植物根系固土力学机理的研究进展

植物根系在坡面绿化与边坡稳定中发挥了重要的作用。笔者在总结多年来相关根系固土研究成果的基础上,分析了根系固土的概念和固土范围,以及根系固土的抗剪机理、抗拉拔机理、加筋理论等,总结了影响根系固土的关键因素及根系固土的数值模拟等方法。在此基础上,提出了目前国内外根系固土研究中存在的问题及根系固土力学机理研究方面的发展趋势。     

城市岩质边坡生态防护机理及试验

针对边坡生态防护工程特点,探讨城市岩质边坡的生态防护机理、植物与边坡的力学效应、植物根系加固边坡作用机理,并由此建立相应的力学模型,提出根系-土复合抗剪强度公式.研究植物对边坡降雨截留、径流延滞、土壤防渗、土层固结等效应,并探讨生态防护对边坡的抗冲刷机理.在此基础上,设计并完成城市岩质边坡生态防护室内模型试验,研究不同草种、不同坡度、不同固土方式等情况下的工作特性.将本文方法应用于某城市岩质边坡生态防护工程,获得百喜草、高羊茅和百慕达3种草在不同坡角(38(,48(和58()与固土结构(菱形铁丝网、土工格室、三维网垫)时的抗冲刷特性.研究结果表明:土工格室的固土效果最优,其次是三维网垫和菱形铁丝网;单位面积的冲刷强度存在一个临界角度值,为25(左右;百慕达的固土效果优于百喜草和高羊茅的固土效果.     

生态防护中植物根系的固坡性能研究

生态防护主要是利用植物根系来达到固坡和防护的目的,以植物根系分布特征和固坡机理分析为基础,通过土工直剪试验,系统研究了根-土复合体的抗剪强度,并分析了根系密度对的抗剪强度的影响.研究结果表明草本植物根系的90%集中分布在距地表0~30 cm的土层内;根-土复合体的抗剪性能与根系的抗拉强度和根的面积比率有关;而且随正应力的增大而增大,近似呈线性关系,较无根系土的黏聚力增加一倍多,根系对土体抗剪强度的提高主要是由黏聚力的增大来实现的;根系密度对根-土复合体抗剪强度有明显影响,根-土复合体抗剪强度增量与根系密度之间具有良好的二次多项式的相关关系.     

根系生态护坡的机理及试验研究

针对公路边坡开挖可能导致生态破坏和边坡失稳等问题,分别从理论上分析植物根系生态护坡的力学机理和从试验上研究根系的抗拉锚固能力.理论研究表明,根系提高土的抗剪强度主要是通过根-土接触面的摩擦力把土中的剪应力转换成根的拉应力来实现的;根系在生长时分泌了大量高分子聚合物,将其表面附近的土颗粒聚集起来,从而抵抗边坡土体受水流等...     

金沙江干热河谷乡土草本植物根系固土能力原位测定

研究采用野外原位剪切试验的方法,对金沙江干热河谷分布较广的扭黄茅(Heteropogon contortus)、莎草(Eulaliopsis binata)、芸香草(Cymbopogon distans)、旱茅(Schizachyrium delavayi)等4种乡土草本植物的根系固土能力进行了研究.结果表明:① 草本植物根系能提高土壤的抗剪强度,起到固土作用.在受试的4种草本植物中旱茅根系提高土壤的抗剪能力最强达72.5%,扭黄茅最低为2.8%;② 在特殊情况下,根系会降低土壤的抗剪强度,起到疏松土壤的作用.在研究中,扭黄茅根系第1样方出现了抗剪强度低于裸土样方的情况;③ 植物根系在提高土壤抗剪强度的同时,也提高了土壤的破坏位移.在受试的4种草本植物中,破坏位移最大是莎草、最小是芸香草,分别比裸土样方提高了109.4%、32.7%,草本植物根系提高土壤剪切破坏位移的幅度比提高抗剪强度的幅度大;④ 在受试的4种草本植物中,旱茅固土能力最强,又是优良的牧草,在金沙江干热河谷生态恢复、边坡防护、植物篱等生态工程中可作为优先选用的植物.     

