植物根系增强土体抗剪强度机理研究进展

结合国内外学者对植物加筋土直接剪切试验和三轴试验的研究成果,分别论述了草本、灌木、乔木等不同类型植物根系在土体中的分布方式,对原状根"土复合体和重塑根"土复合体的直接剪切试验和三轴试验结果,评价植物根系对土体抗剪强度的增强作用,总结植物根系深部锚固、浅层加筋固土和斜向牵引效应3种类型根"土复合体相互作用机理以及植物根系加筋固土的数值模拟研究成果。     

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。     

根系参数对根土复合体抗剪力学特性的影响

河岸带土体的抗剪力学特性是评判河岸稳定的关键因素。为了研究黄河源区河岸带的根系参数对土体抗剪力学特性的影响,以华扁穗草为试验材料,通过开展不同根长和含根量的重塑根-土复合体直剪试验,分析根长和含根量对抗剪强度指标的影响。试验结果表明:植被根系能够显著提高土体的抗剪强度,当含根量从3%增至24%时,根长为2、4、6 cm的根-土复合体分别在含根量为15%、18%和21%时达到抗剪强度峰值,分别为23.78、21.44、21.75 kPa;根土复合体的黏聚力值较素土分别增加了19.2、16.9、17.2 kPa;根-土复合体内摩擦角的最大值对应的含根量分别为15%、12%和15%;当根-土复合体中含根量小于9%时,根长越长,根系增强土体黏聚力的效应越强。     

多花木蓝根-土复合体抗剪强度试验研究

为最大程度地提高边坡稳定性,选用多花木蓝和紫色土的根-土复合体为研究对象,设置了60 cm3含根量分别为0.0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8 g共9个梯度对多花木蓝根-土复合体进行了直剪试验。结果表明:多花木蓝根-土复合体服从摩尔-库伦强度破坏准则,且含根试样的抗剪强度均大于无根系试样,说明根系的加入增加了土体的抗剪切强度;在法向应力不变的情况下,根-土复合体的抗剪强度随着试样含根量的增加而呈现先增大后减小的趋势;在60 cm3含根量为0.3~0.5 g的区间内存在一最优值,使得多花木蓝根-土复合体的抗剪强度出现最大值。通过试验研究,探讨了不同含根量对土体抗剪强度的影响,对三峡库区紫色土稳定性维持以及库区边坡生态修复工程提供了一定的参考。     

根土复合体依赖根系含量的力学特性及非线性破坏准则

为研究植物根系对根土复合体力学特性的影响,开展不同根系含量下的根土复合体三轴试验,分析了根土复合体依赖根系变化的力学特性,建立了根土复合体非线性破坏准则。研究结果表明：根系通过提供抗拉能力来提高土体抗剪强度,根主要影响土体黏聚力,对内摩擦角影响较小;当根系含量为0.36%时,黏聚力增加了64.91%;主应力差随应变的增加显著,当轴向变形>2%时,主应力差变化缓慢;试样破坏时表现为剪胀破坏,产生纵向裂缝;随着围压的增大,根土复合体破坏的剪胀效应减弱;初始切线模量随围压及含根量的增大而增大;根土复合体破坏应力比最大值为0.99,最小值为0.63;基于含根量的变化,非线性强度破坏准则反映了根土复合体的破坏特性,破坏包络线在低围压下表现为非线性,高围压下为线性,线性与非线性变化的临界应力与围压的大小有关。     

柔性纤维加筋土抗剪特性研究

植被护坡抗水流冲刷稳定性研究由来已久,基于植物根系可增加土壤抗剪强度的理论,认为不同根土复合体的抗剪强度不同,其抗水流冲刷能力亦不同.通过室内直接快剪试验,研究了黏性土、ABS塑料及聚丙烯纤维两种柔性加筋材料不同含量下加筋土体的抗剪特性.试验结果表明,土体加筋后,改变了原有土体的物理力学性质,其黏聚力存在一定程度的减小而内摩擦角却有所增大,其变化趋势存在一定的规律性.研究成果对下一步加筋土抗水流冲刷试验提供了数据基础.     

