根土复合体力学效应及其模型构建研究进展与展望

[目的]为探究根土复合体的力学效应机理及模型方法应用。[方法]采用文献分析和对比分析法,归纳分析根土复合体概念和内涵、根土复合体力学效应及力学模型原理、优缺点以及适用范围。[结果](1)根土复合体是根系与土体之间力学耦合效应的复合整体,根系在土体中交叉缠绕,起到加固作用;(2)根系与土体力学关系实质上是根土复合体土力、水力和复合力学特性作用的结果,土力特性、水力特性分别侧重研究根系对土体的影响和土中水分对土体和根系的影响,复合力学特性侧重于根土复合体自身特性对植物根系特征以及结构的直接影响,从而通过三者作用使根系与土体的力学关系处于动态平衡之中;(3)根土复合体复合力学模型研究较土力和水力学模型略少,土力学和水力学模型都是根据量化参数,通过参数间对比来衡量固土效果,但复合力学特性同时涉及土力特性和水力特性,考虑全面,应是未来研究的重点方向。[结论]未来在开展冻融循环、干湿交替、干热循环对不同地区根系与土体相互作用的影响、多类型植物混种抗剪强度、化学作用和微生物作用对土水特性影响机理及复合模型构建等方面有待深入研究。研究结果可为生态脆弱区植被恢复、水土保持和可持续发展等提供重要的理论价值和工程借鉴意义。

不同草本植物根系对土壤渗透性的影响

[目的]揭示当地排土场不同草本植物根系对土壤渗透性的影响,阐明预测草本植物根系提升土壤渗透性的最优指标,并得出草本植物根系提升土壤渗透性的最佳径级,为排土场生态修复植物选择提供重要依据。[方法]以海州露天矿排土场为研究地点,以轴根型紫花地丁、根蘖型苦荬菜和根茎型水麦冬为研究对象,采用图片像素换算法量化3种根系在不同土层深度范围内的根系分布特征;并结合渗透试验获取3种草本植物原状根土复合体的渗透参数,进而探究了根土复合体根系分布参数与渗透参数的关系。[结果]3种草本植物均能提升土壤的渗透性能,轴根型、根茎型和根蘖型根土复合体的初始入渗率、稳渗率、平均渗透速率、渗透总量相较于素土分别提升82.23%~254.99%,85.59%~307.63%,72.02%~325.91%,62.93%~246.98%。3种草本植物根系的根长密度和根表面积密度与根土复合体的渗透参数均呈现线性相关,根表面积密度的相关性强于根长密度。3种根系对土壤渗透性的增强作用主要归功于0.5 mm<D≤1.5 mm径级,它们均存在提升土壤渗透性的最佳径级。[结论]草本植物根系能够提升土壤渗透性,根表面积密度是最佳预测指标,且不同根系均存在最佳径级。

收获期黄连原位机械拔取力学试验研究

黄连是一种常见的名贵中药材,为了研制黄连收获机械,实现黄连生产过程的机械化,分析黄连拔取过程的力学特征规律必不可少.通过黄连拔取过程的受力分析,自主设计黄连原位机械拔取测试装置,对收获期黄连进行拔取力学试验,统计试验数据并进行对比分析,预测拔取速度、拔取方向、坡度及根土复合体表面积与黄连拔取力之间的关系.结果表明:黄连拔取力主要分布在10~50 N之间,平均拔取力为27.38 N,整体呈现正态分布.黄连的拔取力随拔出时根土复合体表面积增大而增大,二者满足二次多项式函数关系,决定系数为0.76,拔取力随着拔取速度的增大而增大,但较快的速度会导致黄连根茎或茎秆的断裂,因此在保证黄连样品完好的前提下,以20 mm/s的速度拔取效果最佳.黄连多种植在坡地上,相较于铅直方向,垂直于地面方向拔取力平均降低了15.5%;拔取力随着种植坡度的增大而增大,且坡度增加,拔取力的增长幅度也随之增加.研究结果可为黄连生产机械化装备研发提供基础理论依据.

