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。     

雨林乔木直根根土复合体的抗剪强度试验研究EI北大核心CSCD

为探索不同类型的雨林乔木直根根土复合体的抗剪强度,采用自行设计加工的大型根土复合体直剪仪对不同根径、根数以及根系分布条件下的根土复合体进行直剪试验。通过电动汽车千斤顶,对上剪切盒匀速缓慢施加推力,试验过程中实时记录千斤顶推力的大小、直根相对剪切盒的位移及剪切盒位移等。试验结果显示:土中根系的分布类型、根径大小、根数和剪切深度会影响到根土复合体的抗剪强度及相应的强度指标;植被根系对土体的加筋作用具有积极作用,为后续更加深入地研究乔木根系对小型边坡的治理奠定试验基础。     

粉砂土岸坡三维加筋生态护坡结构力学效应研究

加筋生态护坡是土工织物与植草相结合形成的一种护坡形式,在保证工程生态性的同时大大提高了生态护坡的强度,有广泛的应用前景。以黑龙江同抚堤防工程粉砂土岸坡防护工程为例,开展了三维加筋生态护坡结构的现场原位测试与加筋土体力学特性室内试验研究,揭示了该护坡技术固土护坡力学效应。试验结果表明:对比纯植被护坡和遮阳网表层覆盖护坡方式,三维加筋生态护坡结构对土体加筋作用最为有效。土工网可以帮助植被根系在岸坡表层形成良好的加筋层,而植被根系则帮助土工网与岸坡土体更紧密地结合。加筋生态结构效果主要表现为增加了土体黏聚力,但对内摩擦角影响不大;一个生长周期内草本型植被根系加筋区域集中在地面以下20cm左右的深度;土体含水率和含根量对根土复合体抗剪强度有明显影响,随着土体中含根量和含水率的增加,根土复合体抗剪强度呈先增加后减少的趋势,即对于高羊茅这类抗剪型根系,其加固土体时存在最佳含根量和含水率使其强度最高。     

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。     

草本植物根系对土体的加筋作用模型修正

边坡上的草本植物有助于减缓雨水对边坡的冲刷,提高土体浅层的抗剪强度等一系列优点。本文对前人所提出的草本植物根系对土体的加筋理论模型分别进行分析和评价,得出各自的优缺点。以二者建立的根系作用模型为基础,引入剪切深度系数并对模型进行修正和完善,得到新的根土作用简图,实现垂直压力、剪切位移、剪切深度系数及根径对整个剪切过程的描述。将高寒草地植物矮火绒草根及盐地凤毛菊草根原状根土复合体直剪试验所测得的参数代入修正后的模型当中,得到修正后的模型计算出的草本植物根系对土体的加筋幅度要小于Waldron模型,但修正模型得出的结果与试验结果最为接近。因此,对根系受力情况考虑更为详细的修正后的模型在草本植物根系加筋效果计算方面优于Waldron模型。     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于FLAC~(3D)的边坡生态防护根系作用数值模拟初探

通过FLAC~(3D)数值模拟天然工况、降雨工况下的植物根系对边坡的影响后分析,植物根系对边坡表层起到了明显的防护效果,根固土层,增加土层抗剪强度。表层土的抗剪强度有所增加,这有益于坡体稳定性和内力长期发展,对水土流失也有抑制作用,从而为后续的生态边坡研究提供理论依据。     

植被护坡机制及应用研究

植被护坡就是利用植被涵水固土的原理来进行边坡加固及坡面防护。研究结果显示，植被护坡的机制为：（1）木本植物深根对边坡岩土体有锚固作用；（2）草本植物浅根对边坡岩土体有加筋作用；（3）植被覆盖层可以防止坡面冲刷。植被护坡的特点主要有：（1）植被护坡在初始时，作用力较弱，但随着植物的生长，作用力逐渐加强；（2）植被根系作用力及作用范围有限：（3）植被护坡要求边坡处于相对稳定状态。在此基础上，对植被护坡技术的环境适应性以及植被护坡技术的流程模式进行探讨，并提出将传统的边坡加固技术与植被护坡技术有机地结合起来，发挥二者各自的优点，既保证边坡的安全稳定，以及加固措施的长期有效，又实现坡面植被的快速恢复及生态环境保护。     

大气–植被–土体相互作用:理论与机理

植物是天然的工程师,拥有防止浅层滑坡和地表侵蚀的潜能,并具备低投入、易养护、绿色环保和生态平衡等优点。目前国内外的研究和工程实践大多只考虑植物根系的力学加筋作用,而忽略了更为重要的水力作用。植物蒸腾能增加土体吸力,从而降低土体渗透系数且增加抗剪强度,所以能提高边坡稳定性和防止地表侵蚀。笔者的跨学科研究团队结合高等非饱和土力学理论和植物特征,从根本上研究了大气–植被–土体的相互作用机理;提出了新的理论模型,可预测植被土的持水能力;构建了考虑植物根系形状影响的地下水渗流与地表径流耦合运移的新模型;推导了计算植被边坡吸力分布与稳定性安全系数的解析解,引入了指数形、三角形、均布形和椭圆形4种典型的根系形状;并自主研发了用于离心机模型试验的人造根,能够模拟不同形状的植物根系的水力作用和力学加筋作用,并利用其揭示了根系形状对边坡的变形与破坏机理的影响。为保证研究的基础性和实用性,选取了百慕大草和鸭脚木树两种代表性植物,并考虑了种植间距与真菌等因素的影响。主要研究结果揭示:(1)植物在干燥与降雨条件下均能明显提高土体吸力,提高边坡稳定性;(2)植物引起的土体吸力可以用叶片面积指数和根表面积系数等植物特征参数量化,并且鸭脚木树的叶片面积指数和根表面积系数之间存在着线性关系;(3)真菌能显著提高植物根系的抗拉强度,加强植物的力学加筋作用;(4)所研究的4种根系形状中,指数形根最有利于提高边坡稳定性。上述研究包括室内试验、现场监测、离心机试验和理论建模等方面,建立了一套科学合理的理论框架与测试方法,并为植物护坡的工程实践和"海绵城市"的建设提供科学依据。     

