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。

黄土区灌木柠条锦鸡儿根-土间摩擦力学机制试验研究

为系统研究灌木植物根系的拉拔摩擦力学机制,该项研究在西宁盆地黄土区的自建试验区内选取生长期为2 a的柠条锦鸡儿作为供试种进行根系拉拔摩擦试验。试验结果表明:柠条锦鸡儿主根的作用主要为提供根-土间静摩擦力,侧根的作用则主要表现为增大根-土间最大静摩擦力、根-土间最大摩擦力及根-土间最大摩擦力对应的根系位移;柠条锦鸡儿根-土间最大摩擦力随着根系总表面积、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,根-土间最大摩擦力与5个根系形态学指标之间可建立幂函数关系,且通过相关性分析可知,根系总表面积是与柠条锦鸡儿根-土间最大摩擦力相关程度相对较为显著的根系形态学指标;在本试验条件下(土体质量含水率15.1%,密度1.65g/cm3)由单根(不含侧根的主根)拉拔摩擦试验所得到的柠条锦鸡儿主根与土体间静摩擦系数为0.738 9±0.04,该值显著大于区内不含根系土体内摩擦系数0.504 0±0.03,表明柠条锦鸡儿根-土界面间的摩擦力值及抵抗变形的能力大于不含根系土体。该项研究结果对于进一步探讨研究区灌木根系的拉拔摩擦力学机制,以及科学有效地防治坡面水土流失、浅层滑坡等地质灾害具有指导意义和实际应用价值。

根土相互作用关系对树干振动特性的影响

为研究树木在外载荷作用下发生振动时土壤与根系间的力学关系,以北京林业大学苗圃内的4棵3年生毛白杨为研究对象,分别在自然状态、根土摩擦以及固定端约束3种根土相互作用关系下,进行了振动试验并测量了自振频率。分别对应上述3种关系建立了根土刚性连接、根土摩擦和固定端约束3种有限元模型,并通过模态分析得到了模型自振频率。对比实验值与模拟值,探讨了根土间相互作用关系对树木振动特性的影响。结果表明:(1)在3种不同的约束下,树干振动试验所得的自振频率大小依次为:固定端>自然状态>根土摩擦,而且三者的数值差异显著;(2)有限元模型结果中自振频率大小依次为:固定端>根土刚性连接>根土摩擦,与实验结果吻合,说明采用根土刚性连接模型模拟自然状态情况较其他两种模型效果更好;(3)随着外载荷的增大,土壤对树木振动特性的影响也显著增大。

喀斯特区2种护坡灌木单根拉拔摩擦试验

为探讨喀斯特地区边坡绿化灌木的力学特性,以4年生双荚决明和多花木蓝为研究对象,采用单根垂直拉拔的方式进行根系与土体间的摩擦试验。结果表明:试验力与位移关系特征曲线有3个明显的阶段:黏性摩擦阶段、脱黏摩擦阶段以及键合摩擦阶段;双荚决明和多花木蓝根径和埋深均与摩擦力呈现极显著正相关关系,而单位面积上的摩擦力无显著差异;双荚决明根土间摩擦系数大于多花木蓝,且双荚决明根皮表面有密集的裂纹并形成槽口,其表面结构的复杂程度强于多花木蓝,即双荚决明单根在拉拔摩擦试验中所释放的力要大于多花木蓝,增强土体强度及抵抗变形破坏能力更优。研究结果可为该研究区边坡绿化树种的筛选、固土机制以及防治浅层滑坡提供基础的理论依据。