灌木根系形态对土体强度影响的大型直剪试验研究

根系形态显著影响根土复合体强度,然而现有研究局限于草本根系根土复合体和室内常规直剪试验。为探究多年生灌木根系形态及空间分布对固土效果的影响,采用大型直剪试验装置(直径400 mm),对原状根土复合体进行了剪切试验。试验中测量了根系形态参数(根面积比RAR、根长密度、根体积密度和根表面积密度)、根土复合体抗剪强度和剪胀特性,探讨了根系沿深度的分布特征、根土复合体剪胀性以及根系形态参数与根土复合体抗剪强度的相关关系。结果表明,根系加剧了根土复合体的剪胀;在4个根系形态参数中,剪切带上的RAR和根表面积密度与根系对剪切强度的贡献之间相关性较好;Wu模型能反映根系固土的本质,却存在强度被高估或低估的问题。研究成果有助于推动植物根系在固土领域的应用。

木纤维重构红壤下根系特征对根土复合体抗剪特性的影响

红壤黏性重、水分变化大、抗剪性能较低,通过根系特征参数研究草本植物根土复合体的力学特性具有一定意义。为探明不同质量分数(0、0.5%、2.5%和5.0%)木纤维重构红壤下,根系特征对草本植物根土复合体抗剪特性的影响机理,该研究通过直剪试验测定白三叶和黑麦草根土复合体的抗剪强度,并采用WinRHIZO根系分析系统测定根表面积指数、根系体积比、根系长度、地下生物量4个根系特征参数,并进一步揭示其对抗剪强度影响机理及规律。结果表明:适量的木纤维添加有利于须根系草本植物的生长,木纤维质量分数较低时,黑麦草的根系特征参数值高于白三叶3~5倍,木纤维质量分数较高时,黑麦草和白三叶的根系长度分别为456.27和438.35 cm,地下生物量分别为0.410和0.150 mg;随根系特征参数增加黑麦草根土复合体的抗剪强度增幅大于白三叶根土复合体,增幅范围分别为26.55%~47.20%、26.21%~35.07%,但存在一定的变化阈值。采用摩尔-库伦模型对根土复合体的抗剪特性参数的模拟效果较好,根系特征参数达到变化阈值时,黏聚力变化差异明显,对内摩擦角影响较小。该研究对深入研究红壤区的边坡防护、植被恢复和土地整治等具有重要的理论和工程实践价值。

缙云山典型林地根系分布对土壤土水特征和渗透性的影响

森林土壤的土-水特征曲线和渗透系数是衡量土体非饱和特性中土壤持水能力和渗透能力的重要方式。为了了解不同林地根系表层土壤土水特征和渗透性,基于经典VG模型,通过土壤变水头渗透试验和离心机试验研究缙云山针阔混交林、常绿阔叶林、毛竹林和灌木林4种林地土土水特征和渗透性,同时建立土壤根系含量影响非饱和渗透系数的归一化数学模型。结果表明:1)毛竹林根系分布最多,且粗根比例较大,针阔混交林和常绿阔叶林各径级的根系分布范围均较广,但是每层数量较少;灌木林每层根系分布均数量较多,且细根分布范围最广;2)针阔混交林、常绿阔叶林、毛竹林和灌木林的表层饱和渗透系数k_(s)分别为7.00、7.04、0.69、3.70μm/s,4种林地土壤的k_(s)整体呈随深度增加而减小的趋势,毛竹林第一土层与此规律反常;3)4种林地土壤的进气参数值随土层深度整体呈现先增大后降低的趋势,孔径参数则基本随土层深度增大而减小;4)4种林地土壤的饱和渗透系数与根系数量均呈幂函数关系,R^(2)≥0.95976,考虑根系影响的林地土体非饱和渗透性函数可用归一化数学模型来描述和预测。研究结果可为含根土体水力特性及非饱和土渗流机理的研究提供理论基础。

北川县典型林分根-土复合体抗剪强度

[目的]探讨不同林分根—土复合体的抗剪强度特征和其差异性,为更好地解决当地的水土流失问题提供理论依据。[方法]以四川省北川县为研究区,对当地几种典型林分的原状根—土复合体进行直剪试验,测量其抗剪强度、土壤性质及根系特性等相关指标,并利用主成分法进行抗剪强度影响因素的分析。[结果](1)不同林分根—土复合体抗剪强度差异明显。30年辛夷林(XY)抗剪强度最大,斑竹林(BZ)抗剪强度次之,5年柳杉林抗剪强度最小;(2)植物根系固土效果显著,根—土复合体的抗剪强度较素土增加值为0.13~0.99 kPa,平均增幅为350.0%;同时,根—土复合体的峰值点位移、软化段长度、残余剪切强度均得到增强,平均增幅分别为75.0%,66.7%,262.5%;不同林分类型根—土复合体的能量消耗总值出现不同程度的差异,但与其抗剪强度的大小变化基本保持一致;(3)通过主成分分析法对抗剪强度影响因素进行综合分析得出,除土壤容重与5~8 mm根系的干湿重外,其余指标均与之密切相关。[结论]植物根系可以很好地发挥固土效果,不同林分之间根—土复合体抗剪强度差异明显。