护坡植物根系分布特征及抗拉强度研究

为研究植物根系固土护坡的力学机理,以芦竹(Arundo donax)、狗牙根(Cynodon dactylon)和早熟禾(Poa annua)为研究对象,对它们的根系分布特征及抗拉特性进行研究。结果表明,在根系分布特征方面,随着土层深度的增加,3种植物的根系数量逐渐减小,并且大部分集中在土层的上表面。数据拟合表明,采用幂函数模型能较好反映根系的空间分布;在根系抗拉特性方面,3种植物根系均表现出一定的抗拉能力,根系抗拉力与根径呈幂函数正相关关系,随根径增大而增大,3种植物按根系抗拉力由大到小依次排列为:芦竹、狗牙根、早熟禾;根系抗拉强度与根径呈幂函数负相关关系,随根径增大而减小。     

植被混凝土基材2中草本植物根-土复合体抗剪强度与根系分形特征研究

植物根系的固土效应是目前水土保持领域研究的热点问题.通过种植狗牙根和紫花苜蓿2种草本植物,现场取根样分析了根系的分形特征,并进行了直剪试验.试验结果表明：根系对植被混凝土抗剪强度有增强作用,并且根-土复合体抗剪强度的增幅与根系分形特征存在显著的关系,即根-土复合体抗剪强度增幅随根系分形维数增加呈现出先增加后减少的趋势.     

基于数值模拟方法的根系护坡研究进展

为深入探究植被根系固土效果,探寻最佳植被护坡模式。基于现有的植被护坡研究成果的基础上,论述运用数值模拟方法,对植被根系水文效应和力学机制进行模拟。重点总结了模拟不同的坡度、降雨、根系倾角、根长、根的密度和根的分布情况等因素条件下,根系的护坡效果。根据边坡的位移量和应力场情况,或通过对比在不同条件下边坡的稳定性系数和根土体的抗剪强度,更加准确反映出根系的护坡效果,也更进一步验证数值模拟方法的适用性。数值模拟能够考虑多重影响因素,对植被根系护坡作用进行分析,未来在根系护坡的运用中还需不断完善根系模型,考虑更全面的因素。     

基于根系化学组成的抗拉力学特性分析

【目的】分析根系力学特性与化学组成的关系,揭示根系固土的机理,为边坡的生态修复预测及树种优化提供理论基础。【方法】以贵州省石漠化土层浅薄地区乡土树种火棘(Pyracantha fortuneana)和刺鼠李(Rhamnus dumetorum Schneid)为研究对象,通过对根系木质素、纤维素和半纤维素含量及根系抗拉特性的测定,结合根系横截面的表观形态分析,从更为微观的角度分析根系固土护坡机制。【结果】根系力学性质与根径间存在明显的尺寸效应,根径越大,极限抗拉力越大,极限抗拉强度和极限延伸率越小。随着根径的增加,纤维素和半纤维素含量呈增加趋势,木质素含量呈减小趋势。其中火棘木质素含量高于刺鼠李,纤维素含量低于刺鼠李。木质素含量越高,根系极限抗拉力和极限抗拉强度越大,纤维素和半纤维素含量越高,极限延伸率越小。纤维素、半纤维素和木质素在微观的化学结构上韧性和强度可能对根系宏观的力学特性有较大影响。根系在微观结构方面具有与木材一样的微观“多孔结构”,从而对根系产生一定的增韧作用。【结论】根系的木质素、纤维素和半纤维素均对根系的抗拉力学性能有一定影响,在一定程度上揭示了影响根系力学性质内在因素。     

边坡植被的护坡效应探讨

 边坡植被借助根系使边坡土体成为土与根的复合材料,从而明显提高了边坡土体的抗剪强度和安全稳定性,具有稳定土壤结构,提高土壤抗冲性,防治土壤侵蚀的作用;并且边坡植被地上部分的树冠、茎叶和枯枝落叶具有截留降雨和减弱高速落下的雨滴对边坡溅蚀的功能。但由于岩土介质的多变性和边坡植被受力的复杂性,目前的研究仍然停留在定性分析上。通过对边坡植被固土的力学相互作用和护坡效应的研究,探讨了边坡植被摩擦型根系和锚固型根系对边坡岩土体的力学作用机理,分析了边坡植被改善土壤环境,提高边坡的抗冲性,截留降雨,减弱雨滴溅蚀的效应。     

