Thermal features of Qinghai-Tibet Railway Embankment with Crushed-stone Slope Protection in Permafrost Regions

The Embankment with Crushed-Stone Slope Protection(ECSSP) in permafrost regions is an effective measure to cool subgrade and protect permafrost.It can mitigate the engineering hazards of the Qinghai-Tibet railway in the permafrost regions. Considering the influence of the noctumal cold air during summer months in Qinghai-Tibet Plateau。

草本植物护坡机制研究进展思考

边坡在失稳过程中多以浅层破坏为主,所以边坡浅层破坏是造成环境破坏和经济损失的一个重要因素,而植被对边坡稳定性起着重要作用。随着绿色、生态建设思想的提出,植被护坡被广泛应用在道路边坡防护中。在总结近些年来国内外有关草本植物护坡机制研究的基础上,分别从草本植物根系结构、草本植物加固边坡的力学效应和水文效应以及数值模拟方面进行了综述,以期对生态护坡技术的进一步发展提供参考。

植物固土护坡效应的研究现状及发展趋势

近年来由于自然环境变化和人类工程实践活动的影响,水土流失、滑坡等地质灾害发生的概率逐年提高,这些灾害的发生为当地人们的生产、生活带来了一定程度的危害。利用植物固土护坡方法可有效防治上述地质灾害的发生。植物固土护坡效应主要表现在水文效应和力学效应两方面。水文效应包括植物茎叶的降雨截留作用,植物茎叶削弱雨滴溅蚀作用,植物茎叶及其腐殖质抑制地表径流作用;力学效应包括须状根系的加筋作用、主直根系的锚固作用和水平根系的牵拉作用等。本文着重探讨了植物护坡表现在水文效应和力学效应两方面的研究现状及其发展趋势。其中,在水文效应方面,对植物茎叶降雨截留及削弱溅蚀等进行了着重探讨;对于力学效应着重探讨了根系增强土体抗剪强度理论模型、根-土相互作用、植物固土护坡力学效应数值模拟等。在上述基础上,指出了植物固土护坡效应发展趋势,即体现在水文效应方面,需开展大气-土体-植物水分迁移对边坡稳定性影响研究;根-土复合体强度理论模型方面,进一步探讨Wu-Waldron-Model模型和FiberBundle-Model模型所适用的工况条件;数值模拟方面,需进一步探讨在建立计算模型时应系统考虑植物根型特征、根系强度等诸因素以及这些因素对计算结果的影响;在工程实践方面,进一步开展植物护坡方法在边坡工程中的应用,探索植物护坡在不同地质、气候和区域环境条件下的应用与维护,使植物固土护坡效应体现出水文效应、力学效应、景观效应的有机结合。

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ψ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.

寒旱环境黄土区灌木根系护坡力学效应研究

文章采用原位拉拔试验，测定了生长2年的灌木柠条锦鸡儿、四翅滨藜、霸王、白刺的抗拔力，研究了根系的分布特征，并分析了上述植物的护坡效果。试验结果表明：4种灌木的根系分布类型均以主直根型为主，根系发达，侧根主要集中在地表以下20—80cm的土层中；4种灌木的原位抗拔力依次为四翅滨藜〉柠条锦鸡儿〉白刺〉霸王，抗拔力与根径符合幂函数关系，与根系数量符合线性关系，与株高符合指数函数关系；随着生物指标的增加，四翅滨藜和柠条锦鸡儿的抗拔力递增幅度明显高于霸王和白刺；从根系分布特征和力学效应考虑，四翅滨藜和柠条锦鸡儿可作为寒冷干旱半干旱黄土地区的优势护坡灌木种。