基于混合物法则根土复合体本构模型的研究

为探究根土复合体的应力-应变关系,将其视为两相体,根系采用线弹性模型,土体采用邓肯-张模型,并考虑根系与土体之间的相对滑移关系,基于混合物法则建立根土复合体本构模型。通过素土与不同含根量的根土复合体三轴压缩试验,得到其应力-应变关系,通过单根拉伸试验得到根系的弹性模量。结果发现,(1)根土复合体的极限主应力差随含根量的增加先增加后减小,含根量0.3%为最优含根量。(2)单根的直径与抗拉力、抗拉强度符合幂函数关系,与弹性模量符合多项式关系。(3)通过反分析的方法,建立滑移关系,得到模型计算值的应力-应变关系,发现模型计算值与试验值的拟合度(R^(2))为0.96。该研究为根土复合体本构模型的建立提供新思路,并为根土复合体的数值分析提供参数。

植物根土复合体抗剪强度及影响边坡稳定性研究现状分析

为分析边坡上植物对边坡稳定性的影响的国内外研究现状,对植物根系力学性能、根-土复合体抗剪强度和影响边坡稳定性等方面的国内外文献进行综述。现有文献探讨了植物根系的力学特性、植物根-土复合体抗剪强度特性,系统地阐述了植物根系对提升边坡稳定性的积极作用。但当前生态护坡工程的多种草本植物、草本和木本多种植物种植模式下,量化多种混播植物根系对边坡稳定性的提升作用,以及基于植物固坡与生态重构协同的边坡防护设计施工技术等方面仍有待进一步深入研究。

草本植物对硫酸盐渍土强度影响的试验研究

为探究草本植物生长对硫酸盐渍土的强度影响,分析其生物量与盐渍土强度相关关系;选取常见的高羊茅、黑麦草、早熟禾做为试验用草,定期测定草本植物的不同部分生物量和根土复合体的抗剪强度。其中高羊茅、黑麦草的生物量增量高于早熟禾,三种根土复合体的强度均大于素土强度,其粘聚力也明显提高。但内摩擦角变化并不显著,与素土相比仅有小幅度提高。草本植物的生长可在一定程度上提高硫酸盐渍土的土体强度,高羊茅、黑麦草对盐渍土的固土效果优于早熟禾,早熟禾不适宜在盐渍土上种植。

不同植物根系对岸坡土体抗剪强度的影响

干旱地区植被根系在增强土体抗剪强度方面具有显著作用。为探究塔里木河下游植物根系对岸坡土体抗剪强度的影响,明确植被对岸坡防护的作用机理,以红柳、芦苇、骆驼刺、梭梭4种典型荒漠植被为例,开展室内根系拉伸试验和直接剪切试验,对比分析了4种植物根系对土体抗剪强度的影响规律。结果表明,4种根系的直径与抗拉力和抗拉强度均呈幂函数关系,其中与抗拉力呈正相关,与抗拉强度呈负相关,当根系直径>1.5 mm后抗拉力差异性显著提高;根系体积密度(RRVD)对根—复合体的抗剪强度影响呈非线性。4种根—土复合体增加相同RRVD时,对抗剪强度的提高程度依次为红柳>芦苇>骆驼刺>梭梭,表明红柳和芦苇在提高抗拉力和土体粘聚力方面具有显著优势,可作为沿岸固土防蚀植被推广种植。

垂直裂隙对根-土复合体黄土边坡的稳定性研究

为研究垂直裂隙对根-土复合体黄土边坡稳定性的影响,采用OPTUM G2有限元软件模拟垂直裂隙在干燥和充满水的工况下素土及根-土复合体黄土边坡稳定性。计算结果表明,相对根-土复合体黄土边坡,垂直裂隙充满水的素土边坡坡顶拉裂缝将增大,垂直裂隙宽度相继增大;随着垂直裂隙深度的增加,素土及根-土复合体黄土边坡安全系数均减小;当垂直裂隙充满水且裂隙深度扩展到1.5 m时,素土边坡安全系数下降21.54%左右,根-土复合体黄土边坡安全系数下降8.0%左右。上述研究结果可为生态护坡和水土保持研究提供一定数据参考。

