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    寒旱區(qū)4種草本根系力學(xué)特性試驗(yàn)研究

    2019-10-21 09:17:21周林虎劉昌義胡夏嵩徐志聞李希來(lái)朱海麗李燕婷李國(guó)榮
    人民黃河 2019年5期
    關(guān)鍵詞:抗剪強(qiáng)度

    周林虎 劉昌義 胡夏嵩 徐志聞 李希來(lái) 朱海麗 李燕婷 李國(guó)榮

    摘要:為研究青藏高原東北部地區(qū)草本植物根系力學(xué)特性及其根系固土護(hù)坡力學(xué)機(jī)制,以青海省剛察縣三角城種羊場(chǎng)地區(qū)為研究區(qū),將賴草、扁穗冰草、早熟禾和紫花針茅4種優(yōu)勢(shì)草本植物作為供試種,開(kāi)展室內(nèi)單根拉伸和剪切試驗(yàn),系統(tǒng)分析了4種草本植物的單根力學(xué)特性。結(jié)果表明:4種草本植物平均單根抗拉力大小順序?yàn)橘嚥荩?.336 N)>扁穗冰草(2.677 N)>早熟禾(1.988 N)>紫花針茅( 1.588 N),單根抗拉力與根徑之間成指數(shù)函數(shù)關(guān)系;平均單根抗拉強(qiáng)度大小順序?yàn)樵缡旌蹋?8.166 MPa)>扁穗冰草(67.049 MPa)賴草(39.411 MPa)紫花針茅(32.207 MPa),單根抗拉強(qiáng)度與根徑之間成冪函數(shù)關(guān)系;平均單根抗剪力大小順序?yàn)橘嚥荩?.086 N)>扁穗冰草(6.628 N)>早熟禾(5.215 N)>紫花針茅(3.938 N),單根抗剪力與根徑之間成指數(shù)函數(shù)關(guān)系;平均單根抗剪強(qiáng)度大小順序?yàn)楸馑氡荩?67.217 MPa)>早熟禾(56.051 MPa)>紫花針茅(41.998 MPa)賴草(35.494 MPa).單根抗剪強(qiáng)度與根徑之間成冪函數(shù)關(guān)系。

    關(guān)鍵詞:草本植物;抗拉強(qiáng)度;抗剪強(qiáng)度;根系力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn);寒旱區(qū)

    中圖分類號(hào):S157.1

    文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

    doi:10.3969/j.issn. 1000- 1379.2019.05 .020

    近年來(lái),隨著基礎(chǔ)工程建設(shè)力度和規(guī)模進(jìn)一步加大,形成了大量裸露巖土邊坡。傳統(tǒng)的邊坡防護(hù)多采用砌石擋墻及噴混凝土等工程措施,其造價(jià)昂貴、景觀效應(yīng)相對(duì)不顯著,且存在影響和破壞生態(tài)環(huán)境的現(xiàn)象[1]。植被護(hù)坡方法在發(fā)揮植物固土護(hù)坡作用的同時(shí),還能充分表現(xiàn)出植物的景觀效應(yīng)和環(huán)境效應(yīng),起到恢復(fù)區(qū)域生態(tài)、保護(hù)環(huán)境和美化景觀的積極作用[2]。隨著城鎮(zhèn)居民生態(tài)環(huán)保意識(shí)不斷提高,植被護(hù)坡技術(shù)在公路邊坡、河岸邊坡等基礎(chǔ)設(shè)施工程建設(shè)中得到了較為廣泛的應(yīng)用。

