喀斯特地区灌木根系力学特性及WU模型适用性研究

植物根系力学特性(抗拉、抗剪)是决定水土保持的关键因素。为研究喀斯特地区灌木根系的护坡力学效应,以多花木蓝和双荚决明根系为研究对象,通过室内单根拉拔和根土复合体直剪试验,探讨单根拉伸特性与根土复合体剪切特性的关系,并探讨WU模型的适用性。结果表明:随根径的增加,抗拉强度总体呈下降趋势,因树种的不同,趋势不尽一致;单根抗拉强度和根土间的摩擦共同影响根土复合体抗剪特性,前者影响最大,后者的影响相对有限,以细根和粗根搭配使用较优;WU模型在喀斯特地区经修正可适用,但不同的植物具有不同的修正系数。研究结果将为喀斯特地区生态恢复、边坡绿化树种筛选及配置奠定良好的基础。

基于连续断裂过程的根系黏聚力Wu氏模型修正系数的确定

【目的】研究根系黏聚力Wu氏模型的修正系数,可提高Wu氏模型的精确度,进而提高造林边坡稳定性评价的准确性。【方法】针对Wu氏模型对根系黏聚力的高估问题,以刺槐和侧柏根系为研究对象,应用复合材料学的连续破坏理论,阐述根系的渐进失效过程,提出基于连续断裂过程的根系黏聚力Wu氏模型修正系数,即断裂修正系数,并研究不同算法间修正系数的差异性以及修正系数与根截面积比之间的关系。【结果】根系断裂修正系数随算法(P<0.001)、树种(P<0.001)和土层深度(P<0.001)的变化而有显著差异;位移控制式算法引入的修正系数显著高于由拉力控制式算法引入的修正系数(P<0.001);断裂修正系数随深度的增加而增加,表层30 cm内的修正系数显著低于深层根系(P<0.001);根截面积比与断裂修正系数的负相关性存在阈值,当根截面积比小于阈值时(刺槐0.14,侧柏0.11),断裂修正系数随着根截面积比的增加而减少;当根截面积比大于阈值时,断裂修正系数的根截面积比效应不显著。【结论】根系断裂修正系数随算法和树种不同而变化,随土壤深度增加而增大,且在根截面积比阈值范围内(刺槐0.14,侧柏0.11)与根截面积比呈负相关关系。研究结论能为评价造林边坡的稳定性、揭示植物护坡的力学机理提供理论基础,并为水土保持工程植物措施的选择提供科学依据。

植物根系固土作用模型研究进展

植物根系固土作用模型研究已历经近40年,从简单的极限平衡模型到复杂的有限元和离散元数值模型,已发展到10余种。总结这些根系固土作用模型不仅对揭示根系加固土壤作用的力学机制和分析林地边坡的稳定性具有重要意义,对根系固土作用模型未来的研究方向也具有积极指导意义。笔者对根系固土作用模型分2部分进行综述,第一部分主要介绍根系固土作用的理论模型,包括:Wu模型、倾斜根系模型、位移模型、纤维束模型、根束增强模型和能量模型,以及这些模型的应用条件、模型优缺点、适用范围等。第二部分主要综述根系固土作用的数值模型,包括:有限元数值模型、离散元数值模型和造林边坡稳定性分析数值模型,并详细比较了有限元与离散元数值模型的优缺点和在造林边坡稳定性分析上的应用。最后探讨了目前根系固土作用模型研究中存在的不足以及未来的发展方向。

基于力学参数解析黄土高原典型草地的土壤分离能力研究

为解析黄土高原地区典型草地土壤分离能力变化的力学机制,选择代表性的须根系和直根系草地作为研究对象,基于室内径流冲刷试验,估算了相对土壤分离能力(RSD),测定了土壤抗剪强度和根系抗拉力,并基于Wu氏模型估算了根系黏聚力(Cr)。结果表明,须根系草地的RSD较直根系草地显著低77.27%,而Cr较直根系草地高14.84%。直根系草地的Cr对RSD的表达效果优于根长密度,而须根系草地效果差异不明显。RSD与200 KPa正应力下抗剪强度(τ200)的相关性优于其他正压力。根土复合体中,Cr对土壤分离的效应强于τ200。通过根土复合体力学参数能够有效预测直根系草地的土壤分离能力,但对于须根系草地的预测还需进一步探究。研究结果可为黄土高原根系减蚀机理的完善提供参考。

