麥冬和多花木藍(lán)根系抗拉拔特性試驗(yàn)研究

夏振堯， 管世烽， 牛鵬輝， 梁永哲， 胡文靜， 許文年

(1.三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院， 湖北 宜昌 443002； 2.三峽大學(xué) 三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境

湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心， 湖北 宜昌 443002； 3.廣西大藤峽水利樞紐開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司， 廣西 南寧 530029)

麥冬和多花木藍(lán)根系抗拉拔特性試驗(yàn)研究

夏振堯1,2， 管世烽2,3， 牛鵬輝1,2， 梁永哲2， 胡文靜1， 許文年1,2

(1.三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院， 湖北 宜昌 443002； 2.三峽大學(xué) 三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境

湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心， 湖北 宜昌 443002； 3.廣西大藤峽水利樞紐開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司， 廣西 南寧 530029)

摘要：[目的] 揭示麥冬和多花木藍(lán)根系根土界面的抗拉拔力特性，為根土界面摩擦特性的進(jìn)一步研究提供依據(jù)。 [方法] 通過(guò)控制5個(gè)梯度的土壤含水率，采用直接施加垂直拉拔荷載的單根拉拔試驗(yàn)方法。[結(jié)果] 麥冬和多花木藍(lán)單根的最大抗拉拔力隨根徑的增加而增大且呈非線(xiàn)性?xún)绾瘮?shù)關(guān)系；在相同土壤容重條件下，麥冬和多花木藍(lán)單根的最大抗拉拔力隨土壤含水率的增加而呈先增加后減小的趨勢(shì)。在土壤含水率介于一定范圍內(nèi)時(shí)，多花木藍(lán)根的最大抗拉拔力大于麥冬根的最大抗拉拔力，而在其它土壤含水率條件下，麥冬根的最大抗拉拔力大于多花木藍(lán)根的最大抗拉拔力；并發(fā)現(xiàn)麥冬根的最大抗拉拔力的最大值在含水率為10.43%附近，而多花木藍(lán)根的最大抗拉拔力的最大值則在含水率為13.00%附近。 [結(jié)論] 根徑、土壤含水率和植物種類(lèi)影響根土界面的抗拉拔力。

關(guān)鍵詞：根土界面； 固土作用； 拉拔試驗(yàn)； 抗拉拔力

植物固土主要通過(guò)根系的加筋和錨固作用來(lái)實(shí)現(xiàn)[1]，根—土復(fù)合體在外力作用下，其變形小于素土[2-3]。加筋理論模型認(rèn)為，植物根系的彈性模量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于土體，植物根系與土體相互作用時(shí)，會(huì)在根系與土壤接觸界而產(chǎn)生摩擦阻力，這不僅限制了根系周?chē)馏w的變形而且使根系周?chē)耐馏w受到壓縮而增大土體的內(nèi)聚力，提高了土體的強(qiáng)度從而起到固持土體的作用[4-6]。因此，根土界面的摩擦特性是根系固土機(jī)制研究的關(guān)鍵之一。根系與土壤的摩擦特性研究，目前常借鑒土壤與其他材料的界面摩擦特性研究方法，如采用直剪試驗(yàn)研究喬木與灌木根系與土體界面摩擦特性[2,7]，采用拉拔試驗(yàn)?zāi)M加筋材料被拔出的特性[8]。

植物根系的抗拉拔力是表征植物根—土摩擦特征的一個(gè)重要參數(shù)。當(dāng)土體遭受破壞產(chǎn)生滑動(dòng)面時(shí)，根系將所承受的荷載向土體深層傳遞及周?chē)鷶U(kuò)散，降低根土復(fù)合體的應(yīng)力水平，改善土體變形性能。本文基于前人研究結(jié)果，應(yīng)用土力學(xué)原理，以常用水土保持植物——麥冬(Ophiopogonjaponicus)和多花木藍(lán)(Indigoferaamblyantha)的根系為對(duì)象，采用施加直接垂直拉拔荷載的單根拉拔試驗(yàn)，研究根系抗拉拔力的影響因素，為根土界面摩擦特性的研究提供基礎(chǔ)和依據(jù)。