    國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)植物護(hù)坡理論及其應(yīng)用開(kāi)展了大量研究,并取得了豐富成果。植物根系作用于邊坡淺層土體的力學(xué)效應(yīng)主要表現(xiàn)為淺層根系的加筋作用、垂直深根的錨固作用以及側(cè)根的斜向牽引作用[3-6]。王曉梅等[7]通過(guò)對(duì)華中地區(qū)瑜伽山邊坡欒樹(shù)和木子樹(shù)2種生長(zhǎng)期為3a的喬木根系進(jìn)行單根拉伸試驗(yàn),結(jié)果表明欒樹(shù)和木子樹(shù)的單根抗拉強(qiáng)度分別為66.12、79.03 MPa,且單根抗拉強(qiáng)度與根徑之間均成冪函數(shù)關(guān)系。李光瑩等[8]1通過(guò)對(duì)黃河源瑪沁地區(qū)小嵩草、矮火絨草、細(xì)葉亞菊和鹽地風(fēng)毛菊4種高寒草地植物進(jìn)行單根拉伸試驗(yàn),結(jié)果表明4種草本植物單根抗拉力與根徑之間成指數(shù)函數(shù)關(guān)系,且單根抗拉強(qiáng)度與根徑之間均成冪函數(shù)關(guān)系。F.Preti等[9]對(duì)生長(zhǎng)于意大利佛羅倫薩南部豆科灌木鷹爪豆的根系進(jìn)行單根拉伸試驗(yàn),結(jié)果表明單根抗拉力隨著根徑增大而增大,且單根抗拉力與根徑之間符合冪函數(shù)關(guān)系。Liu X.M.等10]對(duì)生長(zhǎng)于內(nèi)蒙古鄂爾多斯高原的小葉錦雞兒、沙棘、白沙蒿3種灌木進(jìn)行單根拉伸試驗(yàn),結(jié)果表明單根抗拉強(qiáng)度大小順序?yàn)樾∪~錦雞兒( 33. 673 MPa)>沙棘(21.792 MPa)>白沙蒿(12.975 MPa),且這3種灌木單根抗拉強(qiáng)度和根徑之間符合冪函數(shù)關(guān)系。朱海麗等[11]通過(guò)對(duì)生長(zhǎng)于青藏高原東北部黃土區(qū)的霸王、白刺、檸條錦雞兒和四翅濱藜4種生長(zhǎng)期為18個(gè)月的灌木根系進(jìn)行室內(nèi)剪切試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)其單根抗剪力隨著根徑增大而增大,而單根抗剪強(qiáng)度則隨著根徑增大而減小。賀振昭等[12]對(duì)生長(zhǎng)于青海湖地區(qū)的醉馬草、紫花針茅等7種草本植物進(jìn)行單根剪切試驗(yàn),結(jié)果表明單根抗剪強(qiáng)度與根徑之間成冪函數(shù)或指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

    上述對(duì)植物根系力學(xué)特性的研究主要集中在植物單根力學(xué)指標(biāo)與根徑之間的關(guān)系上,而對(duì)于植物單根力學(xué)指標(biāo)的變化幅度與根徑之間的關(guān)系(如單根抗拉力增長(zhǎng)幅度與根徑之間的關(guān)系),尤其對(duì)于青藏高原東北部地區(qū)草本植物根系力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn)研究較少。筆者選取位于青藏高原東北部的青海省剛察縣三角城種羊場(chǎng)地區(qū)作為研究區(qū),通過(guò)對(duì)該區(qū)4種優(yōu)勢(shì)草本植物進(jìn)行室內(nèi)單根拉伸和剪切試驗(yàn),分別測(cè)定其單根抗拉力和單根抗剪力,并在此基礎(chǔ)上得出4種草本植物單根抗拉強(qiáng)度和單根抗剪強(qiáng)度,探討其力學(xué)強(qiáng)度變化幅度和根徑之間的關(guān)系,以期為研究區(qū)及其周邊地區(qū)有效防治水土流失、淺層滑坡等地質(zhì)災(zāi)害提供參考。

    1 研究區(qū)概況

    研究區(qū)北面為祁連山脈,南臨青海湖,區(qū)內(nèi)高山連綿,地勢(shì)自北向南傾斜,地貌由灘地、丘陵和山地構(gòu)成。該區(qū)海拔為3 200-3 800 m[13],屬典型大陸性氣候區(qū),冬春干旱多風(fēng)寒冷,夏季涼爽,年平均氣溫為-0.6℃,年平均降水量為370.3 mm,年平均蒸發(fā)能力為1607.4mm[1 4]。區(qū)內(nèi)土地類型主要以高寒山地和干旱草原為主,適宜于當(dāng)?shù)厣L(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)草種主要有紫花針茅、扁穗冰草、披堿草、賴草、早熟禾等[15]。

    2 試驗(yàn)材料與方法

    2.1 試驗(yàn)材料

    選取適宜于研究區(qū)氣候條件的賴草、扁穗冰草、早熟禾和紫花針茅4種優(yōu)勢(shì)草本植物,這4種草本植物具有耐寒、耐旱、耐貧瘠等特性,且具有較好的水保特性和生態(tài)價(jià)值[16-20]。

    2.2 試驗(yàn)儀器

    采用由上海衡翼精密儀器有限公司生產(chǎn)的HY-0580型電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)。

    2.3 試驗(yàn)方法

    在野外原位挖掘采集根系試樣。為確保根系完整性,將原位挖掘出的植株移放至試樣盆內(nèi)編號(hào),并及時(shí)帶回實(shí)驗(yàn)室。先將根一土復(fù)合體用清水沖洗干凈,選取順直且表面完好的根系,截取長(zhǎng)度為5~ 10 cm的根段,然后選取3個(gè)不同部位用游標(biāo)卡尺測(cè)量其根徑,取其平均值作為該根段的根徑。當(dāng)一組單根拉伸或剪切試驗(yàn)結(jié)束后,利用AnyTest Professional軟件繪制出抗拉力一變形關(guān)系曲線。