林木根系与土壤环境相互作用研究综述

对林木根系与土壤环境因子相互作用的国内外研究成果进行了综述，总结了土壤温，水分，通过性等物理因子，以及土壤矿质养分，CO2浓度等化学因子对根系生长的作用过程。着重介绍了土壤中Al^3 ,O3、盐分及干旱胁迫对根系的作用机理，分析了根系对土壤环境的作用方式和机理，包括根系分泌物的作用及细根在养分循环中的作用。最后提出了根系与土壤因子相互作用研究的几个重要方向，为今后开展根系与林木生长和产量形成相互关系的生理，生态学机理研究提供依据。     

植被护坡中根土相互作用机制研究现状及趋势

基于根系的形态,探讨了根系中纤维素与木质素含量高低、拉伸延长率与根系力学强度的关系;由根系本身的强度、土体性质及根土接触程度对根土相互作用的影响,分析得出根系本身的力学强度越高、根和土的接触越紧密,越有利于根土相互作用时对土体抗剪强度的提高;提出根系中纤维素及木质素含量、拉伸延长率对护坡植物根系本身力学性质的影响而引起土体抗剪强度的变化,并指出植物根系通过生物化学作用改善植物生长环境、改良土质的工程应用前景.     

基于冻融循环试验的季冻区生态边坡稳定性影响研究

为研究季冻区生态边坡的稳定性，通过室内试验研究了冻融循环次数与含水率共同作用下素土及根-土复合体抗剪强度指标的变化规律。结果表明：在冻融循环作用下，初期素土及根-土复合体的黏聚力均有降低，而摩擦角均有增加，之后黏聚力及内摩擦角趋于稳定；随着含水率的提高，边坡的稳定性降低；随着冻融循环次数的增加，根系增强了滑裂面土体的抗剪强度，提高了根-土复合体边坡抵抗冻融循环作用的能力，增强了边坡的稳定性。研究结果可为季冻区生态固土护坡提供一定的理论依据。     

不同草本植物根土复合体无侧限抗压强度增量与根系分布特征关系

研究草本植物根土复合体无侧限抗压强度增量与根系分布特征关系,可以为草本植物根系固土能力计算及草种选择提供依据.用应变控制式三轴仪测定了种植在PVC管内3种草本植物根土复合体及素土柱体的无侧限抗压强度,2013WinRHIZO根系分析系统测定了根系分布特征.结果表明:①和素土柱体相比,在0～25 cm深度范围内非洲狗尾草、鸭茅、紫花苜蓿根土复合体无侧限抗压强度增量(Δc)分别为4.75、4.00、1.11 kPa,在25～50 cm深度范围为3.20、2.33、0.83 kPa.②紫花苜蓿的根系平均直径(D_a)、根长密度(ρ_(Len))、根表面积密度(ρ_(SA))与另2种草差异极显著.③非洲狗尾草、鸭茅的Δc与含根量(Q)、ρ_(Len)、ρ_(SA)、根体积密度(ρ_(RV))和D_a显著或极显著相关,紫花苜蓿的Δc与ρ_(Len)、ρ_(SA)极显著相关,与ρ_(RV)、Q和D_a不相关.结果表明在草本植物根系的Q、ρ_(Len)、ρ_(SA)、ρ_(RV)和D_a等分布特征值中ρ_(Len)、ρ_(SA)与根土复合体Δc显著相关,可用它们来预测根系的固土能力,在受试的3种植物中非洲狗尾草根系固土能力最强.     

基于FLAC3D的寒旱环境植被根系分布形态对边坡稳定性的影响

随着生态护坡技术的不断发展,植被根系固土护坡作用越来越受到重视。为研究寒旱环境的霸王植被根系分布形态对边坡稳定性影响,同时减少试验成本和挖掘根系对环境的破坏,将根系简化为主根型,通过数值模拟根-土复合体直剪试验,获得与室内根-土复合体直剪试验基本吻合的抗剪强度参数,采用无限边坡理论模型,对不同分布形态根系穿过滑裂面的边坡进行稳定性影响分析。研究发现：不同垂直压力作用下,土体进入塑性剪切阶段时,素土剪切应力均小于根-土复合体;随根截面比增加,土体黏聚力增加幅值大于内摩擦角;当根截面比为0～0.88%时,根系穿过边坡潜在滑裂面时,边坡稳定系数增幅显著,但大于0.88%时,边坡稳定系数增幅较小。因此,在植物固坡工程设计中应找到最优根截面比,以满足寒旱环境边坡的稳定性要求。     