1材料與方法

1.1　試驗(yàn)材料

植物選取宜昌市三峽大學(xué)校園內(nèi)植被修復(fù)邊坡中長(zhǎng)勢(shì)較好的草本植物麥冬和灌木植物多花木藍(lán)。麥冬，是百合科沿階草屬多年生常綠草本植物，主要生長(zhǎng)于海拔50~1400 m的山坡、山谷林下、路旁或濕地；對(duì)土壤環(huán)境的要求不高，具有較強(qiáng)的穿透力和剪切力，使其具有固土、切斷土表徑流防止水土流失的優(yōu)良特性，是一種固土護(hù)坡的優(yōu)良地被植物，也是園林中常用的邊緣材料。多花木藍(lán)，為豆科木藍(lán)屬多年生落葉灌木，多生于1 200 m以下的山坡，在林緣、路邊、荒山陽(yáng)面坡、灌叢都較常見(jiàn)，具有抗旱、耐寒、耐瘠薄、根系發(fā)達(dá)的特點(diǎn)，能固定土壤，增加土壤通透性，能有效截留降水，因此，可以防治水土流失，還能和其他草種混播在高速公路、鐵路兩側(cè)的坡面土壤中，是一種優(yōu)秀的水土保持及綠化護(hù)坡植物。植物植株于2013年8月采用整株挖掘法挖掘，分別選取長(zhǎng)勢(shì)相同的10株麥冬和多花木藍(lán)，挖出后置于靜水中洗去土壤，待根系表面的水漬晾干后進(jìn)行觀察測(cè)量，麥冬根數(shù)量多，直徑范圍0.8~2.5 mm，而多花木藍(lán)根數(shù)量少，直徑范圍0.6~5.8 mm，且以1~2.5 mm居多。然后用剪刀分別剪取根較直、表面較平整的單根作為拉拔試驗(yàn)材料，剪取的根長(zhǎng)為50 mm，直徑范圍為0.8~2.5 mm，并用測(cè)量精度為0.01 mm的電子游標(biāo)卡尺測(cè)量單根平均直徑(測(cè)量根系的兩端和中部的直徑，其平均值作為這一單根的平均直徑)。將測(cè)量后的單根放入自封袋并編號(hào)，然后放入冰箱內(nèi)保鮮儲(chǔ)存，且于24 h內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)土壤于2013年8月降雨后的第3天晴天的上午9：00時(shí)，取自麥冬和多花木藍(lán)植株挖掘樣地內(nèi)，其土壤類(lèi)型均為黃棕壤，取土深度為0.2 m表層土，去除土內(nèi)的石子、根系等雜質(zhì)，將其帶回實(shí)驗(yàn)室并將土壤風(fēng)干，土壤風(fēng)干后過(guò)2 mm土壤篩制備試驗(yàn)土樣，并采用篩分法測(cè)定土樣的顆粒組成，黃棕壤的基本物理性質(zhì)詳見(jiàn)表1。采用烘干法測(cè)定土壤天然含水量，采用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重。pH值采用電位法測(cè)定。

表1　黃棕壤的基本物理性質(zhì)指標(biāo)

1.2　試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用烘干法測(cè)定風(fēng)干且過(guò)篩后土壤的含水率w0，因天然含水率為10.43%，將試驗(yàn)土樣土體含水率wi設(shè)計(jì)為5.00%，8.00%，10.43%，13.00%和16.00%共5個(gè)梯度，然后用天平稱(chēng)量風(fēng)干土質(zhì)量m(本試驗(yàn)為1 500 g)，根據(jù)公式(1)分別計(jì)算設(shè)計(jì)含水率wi件下制備土樣所需要的加水量mwi將稱(chēng)量的風(fēng)干土樣m平鋪于搪瓷盤(pán)內(nèi)，并分別用量筒量取mwi，然后將水均勻噴灑在土樣上，拌勻后裝入盛土容器內(nèi)蓋緊，潤(rùn)濕24 h，制備成不同設(shè)計(jì)含水率土樣。計(jì)算公式為：

(1)

mi=(1+0.01wi)γdV

(2)

式中：mwi——制備土樣時(shí)所需的加水量(g)； m——制備土樣時(shí)稱(chēng)量的風(fēng)干土質(zhì)量(g)； mi——制備試樣時(shí)所需的土質(zhì)量(g)； wi——土樣設(shè)計(jì)含水率(%)； w0——風(fēng)干土含水率(%)； γd——土壤容重(g/cm3)； V——裝土盒容積(g/cm3)。

室內(nèi)模擬天然條件，控制土壤容重γd=1.38g/cm3，根據(jù)公式(2)計(jì)算裝土盒體積 時(shí)不同設(shè)計(jì)含水率wi條件下制備試樣所需的土質(zhì)量mi，并從制備的不同設(shè)計(jì)含水率土樣中稱(chēng)量制備試樣所需的土質(zhì)量mi，然后按土力學(xué)試驗(yàn)規(guī)范[9]重塑制樣方法分別將單根垂直埋于直徑為100mm、高為40mm環(huán)形裝土盒的中心，分二層壓實(shí)，制備成麥冬和多花木藍(lán)單根根—土復(fù)合體，由于裝土盒高度僅有40mm，因此單根埋深亦僅為40mm；然后采用改裝的HP-50型艾德堡數(shù)顯推拉力計(jì)試驗(yàn)裝置分別對(duì)麥冬和多花木藍(lán)單根根—土復(fù)合體進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，其加載速度控制為10mm/min，每組含水率進(jìn)行12根單根拉拔試驗(yàn)，每根單根進(jìn)行3次重塑根—土復(fù)合體拉拔試驗(yàn)。采用Excel軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理及回歸方程擬合。

