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[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。 相似文献
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植物根系固坡效应模拟及稳定性数值分析 总被引：1，自引：0，他引：1
随着生态环境保护的要求日益提高,植物护坡工程的理论和实践研究得到了发展。由于植物根系及其分布的随机性和复杂性,根土相互作用机理以及根系固坡的定量化研究工作还很不深入。本文对根系固土力学机制和根土复合介质抗剪强度模型进行了评述,将根系对土体的强度贡献以“表观凝聚力”表示,采用数值方法对植物根系固坡效应及其稳定性进行了分析,考虑根系强度增量以及护坡深度,在多种情况下进行了边坡整体安全系数计算。分析结果可为植物根系的力学效应评判、护坡植物的选取,以及其优化布设等纵深研究方面提供了理论基础。 相似文献
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把植物防护后的边坡土体看作由土和根系组成的根-土复合体,建立根-土相互作用力学模型,定量分析植物根系的加筋作用,从而增强边坡土体的抗剪强度,减小水土流失和边坡病害的发生。为边坡工程的设计计算提供一定的参考。 相似文献
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在总结国内外近20a来关于植物根系的固土护坡作用研究基础上，从根系提高土壤抗冲性研究方面、植物根系力学研究方面、植物根系固土作用机理研究及其应用前景和展望等方面作了综述，明确了今后要加强对植物根系材料力学特性和根土复合体形成及作用机制方面的研究，更重要的是从根一土微观机制上进行深入研究，以便能揭示其本质。为植物在工程绿化、边坡稳定、生态恢复和水土保持等方面的应用提供理论指导，为我国迅速发展的城市化、生态化进程服务。 相似文献
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花棒和沙柳是毛乌素沙地中分布最广泛的优良防风固沙树种,在固定流动沙丘和半流动沙丘上效果明显。为了探索花棒和沙柳根-土界面的摩擦特性,该文选取毛乌素沙地5 a生人工种植花棒、沙柳的根系为研究对象,通过直剪摩擦试验研究界面类型、土壤含水率和垂直荷载对花棒、沙柳根-土界面以及素土-素土界面摩擦特性的影响,并采用有限元软件对直剪摩擦试验进行数值模拟。结果表明:花棒和沙柳根系对土壤抗剪强度的提高作用与根-土界面的黏聚力无关,与摩擦角有关。花棒根-界面的摩擦角显著高于素土-素土和沙柳根-土界面(P0.05)。土壤含水率的变化对根-土界面的黏聚力与摩擦角的影响规律相似,旱季和雨季对根系提高土壤抗剪强度的作用有显著影响(P0.05)。根-土界面的抗剪强度与垂直荷载的关系同样满足莫尔-库伦准则,本构关系为双曲线。花棒根-土界面抗剪强度极显著高于素土-素土界面和沙柳根-土界面(P0.01),从抵抗根-土位移的角度,花棒的固沙效果优于沙柳。该文所采用的应力、位移边界条件和Coulomb摩擦模型,模拟计算的根-土界面和素土-素土界面的抗剪强度与试验结果基本一致(最大相对误差10%),因此根-土界面的直剪摩擦试验可以通过本文所建立的有限元数值模型来模拟。研究结果可为根系固土作用的理论研究和防风固沙树种的筛选提供参考。 相似文献
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为研究草本和灌木根系在护坡中的力学机理,以西宁盆地为例,对青藏高原黄土区生长2年的草本芨芨草和灌木柠条锦鸡儿进行了野外观测和现场力学试验。结合研究区现场观察、试验和分析得出：芨芨草和柠条锦鸡儿根系的生长特征及力学特征均较其他乡土植物显著,护坡力学效应较强;试验区草本植物根系在土体中主要起加筋作用,灌木植物水平根系起牵引作用、垂直根系起锚固作用。通过建立根-土相互作用的力学模型得出：草本植物根系对边坡的加筋作用大小与根系数量、根系抗拉力以及根系在土体中的延伸方向均有关;灌木根系对土体的牵引效应与根系数量、直径和抗拉强度呈正相关,根系锚固力的大小主要取决于根系与土体间的摩擦力,且根系所受的摩擦力与根系半径、土层深度和土体重度呈正相关。对于坡度为40°的土质边坡,选择芨芨草、柠条锦鸡儿等根系发达的灌草植物进行护坡,其防护效果较好。 相似文献
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多花木蓝根系与土体界面摩阻特征 总被引：2，自引：1，他引：1
为研究灌木植物根系的固土护坡力学效应,探讨根系与土体间相互作用的特性。以多花木蓝为供试植物,进行植物根系切片并计算根系的表面凹凸度,选取0~0.5,0.5~1.0,1.0~1.5,1.5~2.0mm 4种粒径的粉质黏土,在不同的土体含水率和根径条件下,制备根土复合体扰动试样,进行单根抗拔摩阻试验和直剪摩阻试验,探讨土体含水率、植物根径以及土体粒径对根土界面摩阻特性的影响。结果表明:多花木蓝根系的表面凹凸度随根径变化无显著性差异,根系的拉拔剪应力集中在17.36~32.76kPa,而根土界面的摩擦系数为0.10~0.20;根系拉拔剪应力和根土界面摩擦系数随土体粒径和土体含水率的增加逐渐下降;土体含水率和土体粒径愈低,根系形态特征对根系的拉拔剪应力和根土界面摩擦系数的影响愈显著。研究结果对分析根土界面摩阻特性的影响因素,以及利用灌木植物提高边坡土体结构稳定和防治水土流失、土壤侵蚀等地质灾害具有重大的指导意义。 相似文献
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黄土高原水土流失严重，自然灾害频发，而植被可有效减少浅层滑坡，其中根系加固是对环境有利的土壤稳定措施。为定量研究植物根系对土体的增强效果以及根土复合体在力的作用下的变形发展规律，该研究将根土复合体视为天然纤维增强复合材料，基于均匀化理论，构建根土复合体的数值计算模型。利用有限元软件的二次开发功能，建立周期性边界条件，对根土复合体单胞的等效弹性模量和强度参数进行计算；通过根土复合体的三轴压缩试验和数值模拟，验证单胞计算理论的准确性；最后对单胞进行细观力学分析。研究表明：1）该研究建立的根土复合体单胞模型，可有效预测其等效弹性参数，与试验相比，轴向弹性模量相对误差为2.2%。2）单胞模型可以预测根土复合体的黏聚力c和内摩擦角φ，与试验相比，c和φ仅相差4.41 kPa和0.93°；在保证精度的同时大大提高了计算效率（与标准尺寸试件模型相比减少了90%的单元数）。3）根系的存在允许土体产生更大的变形和承受更大的应力。研究成果从周期复合材料的角度为黄土高原根系固土机理研究提供了新思路。 相似文献
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花棒根-土复合体直剪试验的有限元数值模拟与验证 总被引：2，自引：4，他引：2