直根系根-土复合体抗剪强度简易计算方法

为了简化直根系根-土复合体抗剪强度的计算,基于根-土相互作用机理,考虑复合土体中根系的破坏模式,对直根系根-土复合体进行受力分析,推导了根-土复合体抗剪强度计算公式,将计算结果与现场实测值进行对比,并对折减系数、含根量、植物种类根-土复合体抗剪强度的主要影响因素进行了参数分析。结果表明:根-土复合体黏聚力是土层深度的指数函数;法向应力不变时,复合土体的抗剪强度随折减系数的增大而增大,折减系数在0.84~0.86之间取值时,结果较接近实测值;且复合土体的抗剪强度随含根量的增大呈先增大后减小的趋势,存在一个使复合土体抗剪强度最大的最优含根量;法向应力增大时,直根系复合土体的抗剪强度也随之增大,采用理论公式计算的抗剪强度值与实测值相对误差在10%以内。研究成果可为边坡生态防护的设计和计算提供理论参考。     

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。     

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。     

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。     

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。     

辽西沙化地区主要植被类型土壤抗剪强度研究

选取辽河流域辽西沙化地区受风水侵蚀的5种不同植被类型与裸地作为研究对象,分析不同植被类型对土壤抗剪强度的影响。结果表明:5种植被类型和裸地土壤抗剪强度由大到小依次为乔灌混栽林、灌木林、草地、乔木林、裸地、农田。乔灌混栽林较灌木林土壤抗剪强度提高了6%,较裸地土壤抗剪强度提高了29.31%。由于频繁耕作等原因,农田土壤抗剪强度较乔灌混栽林降低了31.6%,较草地土壤抗剪强度降低了26.03%。乔灌混栽林土壤抗剪强度最高,是土壤有机质、植物根系和土壤团聚体共同作用的结果。     

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。     

土工格栅与饱和细砂的界面特性试验研究

筋土界面特性是加筋土结构设计的重要技术指标,是揭示土工合成材料加筋机理的关键。采用GDS界面剪切仪研究了剪切速率、竖向应力及网孔尺寸对土工格栅与饱和细砂界面特性的影响。试验结果表明:剪切速率较小(≤1.0 mm/min)时,剪切速率对界面抗剪强度影响不大;剪切速率在1.0~10 mm/min范围内,随着剪切速率的增大,界面抗剪强度先增大后减小;界面抗剪强度随着竖向应力的增加而增大,竖向应力增强了土工格栅对土颗粒的嵌锁作用,限制了土颗粒的剪切移动,从而提高了土体的抗剪强度;剪切速率为1.0 mm/min,竖向应力较小(50~100 kPa)时,小网孔尺寸土工格栅加筋效果更明显;剪切速率为0.1 mm/min,竖向应力较大(200~300 kPa)时,大网孔尺寸土工格栅加筋效果更明显。研究结果对土工格栅在加筋土中的应用具有参考价值。     

砂卵石土强度变形特性综合试验及力学模型参数研究

砂卵石土是一种特殊性质粗粒土,其强度变形特性是工程界重点关注的问题之一。针对某工程砂卵石土地基系统开展三轴剪切试验、界面剪切试验及流变试验等综合研究其强度变形特性,选取合适的力学模型描述砂卵石土的应力-应变关系并整理相应模型参数。试验结果表明:砂卵石土非饱和样的抗剪强度指标明显大于饱和样,在低围压下砂卵石土饱和样和非饱和样分别呈现出剪缩特性和剪胀特性,而在高围压下则均表现出明显的剪缩特性;砂卵石土与混凝土面板间的接触面剪应力与剪切位移基本呈双曲线关系,抗剪强度随法向应力的增大线性增大;在双对数坐标系下砂卵石土流变变形随着时间线性增长,基于试验规律提出了砂卵石土11参数流变模型,该模型可较好地反映砂卵石土的流变特性。研究成果为砂卵石土强度变形特性研究及地基沉降分析提供理论支撑。     

土工合成材料加筋土抗剪作用的试验研究

本文通过4种用合成材料加筋的土体直剪试验，研究了加筋层数、筋材拉伸模量、土体压实度以及竖向压力等对加筋土体抗剪强度和应力-应变特性的影响。试验结果表明：加筋改变了土体的应力-应变特性，峰值抗剪强度增高，峰值后的残余强度较峰值强度的降低幅度减小，且达到峰值强度的剪切位移增大，土体延性提高。筋材拉伸模量过低时，加筋对土体的强度和应力-应变特性影响不大，加筋体的性质与素土接近。随加筋层数和筋材拉伸模量的增大，加筋体强度提高；竖向压力较低时，加筋体残余强度较其峰值强度提高幅度更明显，而竖向压力较高时，加筋体残余强度和峰值强度的提高幅度都相对较小；低压实度的加筋土体，峰值强度提高幅度相对较大，而高压实度的加筋土体，残余强度提高的幅度则较大。     