2結(jié)果與討論

2.1　根徑對(duì)單根抗拉拔力的影響

圖1—2為兩種植物單根的最大抗拉拔力與根徑的回歸擬合關(guān)系曲線(xiàn)。由圖1—2可以看出，在各土壤含水率條件下，麥冬和多花木藍(lán)單根的最大抗拉拔力均隨著根徑的增大呈冪函數(shù)增大的趨勢(shì)。各土壤含水率條件下麥冬和多花木藍(lán)根系的最大抗拉拔力與根徑擬合回歸方程的相關(guān)系數(shù)R2均大于0.876，說(shuō)明其回歸方程擬合較好。當(dāng)土壤含水率為8.00%和16.00%時(shí)，麥冬單根擬合回歸方程的相關(guān)系數(shù)最小，其值為0.920；當(dāng)土壤含水率為8.00%時(shí)，多花木藍(lán)單根擬合回歸方程的相關(guān)系數(shù)最小，其值僅為0.876。

圖1　麥冬根土間最大抗拉拔力與根徑的關(guān)系

圖2　多花木藍(lán)根土間最大抗拉拔力與根徑的關(guān)系

2.2　土壤含水率對(duì)單根抗拉拔力的影響

根據(jù)兩種植物根徑與單根的最大抗拉拔力回歸方程分別計(jì)算麥冬和多花木藍(lán)根徑分別為1.5和2.0mm時(shí)單根的最大抗拉拔力，并繪制單根的最大抗拉拔力與土壤含水率關(guān)系曲線(xiàn)，如圖3所示?？芍煌鶑綏l件的麥冬和多花木藍(lán)單根的最大抗拉拔力均隨土壤含水率的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。在土壤含水率等于5.00%時(shí)，麥冬和多花木藍(lán)單根的最大抗拉拔力較小；當(dāng)土壤含水率增加到10.43%附近時(shí)，麥冬單根的最大抗拉拔力先達(dá)到最大值，多花木藍(lán)單根的最大抗拉拔力繼續(xù)增大；隨著土壤含水率的增加，麥冬單根的最大抗拉拔力達(dá)到最大值后開(kāi)始減小，當(dāng)土壤含水率為13.00%附近時(shí)，多花木藍(lán)單根的最大抗拉拔力也達(dá)到最大值；隨著土壤含水率的繼續(xù)增加，多花木藍(lán)單根的最大抗拉拔力也開(kāi)始減小。

圖3　根系最大抗拉拔力與含水量的關(guān)系曲線(xiàn)

2.3　不同物種根對(duì)單根抗拉拔力的影響

從圖1—3可以看出，麥冬和多花木藍(lán)兩種單根的抗拉拔力顯著不同。雖然兩種根的最大抗拉拔力都隨根徑的增加而增大且呈現(xiàn)出冪函數(shù)關(guān)系，但二者在相同土壤含水率及相同根徑時(shí)，其最大抗拉拔力大小顯著不同。由圖3可知，同一根徑條件下，當(dāng)土壤含水率小于某一含水率w1(其分界點(diǎn)介于10.43%~13.00%)時(shí)，麥冬單根的最大抗拉拔力整體上大于多花木藍(lán)單根的最大抗拉拔力；當(dāng)土壤含水率大于含水率 后，多花木藍(lán)單根的最大抗拉拔力將大于麥冬單根的最大抗拉拔力。但由曲線(xiàn)的趨勢(shì)發(fā)現(xiàn)，隨著土壤含水率的增加，必然存在另一含水率w2(其分界點(diǎn)大于16.00%)使得麥冬單根的最大抗拉拔力大于多花木藍(lán)單根的最大抗拉拔力。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，二者不同根徑單根的最大抗拉拔力在不同的含水率下達(dá)到最大值。因此，總體來(lái)看，在表層土中，當(dāng)土壤含水率介于w1~w2時(shí)，多花木藍(lán)根對(duì)土壤的錨固作用優(yōu)于麥冬；而在其他含水率條件下，麥冬根的錨固作用優(yōu)于多花木藍(lán)。

