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。     

青藏高原东北部黄土区灌木植物根系护坡效应的数值模拟

为研究青藏高原东北部黄土地区灌木植物根系与边坡稳定性之间的关系,以试验区西宁盆地及其周边黄土边坡为例,选取适合于研究区生长的柠条锦鸡儿、四翅滨藜、霸王及白刺4种灌木进行坡面种植,并对其根–土复合体进行力学强度试验,且采用二维有限元法模拟试验区生长期为2a的4种灌木植物根系对边坡稳定性的增强作用。试验和模拟结果表明:试验区种植4种灌木植物的坡体,其水平方向和垂直方向的位移显著小于素土边坡,相比较而言,种植4种灌木植物的坡体所发生的水平和垂直最大位移量相对由小至大的顺序依次为柠条锦鸡儿、四翅滨藜、霸王及白刺;4种灌木植物其侧根和主根在土体中分别起到加筋和锚固作用,这种根–土相互作用增加了坡体的黏聚力和抗剪强度,从而使试验区边坡应力集中范围缩小,塑性破坏区面积减小。试验区边坡安全系数计算结果表明,与素土边坡相比,试验区四翅滨藜、柠条锦鸡儿、霸王、白刺根–土复合体边坡相对稳定安全系数依次增强80.5%,48.7%,22.1%和8.0%。由此说明试验区4种灌木植物其护坡贡献大小依次为柠条锦鸡儿、四翅滨藜、霸王及白刺。研究成果可作为青藏高原东北部黄土区采用优势护坡灌木植物,防治坡面浅层滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害发生的理想依据之一。     

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.     

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。     

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。     

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。     

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。     

寒旱环境黄土区灌木植物根系拉拔试验及其根系表面微观结构特征研究

为了系统性研究不同根系形态灌木植物根系的抗拉拔特性以及根–土界面微观结构特征对根–土界面摩擦强度的影响,本项试验选取种植于西宁盆地生长期为2 a的灌木植物柠条锦鸡儿、霸王进行室内根系拉拔试验;在此基础上通过扫描电镜方法进一步探讨根系表面微观结构特征及其对根–土界面摩擦强度的影响。试验结果表明:生长期为2 a的灌木柠条锦鸡儿、霸王的根系最大抗拔出力平均值分别为78.89?24.47,67.78?32.82 N,柠条锦鸡儿、霸王根系抗拔出力达到最大值时所对应的根系在土体中相对位移平均值分别为4.02?1.84,10.67?4.04 mm;柠条锦鸡儿根系在拉拔试验中表现出呈完整拔出型和断裂拔出型2种模式,霸王根系表现出断裂拔出型和周皮滑移型2种模式;2种灌木根系最大抗拔出力均随着根系总表面积、根系总体积、根系总长、根系总干质量、侧根数5个根系形态学指标的增加而增大,其中,根系总表面积是对根系抗拔出力影响相对较为显著的根系形态学指标;柠条锦鸡儿根系表面沿轴向方向发育相对密集的凹槽和凸脊,且其表面分布有网格结构,其根系表面微观结构复杂程度大于霸王,根–土界面间的摩擦强度相对强于霸王。柠条锦鸡儿根系相对霸王具有更强的固土护坡能力。该研究结果可为进一步探讨寒旱环境下灌木植物根系与土体相互作用力学机制以及为研究区固土护坡植物的筛选提供参考。     

青藏高原东北部黄土区护坡灌木柠条锦鸡儿根系拉拔摩擦试验研究

 为研究灌木植物根系与土体间摩擦阻力的特性,对种植在西宁盆地及其周边黄土边坡试验区生长16个月的灌木植物柠条锦鸡儿的根系,分别在1.22,24.39,36.59,51.22 kN四个等级垂直压力下,以2.67 mm/min的速率对其施加水平拉力进行拉拔摩擦试验,试验结果表明,柠条锦鸡儿根–土之间的摩擦力随根系在土体中位移的增加而逐渐增大,根–土间摩擦力与位移关系曲线在试验开始阶段均呈线性关系,随后表现出显著的非线性关系;试验过程中,随着根系在土体中相对位移的增大,根–土之间的摩擦力增幅显著,且增大到一定程度时,趋于峰值并保持恒定,说明此时根–土之间的摩擦力发挥到最大且与拉拔力平衡;随着根系在土体中相对位移的逐渐增大,根–土之间的摩擦力趋于逐渐减小,当减小到某一程度时就不再减小,并保持稳定状态,进而处于新的平衡状态。试验结果还表明,根–土之间的摩擦力随垂直压力的增大而显著增加,并且这种增加呈线性关系。同时,随着土体含水量的增加,根–土间的摩擦力呈逐渐降低的趋势,且在试验研究范围内近似呈线性关系。上述研究对进一步探讨灌木植物根系对土体加筋与锚固作用机制,增强试验区边坡土体稳定性、防治坡面浅层地质灾害具有理论指导意义和实际应用价值。     

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。