边坡生态防护中表层含根系土抗剪试验研究

通过直剪试验,研究了某边坡生态防护中表层含根系土的抗剪强度,分析了同一土质含根系与不含根系的抗剪强度,并提出根系含量对土的抗剪强度及其他工程性质的增强起很关键的作用。     

草本植物加固边坡的力学原理

草本植物根系使边坡土体浅层成为土体和根系的复合材料,它通过根土摩擦作用和根的抗拉作用,增强了根系土层的整体抗剪强度,但至今人们对草本植物根系对边坡岩土体的作用及效应的研究仍很少,亟待深入。通过对草本植物根系加固边坡的力学原理进行了全面的分析,不但提出了根土作用的力学模型,而且对边坡增加的抗剪强度和增加的边坡稳定性系数进行了定量计算。从而为草本植物生态护坡提供了理论依据。     

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，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。     

麦秸秆加筋土的合理布筋位置和抗剪强度模型

利用三轴压缩试验,研究上部均匀布筋、整体均匀布筋和下部均匀布筋3种布筋位置的麦秸秆加筋石灰土的应力应变和抗剪强度特性.同时,借助WU模型理论探讨麦秸秆加筋土的强度模型.结果表明:(1) 麦秸秆的3 种布筋位置均能提高石灰土的抗剪强度和抗变形能力;(2) 不同的布筋位置对加筋土的内摩擦角改变较小,对黏聚力的增长影响较大;(3) 下部均匀布筋加筋土的抗剪强度指标高于整体均匀布筋的和上部均匀布筋的,将麦秸秆置于下部土中有利于加筋作用的发挥;(4) 麦秸秆加筋土的强度模型显示,强度的提高与麦秸秆的分布方式有关.研究结果对认识天然纤维加筋土的强度增长和抗变形机制具有指导作用.     

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。     

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。     

边坡残积土直剪强度特性试验研究

通过边坡残积土的物性试验和室内直剪试验,分析了不同土质、不同含水条件下原状土和击实土的直剪特性,结果表明:饱水土的粘聚力和内摩擦角以及抗剪强度均比保湿条件下低,不同土质条件由保湿向饱水转变时土的抗剪强度减幅不同;利用土性对含水率的敏感度可以粗略判断边坡浅层滑动和深层滑动的可能性;击实土样的抗剪强度随含水率增高而增强,在一定值时达到峰值,然后随含水率的增高而逐渐减弱,呈单峰状,这一峰值含水率与土样最优含水率基本一致。     

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。     

基于岩体结构面分级的抗剪强度确定法

岩体结构面抗剪强度是岩质边坡稳定分析的重要参数之一,基于岩体结构面分级的抗剪强度确定法旨在研究如何合理确定该参数值.结合结构面岩性、粗糙度、充填物和富水程度等特征,将软弱结构面按工程特性划分为5级.在结构面分级基础上,以构造类似和地层岩性组合等条件基本相同的原位剪切试验成果作为基础资料,分别按结构面等级差异和施工扰动影响进行参数修正,确定具体工点的结构面抗剪强度.修正因素包括结构面充填物、结构面起伏情况和粗糙程度、岩壁岩石抗压强度及风化情况、饱水程度、爆破或震动影响等5个方面.经重庆一高速公路顺层边坡工程验证,该方法具有较强的工程实用性,是一种便于推广应用的新型结构面抗剪强度确定法.     

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.     

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.     

纤维加筋非饱和黏性土的剪切强度特性

纤维加筋是近些年发展起来的一种土质改良技术,系统掌握纤维加筋土的力学性质对评价纤维加筋土工程的稳定性和进一步推广该技术在工程中的应用具有重要意义。为了了解纤维加筋的剪切强度特性,以非饱和黏性土为研究对象,以聚丙烯纤维为加筋材料,在控制含水率和干密度条件下开展了一系列直剪试验。借助扫描电镜,从微观的角度探讨了纤维的增强机理,并对相关宏观力学性质进行了分析。结果表明：纤维加筋能有效提高土体的抗剪强度,且抗剪强度随纤维掺量的增加而增加;相对于内摩擦角,纤维对黏聚力的增强效果要明显得多;纤维加筋土的抗剪强度随含水率的增加而减小,随干密度的增加而增加;总体上,低含水率和高密实度条件有利于发挥纤维的拉筋效果,提高纤维对强度的贡献。此外,纤维加筋在提高土体峰值剪切强度的同时,还能增加土体破坏时对应的应变及破坏后的残余强度,改善土体的破坏韧性。由扫描电镜分析可知,单根纤维一维拉筋作用和纤维网三维拉筋作用是纤维加筋土的主要增强机理,增强效果则取决于纤维-土界面力大小;剪切面上的纤维在剪切过程中呈现拔出和拉断两种失效模式。     

