露天矿排土场草本植物根系加固效果

为了研究露天矿排土场草本植物根系的加固效果,以当地生长的早熟禾、碱蓬和马唐3种草本植物为研究对象,通过植物根系的抗拉强度试验、原位剪切试验和Wu-Waldron模型(WWM)计算,确定WWM模型修正因子,进而采用修正后的WWM模型,结合不同深度土壤剖面上植物根系的几何分布特性,量化排土场草本植物根系的黏聚力。结果表明:3种草本植物根系的抗拉强度与直径呈现幂律函数关系,抗拉强度均随植物根系直径的增大而非线性减小,3种草本植物根系的抗拉强度存在显著性差异(p<0.05);马唐根系加固下,根土复合体存在更大的抗剪力,且在峰值剪力后,马唐根系加固的根土复合体最稳定;WWM模型高估了植物根系的加固效果,高估的程度因物种的不同而不同,对3种草本植物根系加固的WWM模型进行修正,早熟禾、碱蓬与马唐根系的修正因子分别为0.58、0.27和0.88;3种草本植物根系面积比与根系黏聚力均随着土壤深度的增加而减小;马唐根系在当地的加固效果最优。     

草本植物根系类型和分布对根土复合体无侧限抗压强度的影响

为了探究草本植物根系类型和分布对根土复合体无侧限抗压强度的影响，采用图片像素转换法确定轴根型紫花地丁、根蘖型苦荬菜和根茎型水麦冬在不同土壤深度的根系分布特征；并利用无侧限抗压试验获取3种草本植物根土复合体的应力-应变曲线，量化根土复合体的抗压强度，探究根土复合体破坏面根系参数与黏聚力增量的关系。研究结果表明，在0～8 cm土壤深度范围内，随土壤深度的增加，轴根型紫花地丁和根茎型水麦冬的根长密度RLD、根表面积密度RASD、根面积比RAR逐渐减小，而根蘖型苦荬菜的RLD、RASD、RAR出现了先增大后减小的趋势。3种草本植物根系分布特征参数的量化结果均表现为紫花地丁>水麦冬>苦荬菜。根茎型水麦冬提升土体抗压强度的能力最优，其根土复合体黏聚力增量分别是紫花地丁和苦荬菜黏聚力增量的1.42、2.6倍。3种草本植物破坏面的RLD、RASD和RAR均表现为水麦冬最大，苦荬菜最小，紫花地丁居中。苦荬菜破坏面根系参数与黏聚力增量无相关性。对于轴根型和根茎型草本植物，根土复合体破坏面的3个根系分布参数中，RAR与黏聚力增量的相关性明显高于RLD和RASD。因此，RAR可以作为预测根茎型和轴...     

边坡坡面浅层加固稳定性分析及设计参数探讨

基于有限差分的强度折减法,探讨坡面浅层土体加固边坡的稳定性,并针对地基与边坡土质相同和采用岩石地基2种工况,综合分析边坡加固区宽度和土体黏聚力、加固区进入地基土深度和边坡几何参数等因素对稳定性和滑动面的影响。结果表明:当地基与边坡土质相同时,不同加固宽度下边坡安全系数随加固区土体黏聚力增加均呈先减少后增加的趋势,且当土体黏聚力达到临界值时安全系数趋于稳定;随着加固区土体黏聚力的增大,边坡由浅层滑动变成深层滑动并最终完全不通过加固区,通过将加固区适当深入地基土可以提高边坡安全系数;当采用岩石地基时,随加固区土体黏聚力增加,安全系数总体上呈现先减少后近似线性增加,相同几何尺寸和土质条件下边坡安全系数比地基与边坡土质相同时整体上提高了0.5~1倍,加固区土体黏聚力越大即抗剪强度越高时,边坡安全系数越高。     

根系长度对边坡稳定性影响规律分析

为了深入分析植物根系的护坡机理,文中结合相关工程,通过MIDAS有限元软件研究了不同根系长度对根-土复合体抗剪强度的影响规律,基于计算结果建立根-土复合体加固边坡表层土体模型,探究不同根系长度对边坡位移场安全系数的演化规律。研究结果表明,根系加固土较素土体抗剪强度更高;随着根系长度增加,复合体的黏聚力有明显的提升,摩擦角的变化不大。在边坡表层设置根-土复合体可以控制边坡的位移,提高边坡稳定性。分析结果对植物护坡实际工程应用有一定指导意义。     