植被须根护坡力学效应的三轴试验研究

依托浙江省武义县平头村山体高边坡,基于常规三轴固结不排水试验,探究植被须根含量和含水量对重塑非饱和粉质黏土抗剪强度指标的影响规律。试验结果表明:(1)土样的主应力差–轴向应变关系曲线中,主应力差随轴向应变的增加而增大,试验曲线基本表现为硬化型,且随着围压的增加,土体强度增加。(2)含水量对土的抗剪强度指标影响很大,黏聚力与含水量的变化关系呈抛物线型,存在一个界限含水量19%,高于或低于此含水量时,土样黏聚力较小;随含水量的增加,内摩擦角减小,二者近线性递减。(3)植被须根可以提高土体抗剪强度,但与土的含水量和须根含量大小有关,含水量为19%时,植被须根可以显著提高素土的黏聚力,且须根体积含量5%时土体黏聚力较大,但对内摩擦角影响较小。以上研究结果为浙江武义平头村山体高边坡的失稳预警与滑坡防治提供量化资料,同时也为其他植被护坡工程设计准备必要的参考。

寒旱环境灌木植物根–土相互作用及其护坡力学效应

通过在试验区将4种护坡灌木植物种植在PVC管内,分别对土体、4种灌木根–土复合体试样做直接剪切试验,对比非含根土体与4种灌木含根系土体抗剪强度指标,评价试验区生长时间为1 a灌木根系的护坡力学效应;通过对比4种灌木根–土复合体抗剪强度,评价生长时间为1 a的4种灌木根–土复合体的护坡力学强度增强效应。试验结果表明:(1)4种灌木根–土复合体当其含根量、含水量一定时,抗剪强度随垂直压力的增大而呈线性增大,表明试验区灌木根–土复合体抗剪强度与剪切面上的法向压力成正比,且符合库仑定律;(2)4种灌木根–土复合体的黏聚力显著大于素土的黏聚力,而内摩擦角?的变化不显著;(3)四翅滨藜、柠条锦鸡儿、霸王、白刺灌木根–土复合体的黏聚力与素土相比,其增长幅度分别是76.3%,62.7%,45.8%,22.0%。试验区灌木根–土复合体剪应力与剪切位移关系反映出灌木根–土复合体受剪力作用开始段近似线性,接近剪破时呈圆滑曲线,达到剪破后近似为水平线,灌木根–土复合体剪应力随着垂直压力的增大而呈显著增加趋势;剪应力的增大开始阶段基本呈线性,接近剪破时呈非线性。根据试验区4种灌木植物根–土复合体强度,它们的护坡贡献按由大至小分别是:四翅滨藜、柠条锦鸡儿、霸王、白刺。

植被护坡研究进展与展望

在回顾国内外植被护坡发展简史的基础上,总结了植被护坡的功能,详细介绍了植被护坡机理的研究进展。从植物的截留降水、削弱溅蚀和抑制地表径流等方面分析了植被护坡的水文效应,并从植物单根抗拉强度、根-土相互作用、根-土复合体及边坡稳定分析等方面分析了植物护坡的力学效应,最后探讨了植被护坡的发展方向。

植物根系固土护坡效应的原位测定

通过对南望山山脚下樟树的4个含根土样和素土样在现场进行原位剪切试验,对比素土样和4个含根土样的强度值、位移值,分析评价植物根系的固土护坡效应。结果表明:1)根系的存在提高了土体的峰值强度和残余强度,且根系提高土体残余强度的程度更高;2)同素土样相比,4个含根土样在强度峰值点对应的位移值更大,在土体被剪破前,含根土体能够承受更大的变形,根系增加了土体的延性;3)含根土体的应变软化段曲线较素土体的更加平缓,根系降低了土体峰值点后抗剪强度的减小幅度,使土体在较大应变处仍能保持较高的强度,提高了土体的延性;4)剪切断面上总根长、根面积比与土体抗剪强度的增量均成正相关。

