寒旱区4种草本根系力学特性试验研究

周林虎 刘昌义 胡夏嵩 徐志闻 李希来 朱海丽 李燕婷 李国荣

摘要：为研究青藏高原东北部地区草本植物根系力学特性及其根系固土护坡力学机制，以青海省刚察县三角城种羊场地区为研究区，将赖草、扁穗冰草、早熟禾和紫花针茅4种优势草本植物作为供试种，开展室内单根拉伸和剪切试验，系统分析了4种草本植物的单根力学特性。结果表明：4种草本植物平均单根抗拉力大小顺序为赖草（3.336 N）>扁穗冰草（2.677 N）>早熟禾（1.988 N）>紫花针茅（ 1.588 N），单根抗拉力与根径之间成指数函数关系;平均单根抗拉强度大小顺序为早熟禾（68.166 MPa）>扁穗冰草（67.049 MPa）赖草（39.411 MPa）紫花针茅（32.207 MPa），单根抗拉强度与根径之间成幂函数关系;平均单根抗剪力大小顺序为赖草（7.086 N）>扁穗冰草（6.628 N）>早熟禾（5.215 N）>紫花针茅（3.938 N），单根抗剪力与根径之间成指数函数关系;平均单根抗剪强度大小顺序为扁穗冰草（ 67.217 MPa）>早熟禾（56.051 MPa）>紫花针茅（41.998 MPa）赖草（35.494 MPa）.单根抗剪强度与根径之间成幂函数关系。

关键词：草本植物;抗拉强度;抗剪强度;根系力学强度试验;寒旱区

中图分类号：S157.1

文献标志码：A

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

近年来，随着基础工程建设力度和规模进一步加大，形成了大量裸露岩土边坡。传统的边坡防护多采用砌石挡墙及喷混凝土等工程措施，其造价昂贵、景观效应相对不显著，且存在影响和破坏生态环境的现象[1]。植被护坡方法在发挥植物固土护坡作用的同时，还能充分表现出植物的景观效应和环境效应，起到恢复区域生态、保护环境和美化景观的积极作用[2]。随着城镇居民生态环保意识不断提高，植被护坡技术在公路边坡、河岸边坡等基础设施工程建设中得到了较为广泛的应用。

国内外学者对植物护坡理论及其应用开展了大量研究，并取得了丰富成果。植物根系作用于边坡浅层土体的力学效应主要表现为浅层根系的加筋作用、垂直深根的锚固作用以及侧根的斜向牵引作用[3-6]。王晓梅等[7]通过对华中地区瑜伽山边坡栾树和木子树2种生长期为3a的乔木根系进行单根拉伸试验，结果表明栾树和木子树的单根抗拉强度分别为66.12、79.03 MPa，且单根抗拉强度与根径之间均成幂函数关系。李光莹等[8]1通过对黄河源玛沁地区小嵩草、矮火绒草、细叶亚菊和盐地风毛菊4种高寒草地植物进行单根拉伸试验，结果表明4种草本植物单根抗拉力与根径之间成指数函数关系，且单根抗拉强度与根径之间均成幂函数关系。F.Preti等[9]对生长于意大利佛罗伦萨南部豆科灌木鹰爪豆的根系进行单根拉伸试验，结果表明单根抗拉力随着根径增大而增大，且单根抗拉力与根径之间符合幂函数关系。Liu X.M.等10]对生长于内蒙古鄂尔多斯高原的小叶锦鸡儿、沙棘、白沙蒿3种灌木进行单根拉伸试验，结果表明单根抗拉强度大小顺序为小叶锦鸡儿（ 33. 673 MPa）>沙棘（21.792 MPa）>白沙蒿（12.975 MPa），且这3种灌木单根抗拉强度和根径之间符合幂函数关系。朱海丽等[11]通过对生长于青藏高原东北部黄土区的霸王、白刺、柠条锦鸡儿和四翅滨藜4种生长期为18个月的灌木根系进行室内剪切试验，发现其单根抗剪力随着根径增大而增大，而单根抗剪强度则随着根径增大而减小。贺振昭等[12]对生长于青海湖地区的醉马草、紫花针茅等7种草本植物进行单根剪切试验，结果表明单根抗剪强度与根径之间成幂函数或指数函数关系。

上述对植物根系力学特性的研究主要集中在植物单根力学指标与根径之间的关系上，而对于植物单根力学指标的变化幅度与根径之间的关系（如单根抗拉力增长幅度与根径之间的关系），尤其对于青藏高原东北部地区草本植物根系力学强度试验研究较少。笔者选取位于青藏高原东北部的青海省刚察县三角城种羊场地区作为研究区，通过对该区4种优势草本植物进行室内单根拉伸和剪切试验，分别测定其单根抗拉力和单根抗剪力，并在此基础上得出4种草本植物单根抗拉强度和单根抗剪强度，探讨其力学强度变化幅度和根径之间的关系，以期为研究区及其周边地区有效防治水土流失、浅层滑坡等地质灾害提供参考。

