常见护坡植物的根土复合体力学特性分析

为研究根系固土护坡的力学机理,定量分析根系对土体抗剪强度增强效果,为生态护坡的植被选型提供力学依据,对高羊茅、白三叶、五节芒和马棘进行了植物含根率测定、根土复合体抗剪强度测定。四类植物的含根率与深度呈负相关,根土复合体抗剪强度与含根率呈正相关,从力学原理上证明利用植被固土护坡的可行性。     

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。     

坡面岩体–基质–根系互作的力学特性

通过试验对岩石边坡植被护坡工程坡面岩体–基质–根系互作的力学特性进行了初步探讨,研究了基质–根系复合体自身的抗剪、抗拉及其与岩体间的抗剪特性;探明了抗剪强度、抗拉强度与复合体含根量、含水量等因子间的关系及时间尺度效应。研究结果表明:基质–根系复合体与岩体间的抗剪力主要由摩擦力及生物作用力组成,抗剪强度随含水量的增加而减小,随含根量增加而增大,均表现出对数函数关系,含水量对摩擦力及生物作用力均产生影响,含根量主要影响生物力部分;由于植物根系的存在,复合体具有了抗拉特性,其抗拉强度随含根量增加而增大,随含水量的增加而降低,并与两者间存在较显著的函数关系;复合体抗剪强度τ与正压力σ的关系符合库仑定律,但c,?值与一般土的抗剪强度指标的物理意义不同,还包含了根系的作用效果,在复合体含水量与正压力相同情况下,抗剪强度与含根量呈指数函数关系,根系总量增加,c,?值均呈增加趋势,显著提高了复合体抗剪强度,在复合体的含根量与正压力相同的情况下,抗剪强度与含水量呈幂函数关系,含水量的增加使c,?值减小,复合体抗剪强度降低;坡面岩体–基质–根系互作的力学特性具有明显的时间尺度效应,草种为狗芽根时,播种后5个月基本达到稳定。     

黑麦草根系加固粘土的剪切强度性能研究

植被在增强边坡稳定性方面有着积极的作用,其作为一种兼顾生态保护和边坡治理的护坡方式,在工程实践中得到了广泛的应用.为了研究植物根系加筋土的抗剪特性,以室内培育的黑麦草根系为加筋土的筋材,制备了不同含根量和含水率的重塑试样,通过直剪试验分析其抗剪强度特性的变化规律.研究结果表明:黑麦草根系加筋增强了土体的抗剪强度,表现为...     

坡面岩体-基质-根系互作的力学特性

通过试验对岩石边坡植被护坡工程坡面岩体-基质-根系互作的力学特性进行了初步探讨，研究了基质-根系复合体自身的抗剪、抗拉及其与岩体间的抗剪特性；探明了抗剪强度、抗拉强度与复合体含根量、含水量等因子间的关系及时间尺度效应。研究结果表明：基质-根系复合体与岩体间的抗剪力主要由摩擦力及生物作用力组成，抗剪强度随含水量的增加而减小，随含根量增加而增大，均表现出对数函数关系，含水量对摩擦力及生物作用力均产生影响，含根量主要影响生物力部分；由于植物根系的存在，复合体具有了抗拉特性，其抗拉强度随含根量增加而增大，随含水量的增加而降低，并与两者间存在较显著的函数关系；复合体抗剪强度τ与正压力σ的关系符合库仑定律，但c，φ值与一般土的抗剪强度指标的物理意义不同，还包含了根系的作用效果，在复合体含水量与正压力相同情况下，抗剪强度与含根量呈指数函数关系，根系总量增加，c，φ值均呈增加趋势，显著提高了复合体抗剪强度，在复合体的含根量与正压力相同的情况下，抗剪强度与含水量呈幂函数关系，含水量的增加使c，φ值减小，复合体抗剪强度降低；坡面岩体-基质-根系互作的力学特性具有明显的时间尺度效应，草种为狗芽根时，播种后5个月基本达到稳定。     

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。     

生态护坡中土壤含根量与抗剪强度关系试验研究

通过对加入草本植物狗牙根根系的根土复合体进行直接剪切试验,研究在不同含根量和在不同垂直压力情况下根土复合体抗剪强度变化情况。结果表明,狗牙根根系具有提高土体抗剪强度的作用,根土复合体的抗剪强度随着含根量的增加而增大,但当含根量达到一定值时根土复合体的强度增加并不明显,即存在最佳含根量区域。     

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.     

