华北地区4种常见乔木根系抗拉强度的力学综合模型

抗拉强度是建立边坡稳定模型时最常使用的植被根系特性之一。为建立根系抗拉强度的力学综合模型,对华北地区4种常见乔木油松、白桦、落叶松和蒙古栎的单根依照不同标距、不同拉伸速率进行了拉力试验。试验数据的分析结果表明:所有根系抗拉强度的观测值均通过正态检验;从数学角度出发,应用聚类分析方法,区分出4种乔木的极细根和细根;标距、树种对抗拉强度影响显著,拉伸速率对抗拉强度影响不显著。在理论推导和数据分析的基础上建立了乔木单根抗拉强度的力学综合模型,并对模型参数进行求解。该研究探明了单根抗拉强度的作用机理,对建立边坡稳定模型具有重要参考价值。

4种乔木根系不同埋根方式根-土复合体的抗剪特性

在固定的土壤含水量和干密度条件下,分别选取直径3,5和7 mm的落叶松、油松、白桦和蒙古栎根系,采用水平埋根、垂直埋根和复合埋根的方式制备直径为101 mm的根土复合体试样;应用全自动三轴压缩仪,设定围压分别为200,400和600 kPa,对试样进行固结不排水试验,评价埋根方式和根系直径对土壤抗剪强度的影响。结果表明:加根复合体的抗剪强度明显大于素土,抗剪强度随着埋根直径的增加而增大,土壤抗剪强度表现为复合根复合体>水平根复合体>垂直根复合体。植物根系在土壤中形成横纵交错的状态对减少滑坡等自然灾害可起到更好的作用。

乔木根系固坡作用机理的研究进展

在总结国内外植物固坡方面的研究成果的基础上 ,详细介绍植物固坡方法的机理、根的分布特征与强度特征、根加筋后土的抗剪强度变化以及植物加筋土边坡的稳定性 ,提出植物固坡机理研究中存在的问题 ,如研究植物对边坡稳定性作用的模型手段仍需改进、机制研究尚不系统。

小乔木根系根土间作用力的室外拉拔试验研究

小乔木根系在边坡生态防护中具有相当高的比例,研究土壤贫瘠小乔木根系的护坡机理及影响因素,对进一步提高或改进边坡生态防护技术具有理论和实际意义。在综合国内外相关研究成果的基础上,通过室外拉拔试验研究了红黏土边坡湿地松根系在大气降雨、含水率、根系几何参数等变动情况下根系对坡面土体加固能力的影响。试验结果表明强降雨条件下,表层土体的含水率大于深层土体的含水率,含根土体含水率大于素土含水率,表明小乔木根系有助于坡面土的雨水入渗;最大拉拔力随含水率的增加表现为单调递减或在最优含水率附近最大的先增大后减小的趋势,两者间为二次函数的关系;最大拉拔力随根系体积的增加总体表现单调递增,但在含水率为22%和24%时,最大拉拔力随根系体积的增加先减小后增大;植物根系在不同体积或含水率下,拉拔力-位移曲线波动较大。

松属、青冈属乔木侧根的强度在防护林固土护坡作用中的意义

乔木根系的土壤加强作用是防护林稳定土壤和保护坡面的最有效的机械途径 ,其中侧根的牵引效应在林地的固土护坡过程中具有重要作用 ,其潜能与侧根的抗张强度呈正相关关系。本研究构建了侧根抗张强度与其牵引效应的数学模型 ,对云南山地以云南松林和滇青冈林为代表的松属和青冈属乔木群落进行了分析。结果表明 :青冈属和松属乔木侧根的抗张强度分别在 40～ 10 MPa和 30～ 5 MPa范围内 ,量值的高低随侧根直径的增加而降低。两种乔木的侧根在 0～ 6 0 cm的土壤深处有较高的分布密度 ,由于具有一定的强度 ,通过它们的牵引效应 ,侧根使这一深度的根际土层的抗张强度提高了 6 .85～ 12 .41k Pa。在各个土层 ,青冈属乔木固土护坡能力明显高于松属 。

