基于土工试验的地质勘查中土壤剪切强度分析及其工程应用

土壤剪切强度是评估地基承载力和稳定性的重要指标,在地质勘查与土木工程中具有广泛应用价值,基于土工试验方法,测定土壤的抗剪强度参数,如摩擦角和黏聚力,可以有效评估土体在不同应力条件下的抗变形能力,为地基承载力计算、边坡稳定性分析提供科学依据。土壤剪切强度的合理应用,不仅提高了工程设计的可靠性,还促进了土壤工程性能的深入研究。

放牧对内蒙古大针茅草原土壤剪切力空间分布的影响

本研究在内蒙古草原生态系统研究站的持续放牧(CG)和禁牧(UG79,从1979年开始禁牧)两个试验区。利用GPS在每个区分别设立1个长135m×105m的样地,每样地选100个测量点,利用Hand-held vane tester测量土壤剪切力并研究其空间分布情况。结果表明,CG区,放牧导致土壤孔隙减少,容重增加,有机质减少,土壤剪切力高于凋落物与有机质较多的禁牧小区。在UG79和CG两个区,从干旱条件到中等水分条件,土壤剪切力空间分布都有差异,说明土壤含水量在一定程度上决定了土壤剪切力的空间分布,但到达湿润条件后,其分布有恢复原状的趋势,这暗示土壤水分对其影响也存在限制。

石匣小流域整地措施对土壤剪切性质的影响

为了解坡面整地措施对坡体稳定性的影响和土壤物理性质对土壤抗剪强度的差异性,选取石匣小流域4个标准样地,通过测量多个土壤物理性质指标(土壤容重、土壤含水率、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、紧实度和液限),研究不同坡面整地措施的土壤临界剪切力随深度的变化,以及土壤抗剪切破坏能力的强弱关系和影响因素。结果表明:原状土的临界剪切力随深度的增加而增加;通过库伦公式得出的土壤抗剪强度与土壤临界剪切力的回归方程为σ=0.0123τf+0.6308。土壤物理性质对抗剪强度的影响不同,紧实度、容重与含水率对抗剪强度的影响相对较大。对于不同的坡面整地措施,土壤抗剪切能力强弱顺序为梯田>水平条>裸地,其中,在水平条上种植针叶树,土壤抗剪切能力优于种植阔叶树。在北京石匣地区,布设坡面整地措施时,需因地制宜地增加田面宽度,并种植针阔混交林以增加土壤抗剪强度。

不同放牧强度影响下的土壤剪切力空间变化

在内蒙古锡林河流域建立典型羊草植被覆盖下围封、冬季放牧和过度放牧试验区以及典型大针茅植被覆盖下围封和持续放牧试验区。在长135 m,宽105 m,共计100个测量点的空间区域测量土壤剪切力并研究其空间变化情况。结果表明,土壤含水量是引起区域土壤剪切力变化的主要因素,而放牧是引起土壤剪切力空间变异的关键因子,其途径主要是通过改变土壤结构、土壤含水量以及植被状况。过度放牧严重破坏土壤结构导致的土壤剪切力最小。适度放牧因局部干扰,土壤剪切力的空间分布具有清晰的递变性,但这种递变性在干旱条件下减弱。而围封仅在土壤含水量与植被根系的作用下并未形成类似前者的空间分布形式。这说明在适度放牧的干预下,土壤剪切力的空间分布具有相对稳定性。