植被护坡根系浅层固土与分形特征关系初步研究

 植被护坡工程中,植物根系的空间分布对根土加筋复合体强度产生重要影响。将紫花苜蓿和狗压根2种常用护坡植物种植在容器内,根系贯穿容器内全部土层(植被混凝土基材)后,分别对非含根土样、2种复合体沿土层深度进行直剪试验,同时分析根系的分形特征,通过对比,研究植物根系分形维数与土体黏聚力增加值的关系。研究结果表明：(1) 根系扎入土体后能显著增强土层的抗剪切强度,特别是黏聚力增加幅度明显,但紫花苜蓿和狗牙根对复合体黏聚力的增加存在显著性差异;(2) 2种植物均具有明显的分形,含根量多并且根系分布相对均匀的土层根系分形维数较大;(3) 土层黏聚力增加值与土层内根系分形维数存在显著正相关关系。     

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。     

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。     

Direct shear tests of shear strength of soils reinforced by geomats and plant roots

To investigate the shear strength of root–geomat reinforced soil (RMS), direct shear tests were conducted in laboratory on soil samples cultivated with three–dimensional geomats and Bermuda grass. The test results showed that the shear strength of RMS could be significantly improved by the combined reinforcement with grass roots and geomats, particularly at a low vertical stress level. The shear strength increment was increased exponentially with the total reinforcement content of roots and geomats. Concurrently, the soil cohesion was significantly increased, but the influence on the friction angle was generally negligible. With the increase in root or geomat content and decrease in water content, both the soil shear strength and cohesion were remarkably increased. Owing to the higher tensile strength of geomat than that of roots, the effect of geomat content on shear strength was larger than that of root content. Furthermore, the shear strength increment caused by root–geomat reinforcement was larger than the sum of the respective increments caused by root and geomat. Moreover, the soil shear strength and cohesion increments induced by the combined root–geomat mutual interlocking effect were increased exponentially with the total reinforcement content.     

Influences of root concentration and suction on Chrysopogon zizanioides reinforcement of soil

The influences of root concentration and suction were investigated on Chrysopogon zizanioides (vetiver grass) root-reinforcement of clayey sand, using suction-monitored direct shear tests at four different suctions ranging from zero to 50 kPa. The vetiver grass specimens were grown in containers for about a year until they showed various root concentrations prior to testing. Of all suctions, soil samples with greater root concentrations had a higher peak strength and were more ductile than those without roots. Unsaturated root-reinforced soils contracted while the non-reinforced soils dilated during shearing. The rate of increase in root cohesion with root concentrations were highest at the suctions around 20 kPa. The rates of increase in shear strength with suction were similar for non-reinforced soils and reinforced soils up to a threshold in root concentration beyond which the rate became slightly smaller. The obtained relationships between root area ratio and strength were used in the infinite slope stability calculation of an instrumented slope based on field pore-water pressure and mini-rhizotron measurements. The analysis showed that in unsaturated condition, the stabilizing effect of suction was greater than that of roots, while in saturated condition, the stabilizing effect of root reinforcement was more important especially for shallower depth.     

寒旱环境植物根系增强边坡土体抗剪强度的原位剪切试验研究

 选取西宁盆地及其周边地区作为试验区,以种植在试验区30°边坡生长期为150 d的垂穗披碱草、细茎冰草等2种草本和柠条锦鸡儿、霸王等2种灌木为供试种,采用草本和灌木单一种植以及组合种植等2种方式,分别开展原位剪切试验评价植物根系增强边坡土体抗剪强度贡献;在此基础上,将本次试验结果与Wu-Waldron-Model模型(简称WWM模型)计算结果进行对比分析,得出如下结论：(1) 根–土复合体抗剪强度较素土表现出较大程度提高,采用单一种植草本和灌木的根–土复合体抗剪强度增幅为47.61%～98.24%;草本和灌木混合种植的根–土复合体抗剪强度增幅则为104.47%～173.93%,同时反映出草本和灌木混合种植条件下的根–土复合体抗剪强度增幅,显著大于单一种植条件下的根–土复合体抗剪强度增幅。(2) 通过将WWM模型计算结果与原位剪切结果进行对比,对比结果表明：采用WWM模型计算得到的单一种植和组合种植2种条件下,根–土复合体抗剪强度增量变化规律与原位剪切试验得到的抗剪强度增量变化规律基本一致,上述结果实现了采用原位试验和模型理论计算相结合的方法,定量评价试验区草本和灌木根系增强边坡土体抗剪强度贡献。     

土工织物加筋土的土压力减轻作用试验研究

通过在研制改进的固结试验仪上 ,进行一系列考虑土工织物埋置在土中不同位置时加筋土的单轴固结试验及三轴K0 固结试验和不排水剪切试验 ,从静止土压力系数的变化 ,探讨了土中埋置有土工织物的加筋土层的土压力减轻作用及剪切强度的增加作用。得出了土工织物的数量、放置形式和超固结比的不同对土压力变化的影响规律 ,为加筋土边坡稳定分析提供了有意义的参考依据     

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。