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。     

高羊茅根系对河滩地土壤强度的影响分析

从根系与土壤所组成的复合材料(简称"根土复合体")出发,将根系与土壤看成是一种天然的复合材料,将土壤中的根系看成是一种类似于纤维的加筋材料,研究根系的存在对河滩地土壤强度的增强作用。结果表明:在土壤中根系的密度一定时,根土复合体的抗剪强度随着土层深度的增大而减小;在土层深度一定时,土壤的抗剪强度随着根系的密度增大而增大,即高密度根系的土壤抗剪强度最大。不同根系密度的土壤的黏聚力与内摩擦角随着土层深度的增大而减小,且同一土层深度情况下,高密度根系根土复合体大于低密度根系根土复合体。植草密度增加1倍,对不同土层根土复合体的黏聚力的增加率在21.7%~59.6%之间。     

紫穗槐根系对黄土边坡加固作用的试验研究

植物护坡措施对黄土边坡稳定及生态环境修复具有重要作用。通过对陕北治沟造地工程中黄土以及紫穗槐根系与黄土的复合土体抗剪强度的试验研究,分析了含水率及含根量对土体抗剪强度的影响。根土复合土体的抗剪强度符合库仑定律,并随着含水率的增大而减小;随着含根量的增加,附加黏聚力增量较大,变化范围为1.46~14.67 kPa;内摩擦角增量较小,变化区间为1.0°~3.5°。采用FLAC3D岩土工程数值计算软件分析了紫穗槐根系对黄土边坡的加固作用,含水率为12%的种植紫穗槐的坡体最稳定,安全系数最大为3.06。     

植物根系对边坡加固效应数值模拟研究

为了研究植草护坡固坡效应,通过有限元数值软件对有植物根系土体及边坡进行模拟,并计算得出能够运用于有根系边坡模型的土体材料抗剪强度参数,最后计算出对应因素下的有根系边坡模型安全系数,由计算结果得出:土体里有根系将会增加根-土复合体的抗剪强度,并且边坡中有根系护坡将会提高其安全系数;随着根系长度的增加,根-土复合体的黏聚力与内摩擦角均逐渐增加,对应边坡的安全系数也逐渐增大;随着土体里根系分布密度的增大,根-土复合体的黏聚力和内摩擦角也逐渐增大,其边坡模型的安全系数也相应增大;而根-土复合体中根系的倾斜角度只对其黏聚力有影响,对内摩擦角的大小不产生影响,而且随着根系倾斜角度的增加,根-土复合体的黏聚力逐渐降低,而对应边坡模型的安全系数也将逐渐减小。     

根系与格栅复合加筋土的力学特性试验研究

在土工格栅加固的边坡上种植生态植物,可以形成有效的生态护坡。为研究植物根系与土工格栅形成复合加筋土的力学机制,依托广西贵隆高速生态护坡工程,进行了素土、根系加筋土、格栅加筋土、根系与格栅复合加筋土的三轴固结不排水试验,对比分析了3种加筋土的力学特性。结果表明:植物根系、土工格栅均能提高加筋土的强度,其中根系与格栅的复合加筋效果最好;相较于素土、根系加筋土、格栅加筋土,根系与格栅复合加筋土的黏聚力分别增加了265.0%、101.0%、33.2%;保持最佳的土工格栅布置形式不变,根系与格栅复合加筋土的黏聚力随着含根量的增加出现先增后减的变化趋势,当含根量为0.5%时,黏聚力达到最大。对加筋土的三轴试验曲线进行分析,发现3种加筋土的应力-应变关系均符合邓肯－张模型,并获得了加筋土的邓肯－张模型参数,进一步通过试验数据对模型参数进行了验证。     