青藏高原黄土区护坡灌木植物根系力学 特性研究

 为研究灌木根系固土护坡的力学机制,以西宁盆地为例,对青藏高原黄土区柠条锦鸡儿、白刺、霸王、四翅滨藜4种灌木进行室内单根拉伸、剪切试验,系统分析灌木根系材料的力学特性。试验与研究结果表明：根系抗拉力和抗剪力均与根径呈幂函数或指数函数关系,且随根径增大而增大,生长期为18个月的4种灌木的抗拉力与抗剪力大小依次为：四翅滨藜＞柠条锦鸡儿＞霸王＞白刺;根系抗拉强度与根径间呈幂函数或指数函数的关系,随根径增大而减小。根系拉伸的应力–应变特征随不同灌木种的根系结构组成不同而不同,4种灌木种单根拉伸应力–应变曲线均表现出在根系受拉后的初期阶段,应力–应变呈直线关系,当荷载超过弹性极限,拉力继续增加时,应力–应变关系反映出非线性弹性特征,4种灌木种延伸率均可达13%以上,且根系最大延伸率随根径增大而降低。研究区根系密集且毛细根分布较多的0.3～0.8 m的浅层土体具有较大的抗拉强度、抗剪强度和抗变形能力,对防治边坡表层水土流失、增强根–土复合体抗剪强度、减缓与防治边坡的滑移变形具有重要作用。根据4种供试灌木根系力学特性并结合根系形态特征,四翅滨藜和柠条锦鸡儿根系固土护坡作用较大。     

膨胀土边坡的稳定性分析

根据膨胀土边坡失稳破坏现象，将其破坏类型归结为表层溜塌、浅层破坏和深层破坏，同时对其破坏发生机理进行探讨。然后在考虑膨胀土工程特性和环境因素影响的情况下，对南阳一中等膨胀土边坡进行稳定性分析。进而在此基础上，对上述3种破坏类型的滑面进行研究，提出该实例边坡的合理坡率和浅层破坏滑面位置。     

干湿循环效应对南宁外环膨胀土抗剪强度的影响

针对膨胀土边坡滑坍多呈浅层破坏的现状,选取南宁外环膨胀土原状样与重塑样开展对比试验,精心设计试验方案,改进常规直剪试样制备条件和试验方法,使模拟土体季节性干缩湿胀过程更接近实际,探究了2种土样经历多次干湿循环作用后抗剪强度的衰减规律。结果表明：试样制备中有上覆荷载作用,实测土样经历同样干湿循环次数后的强度衰减幅度比无荷条件下的小,再次验证荷载对抑制强度衰减作用明显；不管原状还是重塑样经干湿循环后的强度衰减主要是c值大幅降低,其值虽也减小但降幅都不大；此外,计入边坡浅层破坏时滑面的低应力条件开展试验并分析测试结果,得到做边坡浅层稳定性分析时合理的抗剪强度参数,研究结果可供工程设计参考。     

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。     

贵西某高陡岩质边坡生态恢复治理实践

我国有大量的高陡岩质边坡需要进行绿化修复,改善生态环境、避免水土流失,涵养水源、美化环境。在高陡岩质边坡的情况下,边坡绿化技术要因地制宜,根据当地的自然地理环境,并结合本地区草木的生长情况以及边坡的坡度、坡面的岩石性质等情况确定边坡绿化的施工工艺。在高陡岩质边坡的坡体上,植物生长所需的土壤、养分和水分基本不存在,植物根系难以扎根,生长非常困难,不具备乔木生存的环境。岩质边坡主要宜采用藤本和草本植物进行绿化。文章以某砂石厂矿山环境恢复治理项目为例,阐述高陡岩质边坡生态恢复的施工工艺。     

基于模糊统计的岩体抗剪强度参数确定方法

边坡岩体抗剪强度参数是影响边坡稳定性的主要地质因素之一,影响工程岩体抗剪强度参数的因素复杂,且具有不确定性。在考虑岩石力学参数随机性和模糊性的基础上,介绍了确定岩体抗剪强度参数的随机一模糊统计原理和相关计算公式。同时以某矿岩石的变角度剪切试验资料为基础,说明采用该方法得出的力学参数能够更好地反映岩石固有的力学特性。     

降雨条件下膨胀土基坑边坡稳定性分析

应用非饱和土一维降雨入渗模型模拟膨胀土基坑边坡在降雨入渗条件下的水分运移规律。通过试验研究了合肥膨胀土抗剪强度随含水量变化的关系。在此基础上,研究了考虑降雨入渗影响的膨胀土基坑边坡稳定性问题。研究表明,随降雨历时的增加边坡的安全系数逐渐变小,边坡最危险滑动面有向浅层发展的趋势。对于膨胀土边坡的浅层滑动面,采用折线滑动面比圆弧滑动面更接近于实际情况。