    在單根拉伸試驗(yàn)過(guò)程中,為避免根系在夾具中發(fā)生滑動(dòng),采用在夾具夾頭兩端粘貼膠片、纏繞和增加柔性物質(zhì)的方法增大根系與夾具之間的摩擦力[21]。選取斷裂破壞發(fā)生在根系中部或接近中部的情況作為有效試驗(yàn)結(jié)果,若根系在兩端發(fā)生斷裂,則不計(jì)人有效數(shù)據(jù)。根據(jù)試驗(yàn)得到的單根最大抗拉力和實(shí)測(cè)得到的根徑,可算出4種草本植物的單根抗拉強(qiáng)度,計(jì)算公式[11]為

    P=4F/πD2

    (1)

    式中:P為單根抗拉強(qiáng)度,MPa;F為單根最大抗拉力,N;D為根徑,mm。

    在開(kāi)展室內(nèi)單根剪切試驗(yàn)時(shí),將根系平順地穿過(guò)剪切小孔進(jìn)行剪切,并將根系完全剪斷的情況作為有效試驗(yàn)結(jié)果,若根系未被完全剪斷,則不計(jì)入有效數(shù)據(jù)。根據(jù)試驗(yàn)得到的單根最大抗剪力和實(shí)測(cè)得到的根徑,可算出4種草本植物的單根抗剪強(qiáng)度,計(jì)算公式[11]為式中:τ為單根抗剪強(qiáng)度,MPa; Fb為單根最大抗剪力,N;A為根系的原始截面積,mm2;D為根徑,mm。

    3 結(jié)果分析

    3.1 單根抗拉力和抗拉強(qiáng)度與根徑之間的關(guān)系

    研究區(qū)4種草本植物單根抗拉試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知,區(qū)內(nèi)4種草本植物平均根徑大小順序?yàn)橘嚥?紫花針茅>扁穗冰草>早熟禾,平均單根抗拉力大小順序?yàn)橘嚥?扁穗冰草>早熟禾>紫花針茅。賴草單根抗拉力表現(xiàn)出顯著大于其他3種草本植物的特性,其平均單根抗拉力分別為扁穗冰草、早熟禾和紫花針茅的1.25倍、1.68倍、2.10倍。單根抗拉強(qiáng)度可作為評(píng)價(jià)根系固土護(hù)坡能力大小的一個(gè)有效指標(biāo)22],區(qū)內(nèi)4種草本植物平均單根抗拉強(qiáng)度大小順序?yàn)樵缡旌?扁穗冰草>賴草>紫花針茅,其中:早熟禾和扁穗冰草單根抗拉強(qiáng)度差異性不顯著(早熟禾單根抗拉強(qiáng)度為扁穗冰草的1. 02倍).而與賴草和紫花針茅的差異性較為顯著(早熟禾單根抗拉強(qiáng)度分別為賴草和紫花針茅的1.73倍、2.12倍)。

    區(qū)內(nèi)4種草本植物根徑分別為0.2、0.4、0.6 mm時(shí),其單根抗拉力和單根抗拉強(qiáng)度見(jiàn)表2。由表2可知,根徑由0.2 mm增大至0.6 mm時(shí).4種草本植物單根抗拉力增幅為244. 06% - 857. 22%,其中:扁穗冰草單根抗拉力增幅最大,分別為早熟禾、賴草和紫花針茅的1.59倍、2.04倍、3.51倍,表明扁穗冰草單根抗拉力受根徑影響最大,其次為早熟禾、賴草和紫花針茅。根徑由0.2 mm增大至0.6 mm時(shí).4種草本植物單根抗拉強(qiáng)度降幅為59.06% - 70.72%,與單根抗拉力增幅相比,變化幅度較小,說(shuō)明單根抗拉力比單根抗拉強(qiáng)度受根徑影響大。

    圖1、圖2分別為研究區(qū)4種草本植物單根抗拉力和單根抗拉強(qiáng)度與根徑之間的關(guān)系。由圖1可知.4種草本植物單根抗拉力隨著根徑增大而增大,且單根抗拉力與根徑之間符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系。由圖2可知,4種草本植物單根抗拉強(qiáng)度隨著根徑的增大而減小,且單根抗拉強(qiáng)度與根徑之間符合冪函數(shù)關(guān)系。該結(jié)果與蔣坤云[23]、歐陽(yáng)前超[24]、E.Abdi等[25]的研究結(jié)果一致。