为深入了解花棒(Hedysarum scoparium)根系在增强土壤抗剪强度中的作用机理,同时减少试验成本和挖掘根系对环境的破坏,该文采用有限元数值模拟的方法研究了宁夏毛乌素沙地5 a生人工种植花棒根系的根截面积比(root area ratio,RAR)和垂直荷载对根-土复合体抗剪强度的影响,并对模拟结果进行了试验验证。研究表明:花棒根-土复合体的抗剪强度与垂直荷载的关系符合摩尔库伦(Mohr–Coulomb)屈服准则,花棒根系对土壤的抗剪强度有显著的提高作用。随RAR的增加,花棒根系表观黏聚力(root apparent cohesion,SR)呈线性增加(R20.9)。在相同的RAR下,花棒根-土复合体抗剪强度相对于素土抗剪强度的增长率随垂直荷载的增加逐渐降低,符合对数函数变化规律(R20.9);在相同的垂直荷载下,随RAR的降低,花棒根-土复合体抗剪强度相对于素土抗剪强度的增长率呈线性递减(R20.9);在较低垂直荷载的情况下,花棒根系提高土壤抗剪强度的作用更明显。研究发现与素土相比花棒根-土复合体的剪应力峰值出现较晚,当土壤出现明显塑性变形时,花棒根系的固土能力才能体现出来。数值模拟结果和室内试验结果显示:利用该文所建立的花棒根-土复合体直剪试验的有限元数值模型,模拟计算的根-土复合体抗剪强度与室内试验结果基本一致,相对误差绝对值的平均值1.87%,花棒根-土复合体的直剪试验可以通过该研究所建立的有限元数值模型来模拟。研究结果对于深入了解植物根系加固土壤的作用机理和推进根-土相互作用的数值模拟研究具有重要参考意义。 相似文献
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草本植物根系对高液限土的加固效应 总被引：2，自引：2，他引：0
[目的]探索草本植物根系对高液限土的加固效应,为工程中合理预估植物根系在高液限土质边坡防护中的作用提供依据。[方法]以高羊茅根系及其与高液限土壤构成的根—土复合体为研究对象,通过一系列室内直剪试验分析高液限土含水率和含根量对抗剪强度的影响。[结果]在土样中掺加根系可以显著提升其黏聚力,小幅提升其内摩擦角。根系对土体的加固效果随着含水率增加呈现先上升后减小的趋势。不同含水率梯度下根—土复合体的最优含根量有所区别,对于20%和25%含水率的土样,其最优含根量大致在0.3%附近,对30%含水率土样在0.4%附近,对35%~45%含水率土样在0.5%附近。[结论]草本植物根系可以有效抑制高液限土的水敏性,且在不同含水率梯度下根系发挥的作用差异显著。 相似文献
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生态防护技术对稀土矿山边坡的固坡效果 总被引：1，自引：0，他引：1
[目的]探讨以狗牙根系和竹格为主要材料组成的生态护坡模式对离子型稀土矿山原地浸矿采场边坡的固坡效果及加筋效应,为赣南地区稀土矿山采场边坡防治技术提供新的思路。[方法]使用狗牙根与稀土矿砂质黏土构成的根—土复合体为研究对象,通过直剪试验分析土壤含根量和含水率对抗剪强度的影响,采用二维有限元法分析"竹格+狗牙根"的生态护坡模式对边坡稳定性的增强作用,利用正交试验的直观分析法对竹桩间距、长度和直径支护参数进行优化。[结果]植物根系可以显著提升土壤的黏聚力,但对内摩擦角的影响较小。当含根量达到0.5%及以上时,根—土复合体的抗剪强度增幅呈下降趋势,即存在最优含根量。根系对25%含水率条件下的土体加筋效应最显著。该生态护坡模式能够显著增强边坡的稳定性,当竹桩长度取3 m,间距2.5 m,直径8 cm时,其防护效果最佳。[结论]狗牙根根系在不同含水率、不同含根量条件下其加筋效果存在差异,"竹格+狗牙根"的生态护坡模式能够有效防止边坡浅层土的滑移。 相似文献
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根土系统中的根系水力提升研究综述 总被引：3，自引：2，他引：1
根土系统可看作是土壤-植物-大气连续体(SPAC)系统的子系统, 根土间存在着内在优化协调的动态机制以更大限度地为SPAC 过程提供水分和养分。植物根系的水力提升现象是根土系统对水分分异的根土环境中土壤水资源优化利用的过程, 是植物根系所具有的一种普遍现象。植物根系的水力提升作用利于植物对土壤水分利用最大化, 同时也促进了对土壤养分的吸收利用及对土壤环境的改善。可以从系统优化的观点对这一现象的存在进行理论解释, 其发生受一定的条件制约, 是必然中的偶然。根系水力提升量不容忽视, 在一些环境的植物中, 水力提升提供了很大比例的蒸腾水分, 不仅对植物蒸腾耗水有利, 更存在广泛的生理生态意义。研究根系提水的应用对干旱区农业发展和生态修复有着潜在的价值, 具有广泛的研究前景。 相似文献
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The presence of vegetation increases soil burden stability along slopes and therefore reduces soil erosion. The contribution of the vegetation is due to mechanical (reinforcing soil shear resistance) and hydrologic controls on stream banks and superficial landslides. This study focused on the biotechnical characteristics of the root system of three shrub species: Rosa canina (L.), Cotoneaster dammeri (C.K. Schneid) and Juniperus horizontalis (Moench). The aim of this paper is to increase our understanding on root biomechanical properties of shrubs species and their contribution to soil reinforcement. The considered shrubs grew up in wood containers, exposed to natural conditions in a village near Asti (Northern Italy) for 2 years. Laboratory tests were conducted to measure the ultimate root tensile strength and to estimate the root density distribution with