生态边坡植被对土体抗剪强度的影响研究

【目的】工程建设中产生大量的裸坡,需要对边坡进行植被恢复。探究植被对边坡土体的力学性质的影响,可为边坡稳定性评价提供参考。【方法】对研究区的根系和土体进行不同比例的混合,并进行直剪试验。【结果】结果表明:随着含水量的增加,土体的黏聚力呈现降低的趋势,根系能够明显增加土体的黏聚力,土体的内摩擦角也会有一定的提高,提高幅度小于黏聚力增加幅度。【结论】植被能够增强土体抗剪强度,生态护坡对边坡防护具有重要意义。

阴山北麓武川地区藜麦根-土复合体抗剪特性研究

在阴山北麓武川地区选择了的G28、WD9、WD12、W7高产藜麦作为研究对象,通过素土与藜麦根-土复合体直剪试验,探究了藜麦根系在不同径级和不同土壤含水率条件下的抗剪强度特性。研究结果表明,藜麦根-土复合体的抗剪强度与根系径级存在明显的正相关关系,即随着根系径级的增大,其抗剪强度也显著提升。同时,较大的根系径级不仅增强了复合体的抗剪强度,还促进了黏聚力和内摩擦角的增加。直剪试验结果显示在6.25 kPa、12.5 kPa垂直荷载(藜麦根系集中区)下,藜麦根-土复合体的黏聚力增长率均高于27%,最高值达到了32%,相比之下,内摩擦角的增长率较为稳定,平均约为4%。种植藜麦后,其根系显著增强了土体的抗剪强度,其中黏聚力起到了主导作用。此外,随着土壤含水率的上升,藜麦根-土复合体的抗剪强度与黏聚力也呈现出增大的趋势,当土壤含水率达到11.54%时,二者均达到最大值。然而,内摩擦角却随着含水率的增加而减小。自然条件下藜麦根-土复合体抗剪强度、黏聚力在6.25 kPa、12.5 kPa垂直荷载(藜麦根系集中区)时相对于素土的增长率,得出固着水土能力最优的品种为G28。

基于灰色关联分析的根-土复合体对边坡加固效应

为了深入探究不同植物根系的边坡加固效应,本文结合相关工程,通过MIDAS有限元软件研究了不同根系长度、倾斜角度对根-土复合体抗剪强度的影响规律,并计算相应因素下根-土复合体加固边坡的安全系数,最后对结果进行灰色关联分析。分析结果对植物护坡实际工程应用有一定指导意义。

紫花苜蓿和通奶草根土复合体的力学特性

[目的]研究土壤含水率、根系面积比对紫花苜蓿(Medicago sativa)和通奶草(Euphorbia hypericifolia)根系固土效果影响及根土间作用机理,为矿山生态修复中植物种类的选取,土壤含水率的控制提供科学依据。[方法]以辽宁省阜新市海州露天矿边坡野生紫花苜蓿、通奶草为研究对象。开展植物根系拉伸试验,确定根系抗拉特性。开展根土复合体剪切试验,确定2种植物根系最适宜含水率。在最优含水率基础上开展根土复合体剪切优化试验,确定最佳固土效率根系面积比。[结果](1)2种植物根系抗拉力随根径呈幂函数增加,抗拉强度随根径呈幂函数减小。(2)素土和2种根土复合体黏聚力随含水率增加呈先增加后减小趋势,内摩擦角随含水率增加呈减小趋势;(3)紫花苜蓿根系、通奶草根系在含水率分别为25%和21%时,固土效果最佳。(4)在最优含水率下,紫花苜蓿、通奶草根系面积比分别为0.04%和0.08%时,固土效果最佳。[结论]通奶草根系的形态学效应和力学效应使其成为较紫花苜蓿根系具有更佳固土效果的优势物种。

根土复合体加固露天矿山排土场边坡研究

露天矿山开采损毁大量土地资源,并引发植被受损和山体滑坡等一系列生态环境问题,植被修复是解决露天矿山排土场边坡生态环境和自然灾害的优选方法。通过开展室内单根拉伸和拉拔试验,分析根径、土壤压实度和根系埋深对根—土界面抗拔拉力的影响,并探究紫花苜蓿根系在拉拔作用下的力学性能与破坏机理。结果表明:(1)紫花苜蓿的抗拉拔力与根径呈正相关,抗拉拔强度与根径呈负相关,相关系数高达0.9以上;(2)紫花苜蓿的抗拔力随压实度的增加呈现出先增大后趋于平稳的变化趋势;(3)压实度越大,埋置深度对抗拔力的影响程度越小;根径越大,埋置深度对抗拉力的影响程度越大。根系拉拔特性研究为加固露天矿山排土场边坡提供了理论依据。