    3.2 單根抗剪力和抗剪強(qiáng)度與根徑的關(guān)系

    研究區(qū)4種草本植物單根抗剪試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知,4種草本植物平均根徑大小順序?yàn)橘嚥?紫花針茅>扁穗冰草>早熟禾,其平均單根抗剪力大小順序?yàn)橘嚥?扁穗冰草>早熟禾>紫花針茅,與4種草本植物平均抗拉力表現(xiàn)出一致的變化規(guī)律。同種草本植物單根抗剪力均大于其單根抗拉力,賴草、扁穗冰草、早熟禾和紫花針茅平均單根抗剪力為其各自平均單根抗拉力的2.12倍、2.48倍、2.62倍和2.48倍。4種草本植物平均單根抗剪強(qiáng)度大小順序?yàn)楸馑氡?早熟禾>賴草>紫花針茅,扁穗冰草單根抗剪強(qiáng)度分別為早熟禾、賴草和紫花針茅的1.20倍、1.60倍和1.89倍,表明扁穗冰草單根抗剪強(qiáng)度與早熟禾的差異較小,而與賴草和紫花針茅的差異較大。

    4種草本植物根徑分別為0.2、0.4、0.6 mm時(shí),其單根抗剪力和抗剪強(qiáng)度見(jiàn)表4。由表4可知,4種草本植物單根抗剪力隨著根徑的增大而增大,增幅大小順序?yàn)橘嚥?紫花針茅>早熟禾>扁穗冰草。根徑由0.2mm增大至0.6 mm時(shí),4種草本植物單根抗剪力增幅為202.91% - 414.02%.紫花針茅單根抗剪力增幅分別為賴草、早熟禾和扁穗冰草的1.24倍、1.38倍和2.04倍,表明4種草本植物單根抗剪力增幅存在較為顯著的差異,其中紫花針茅單根抗剪力受根徑變化影響最大。4種草本植物單根抗剪強(qiáng)度隨著根徑增大而降低,其降幅大小順序?yàn)楸馑氡?早熟禾>紫花針茅>賴草。根徑由0.2 mm增大至0.6 mm時(shí),4種草本植物單根抗剪強(qiáng)度降幅為56.51% - 74.62%.表明單根抗剪強(qiáng)度受根徑變化的影響比單根抗剪力的小。

    圖3、圖4分別為4種草本植物單根抗剪力和單根抗剪強(qiáng)度與根徑之間的關(guān)系。由圖3可知.4種草本植物的單根抗剪力隨著根徑增大而增大,且單根抗剪力與根徑之間符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系。由圖4可知.4種草本植物的單根抗剪強(qiáng)度隨根徑增大而減小,且單根抗剪強(qiáng)度與根徑之間符合冪函數(shù)關(guān)系。該結(jié)果與朱海麗等[11]、賀振昭等[12]的研究結(jié)果一致。

    綜合分析4種草本植物單根抗拉和單根抗剪強(qiáng)度可知,區(qū)內(nèi)早熟禾和扁穗冰草2種草本植物根系力學(xué)強(qiáng)度相對(duì)較高,賴草次之,紫花針茅相對(duì)最小。4結(jié)論

    (1)研究區(qū)4種草本植物平均單根抗拉力大小順序?yàn)橘嚥荩?.336 N)>扁穗冰草(2.677 N)>早熟禾(1.988 N)>紫花針茅(1.588 N),其單根抗拉力隨著根徑增大而增大,且二者之間成指數(shù)函數(shù)關(guān)系。區(qū)內(nèi)4種草本植物平均單根抗拉強(qiáng)度大小順序?yàn)樵缡旌蹋?8.166 MPa)>扁穗冰草(67.049 MPa)>賴草(39.411MPa)>紫花針茅(32.207 MPa),其單根抗拉強(qiáng)度隨著根徑增大而減小,且二者之間成冪函數(shù)關(guān)系。

    (2)區(qū)內(nèi)4種草本植物平均單根抗剪力大小順序?yàn)橘嚥荩?.086 N)>扁穗冰草(6.628 N)>早熟禾(5.215N)>紫花針茅(3.938 N),其單根抗剪力隨著根徑增大而增大,且二者之間成指數(shù)函數(shù)關(guān)系。4種草本植物平均單根抗剪強(qiáng)度大小順序?yàn)楸馑氡荩?67.217MPa)>早熟禾(56.051 MPa)>賴草(41.998 MPa)>紫花針茅( 35.494 MPa),其單根抗剪強(qiáng)度隨著根徑增大而減小,且二者之間成冪函數(shù)關(guān)系。

    (3)根據(jù)4種草本植物單根抗拉和單根抗剪強(qiáng)度可知,區(qū)內(nèi)早熟禾和扁穗冰草相對(duì)于其他2種草本植物,可起到更為顯著的固土護(hù)坡作用,有助于提高研究區(qū)及其周邊地區(qū)邊坡土體抗剪強(qiáng)度,可作為研究區(qū)及其周邊地區(qū)優(yōu)勢(shì)護(hù)坡草種。

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