黄河源玛沁地区高寒草地植物固土护坡的力学效应

通过对试验区草本植物根系的力学强度试验,研究了黄河源玛沁地区高寒草地植物护坡的力学效应,即通过研究未退化、轻度退化、重度退化的草地的主要优势种植物的单根抗拉力、抗拉强度和根-土复合体的抗剪强度等评价其固土护坡能力与贡献。研究所选取的未退化草地的优势种植物主要有小嵩草(Kobresia pygmaea C.B.Clarke)、紫花针茅(Stipa purpurea Griseb.),轻度退化草地的优势种植物包括矮火绒草(Leontopodium nanum(Hook.f.et Thoms.)Hand.-Mazz.)、二裂委陵菜(Potentilla bifurca L.),重度退化草地的优势种植物为细叶亚菊(Ajania tenuifolia(Jacq.)Tzvel.)、盐地风毛菊(Saussurea salsa(Pall)Spreng)。由单根拉伸试验结果表明,单根抗拉强度平均值由大至小依次为紫花针茅>小嵩草>矮火绒草>二裂委陵菜>细叶亚菊>盐地风毛菊;室内根-土复合体原状试样直接剪切试验表明,根-土复合体的抗剪强度由大至小依次为小嵩草>紫花针茅>矮火绒草>二裂委陵菜>细叶亚菊>盐地风毛菊。研究成果对进一步探讨黄河源高寒地区植物固土护坡机理,以及试验区及其与试验区条件相似的其他地区,科学防治坡面水土流失、浅层滑坡等地质灾害的发生具有重要理论指导意义。

坡面型泥石流治理过程中土体变形机制宏细观研究

试验利用"锚杆–护坡"模拟"锚杆固定大面积护坡"进行坡面型泥石流治理试验,研究坡面型泥石流"锚杆–护坡"治理过程中土体变形的宏细观机制。试验观测表明在"锚杆–护坡"治理下坡体未发生分层滑动,坡体位移场分析中出现了潜在的圆弧状薄弱面,坡体形成类似于黏土的小位移圆弧滑移趋势。采用可视化细观测试系统从细观尺度研究坡面型泥石流"锚杆–护坡"治理下土体的变形机制。细观分析可知,试验过程中,颗粒下沉并在坡体底部积聚,坡体下层细颗粒含量增加,上层以粗颗粒为主,导致坡体上部面积孔隙率大于底部,坡体结构由不同粒径颗粒均匀分布变为"底部细颗粒沉积密实,上层粗颗粒骨架稳定"的相对稳定结构。试验研究表明:"锚杆–护坡"的滤水固土作用,改变坡体的变形机制和结构,减小坡面型泥石流的发生几率,为坡面型泥石流的工程治理提供参考。

公路植物护坡水文与力学效应的理论研究

公路边坡种植植物后土体和植物体系组成有机整体,提高了边坡的稳定性。其中茎叶的水文效应与根系的力学效应起着主要的作用。建立茎叶的水文模型以及根-土相互作用力学模型,即可以定性及定量分析植物的护坡作用,为植物护坡工程的设计计算提供一定的参考,以达到减小水土流失和边坡病害的发生的目的。

植物根系对边坡防护的力学效应研究

比较了植物护坡和工程护坡的优劣,建立了植物根系和坡面土层相互作用的理论计算模型,着重研究了植物根系对坡面土体的加筋作用。

江河航道岸坡防护工程的措施研究

文章系统地总结了近年来应用于实际工程和室内实验研究的江河航道岸坡防护工程措施,如抛石防护、混凝土模袋防护、软体排防护、混凝土异形块防护、四面体透水框架群防护、实体坝防护等,并对这些传统防护工程措施的防护机理、防护效果和防护优缺点进行了论述和评价。

植被护坡研究进展

植被护坡具有美化环境、防止水土流失、成本低、促进生态平衡等优点,具有广阔的发展前景。综合国内外的一些研究成果,从植被护坡机理、护坡植物选择、植被护坡技术应用等几个方面加以概述,探讨植被护坡的发展方向。