depth (root area ratio), in order to quantify the soil mechanical reinforcement. Root tensile strength measurements were carried out on single root specimens and root area ratio was estimated analyzing the whole root system. The improvement of soil mechanical properties obtained by the presence of shrubs was estimated using two different models. The first model, based on a simple force equilibrium model, considers that the tensile strength of all roots crossing the shear plane is fully mobilized. This classical approach is implemented by the Fiber Bundle Model concept, to account for non-simultaneous root breaking. C. dammeri roots presented the highest tensile strength and soil reinforcement values, while R. canina and J. horizontalis were characterized by lower values. Similarly at each considered depth C. dammeri showed the highest soil reinforcement effect. 相似文献
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Temporal and spatial variability in root reinforcement of streambanks: Accounting for soil shear strength and moisture 总被引：1，自引：0，他引：1
Riparian vegetation exerts a number of mechanical and hydrologic controls on bank stability, which can affect the delivery of sediment to channels. Estimates of root reinforcement of soils have commonly been attained using perpendicular root models that simply sum root tensile strengths and consider these as an add-on factor to soil strength. A major limitation of such perpendicular models is that tensile strength and resistance is wrongly considered to be independent of soil type and moisture, and therefore variations according to these bank properties are omitted in conventional models. In reality, during mass failure of a streambank, some roots break, and some roots are pulled out of the soil intact; the relative proportions of roots that break or pull out are determined by a combination of soil moisture and shear strength. In this paper an equation to predict the frictional resistance of root–soil bonds was tested against field data collected at Long Creek, MS, under two soil moisture conditions. The root pullout equations were then included in the root-reinforcement model, RipRoot, and bank stability model runs for Goodwin Creek, MS, were carried out in order to examine the effects of spatial and temporal variations in soil shear strength and rooting density, on streambank factor of safety. Model results showed that at smaller root diameters breaking forces exceeded pullout forces, but at larger root diameters pullout forces exceed breaking forces. The threshold diameter between root pullout and root breaking varied with soil shear strength, with increasing soil shear strength leading to a greater proportion of roots failing by breaking instead of pullout. Root-reinforcement estimates were shown to reflect changes in soil shear strength, for example, brought about by variations in soil matric suction. Resulting Factor of safety (FS) values for the bank during the period modeled ranged from 1.36 to 1.74 with 1000 grass roots/m2, compared to a range of 0.97 to 1.37 for the non-vegetated bank. Root reinforcement was shown to increase bank stability under the entire range of soil moisture conditions modeled. However, the magnitude of root reinforcement varied in both space and time as determined by soil shear strength and soil moisture. 相似文献