乔木侧根对土体的斜向牵引效应 Ⅰ原理和数学模型

为证实植物侧根对周围土壤的斜向牵引效应是乔木根系抗蚀护坡机械效应的重要内容，以云南松林为例对这种效应及其量值进行了野外观测和模型计算，并对其在克服林地浅层坡面的不稳定性以及控制侵蚀保护坡面的作用进行了讨论。

华北典型植被根系抗拉力学特性及其与主要化学成分关系

为了解植被根系化学成分对根系力学性能的影响,该研究对华北地区常见的2种针叶树油松（Pinus tabulaeformis Carr.）和华北落叶松（Larix principis-rupprechtii Mayr.）以及3种阔叶树白桦（Betula platyphylla Suk.）、蒙古栎（Quercus mongolicus Fisch.ex Ledeb）和榆树（Ulmus pumila Linn.）5种树直径为0.75~7.65mm,共473根系进行了单根抗拉试验,并将拉伸后的根系按7个直径级归类后测定其纤维素含量、木质素含量、半纤维素含量及综纤维素含量。结果表明,5种树根系抗拉力范围为8~954 N,抗拉强度范围为6~53 MPa。不同树种间抗拉力、抗拉强度差异显著,从大到小依次为榆树〉白桦〉蒙古栎〉油松〉华北落叶松。抗拉力随直径增大以幂函数增大;抗拉强度随直径减小以幂函数和逆函数减小。根系的极限延伸率范围为6.95%~15.50%,不同树种间差异显著。5种树7个径级根系纤维素质量分数范围为20.09%~37.67%,木质素质量分数范围为18.03%~41.67%,半纤维素质量分数范围为1.29%~14.90%,综纤维素质量分数范围为26.20%~52.09%,木质素与纤维素质量分数比值（简称木纤比）为0.53~1.81。根系抗拉力与纤维素含量、半纤维含量、综纤维素含量正相关,与木质素含量、木纤比负相关;根系抗拉强度与纤维素含量、半纤维含量、综纤维素含量负相关,与木质素含量、木纤比正相关。但对于不同的树种,显著影响抗拉力、抗拉强度的化学成分不同。因此,根系中某一化学成分含量的变化并不能完全解释根系力学性能与直径的尺寸效应,或许根系其他内在因素如显微结构等也有着重要的贡献。

乔木根土复合体的抗剪强度实验研究

为了探索乔木根和非饱和红粘土所组成的根土复合体的抗剪强度与土体含水量的关系,及平行双根与剪切面夹角大小对抗剪强度的影响,采用课题组自行研制的大型土复合体直剪仪,进行了大型直剪实验。结果表明:当含水量大于塑限后,根土复合体的抗剪强度随含水量的增大而减小;当含水量越大,越接近液限时,抗剪强度的峰值与最小值越接近;当含水量一定时,根系与剪切面呈一个大于45°的锐角时,抗剪强度最高;抗剪强度峰值出现对应的角度与含水量有关,含水量越大,峰值出现对应的角度越大,且越接近90°。本文为拓展乔木根系对边坡抗剪强度的影响提供了实验依据,对乔木的固土护坡的研究具有积极意义。

浅层滑坡中乔木直根阻滑效应及变形特性试验研究—前后双根

乔木根系在土中所处位置不同,其对土体的强化作用以及自身的变形情况也就不同。通过自行研制的可用于模拟不同深度浅层滑动面的层叠式根土复合体直剪仪对海口橡胶树(乔木)直根进行了根土复合体大型直剪试验,得到了不同深度剪切面处根系对土体的强化效果以及根系通长范围内的变形情况。试验结果表明:乔木根系的存在有助于提高土体的强度和具备阻止或延缓小型浅层滑坡产生的能力;乔木根系的变形主要集中在相邻剪切面之间,此范围之外基本无变形;随着剪切深度的下移,深入稳定土层的根系长度则逐步减少,含根土所能承受的推力值不降反升;树根的存在可改变土体的破坏曲线形式,出现应变硬化现象;前后根系在土中的变形并不一致,剪切面处前根的变形始终最大,剪切面之上前根变形小于后根,剪切面及其之下前根变形大于后根。试验结果得出,乔木根系可对边坡的稳定性起到积极作用,有阻止或延缓边坡下滑的趋势,其试验数据及结论可为乔木根系在浅层滑坡中的锚固理论提供依据。