黄土丘陵区典型农耕地土壤临界剪切力季节变化

【目的】研究黄土丘陵区典型农作物玉米和谷子生育期内土壤临界剪切力的季节变化特征及其影响因素,以期为该区的粮食安全生产和土壤侵蚀过程模型建立提供参考依据。【方法】以黄土丘陵区玉米地和谷子地为研究对象,在6组不同的水流剪切力条件下(τ=5.71—17.18 Pa),借助坡面径流冲刷试验测定土壤的分离能力,结合土壤侵蚀过程WEPP模型,利用线性回归方法推求土壤临界剪切力(τ_c),分析了玉米和谷子生育期内土壤临界剪切力的季节变化规律。【结果】黄土丘陵区玉米和谷子生育期内土壤临界剪切力具有明显的季节变化规律(P<0.05),整体呈上升趋势。玉米地τ_c表现为先降低后升高再降低又升高的季节变化模式,变化范围为1.51—4.89Pa,平均值为3.0 Pa,最小值(1.51 Pa)出现在五叶期,最大值(4.89 Pa)出现在收获期;谷子地τ_c表现为先降低后升高的季节变化模式,变化范围为1.06—6.53 Pa,平均值为2.93 Pa,最小值(1.06 Pa)出现在幼苗期,最大值(6.53 Pa)出现在成熟期。玉米地和谷子地土壤临界剪切力的季节变化由土壤黏结力、初始含水量等土壤属性的季节变化和作物根系生长所致。两种作物地的土壤临界剪切力与土壤黏结力、初始含水量和作物根重密度间呈正相关关系。在玉米和谷子生育期内,利用土壤黏结力、初始含水量和作物根重密度可以较好地模拟两种作物地土壤临界剪切力的季节变化(R^2>0.74,NSE>0.72)。【结论】作物根系、土壤黏结力和初始含水量等的季节变化是影响玉米地和谷子地土壤临界剪切力季节变化的主要因素。土壤临界剪切力与根重密度、土壤黏结力和初始含水量间呈正相关关系。用根重密度、土壤黏结力和初始含水量等参数能够较好地模拟玉米地和谷子地土壤临界剪切力的季节变化。

黄土区大豆和马铃薯田土壤临界剪切力季节动态

以黄土区大豆和马铃薯田为研究对象,在6组不同水动力条件下(τ=5.71~17.18 Pa),借助坡面径流冲刷试验,结合土壤侵蚀过程WEPP模型,探讨了黄土区大豆和马铃薯田土壤临界剪切力(τc)的季节动态变化规律。结果表明:黄土区大豆和马铃薯田土壤临界剪切力在整个生长季表现出明显上升的季节动态变化规律(P<0.05)。大豆田τc表现为降低-升高-降低-升高-降低的季节动态模式,变化范围为1.66~5.37 Pa,平均值为3.34 Pa,最小值(1.66 Pa)出现在播种期,最大值(5.37 Pa)出现在收获期;马铃薯田τc表现为升高-降低-升高-降低-升高-降低的季节动态模式,变化范围为1.06~5.26 Pa,平均值为3.12 Pa,最小值(1.06 Pa)出现在现蕾期,最大值(5.26Pa)出现在开花期。两种作物田土壤临界剪切力与土壤黏结力、容重、水稳性团聚体和根重密度间呈正相关关系,其中,土壤容重和根重密度是影响土壤临界剪切力季节动态变化的重要因子。用土壤容重和根重密度能够较好地模拟大豆和马铃薯田土壤临界剪切力的季节动态(R^2>0.50,NSE>0.50)。

交替冻融对土壤临界剪切力和土壤细沟可蚀性的影响

为了揭示冻融作用对土壤临界剪切力和细沟土壤可蚀性的影响,为冻融作用影响下的土壤侵蚀预报提供科学依据,通过室内交替冻融循环试验和变流量微型"V"型水槽人工放水冲刷试验,研究了交替冻融作用影响下土壤临界剪切力和土壤细沟可蚀性的变化特征。试验设计了参照试验(CK),3种交替冻融循环周期处理(1,3,6)和2种土壤质量含水率水平(10%,20%)。结果表明:不同试验处理对土壤临界剪切力和土壤细沟可蚀性的影响程度和趋势不同。当冻融循环周期为1时,土壤的临界剪切力和土壤细沟可蚀性相比参照试验呈现增大的趋势;当冻融循环周期继续增大至3,6时,土壤的临界剪切力和土壤细沟可蚀性相对于参照试验呈减小趋势。当冻融循环周期相同时,10%含水率水平下的土壤临界剪切力和土壤细沟可蚀性均大于20%含水率水平下的土壤临界剪切力和土壤细沟可蚀性。研究为冻融作用影响下土壤侵蚀的预报提供重要参考。

