半干旱土石山区香根草根系抗拉力学特性研究

通过室内拉伸试验,研究了半干旱土石山区(山西省太原市崛围山区)香根草根系抗拉力学特性,并分析了不同因素对根系抗拉力学特性的影响,结果表明:香根草根径以0.3~0.9 mm为主,根系平均抗拉力为21.94 N,平均抗拉强度为91.42 MPa,平均弹性模量为4.65 MPa;香根草根系极限抗拉力、抗拉强度和弹性模量均与根径成幂函数关系;随着根径增大,极限抗拉力增大,但抗拉强度和弹性模量却减小;相同根径下,根系的极限抗拉力、抗拉强度和弹性模量随着标距增大而减小;当根径较小时,不同标距间抗拉强度的差异明显,但随着根径的增大,这种差距逐渐减小。     

护坡植物根系分布及抗拉力学特性

为了探讨草本植物根系固土的主要机制。以适宜的护坡植物白三叶、小冠花、黑麦草、早熟禾为研究对象,对它们的根系分布特征和抗拉特性进行研究。结果表明:随着土层深度的增加,禾本科植物的根长密度以指数函数形式逐渐减少,豆科植物的根长密度以多项式形式先增后减;随着距主茎距离的增加,禾本科植物根长密度逐渐减少,豆科植物根长密度先增后减;在根径0.1~3mm范围内,豆科植物平均抗拉力大于禾本科植物,豆科植物的抗拉力与根径呈幂函数关系,早熟禾和黑麦草的抗拉力与根径分别呈指数函数和对数函数关系;四种植物根系抗拉强度均表现为随根径的增加而减小;四种植物根系应力与应变关系表现为对数函数关系,表现为非线性弹性特征;根径相同时,不同植物的应力表现为:白三叶小冠花黑麦草早熟禾。运用主成分分析法综合分析其护坡特性,表现为豆科植物优于禾本科植物,其中白三叶的护坡效益最好。     

黄河源区不同水文期护岸植物根系抗拉拔研究

为研究黄河源区不同水文期护岸植物根系的固土力学机制,筛选合适的固土护岸植物种,在兰木错曲河岸带选取华扁穗草、线叶嵩草和金露梅3种优势护岸植物,在落水期、枯水期和涨水期进行原位单根拉拔试验。结果表明:3种植物根系单根抗拔力均随根径的增大呈幂函数增大,抗拔强度随根径的增大呈幂函数减小;3种植物根系在枯水期的抗拔强度高于涨水期和落水期的,其中线叶嵩草的单根平均抗拔强度显著高于华扁穗草和金露梅的;在落水期的单根拔出位移大于枯水期和涨水期的,其中金露梅的单根拔出位移显著大于华扁穗草和线叶嵩草的;在枯水期和涨水期线叶嵩草表现出较强的抗拔能力,在落水期金露梅表现出较强的抗拔能力。从单根抗拉拔能力和崩岸发生时期角度考虑,3种植物中可优先选择金露梅用于加固河岸带上层土体。     

一年野生草本植物根系力学性能动态变化特征

土壤-根系复合体力学性能与根系力学性能密切相关。通过野外小区随机取样,测定了一年野生草本植物—狗尾巴草和稗草的根系参数和力学性能。结果显示:研究期间,狗尾巴草根系直径和根系密度参数随生长历时先增大后减小,稗草根系直径和根重密度随生长历时持续减小,而其含根量则随之先增大后减小;狗尾巴草根系直径小于稗草,但其含根量、根重密度、根长密度以及草根抗拉力和抗拉强度均大于稗草;两种植物单根抗拉力和抗拉强度分别与根系直径呈极显著幂函数正相关和对数负相关(P≤0.001),除较粗根系(0.6 mm)外,单根抗拉力和抗拉强度均随生长历时先增大后减小。试验结果有助于进一步了解土壤-根系复合体力学性能的动态变化特性征,以为固土护坡野生草本植物的选择提供一定理论依据。     

喀斯特地区灌木根系力学特性及WU模型适用性研究

植物根系力学特性(抗拉、抗剪)是决定水土保持的关键因素。为研究喀斯特地区灌木根系的护坡力学效应,以多花木蓝和双荚决明根系为研究对象,通过室内单根拉拔和根土复合体直剪试验,探讨单根拉伸特性与根土复合体剪切特性的关系,并探讨WU模型的适用性。结果表明:随根径的增加,抗拉强度总体呈下降趋势,因树种的不同,趋势不尽一致;单根抗拉强度和根土间的摩擦共同影响根土复合体抗剪特性,前者影响最大,后者的影响相对有限,以细根和粗根搭配使用较优;WU模型在喀斯特地区经修正可适用,但不同的植物具有不同的修正系数。研究结果将为喀斯特地区生态恢复、边坡绿化树种筛选及配置奠定良好的基础。     