不同植物根系参数对土壤抗剪强度的影响分析

为了研究兰州九州台滑坡地带不同植物根系参数对滑坡的影响,以根系形态分布良好的山蒿、芨芨草为试验材料。通过对不同根系直径、含根率组合的根-土复合体直剪试验,分析植物根系参数对抗剪强度及其指标的影响。结果表明：植物根系能够显著提高土体黏聚力c和内摩擦角φ,最大增强程度分别为503.98%和41.06%,根系对抗剪强度的提高主要体现在黏聚力上;存在最优含率(区)使得抗剪强度指标c、φ最大,且不同直径对应的最优含根率(区)不同;亦存在最优直径范围使根系对黏聚力的增强最大,山蒿的最优直径为0.5～1.0mm,芨芨草的最优直径为1.0～2.0mm;比较两种植物根-土复合体的最大黏聚力、内摩擦角及各级法向压力下的抗剪强度发现：芨芨草根-土复合体各项指标均优于山蒿。研究结果可为护坡植物选择及其含根率、直径的选取提供理论依据,对进一步优化植被护坡具有积极意义。     

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。     

植物根系对河道滩坡抗冲性影响的试验

为研究植物根系对边滩坡面固土抗冲性的影响,选择麦冬草、芦苇和蒿草3种天然植物进行抗冲性物理试验,测量植物种植密度、根系面积比率和冲刷量。试验结果表明,根系发达、根系面积比率大的植物对滩坡的固土护岸作用大且范围广,防护效果好,并给出了根系纵深分布一般公式以及稳定坡面的地形函数。     

植物根系吸水对边坡稳定性的影响

植物蒸腾作用导致根系吸水对边坡稳定性起着至关重要的作用。为了量化根系吸水的影响效果,采用有限元方法模拟了均布形、三角形、指数形、抛物线形4种植物根系的吸水作用,同时分析了根系形态、深度对于孔隙水压力分布的影响,并对边坡稳定性进行了定量计算。研究结果表明:随着根系吸水的不断进行,浅层孔隙水压力逐渐减小,基质吸力增大,非饱和土体剪切强度增加,边坡安全性逐渐提高;4种形态植物根系的孔隙水压力及安全系数比的包络线与根系分布形函数基本相同;指数形根系的地表孔隙水压力最小,安全系数比最大,对于边坡加固效果最明显;在根系总量一定时,植物根系深度越大,其影响范围(深度)相应增大,而对于地表根系土剪切强度增量的作用越小,相应边坡安全系数增量也越小。     

水平荷载作用下多花木蓝根系拉拔试验研究

为探索灌木植物根系与土壤界面摩擦力的影响因素,通过改变土壤干密度条件,采用直接施加水平拉拔荷载的方法进行单根拉拔试验,研究了多花木蓝单根的抗拉拔力。结果表明①多花木蓝单根的抗拉拔力与位移关系曲线可分为陡峭上升、陡峭下降和平缓下降3个阶段,在试验开始阶段呈线性关系,随后表现出显著的非线性关系;②在同一土壤干密度条件下,多花木蓝单根的最大抗拉拔力随着根径的增加而呈线性增大趋势,相关系数超过0.9;③当根径一定时,多花木蓝单根的最大抗拉拔力随着土壤干密度的增加而增大;④根在土壤干密度ρ_d为1.35,1.45,1.55 g/cm³时的拉拔破坏模式均表现为摩擦破坏,而土壤干密度ρ_d=1.65 g/cm³,根径r=0.586 mm是根的拉拔破坏模式从摩擦破坏到拉断破坏的临界点,表明当根径r<0.586 mm时,根的破坏模式表现为拉断破坏,而当根径r>0.586 mm时,根的破坏模式表现为摩擦破坏。因此,根径、土壤密度影响根土界面的抗拉拔力。     