排水剪切下湿地湖泊相黏土结构性宏微观试验研究

为了探讨排水剪切条件下结构性对湿地湖泊相黏土力学特性的影响,对湿地湖泊相黏土原状样和重塑样进行三轴排水剪切试验,将试验后的原状样进行微观定性和定量分析,研究不同围压下结构性对土体剪切强度和变形特性的影响。结果表明:在土体结构屈服破坏前,结构性会提高原状土抗剪强度,减小剪切变形;当土体结构屈服破坏后,结构性会降低原状土抗剪强度,增大剪切变形。原状土的峰值结构强度随围压增大近似呈线性增加,而峰值结构体积应变随围压增大呈指数型趋势减小。在围压小于结构屈服应力时,剪切阶段由胶结联结和结构骨架承担荷载,孔隙压缩较小,颗粒和孔隙的形状和排列变化较小;当围压超过结构屈服应力后,在剪切阶段胶结联结和结构骨架逐渐破坏,孔隙受到压缩,颗粒和孔隙的形状趋向圆形,并向荷载优势方向调整排列。研究成果对于揭示湿地湖泊相黏土的结构破损机理及指导湖泊湿地地区的工程建设具有重要意义。     

四种人工合成纤维加筋黄土的抗剪特性

为了对比分析不同类型纤维的加筋效果及其作用机制,选取玄武岩纤维、聚丙烯纤维、聚酯纤维和玻璃纤维4种常用的人工合成纤维,以黄土为研究对象,在控制试样含水率、干密度、纤维长度和掺量等参数一定的条件下,制备5组试样进行直剪试验。试验结果表明:①纤维加筋前,土体的剪应力-剪切位移曲线存在比较明显的应变软化特征,纤维加筋后的曲线逐渐由应变软化转化为应变硬化。②纤维的掺入能够有效提高土体的抗剪强度。比较而言,玄武岩纤维的增强效果较其他纤维更好,玄武岩纤维加筋土的黏聚力和内摩擦角增幅分别为52.03%和24.30%;聚丙烯纤维次之,增幅分别为45.94%和16.01%;聚酯纤维和玻璃纤维增强效果相对较差。③加筋土黏聚力的提升与纤维-土界面的黏结力、纤维自身的抗拉强度有关,内摩擦角的提升主要与纤维-土之间的界面摩擦力有关。比较而言,玄武岩纤维的表面粗糙,抗拉强度大,使得加筋土的抗剪性能提升明显。相关分析结果可为比选纤维加筋土类型提供较好的参考。     

不同含盐类别和干密度盐渍土的三轴试验变化特征研究

对罗布泊地区的盐渍土进行三轴剪切试验研究,获得了盐渍土在不同含盐类别和干密度的剪切变形和体积变形的变化特征。分析认为:在较低干密度下,盐渍土呈现应变硬化型,硫酸盐渍土在较高干密度下呈现弱应变软化型;在相同的干密度下,硫酸盐渍土的破坏强度大于氯盐渍土的破坏强度;运用邓肯-张模型,求出不同含盐类别及不同干密度下盐渍土的8个参数,并进行拟合,结果表明:邓肯-张模型应用于盐渍土时对于应变硬化型应力-应变曲线具有良好的拟合效果,但不能反映应变软化特性和剪胀性。     

竹条加筋土的大尺寸直剪试验研究

为确定竹条加筋砂土的筋土界面工作机理,进行了大尺寸直剪试验。将厚度为5 mm的竹材分别制成长度为20,40,60 mm,宽度为10 mm的竹条,并分别按0.2%,0.4%,0.6%,0.8%,1.0%,1.2%的质量百分含量加入到砂土中,对加入竹条的砂土进行大尺寸直剪试验研究。结果表明:与纯砂相比,竹条加筋土的抗剪强度明显增强,峰值强度和残余强度均有所提高;竹条加筋土的黏聚力和内摩擦角均有所增加,其中黏聚力变化较大,内摩擦角变化较小;竹条加筋土的峰值抗剪强度随着竹条尺寸和竹条加筋率的增加呈现先增加后减小的规律;尺寸为10 mm×40 mm且质量百分含量为0.8%的竹条加筋砂土效果最佳。