植被护坡中根土复合土体抗剪强度分析

针对植被护坡的稳定性难以界定和直剪仪大小限制试验素材大小的问题,为探索植被护坡中根土复合体的抗剪强度与树根和土体间组合方式的关系,选取乔木根和红黏土为材料,运用自行研制的大型直剪仪进行了大量根和土不同组合形式的直剪试验,并将根和土的力学模型推广到三维模型。结合试验数据和公式推导,研究发现:竖直布置根系并不能够让根土复合体的抗剪强度得到最大发挥;在设定的土质和含水量的条件下,试验结果和力学模型都显示,三维空间内单根沿滑坡方向呈62°时能更充分的发挥根系的作用,单根条件下提升根土复合体的强度最大为15.1%;根系穿过滑裂面时,将阻碍边坡的滑动,固坡效果明显。因此,树根能够限制边坡的侧向变形,使挡土墙内应力分布更平均,降低应力集中的可能。研究成果为拓展乔木根系对增强边坡抗剪强度的应用提供了依据。     

两种植物根分布特征及其对露天矿边坡表层的加固效果

为研究露天矿排土场边坡植物根的分布特征及加固效果,以海州露天矿西排土场为研究地点,以杠柳(灌木植物)和小蓬草(草本植物)为研究对象,每种植物选择5个样本,采用图片像素换算,确定不同深度(2、4、6、8、10、12和14 cm)土壤剖面上根面积比(RAR)分布;并采用拉力计测量两种植物根的抗拉力学特性;进一步通过纤维束模型计算,量化不同深度土壤剖面上根的附加黏聚力;并建立排土场理想边坡模型,研究两种植物根对边坡浅层稳定性的影响。研究结果表明,两种植物的RAR均值随着土壤剖面深度的增加而减小,每一个物种的RAR在不同深度土壤剖面存在显著性差异;两种植物根的抗拉力与根直径呈现幂律函数关系,且根直径相同时,小蓬草根的抗拉力高于杠柳;两种植物根附加黏聚力随深度的增加而减小,每一种植物根附加黏聚力在不同深度上存在显著性差异;RAR与根附加黏聚力随着根深度的增加,其数据离散性减小;两种植物根系对边坡起到明显的加固效果,杠柳和小蓬草根系加固后,安全系数分别提升了5.4%和9.0%。     

不同根系分布模式下的土坡抗剪性能研究

以香根草根系及其所在土壤构成的根-土复合体为研究对象,通过室内直剪试验,探讨不同含水率和垂直压力条件下,不同根系分布方式对复合体抗剪性能的影响。结果表明:根系数量和径级相同时,在土壤天然含水率和2～3 m土层压力下,当所有根系均垂直于剪切面时,根系分布越集中,对根-土复合体抗剪强度的提升越明显;当根系以不同的空间角度均匀分布时,根-土复合体抗剪强度相对于素土的增长率大小顺序为根系全部垂直的分布方式(M_a)根系全部呈45°倾斜的分布方式(M_b)根系一半倾斜45°一半垂直的分布方式(M_c)。在天然含水率条件下,随着垂直压力的增大,根-土复合体的抗剪强度增长率呈现先减小后增大的趋势;随着含水率增大,土体内摩擦角先增大后减小,黏聚力总体呈减小趋势。     

紫花苜蓿根系拉拔试验研究

为了研究紫花苜蓿根系的拉拔力学性质和评价其根系固土力学机制的增强效应,采用室外原位拉拔试验分析了影响苜蓿根系拉拔力的因素。试验结果表明：① 紫花苜蓿根系拉拔力随着直径、根长、根系表面积的增大而增大,抗拉力与直径增长趋势呈指数关系,根长L2（20~30 cm）比根长L1（10~20 cm）平均拉拔力增大了69.62%,根长L3（30~40 cm）比根长L2平均拉拔力增大了61.7%,根长L3平均拉拔力比根长L1增大156.16%。② 拉拔力随根系表面积的增大而增大;根长L2、L3的平均根系表面积分别是根长L1的2.28倍和5.17倍;根长L2、L3平均拉拔力分别是根长L1的1.70倍和2.66倍。③ 紫花苜蓿根系拉拔力与植物根径呈负相关,满足幂指函数关系。拉拔强度T的大小为T3 (30~40 cm)>T2 (20~30 cm)>T1 (10~20 cm),根长L2、L3的平均拉拔强度比根长L1的减小了14.70%,53.71%。     

静水条件下植物根系对紫色土的抗蚀性效应

三峡库区广泛分布的紫色土崩解造成严重的水土流失,在该区域人工构建植被是解决该问题的重要途径。以紫色土、狗牙根和多花木蓝为研究对象,通过静水崩解试验,研究不同植物根系组合下紫色土的抗蚀性能,分析紫色土的抗蚀性能与植物根系特征、侵蚀坡度的相互关系。结果表明:植物根系能显著提高紫色土的土壤平均质量直径(MWD)、抗蚀系数和抗蚀增强系数,植物根系组合的抗蚀增强效果为草灌混播纯草本纯灌木;紫色土的抗蚀系数随根系的根长密度、根表面积密度、根重密度的增大而增大,拟合优度在0.96以上,成显著相关关系;相同的种植条件下,累计崩解量随侵蚀坡度的增大而增大,且在崩解前期增速较快、后期增速较慢并逐渐趋于稳定。