玉米田耕层典型土壤离散元模型建立与参数标定

为获取玉米田耕层不同土壤的各项参数,本文将玉米田耕层典型土壤分为未与玉米根茬接触的普通土壤(PT)和与玉米根茬结合形成根土复合体的土壤(GT),采用物理试验与离散元仿真相结合的方法,分别对离散元参数进行标定。基于Hertz-Mindlin(no slip)接触模型,采用中心组合试验设计方法,以土壤堆积角为目标值,进行了四因素五水平仿真试验。基于Hertz-Mindlin with bonding接触模型,采用Design-Expert软件,应用Plackett-Burman设计敏感性分析试验、最陡爬坡试验、Box-Behnken试验,以土壤硬度为目标值,对显著性参数进行寻优,得到PT最优解组合为:粘结键法向刚度4.37×10^(7)N/m^(3)、粘结键切向刚度1.46×10^(7)N/m^(3)、切向极限应力3.24×105Pa;GT最优解组合为:粘结键法向刚度5.19×10^(7)N/m^(3)、粘结键切向刚度4.25×10^(7)N/m^(3)、法向极限应力4.52×105Pa。基于两种土壤标定的参数对其进行了土壤直剪验证试验,结果表明,所标定的两种土壤仿真和实测最大剪应力的相对误差均低于10%,仿真参数可靠。本文提出的土壤颗粒建模方法、标定方法及其所标定的参数值准确可靠,可为玉米田耕层土壤模型构建提供理论依据。

接菌对根土复合体抗剪拉作用机理及其矿山生态修复潜力

煤炭开采形成了露天排土场和井工沉陷地,改变了原始地貌和生态。露天排土场边坡不稳易水土流失造成滑坡剪切植被根系,井工沉陷致使地裂缝发育拉伤植物根系,因而矿山生态修复的关键之一是增强植物根系的抗剪切和抗拉伤性能。微生物复垦具有改善土壤理化性状、促进植物根系发育和抗逆境等功能,接菌对根土复合体抗剪切和拉伤的作用对于揭示其矿山生态修复机理奠定了基础。人工修复后,植物根系与土壤形成根土复合体,可大幅增加土体的抗剪强度,增强浅层土体的稳定性,有效降低了露天排土场边坡水土流失和缓解了根系拉伤。丛枝菌根真菌(AMF)和深色有隔内生真菌(DSE)两种微生物在根际普遍存在,与根系形成的菌根共生体和根际土壤黏结在一起成为根菌土复合体,其抗剪切作用机理及影响因素目前研究较少。因此,本文针对根土复合体的力学特性及影响因素、接菌后对根土复合体抗剪切影响及在煤矿区生态修复潜力进行综述,同时结合试验数据分析得出,联合接种AMF和DSE可显著提高了植物地下生物量、土壤黏聚力、根土复合土体的抗剪强度。微生物复垦技术不仅提高人工修复植被成活率及抗逆性,还可增强抗剪切或抗拉伤等力学特性,对于矿区生态修复具有重要的应用潜力。

基于离散元方法的根土复合体冻融损伤数值模拟研究

为探究在冻融环境条件影响下根系对边坡稳定性所发挥的积极效应,基于离散元方法对冻融循环作用下根土复合体的力学特性进行研究。利用PFC软件,提出一种新的冻融损伤模拟方法,对黄土进行不同冻融循环次数下的模拟。利用此方法,黄土在不同循环次数下无侧限抗压强度的模拟结果和试验结果较为吻合,证明了此方法的可行性。之后建立根系模型,模拟根土复合体的UU三轴试验,并对根土复合体的数值模型进行参数标定。进一步探究根系角度对根土复合体强度的影响效应,并对不同冻融循环次数下根土复合体的强度特性进行数值模拟研究。结果表明:所提出的冻融损伤模拟方法可以较好地模拟黄土在冻融循环作用下的劣化效应;根系的存在会提高土体的强度特性,在相同的冻融循环次数下,根土复合体的强度均高于素土,并且根土复合体的强度会随着冻融循环次数的增加先下降后趋于平缓;当根系倾角为90°时,对土体的强度提高效应最大,并且在冻融循环作用下,强度下降较低。当根系倾角为0°时,对土体的强度提高最小。研究成果为从细观角度探究根土复合体的冻融损伤机理提供了新途径,并且可为寒区生态边坡工程建设提供指导意义。