公路边坡植物的护坡机理

从植物根系的力学作用、植物的蒸腾排水效应、茎叶及枯枝落叶的水文效应3个方面,分析了公路边坡植物的护坡机理。通过对植物根系的力学作用分析,建立了草本植物根系的加筋力学模型及木本深根植物的锚固力学模型。三轴剪切试验结果表明,沙棘、沙柳须根的加筋作用使沙土的粘聚力c值提高了2.5~4.0倍,使粘性土的粘聚力c值及内摩擦角φ值均增加0.25~0.40倍。应用非饱和土理论,定量分析了植物蒸腾排水效应对边坡的稳定贡献,现场监测试验表明,即使在雨季,柳树植物根系范围内土中的孔隙水压力仍为负值。依据植物边坡稳固机理,将植物护坡总结为坡面冲刷防护与边坡加固两种设计类型。坡面冲刷防护可根据浅根表土加筋与茎叶水文效应机理进行设计;边坡加固可根据深根锚固作用与蒸腾排水效应机理设计。     

自嵌固生土砖砌体剪压复合受力试验研究

为了研究自嵌固生土砖砌体嵌固部位在剪压复合作用下的承载能力,在考虑其承受不同上部竖向荷载的情况下对18个自嵌固生土砖砌体试件进行了剪压复合受力试验,探究其受力性能、破坏机理及剪压相关性.试验表明砖体间咬合嵌固可起到销栓作用,表现出较好的抗剪能力.分析总结了砌体剪切、剪压和斜压三类破坏形态产生的主因,提出了自嵌固生土砖砌体剪压复合受力下砌体的抗剪强度计算公式,并与传统主拉应力破坏理论中砌体抗剪强度计算方法进行了对比,发现主拉应力破坏理论计算出的砌体抗剪承载力安全可靠,但较为保守.研究可为自嵌固生土砖砌体力学性能的进一步研究及设计应用提供试验成果及理论依据.     

植被固坡的力学初探与数值模拟

植被固坡是利用植被涵水固土的原理来进行边坡加固及坡面防护,同时美化生态环境的一种新型护坡技术。着重分析草本植物根系土体加筋作用与边坡稳定性的关系,采用理论方法与有限元数值模拟对植被固坡进行分析,将表层滑动、整体滑动及降雨入渗等情况下的植被边坡与相应的裸露边坡对比,分析两者之间稳定系数差距产生的原因及影响因素,总结植被固坡效果和规律。为植被在边坡稳定、水土保持和生态修复等方面的工程应用提供理论指导。     

草根与土的相互作用实验及分析

近年来草皮护坡越来越多地出现在实际工程当中,但是相关研究却是一个相对较新的领域。传统的边坡工程加固措施,大多采用砌石挡墙及喷混泥土等护坡结构,仅仅起到了一个保护水土流失的作用。现基于土力学,弹性力学和生态学原理和方法,采用室内直剪试验的技术路线来探讨5种不同固土植物的根系对土体抗剪强度的影响,以及根和土复合体的抗剪特性。不断的研究和应用实践完善草皮护坡的科学基础,使其实用性与科学性进一步融合,并扩大和加深其工程应用的理论内涵和应用范围。     

秸秆灰渣——大理石灰改良膨胀土试验

利用秸秆灰渣及大理石灰作为添加剂,进行室内改良膨胀土试验,研究改良后的胀缩特性及强度特征.秸秆灰渣含量为0%、5%、10%、15%、20%,根据直剪、无侧限抗压强度特征得到秸秆灰渣的最佳含量10%;在秸秆灰渣最佳含量的基础上继续添加大理石灰,大理石灰含量为10%、15%、20%.在试验过程中综合考虑法向应力、固废物含量对膨胀土抗剪强度的影响,总结出膨胀土改良后的抗剪强度、粘聚力显著提高;秸秆灰渣、大理石灰和素土的最佳质量配比为10:15:75.同时进行了自由膨胀率试验、膨胀量试验、膨胀力试验和强度耐久性试验.研究中涉及的所有配比及含量均为质量分数.