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C. Zhang J. Jiang J. Ma X. Zhang Q. Yang Q. Ouyang X. Lei 《Soil Use and Management》2015,31(3):408-416
Soil reinforcement by plant roots and its response to influencing factors are very important for bank stability evaluation and control. Models with improved accuracy are urgently needed for evaluating soil reinforcement. Using a back‐propagation (BP) learning algorithm, an artificial neural network (ANN) model with five input variables, including the number of roots, root area ratio, root tensile strength, soil shear strength, and soil moisture content, was developed to simulate the response of soil reinforcement to these factors. A connection weight approach was used to understand the relative importance of each factor. Using a data set published in 2003 and collected in Australia, soil reinforcement of four trees, Casuarina glauca, Eucalyptus amplifolia, Eucalyptus elata and Acacia floribunda, was simulated using three models: BP‐ANN, one described by Wu et al. in 1979 and the 2005 fibre bundle model (FBM) of Pollen and Simon. Comparisons of results from these models showed that the BP‐ANN model most accurately estimated the soil reinforcement. The simulated results indicated that only the effect of soil moisture content on soil reinforcement was negative. The influence of the other four factors was positive, and the relative importance was in the order: root area ratio > root tensile strength > the number of roots > soil shear strength. This study provides a new approach to soil reinforcement estimation and improves our understanding of soil resistance and bank stability. 相似文献
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植物根系吸收磷的机理模型验证研究 总被引：3，自引：0，他引：3
本文通过不同土壤条件下幼稚苗磷吸收实测值与机理模型预测值的比较,检验了几种养分吸收机理模型对玉米与大豆幼苗磷吸收的预测能力,同时探讨了影响几种养分吸收机理模型预测能力的主要因素。研究结果表明:供试四种机理模型均能较好地反映玉米与大豆幼苗的磷吸收变化情况;四种机理模型中,以建立于解析解基础上的 Ｓ Ｃ 模型的预测能力最低,两种数值解模型的预测能力相当,而以考虑了根毛作用的 Ｃ２ 模型的预测能力最强;影响机理模型预测能力的重要因素是土壤供磷与含水量水平、土壤供 Ｎ 形态、土壤性质及土壤供 Ｃａ 水平或pH值。土壤养分与水分胁迫、土壤质地粘重、土壤施 NH4+-N及酸性土壤施用石灰等条件均会使数值解机理模型的磷吸收预测能力降低,其原因可归结于这几种土壤条件均能诱导或加强幼苗根系吸收磷的某种主动适应机制,而这种机制并未考虑在养分吸收机理模型之中。 相似文献
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为深入分析植物对土壤加固的影响效益和机制,该研究选取重庆缙云山地区和陕西延安黄土丘陵区种植一年的乔木（火炬树、榆树）和灌木（荆条、酸枣）,该测定其根系形态、力学参数和土壤的抗剪强度,通过RBMw模型计算根系固土效益,综合评估不同植物种的固土效能和贡献度。结果表明：2地种植的物种平均根直径的差异不显著（P > 0.05）,重庆种植的乔木(火炬树、榆树)的根长、分叉数和根尖数显著高于延安,灌木未出现显著差异（P < 0.05）。根系的抗拉强度与直径都符合负幂函数关系,其中平均抗拉强度最大的为荆条。除荆条外,同种植物根系的抗拉强度并未因不同地区的种植产生显著差异。4个植物种根系的固土效率为0.65～4.12 kPa,各物种间存在显著差异（P < 0.05）。重庆2种乔木种植下的根土复合体有效黏聚力高于裸地（约10%）,灌木种植下则普遍略低于裸地。除酸枣外,种植于重庆的4种植物的根系固土作用和效率都显著的高于延安（P < 0.05）。研究结果可为不同地区固土护坡的树种选择提供理论依据。 相似文献