植物根系对土壤抗侵蚀能力的影响

植物根系增加土壤的抗侵蚀能力主要通过两种方式:一是通过根系在土体中交错、穿插,网络固持土壤;二是通过改善土壤的物理性质,提高土壤自身的水力学性质,从而增强土体的抗侵蚀能力。植物根系能明显增强土壤的抗冲性、土壤的渗透性及土体的剪切强度等水力学性质。根系在提高土壤抗侵蚀能力、防止土壤侵蚀方面具有重要作用。

砖红壤区WEPP模型土壤参数的率定

通过砖红壤坡面室内模拟降雨试验测得径流产沙资料,由径流产沙资料率定土壤参数有效水力传导率、细沟可蚀性参数和土壤临界剪切力。结果表明,有效水力传导率值为16.7 mm/h,细沟可蚀性参数为0.005 s/m,土壤剪切力为4.0 Pa。根据Nash-Sutcliffe有效性进行有效性检验,结果表明砖红壤区土壤参数的率定结果合理,可应用率定的土壤参数进行砖红壤区WEPP模型的模拟。

细沟侵蚀可蚀性参数及土壤临界抗剪应力的有理(实验)求解方法

利用室内细沟侵蚀模拟试验结果 ,把细沟可蚀性参数和土壤临界抗剪应力的研究与侵蚀的过程结合起来 ,通过对土壤水蚀预报模型WEEP中控制土壤侵蚀的水动力学模型进行理论分析 ,导出了由实验直接计算得到细沟侵蚀可蚀性参数Kr 值及土壤临界抗剪切应力τc的方法 .由推导得到的计算方法与计算公式 ,求得了不同工况下细沟侵蚀可蚀性参数及相应的临界抗剪切应力值 .结果表明 ,对于同一种土壤 ,在不同的水动力学条件下 ,计算得到的细沟侵蚀可蚀性参数基本是一致的 .对于实验所用的黄绵土 ,计算得到的细沟可蚀性参数Kr 均值为( 0 32 4± 0 0 0 3)kg·N-1·s-1.临界抗剪切应力τc 随坡度的增大有增大的趋势 .不同水动力条件下回归系数值均大于 0 71 .提出的计算细沟侵蚀可蚀性参数Kr 值及土壤临界抗剪切应力τc的方法 ,将有助于建立和完善土壤侵蚀预报过程模型 .

辽西沙化地区主要植被类型土壤抗剪强度研究

选取辽河流域辽西沙化地区受风水侵蚀的5种不同植被类型与裸地作为研究对象,分析不同植被类型对土壤抗剪强度的影响。结果表明:5种植被类型和裸地土壤抗剪强度由大到小依次为乔灌混栽林、灌木林、草地、乔木林、裸地、农田。乔灌混栽林较灌木林土壤抗剪强度提高了6%,较裸地土壤抗剪强度提高了29.31%。由于频繁耕作等原因,农田土壤抗剪强度较乔灌混栽林降低了31.6%,较草地土壤抗剪强度降低了26.03%。乔灌混栽林土壤抗剪强度最高,是土壤有机质、植物根系和土壤团聚体共同作用的结果。

翻埋秸秆抑制土壤开裂机理研究

土壤中存在过多裂缝会增加水分入渗率和蒸发率,引起土壤中表层水分减少,深层渗漏增加,不利于作物生长。裂缝产生的原因与土壤结构、土壤含水量、土壤性质、气候变化等多种因素有关,为了研究翻埋秸秆对抑制土壤开裂的影响程度,进行了不同秸秆密度下的土壤裂隙度田间试验,通过剪切仪对采集的不同秸秆密度下的土体样品与无秸秆的土壤样品进行剪应力和压力测试,采用SAS和Excel软件对数据进行分析,发现,随着添加秸秆量的增加,土壤的抗剪强度和粘聚力不断提高,降低了土壤裂缝的宽度。