1 研究区概况

研究区北面为祁连山脉，南临青海湖，区内高山连绵，地势自北向南倾斜，地貌由滩地、丘陵和山地构成。该区海拔为3 200-3 800 m[13]，属典型大陆性气候区，冬春干旱多风寒冷，夏季凉爽，年平均气温为-0.6℃，年平均降水量为370.3 mm，年平均蒸发能力为1607.4mm[1 4]。区内土地类型主要以高寒山地和干旱草原为主，适宜于当地生长的优势草种主要有紫花针茅、扁穗冰草、披碱草、赖草、早熟禾等[15]。

2 试验材料与方法

2.1 试验材料

选取适宜于研究区气候条件的赖草、扁穗冰草、早熟禾和紫花针茅4种优势草本植物，这4种草本植物具有耐寒、耐旱、耐贫瘠等特性，且具有较好的水保特性和生態价值[16-20]。

2.2 试验仪器

采用由上海衡翼精密仪器有限公司生产的HY-0580型电子万能材料试验机。

2.3 试验方法

在野外原位挖掘采集根系试样。为确保根系完整性，将原位挖掘出的植株移放至试样盆内编号，并及时带回实验室。先将根一土复合体用清水冲洗干净，选取顺直且表面完好的根系，截取长度为5～ 10 cm的根段，然后选取3个不同部位用游标卡尺测量其根径，取其平均值作为该根段的根径。当一组单根拉伸或剪切试验结束后，利用AnyTest Professional软件绘制出抗拉力一变形关系曲线。

在单根拉伸试验过程中，为避免根系在夹具中发生滑动，采用在夹具夹头两端粘贴胶片、缠绕和增加柔性物质的方法增大根系与夹具之间的摩擦力[21]。选取断裂破坏发生在根系中部或接近中部的情况作为有效试验结果，若根系在两端发生断裂，则不计人有效数据。根据试验得到的单根最大抗拉力和实测得到的根径，可算出4种草本植物的单根抗拉强度，计算公式[11]为

P=4F/πD²

（1）

式中：P为单根抗拉强度，MPa;F为单根最大抗拉力，N;D为根径，mm。

在开展室内单根剪切试验时，将根系平顺地穿过剪切小孔进行剪切，并将根系完全剪断的情况作为有效试验结果，若根系未被完全剪断，则不计入有效数据。根据试验得到的单根最大抗剪力和实测得到的根径，可算出4种草本植物的单根抗剪强度，计算公式[11]为式中：τ为单根抗剪强度，MPa; Fb为单根最大抗剪力，N;A为根系的原始截面积，mm²;D为根径，mm。

3 结果分析

3.1 单根抗拉力和抗拉强度与根径之间的关系

研究区4种草本植物单根抗拉试验结果见表1。由表1可知，区内4种草本植物平均根径大小顺序为赖草>紫花针茅>扁穗冰草>早熟禾，平均单根抗拉力大小顺序为赖草>扁穗冰草>早熟禾>紫花针茅。赖草单根抗拉力表现出显著大于其他3种草本植物的特性，其平均单根抗拉力分别为扁穗冰草、早熟禾和紫花针茅的1.25倍、1.68倍、2.10倍。单根抗拉强度可作为评价根系固土护坡能力大小的一个有效指标22]，区内4种草本植物平均单根抗拉强度大小顺序为早熟禾>扁穗冰草>赖草>紫花针茅，其中：早熟禾和扁穗冰草单根抗拉强度差异性不显著（早熟禾单根抗拉强度为扁穗冰草的1. 02倍）.而与赖草和紫花针茅的差异性较为显著（早熟禾单根抗拉强度分别为赖草和紫花针茅的1.73倍、2.12倍）。

区内4种草本植物根径分别为0.2、0.4、0.6 mm时，其单根抗拉力和单根抗拉强度见表2。由表2可知，根径由0.2 mm增大至0.6 mm时.4种草本植物单根抗拉力增幅为244. 06% - 857. 22%，其中：扁穗冰草单根抗拉力增幅最大，分别为早熟禾、赖草和紫花针茅的1.59倍、2.04倍、3.51倍，表明扁穗冰草单根抗拉力受根径影响最大，其次为早熟禾、赖草和紫花针茅。根径由0.2 mm增大至0.6 mm时.4种草本植物单根抗拉强度降幅为59.06% - 70.72%，与单根抗拉力增幅相比，变化幅度较小，说明单根抗拉力比单根抗拉强度受根径影响大。