黄土丘陵沟壑区刺槐动态固坡效应

植被能够有效提升浅层坡体的稳定性和抗蚀性。为了初步定量评估浅层滑坡易发的黄土丘陵沟壑区植被固坡作用在自然条件下的动态变化结果,以黄土丘陵沟壑区主要造林树种刺槐为例,考虑植被固坡的根系机械作用和水文作用在2017年全年自然条件下的动态变化。通过挖掘根系剖面对根系截面积分布进行调查,单根抗拉试验测试根系抗拉强度,以利用Wu模型对刺槐根系的附加黏聚力进行计算;通过现场调查确定研究样地与植被水文作用相关的参数,室内入渗试验和土壤离心试验获取土壤的水力学参数,利用生态水文领域水分运移软件Hydrus-1D对刺槐植被坡体水分的运移进行瞬态分析;最终基于变饱和条件下的无限斜坡模型对坡体的稳定性进行分析,并分别计算刺槐根系机械作用和水文作用对坡体稳定性的动态贡献率。结果表明:(1)刺槐根系机械作用对20,40,60 cm深度处浅层坡体的稳定性提升196.56%±28.08%,106.74%±13.19%,20.61%±2.43%,同时机械作用的贡献率还具有一定波动性;(2)刺槐在生长期内,通过林冠截留拦截70.2 mm的降雨量,蒸腾耗水作用改变坡体土壤含水量和吸应力,有效地提升坡体稳定性;(3)根系机械作用的贡献全年均存在,且波动性较水文作用贡献率的波动性小,但水文作用的贡献主要发生在刺槐的生长期,且水文贡献率的部分峰值较机械作用的贡献率大。研究结果进一步揭示了黄土高原丘陵沟壑区刺槐植被坡体在自然条件下的动态变化过程。

不同降雨形式下植被边坡含水率变化对比试验研究

进行了室外天然降雨和室内人工降雨边坡模型试验,试验所用土料为海口美兰区粉土,室内和室外试验设置裸土、肾蕨、细叶结缕草三种边坡模型。模型的监测系统能够实时收集测量坡体内部的土壤含水率。通过两次室内人工模拟降雨和室外天然降雨,对比了三种不同植被边坡模型内部土壤含水率的变化。结果表明,边坡植被主要通过拦截降雨形成地表径流、改变雨水渗透路径、影响边坡土体的渗透性等来保护坡体。细叶结缕草护坡作用下边坡土体的含水率达到稳定状态所需时间最长,裸土边坡土体的含水率达到稳定状态所需时间最短,可见细叶结缕草对边坡土体的渗透性影响最大。

热带不同植被边坡水文效应室内模型试验

结合海南地区台风强降雨规律,对3种植被条件的粉土边坡模型进行了人工降雨试验,为热带生态护坡的植被选择提供依据。通过测量两次降雨过程中的总降雨量、地表径流量、雨水渗出量、坡体储水量及相应时间,对3种植被条件边坡的水文效应开展了分析。相较于裸土边坡,细叶结缕草(Zoysia japonica)边坡和肾蕨[Nephrolepis auriculate(L.)]边坡均具有较好的抗雨水冲刷能力,肾蕨边坡更占优势。降雨前后,裸土边坡渗透性大幅降低;细叶结缕草边坡渗透性有所下降,但不明显;肾蕨边坡渗透性则显著提高。肾蕨边坡良好的储水持水能力在一般情况下是有利于边坡稳定的,但在长期干旱后遭遇强降雨时,也有可能因其储水能力太强而给边坡稳定带来不利影响。相比之下,裸土边坡和细叶结缕草边坡的储水和持水能力均较差。综合比较来看,一般情况下,肾蕨的水文效应对于保持边坡的稳定性是最有利的。

公路边坡生态防护技术的发展现状与趋势

本文评述目前边坡生态防护的各种技术方法,介绍生态护坡的主要机理,并建议以生态护坡技术与圬工措施相结合作为生态护坡领域深入研究的方向。

植被护坡技术的机理分析

讨论了植被护坡的机理问题,将植被的水文效应与力学效应分别划分为三个主要方面,并分别进行了详细评述,指出植被护坡技术具有独特的优越性,前景广阔,可为植被护坡工程建设提供指导。