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。     

非饱和膨胀土抗剪强度的试验研究

膨胀土是一种特殊的非饱和土，经典的土力学理论在膨胀土问题中己显得无能为力。因此，用非饱和土力学理论来研究膨胀土问题在理论和实际两方面都具有重大意义。在非饱和土抗剪强度理论中，吸力的量测在工程实际中仍没有一种简单易行的方法。基于这种实际情况，试图通过其他间接的途径来代替吸力的量测，以确定非饱和土的吸附强度。对于膨胀土这种典型的非饱和土，膨胀力是其很重要的性质之一，它的大小受含水量的影响很大；另一方面，膨胀土的抗剪强度也随含水量的变化而不断地变化。进行了大量的膨胀力试验和抗剪强度试验，以确定膨胀土的膨胀力与吸附强度是否有一定的关系。通过对黑山土和梅山土的重塑试样试验得到的试验数据分析发现：膨胀力和含水量之间存在良好指数关系；粘聚力的对数和内摩擦角均随含水量的增大线性减小；非饱和膨胀土的吸附强度与膨胀力之间存在较好的线性关系，并在此基础上优化了非饱和膨胀土抗剪强度公式。     

基于三轴试验的非饱和土抗剪强度影响因素分析

已有的研究成果表明,含水量和干密度等物性指标对非饱和土的抗剪强度具有较大的影响,因此,有必要从试验的角度探讨含水量和干密度对非饱和土的抗剪强度的影响规律。通过三轴剪切试验,开展了控制含水量和干密度的重塑非饱和土的试验测试,试验结果表明,含水量和干密度是影响非饱和土抗剪强度的重要因素,最佳含水量和最大干密度是应力-应变关系相互转化的临界点。     

寒旱环境盐生植物根系固土护坡力学效应及其最优含根量探讨

 本项研究以大柴旦盐湖区及其周边地区为例,选取海韭菜(Triglochin maritima Linn.)、赖草(Leymus secalinus Tzvel.)、毛穗赖草(Leymus paboanus Claus.)、无脉苔草(Carex enervis C. A. Mey.)等4种优势盐生植物,对其单根进行了单根拉伸试验以及4种植物根–土复合体抗剪强度试验。分别获得了4种植物单根最大抗拉力和单根抗拉强度;通过对4种盐生植物根–土复合体在不同含根量梯度下的直接剪切试验,探讨了根系对土体抗剪强度增强作用以及根–土复合体的最优含根量。由单根拉伸试验结果表明,4种植物单根抗拉力值为4.67～10.97 N,单根抗拉强度值为12.32～49.99 MPa,且4种植物单根抗拉强度由大至小依次为赖草、毛穗赖草、无脉苔草、海韭菜;4种植物根–土复合体扰动试样黏聚力值为10.44～27.42 kPa,不含根素土试样黏聚力值为8.10 kPa,与不含根系素土相比,根–土复合体的黏聚力增长量为2.34～19.32 kPa,其增幅为28.89%～238.52%;根系增强土体抗剪强度存在最优含根量,根–土复合体试样中的含根量处于最优含根量时,4种植物根-土复合体的抗剪强度为相对最大值,其黏聚力值为17.94～27.42 kPa,黏聚力由大至小依次为海韭菜、赖草、毛穗赖草、无脉苔草。该研究成果对大柴旦盐湖区以及与该区地质条件相似的其他地区开展利用盐生植物增强土体抗剪强度,且对于开展有效防治土体侵蚀和地表水土流失等地质灾害的发生具有理论价值和实际意义。     

新疆昭苏县草甸土的工程性质试验研究

由于目前对草甸土的工程性质了解甚少,一方面引起了草甸土与草炭土、泥炭等的混淆,另一方面导致了在设计过程中不知如何选择相应的处治措施。鉴于此,以新疆伊犁昭苏县草甸土层为研究对象,参照一般土体的室内土工试验方法,测试了草甸土的比重、重度、烧失量、渗透系数、抗剪强度、无侧限抗压强度等物理力学指标,并将试验结果与国内外草炭土、泥炭、泥炭质土的工程特性进行了对比分析。结果表明:按照有机质含量分类,新疆昭苏县草甸土属于泥炭质土;其含水率处于泥炭质土的低限附近,而重度则高于一般泥炭和泥炭质土的重度,具有较好的渗透性、很高的压缩性;草甸土中的草根可以显著提高土体的黏聚力,但对内摩擦角的影响不明显;无侧限抗压强度试验过程中草甸土未发生类似于一般黏土的剪切破坏,而是产生了很大的压缩变形和鼓胀变形;草甸土在受荷载后主固结沉降完成很快,其主固结系数随着固结压力的增大线性减小;当固结压力超过100 k Pa时,草甸土的主固结比较小,说明此时草甸土的次固结变形量不容忽视,地基沉降计算中应予以考虑。     

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。