植被联合植筋带护坡水力特性模型试验

目前关于植被护坡机理的研究多集中于植被根系的力学效应上,关于其水文效应的研究大多也仅针对于单株植物的根系吸水及蒸腾作用。为了探究在多植株条件下植株间距对土体水力特性的影响,以植被联合植筋带（持水加筋带）构成的植物护坡形式为基础,开展了植株间距分别为20、30和40 cm模型的干燥和降雨过程的模型试验观测,测定不同埋深处土体的吸力及含水率的变化过程。试验结果表明,在植株间距为20 cm的模型试验中,干燥工况下吸力最大值比植株间距为30和40 cm的试验组分别高出5.3%和43.3%,说明植株间距越小,植株间水分竞争越激烈,吸力增大越明显。在植被的根系深度范围内,土体的吸力及体积含水率变化幅度较大,且变化幅度随着土体深度的增加而减小,根系深度范围以下的土体基本不受影响。降雨工况下,雨水优先沿裂隙渗入土体内部,因此应防止边坡开裂。由于植筋带埋设于植株根系两侧,株距实际上就是竖向植筋带的埋设间距,所以在采用植筋带进行护坡设计时,植筋带间距应根据经济性和灌木的株距,按照“细而密”的原则进行布置。     

典型荒漠植被根系对塔里木河岸坡冲刷过程影响试验研究

为探讨植被根系对河岸冲刷过程的影响作用,取新疆塔里木河岸坡原状土,选取当地优势灌木红柳、乔木胡杨根系,通过室内水槽试验,分析不同植被根系对河岸冲刷起防护作用的贡献率。结果表明:①无根系河岸水下淘刷形式主要为圆弧状,下部抗冲能力差;有根系河岸的淘刷形式主要为三角形,下部抗冲能力强,上部悬空层的稳定性好。②根系的网络固土作用使河岸的抗冲能力提高12%~42%;相同植被根系河岸,根系的布置方式对河岸的固土能力有显著差异,V型根系的固土作用优于竖直型;不同植被根系河岸,红柳根系的固土能力大于胡杨根系,平均提高27%。③根土胶结崩塌体堆积形式主要为三角形,且堆积体的占比大于无根系崩塌体;红柳根系胶结崩塌体的分解速率最慢;根系牵拉系数可作为反应根系对河床防护作用贡献的参数,实际计算中可按1.15~2.52进行估算。研究结果可为塔里木河河道岸坡防护提供理论参考。     

人造根在根-土模拟试验中的应用及优化设计

人造根作为根-土模拟试验中真实根系的替代品，在研究根系与水土流失相互关系的试验中得到了广泛运用。通过总结几种应用广泛的人造根材料与构型、人造根参与的主要试验和人造根有效性验证方法，发现目前人造根还存在未考虑人造根材料在根-土试验过程中的生物化学反应、无法模拟须根系植物固土作用、表面过于平整光滑导致根土接触面摩擦力比真实情况偏小、忽略植物枝叶雨水截获功能的问题。基于此，提出通过以下4种方法来改进上述问题：① 通过优化选材、合理布置、表面防护等避免根-土表面的生化反应；② 设计一种能模拟须根系植物的人造根构型；③ 通过打磨人造根表面以增大根-土接触面积和粗糙度；④ 参与降雨试验时，在人造根基础上添加植物地上部分雨水拦挡结构，希望借此能加深人们对人造根的认识，完善和发展人造根技术，使人造根能更好地服务于相关科学试验。     

多花木蓝和双荚决明根-土界面摩擦特性

多花木蓝和双荚决明在稳定边坡和生态修复上具有积极作用,为研究其边坡防护机理,以4 a生多花木蓝和双荚决明根-土界面摩擦为切入点,探讨根系表观形貌、凹凸度对根-土界面摩擦强度的影响。结果表明：(1)多花木蓝根皮以沟壑型为主,而双荚决明则以栅格型为主,且随根径的增大,这一现象越趋明显;(2)根皮凹凸度随根径的增加而增大,根径由1 mm增加到5 mm时,多花木蓝根皮凹凸度从0.26增加到0.48,双荚决明从0.24增加到0.66;(3)根表皮呈格栅型的根-土摩擦强度较优,且凹凸度越大,根-土摩擦强度越大。研究围绕根皮微观形貌-凹凸度定量-试验验证来探讨根-土界面摩擦特性,建立根皮微观结构与根皮宏观摩擦剪切的关系,对于根系固土护坡力学特性的研究具有重要意义。