基于试验与模型的构树根系固土效果量化的研究

为研究根系对土壤的加固作用并对其进行量化,以鹫峰构树为研究对象,测量构树根系的抗拉和抗拔强度,利用应变直剪仪测量素土和含根土抗剪强度,并与Wu模型计算值进行对比,分析直径和含根数量对抗剪强度增量的影响大小。结果表明:构树根系的抗拉和抗拔强度都随着直径的增大而减小,当直径<1. 3 mm时,根系抗拔强度大于抗拉强度;当根系> 1. 3 mm时,根系的抗拉强度要高于抗拔强度。直剪试验测量结果显示,垂直压力较大时,相同含根数量的根土复合体的抗剪强度最大值向着平均根系直径较小的径级迁移。在一定范围内的根截面积比条件下,较小直径根系对抗剪强度增量的影响比含根数量更为明显,且根系对抗剪强度增量的影响存在最优含根量。Wu模型高估了构树根系的固土效果,针对鹫峰土壤和构树根系,将Wu模型的修正模型的修正系数k'取值为0. 45。

植物根系固土力学机制模型

由于在边坡加固、生态环境保护等方面具有很多优越性,植物固土护坡技术近年来广泛应用于固土护坡工程中。植物固土护坡的力学效应主要体现在植物的根系上,包括植物浅根将岩土体变成加筋复合材料的加筋作用,以及深根将浅层岩土体风化带锚固到深层稳定岩土上的锚固作用。为了揭示并评价植物固土护坡的力学效应,需要具有实际应用价值的根系固土力学机制模型。本研究在分析植物根系固土力学机理的基础上,探讨了3个植物根系固土力学机制模型:Wu氏模型、能量法模型和纤维束模型的应用条件、模型的优缺点、适用范围及其环境适应性等,并展望了植物根系固土力学模型发展的趋势和方向,从模型角度深化植物根系固土力学机制理论研究,为全面揭示植物护坡的力学机理提供理论基础,为水土保持工程植物措施提供科学依据和理论指导。

金沙江干热河谷乡土草本植物根系提高土体抗剪强度及其模型预测

开展金沙江干热河谷乡土草本植物根系提高土体抗剪强度及预测的研究,为该地区生态恢复、边坡防护、水土流失防治等生态工程中植物选择及其固土能力的计算提供依据。采用原位剪切试验测定扭黄茅(Heteropogon contortus)、莎草(Eulaliopsis binata)、芸香草(Cymbopogon distans)、旱茅(Schizachyrium delavayi(Hack.)Bor)等4种乡土草本植物根系及素土的抗剪切强度;用根系拉力计和电子卡尺测定根系的抗拉强度和直径;用Wu和Waldron垂直根模型(WWM)及纤维束根增强模型(FBM)对根系提高土体抗剪能力进行预测。结果表明:1)4种植物根系直径约80%分布在0.1~1 mm的范围内,扭黄茅、莎草、旱茅根系的直径和抗拉强度之间成负幂函数关系,芸香草两者间没有相关性。2)扭黄茅、莎草、旱茅、芸香草的根系可将土体的抗剪强度分别提高20.7%、85.3%、84.4%、16.1%。3)用WWM模型预测扭黄茅、旱茅、莎草的提高土体抗剪能力,其预测值是实测值的3.59~10.83倍;用FBM模型的预测值是实测值的1.24~2.62倍。旱茅、莎草根系提高土体抗剪强度的能力强于扭黄茅和芸香草,在干热河谷的生态工程中可优先选用;对根系提高土体抗剪强度的预测,FBM模型要优于WWM模型。

干湿交替下苜蓿根系对黄土抗剪力学性能影响

[目的]探究干湿交替下植物根系对黄土抗剪性能的影响,为常年处于干湿交替状态下的黄土区生态建设和工程建设提供理论基础。[方法]以黄土区典型草本植物苜蓿为研究对象,采用室内直剪试验,研究黄土抗剪特性与干湿交替作用、根系尺寸(根长、根径)、土体容重、含水率等影响因素的关系,并基于Wu模型评估了根系对土体抗剪特性的增强作用。[结果]经历干湿交替后的根土复合体表面变得粗糙、松散、易脱落,并出现不均匀裂隙,而且其抗剪性能指标均呈降低趋势。干湿交替下,根系尺寸显著影响根土复合体抗剪特性,根长越长,根径越大,其抗剪强度越大。在一定范围内,黏聚力、内摩擦角与土体容重呈正相关关系。不同容重的根土复合体,经历干湿交替作用后,其黏聚力、内摩擦角均降低。相同干湿交替作用下,黏聚力随着含水率的增加呈先增加再降低的趋势;相同含水率水平下,进行干湿交替土体抗剪强度指标均弱于原状土体。Wu模型的局限性导致模型估算根系附加黏聚力结果与实际值相差较大,可以采用根系抗拔强度替换根系抗拉强度,优化Wu模型对根系附加黏聚力的估算结果。[结论]干湿交替下,植物根系尺寸、土壤容重与土壤含水率都对黄土抗剪性能有一定影响。