小麦秸秆粉碎还田配施氮肥与多酚对土壤侵蚀阻力的影响

小麦秸秆粉碎还田可改变土壤性质,进而影响土壤侵蚀阻力。以北方土石山区褐土为研究对象,利用L 9(34)正交表对秸秆长度(2,5,8 cm)、秸秆还田量(2000,4000,8000 kg/hm^(2))、纯氮施加量(100,140,180 kg/hm^(2))及纯多酚施加量(0,40,80 kg/hm^(2))4因素3水平进行正交设计,加空白对照共计10个处理。采用JET土壤侵蚀阻力测定仪测定土壤可蚀性和临界剪切力,分析秸秆粉碎还田对土壤侵蚀阻力的影响。结果表明:与对照相比,秸秆粉碎还田后各处理土壤临界剪切力均有所增大,但差异不显著(P>0.05),氮肥量对土壤临界剪切力影响显著,随氮肥量增加土壤临界剪切力先增加后减小。秸秆长度、还田量、氮肥量和多酚量对土壤可蚀性均具有显著影响,其中秸秆还田量和多酚量的影响贡献率较大,分别为50.61%和23.84%,其影响分别为负效应和正效应。秸秆粉碎还田条件下,土壤可蚀性可用土壤饱和含水量、>0.25 mm团聚体含量进行线性拟合(R^(2)=0.81,P<0.01);>0.25 mm水稳性团聚体含量与土壤可蚀性能较好地模拟土壤临界剪切力(R^(2)=0.76,P<0.05)。研究结果有助于理解秸秆粉碎还田后土壤侵蚀阻力变化与机制,并可为模型模拟提供数据支持。

干湿交替作用对关中地区塿土临界剪切力的影响

为了探究山地丘陵区梯田田坎在自然营力作用下的抵抗剪切破坏机理,通过室内试验测定土壤的临界剪切力,分析干湿交替作用对土壤临界剪切力的影响,以及确定不同干湿交替处理后土壤临界剪切力与土壤黏聚力之间的关系。结果表明:(1)在1~7次干湿交替过程中,土壤单位高度土体水头差与渗流流速之间呈正相关关系,并随着干湿交替次数的增加土壤渗透系数逐渐增大,然后趋于稳定。(2)随着干湿交替次数的增加,1~3次干湿交替对土壤临界剪切力无显著影响,4~7次干湿交替后临界剪切力呈小幅增加并趋于稳定。检验分析表明,不同干湿交替水平对土壤临界剪切力有一定程度的影响,且二者存在正相关关系。(3)随着土壤临界剪切力的增加,土壤黏聚力也逐渐增大,且二者具有显著相关性。研究结果可为梯田修筑及相关工程实践提供理论依据和技术支撑。

基于模型履带板的斜坡最大剪应力计算模型构建与验证

在山地斜坡路面工况下,履带拖拉机行走系对土壤施加的最大剪应力是拖拉机高效行驶的动力基础,由于经典的库伦公式未考虑履带剪切速率、斜坡角度、土壤含水率等实际因素的影响,不能直接应用于履带拖拉机在斜坡路面工况下的行驶力学计算。针对该问题,在不同土壤含水率条件下进行了直剪试验,得到土壤抗剪强度参数随含水率变化的数学模型。采用二次旋转正交组合试验,探究了履带板在不同剪切速率及斜坡角度下对土壤最大剪应力的影响规律,并对经典库伦公式进行修正。验证试验表明,在不同土壤含水率、剪切速率和斜坡角度条件下,最大剪应力试验值与理论值之间的相对误差均<5%,表明修正后的库伦公式可准确反映各因素对最大剪应力的影响,可为履带拖拉机在斜坡路面工况下的行驶力学计算、性能分析提供理论依据。