红粘土土质边坡乔木根-土复合体剪切试验

为研究雨林乔木类树种的根系存在对红粘土土质边坡的加固效果,并从根系形态、几何特征方面研究其加固机理,选取海南热带雨林地区常见的四类直根系乔木树种进行现场大型剪切试验和根系实地统计,获取不同深度下根-土复合体的剪应力与位移关系曲线,并取相应的原状土进行室内直剪试验,将现场剪切试验条件下测得的根-土复合体抗剪强度与室内素土抗剪强度进行比对,计算出不同根-土复合体土体抗剪强度增长率,最终得出在现场原位条件下,四类树种根系中小叶榄仁根-土复合体抗剪强度的增长率最大,其次是重阳木根系和凤凰木根系,非洲楝根系最差;对于四类树种来说都存在一个最优根土面积比,使得根系能最大限度地发挥自身提高土体抗剪强度的作用。

林木根系对坡面土崩解特性的影响

林木根系能大大增强坡面土抗崩解能力。首先制作不同直径、含根量、分布形式、含水量的根系重塑土样,然后对不同条件下根-土复合体进行崩解试验,分析了林木坡面土体崩解特性的影响因素。实验数据表明:根系直径相同时,复合土含水量从15%增加到25%,水平根系的复合土抗崩解能力减小较快,垂直根系及复合根系抗崩解能力减小较慢;含水量一定时,3种根系分布形式的复合土抗崩解能力随根系直径和数量的增大而增大;根系直径和复合体含水量一定时,复合根系的根土复合体抗崩解能力最强,垂直根系次之,水平根系最弱。由此可以得出:林木根系影响土崩解的主要因素是根系分布形式,其次为土的含水量及根系直径,这对选择适宜林木植物护坡具有一定的借鉴作用。

热带雨林地区乔木树根力学性能试验研究

针对海南地区四类热带乔木树根进行室内抗拉、抗剪力学性能的研究;结合根簇形态特征,对四类树种单根力学性能进行分析。研究结果表明:随着根径增加,四类树种单根抗拉力明显增加,而单根抗拉强度则呈降低趋势;随根径的增加,树根抗剪力逐渐增加,单根抗剪强度则逐渐减小;树根在根系中的生长方向和分布密度对树根的力学性质产生影响,竖直向下生长的主根主要提供抗剪强度及抗拉强度,而与主根簇中主根夹角越大的树种,其侧根所提供的抗剪强度相应越小;结合边坡工程对植被的要求,认为小叶榄仁及凤凰木的各方面力学特征优于同试验的其它树种,表现出更好的工程适用性。

植被护坡中根土复合土体抗剪强度分析

针对植被护坡的稳定性难以界定和直剪仪大小限制试验素材大小的问题,为探索植被护坡中根土复合体的抗剪强度与树根和土体间组合方式的关系,选取乔木根和红黏土为材料,运用自行研制的大型直剪仪进行了大量根和土不同组合形式的直剪试验,并将根和土的力学模型推广到三维模型。结合试验数据和公式推导,研究发现:竖直布置根系并不能够让根土复合体的抗剪强度得到最大发挥;在设定的土质和含水量的条件下,试验结果和力学模型都显示,三维空间内单根沿滑坡方向呈62°时能更充分的发挥根系的作用,单根条件下提升根土复合体的强度最大为15.1%;根系穿过滑裂面时,将阻碍边坡的滑动,固坡效果明显。因此,树根能够限制边坡的侧向变形,使挡土墙内应力分布更平均,降低应力集中的可能。研究成果为拓展乔木根系对增强边坡抗剪强度的应用提供了依据。