生长参数测试及直剪试验,获得了不同时期根土复合体的力学特征;采用自主研发的MechRoot程序建立了符合黑麦草根系结构特征的根土复合体模型,研究黑麦草不同形态和层次结构根系在直剪过程中的轴力水平以及占比情况,阐明了根系形态与层次结构对根土...     

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。     

黄河源区河岸带高寒草甸植物根-土复合体抗拉特性研究

植物根系作为一种特殊的河岸物质组成材料,对改变土体力学特性具有重要作用。采用现场挖空法,在黄河源区二元结构河岸的3个点位开展2种植被群落类型的根-土复合体抗拉特性原位试验,分析滨河草甸植被根系对增强河岸物质抗拉特性的作用。高寒草甸河岸崩塌宽度为0.52~0.70m,明显大于一般黏性土河岸的崩塌宽度,而且原生草甸河岸的崩岸宽度大于中度退化草甸河岸。原位试验结果表明原生高寒草甸植物群落优势植物的华扁穗草的单根平均抗拉强度为31.67 MPa,比中度退化的优势植物垂穗披碱草高15.52 MPa,且其根面积比相比中度退化的植物群落高2~3倍。可见,植物根系的存在对抑制河岸崩塌速率具有一定的作用。应用河岸崩塌临界平衡公式,计算研究区3个点位的根-土复合体的抗拉强度值分别为66.86,21.29和22.63 kPa,这说明单根抗拉强度及根面积比对提高根-土复合体抗拉强度具有重要的作用。通过用修正系数后的Wu-Waldron根系增强模型公式验证,2种计算方法得出的根-土复合体抗拉强度值符合较好,相对误差在2.12%~9.21%。试验方法可为原位测量含根河岸土体的抗拉强度提供参考,同时为揭示黄河源区弯曲河流河岸崩退机制提供数据支撑。