图1、图2分别为研究区4种草本植物单根抗拉力和单根抗拉强度与根径之间的关系。由图1可知.4种草本植物单根抗拉力随着根径增大而增大，且单根抗拉力与根径之间符合指数函数关系。由图2可知，4种草本植物单根抗拉强度随着根径的增大而减小，且单根抗拉强度与根径之间符合幂函数关系。该结果与蒋坤云[23]、欧阳前超[24]、E.Abdi等[25]的研究结果一致。

3.2 单根抗剪力和抗剪强度与根径的关系

研究区4种草本植物单根抗剪试验结果见表3。由表3可知，4种草本植物平均根径大小顺序为赖草>紫花针茅>扁穗冰草>早熟禾，其平均单根抗剪力大小顺序为赖草>扁穗冰草>早熟禾>紫花针茅，与4种草本植物平均抗拉力表现出一致的变化规律。同种草本植物单根抗剪力均大于其单根抗拉力，赖草、扁穗冰草、早熟禾和紫花针茅平均单根抗剪力为其各自平均单根抗拉力的2.12倍、2.48倍、2.62倍和2.48倍。4种草本植物平均单根抗剪强度大小顺序为扁穗冰草>早熟禾>赖草>紫花针茅，扁穗冰草单根抗剪强度分别为早熟禾、赖草和紫花针茅的1.20倍、1.60倍和1.89倍，表明扁穗冰草单根抗剪强度与早熟禾的差异较小，而与赖草和紫花针茅的差异较大。

4种草本植物根径分别为0.2、0.4、0.6 mm时，其单根抗剪力和抗剪强度见表4。由表4可知，4种草本植物单根抗剪力随着根径的增大而增大，增幅大小顺序为赖草>紫花针茅>早熟禾>扁穗冰草。根径由0.2mm增大至0.6 mm时，4种草本植物单根抗剪力增幅为202.91% - 414.02%.紫花针茅单根抗剪力增幅分别为赖草、早熟禾和扁穗冰草的1.24倍、1.38倍和2.04倍，表明4种草本植物单根抗剪力增幅存在较为显著的差异，其中紫花针茅单根抗剪力受根径变化影响最大。4种草本植物单根抗剪强度随着根径增大而降低，其降幅大小顺序为扁穗冰草>早熟禾>紫花针茅>赖草。根径由0.2 mm增大至0.6 mm时，4种草本植物单根抗剪强度降幅为56.51% - 74.62%.表明单根抗剪强度受根径变化的影响比单根抗剪力的小。

图3、图4分别为4种草本植物单根抗剪力和单根抗剪强度与根径之间的关系。由图3可知.4种草本植物的单根抗剪力随着根径增大而增大，且单根抗剪力与根径之间符合指数函数关系。由图4可知.4种草本植物的单根抗剪强度随根径增大而减小，且单根抗剪强度与根径之间符合幂函数关系。该结果与朱海丽等[11]、贺振昭等[12]的研究结果一致。

综合分析4种草本植物单根抗拉和单根抗剪强度可知，区内早熟禾和扁穗冰草2种草本植物根系力学强度相对较高，赖草次之，紫花针茅相对最小。4结论

（1）研究區4种草本植物平均单根抗拉力大小顺序为赖草（3.336 N）>扁穗冰草（2.677 N）>早熟禾（1.988 N）>紫花针茅（1.588 N），其单根抗拉力随着根径增大而增大，且二者之间成指数函数关系。区内4种草本植物平均单根抗拉强度大小顺序为早熟禾（68.166 MPa）>扁穗冰草（67.049 MPa）>赖草（39.411MPa）>紫花针茅（32.207 MPa），其单根抗拉强度随着根径增大而减小，且二者之间成幂函数关系。

（2）区内4种草本植物平均单根抗剪力大小顺序为赖草（7.086 N）>扁穗冰草（6.628 N）>早熟禾（5.215N）>紫花针茅（3.938 N），其单根抗剪力随着根径增大而增大，且二者之间成指数函数关系。4种草本植物平均单根抗剪强度大小顺序为扁穗冰草（ 67.217MPa）>早熟禾（56.051 MPa）>赖草（41.998 MPa）>紫花针茅（ 35.494 MPa），其单根抗剪强度随着根径增大而减小，且二者之间成幂函数关系。

（3）根据4种草本植物单根抗拉和单根抗剪强度可知，区内早熟禾和扁穗冰草相对于其他2种草本植物，可起到更为显著的固土护坡作用，有助于提高研究区及其周边地区边坡土体抗剪强度，可作为研究区及其周边地区优势护坡草种。

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