张家口地区高羊茅根系对浅层边坡的力学固土研究

为了建立根土复合体抗剪强度极限值估算模型,本研究通过高羊茅根系拉拔试验研究,基于室内直剪试验测定的根土复合体抗剪强度参数对Wu模型进行修正,并通过修正后的Wu模型确定高羊茅根系附加黏聚力的增长情况。结果表明:不同土体及不同植被的θ值不同,θ值与法向压力及含水率有关,且θ角度的变化随根面积比的增大而增大;夹角系数k随含水率的增高先增大后减小,其峰值点也会随含水率的增大而提高;平均拉拔强度与高羊茅根系直径呈现幂函数关系;根土复合体抗剪强度破坏趋势和素土大致相同,剪应力略高于素土。本研究为快速量化根土复合体的抗剪强度及评估植被稳固浅层边坡稳定性提供了理论支撑,为稳固浅层滑坡问题提供了解决方案。

根系逐渐破坏过程中固土效果研究

植物根系的固土效果会随根系破坏而发生变化,但其变化过程并不明确。以重庆缙云山的四川山矾为研究对象,以2 mm为根系径级,采用逐径级剪除根系法模仿根系逐渐遭到破坏的过程;同时测量根系的抗拉与抗拔强度,利用自制大盒直剪仪测量根土复合体的抗剪强度,并与Wu模型计算值作对比,系统研究根系逐渐破坏过程中的固土效果。结果表明,春季生四川山矾3年幼苗的植物根系抗拉强度随着根系直径的减小而减小。当根系直径小于2 mm时,根系拉拔强度要高于植物根系的抗拉强度,当根系直径大于2 mm时,则根系抗拉强度更大。大盒直剪测量结果显示,根系破坏过程中根土复合体的抗剪强度首先保持不变,当大于2 mm的根系开始与土壤分离时,根土复合体的抗剪强度会快速下降。在一定范围内,根面积比越大,根土复合体的抗剪强度越大,根系对土壤的加固作用越强。在根系逐渐破坏过程中,Wu模型在一定程度上高估了根土复合体的抗剪强度,且高估值与根面积比呈正相关关系。

吴式枢先生简历

我国著名理论物理学家吴式枢院士几十年如一日 ,孜孜不倦地为我国的科学和教育事业的发展辛勤耕耘 ,有力地推动了我国理论物理和核物理研究及教育事业的发展 .他德为人师表 ,行为人典范 .他学风严谨 ,宽厚待人 ,献身科学 ,科学研究硕果累累 ,教学育人桃李满天下 .他忠于祖国的优秀品德和高尚情操永远是我们学习的榜样 .为了颂扬吴老先生献身中国科学和教育事业的崇高精神 ,来自全国各地的近百名理论物理学家和核物理学界的代表于 2 0 0 3年 9月 7日在吉林大学举办了“理论物理前沿问题研讨会” ,以张宗烨院士为首的 30多人在讨论会上报告了自己和小组的研究成果 .当晚举行了盛大庆祝会 ,以对吴先生的 80华诞和吴先生对我国科学和教育事业的卓越贡献表示衷心祝贺 .本期刊登“理论前沿问题研讨会”的报告论文 ,以对吴先生的 80寿辰表示热烈祝贺 .

三江并流区水电站消落带适生草本植物根系固土能力

三江并流区生态脆弱敏感,水电站库周消落带土壤侵蚀严重,为研究消落带适生草本植物的根系固土效应,并为重建植被、控制土壤侵蚀提供依据,以生长期为18个月的风车草(Cyperus alternifolius L.)、美人蕉(Canna indica L.)、花叶芦竹(Arundo donax var.versicolor)和菖蒲(Acorus calamus L.)4种草本植物为研究对象,采用自制的原位剪切仪测定根土复合体和素土的抗剪强度;用根系拉力试验机测定根系的抗拉强度,用Wu和Waldron模型(WWM)对根系提高土体抗剪强度进行预测,并评价模型的可靠性。结果表明:(1)4种适生草本植物根系都能增强土体的抗剪强度,风车草、美人蕉、花叶芦竹和菖蒲根系使土体的抗剪强度分别提高了403.89%、248.32%、388.50%和200.71%;(2)4种草本植物根系的抗拉强度均与直径呈现负幂函数关系;(3)根系抗拉强度较大、破坏面上根面积比较高和根系直径(D)<1 mm细根较多的草本植物,固土效应更加显著;(4)4种草本植物根系对土体强度增量的WWM模型计算值是实测值的9.37—43.85倍,该模型对高含水率土壤中草本植物根系的预测精度较低。风车草、美人蕉、花叶芦竹和菖蒲的根系均有较强的固土能力,尤其是风车草和花叶芦竹,是三江并流区黄登水库消落带植被重建和固土抗蚀的优选物种。