履带式联合收获机水田作业小半径转向阻力研究

减小转向阻力矩,减少油耗,是设计履带收获机的一个指标,针对履带收获机小半径转向情况,提出了3种牵引力和1种侧面转向阻力矩的计算方法,并进行实车试验证明了小半径转向时侧面剪切土壤引起的阻力矩占总转向阻力矩中的比重很大,进而得出减少侧面剪切土壤引起的阻力矩就可以减少收获机转向阻力矩这一观点的正确性,为今后履带车辆设计提供了依据。

重庆缙云山不同林地土壤剪切破坏特性及影响因素研究

缙云山地处三峡库区附近,坡面侵蚀以剪切破坏为主。选取缙云山5个标准样地,通过研究各个林地类型内土壤临界剪切力随深度的变化以及测量多个土壤物理性质指标,得出不同林地抵抗剪切破坏能力的强弱关系和这些指标对不同林地土壤抗剪能力的影响以及主次关系。结果表明,在每个林地中,原状土的临界剪切力随深度的增加而增加;通过库伦公式得出的土壤抗剪强度与土壤临界剪切力的回归方程为:y=4.372 x2+29.03(R2=0.813,n=25)。对于同一林地,在楠竹林中,土壤孔隙是影响临界剪切力的主要因素,在常绿阔叶林中却是土壤含水率,而对于其他三个林地,均为土壤结构指标与土壤临界剪切力的相关性最大;对于土壤临界剪切力和土壤抗剪强度,不同物理指标的组合影响是变化的。但总的来说,在不同林地中,相同土壤物理指标对抗剪能力的影响基本是一致的。

草本植物根系网固土原理的力学试验探究

通过试验测定了生物软措施草本植物根系的最大拉力及最大拉力作用下根系断裂面直径 ,计算植物根系最大抗拉强度 ,结果表明香根草根系平均抗拉强度 85 m Pa>假俭草 2 7.3m Pa>白三叶 2 4 .6 m Pa>莎草 2 4 .5 m Pa>宜安草 19.7m Pa>马尼拉草 17.5 m Pa>狗牙根 13.4 m Pa。土壤剪切力试验表明香根草根系 +沙土处理 >沙土对照 ,香根草根系 +黏土 >黏土对照。探讨了草本植物根系网的固土性能 ,提出根系最大抗拉强度代表根系材料的受力潜能 ,可作为评判根系网的固土刚性的一个有效指标 ,为利用生物软措施代替或部分代替工程措施的作用 。

液压伺服加载系统中功率放大器的设计

针对履带板土壤剪切模型试验中液压伺服加载系统的特殊要求 ,设计的一种实用的液压伺服功率放大器。

A theoretical analysis of vertical dynamic response of large-diameter pipe piles in layered soil

Considering the viscous damping of the soil and soil-pile vertical coupled vibration,a computational model of large-diameter pipe pile in layered soil was established.The analytical solution in frequency domain was derived by Laplace transformation method.The responses in time domain were obtained by inverse Fourier transformation.The results of the analytical solution proposed agree well with the solutions in homogenous soil.The effects of the shear modulus and damping coefficients of the soil at both outer and inner sides of the pipe pile were researched.The results indicate that the shear modulus of the outer soil has more influence on velocity admittance than the inner soil.The smaller the shear modulus,the larger the amplitude of velocity admittance.The velocity admittance weakened by the damping of the outer soil is more obvious than that weakened by the damping of the inner soil.The displacements of the piles with the same damping coefficients of the outer soil have less difference.Moreover,the effects of the distribution of soil layers are analyzed.The results indicate that the effect of the upper soil layer on dynamic response of the pipe pile is more obvious than that of the bottom soil layer.A larger damping coefficient of the upper layer results in a smaller velocity admittance.The dynamic response of the pipe pile in layered soil is close to that of the pipe pile in homogenous soil when the properties of the upper soil layer are the same.