2.4　討 論

麥冬和多花木藍(lán)單根拉拔試驗(yàn)研究表明，麥冬和多花木藍(lán)單根的最大抗拉拔力均隨根徑的增加而增大，呈冪函數(shù)非線(xiàn)性關(guān)系。這是因?yàn)橹参飭胃闹睆皆酱?，表面積越大，根土接觸面就越大，根土界面摩擦力發(fā)揮越充分，從而導(dǎo)致根與土壤間的摩擦力就越大，從而增加了根系的抗拉拔力。劉小光等[10]通過(guò)直接拉拔試驗(yàn)研究了油松和落葉松根與土界面摩擦特性，其試驗(yàn)表明植物根的抗拉拔力隨著根徑的增大而增大且呈現(xiàn)出冪函數(shù)關(guān)系。本試驗(yàn)結(jié)果與劉小光等的研究結(jié)果一致。朱清科等[11]和封福記[12]均指出由于根在被拉拔的過(guò)程中會(huì)由彈性形變到塑性形變，當(dāng)植物根徑增大到一定程度時(shí)，其抗拉拔力也會(huì)有明顯的躍遷。但本試驗(yàn)兩種植物根的最大抗拉拔力并沒(méi)有出現(xiàn)明顯的躍遷，這是因?yàn)樵囼?yàn)兩種植物根徑尚未達(dá)到發(fā)生躍遷的極限值。朱清科等[11]對(duì)長(zhǎng)江上游貢嘎山峨眉冷杉和冬瓜楊根的拔根試驗(yàn)研究表明，這兩種植物根的抗拉拔力發(fā)生明顯躍遷時(shí)，其根的平均直徑均大于10mm。張永亮等[13]采用拉拔試驗(yàn)研究了內(nèi)蒙古鄂爾多斯市伊金霍洛旗烏蘭木倫鎮(zhèn)境內(nèi)檸條和沙柳灌木根的抗拉拔特性，試驗(yàn)表明檸條和沙柳的抗拉拔力隨根徑的增加呈直線(xiàn)增大的趨勢(shì)。因此，采用線(xiàn)性回歸方程分別擬合麥冬和多花木藍(lán)單根的最大抗拉拔力與根徑的關(guān)系。通過(guò)比較冪函數(shù)和線(xiàn)性函數(shù)的相關(guān)系數(shù)發(fā)現(xiàn)，采用冪函數(shù)方程擬合根系的最大抗拉拔力與根徑的關(guān)系，其擬合度更高，效果更好，說(shuō)明試驗(yàn)結(jié)果是準(zhǔn)確的。

劉小光[14]對(duì)油松和落葉松單根拉拔試驗(yàn)和本試驗(yàn)的結(jié)果均表明，在相同土壤容重條件下，根的最大抗拉拔力隨著土壤含水率的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。因?yàn)楹枯^小時(shí)，土顆?？障洞蠖^為松散，尚未形成較強(qiáng)的結(jié)合鍵，土顆粒與根系表面的接觸也較松散，從而使根—土間的聯(lián)結(jié)力較弱，根系的摩擦力也較弱，根系的抗拉拔力也較弱。隨著含水量的增加，土顆粒與水的結(jié)合水膜增強(qiáng)，水膠結(jié)也增強(qiáng)，土體粘聚力相應(yīng)增大，提高了土體和根系表面的咬合力，也提高了根系的摩擦力，亦提高了根系的抗拉拔力。當(dāng)超過(guò)一定含水量時(shí)，土體周?chē)慕Y(jié)合水厚度變厚，使土顆粒間距增大，這時(shí)通過(guò)結(jié)合水膜的水膠結(jié)能力就逐漸減弱，土體粘聚力相應(yīng)減小，從而減弱了根系和土顆粒間的咬合力，導(dǎo)致了根土間的摩擦力減小，減小了根系的抗拉拔力。因此，在土壤容重一致的情況下，土壤含水率在一定范圍內(nèi)增大有利于根系的錨固作用，土壤含水率超過(guò)一定范圍根土的摩擦錨固作用將會(huì)減低。

3結(jié) 論

麥冬和多花木藍(lán)單根的最大抗拉拔力隨根徑的增加而增大且呈現(xiàn)非線(xiàn)性?xún)绾瘮?shù)關(guān)系；在相同土壤容重條件下，麥冬和多花木藍(lán)單根的最大抗拉拔力隨土壤含水率的增加而呈先增加后減小的趨勢(shì)。在相同土壤含水率及相同根徑條件下，麥冬和多花木藍(lán)兩種單根的抗拉拔力顯著不同；總體來(lái)看，在表層土中，當(dāng)土壤含水率介于w1~w2時(shí)，多花木藍(lán)根的最大抗拉拔力優(yōu)于麥冬的最大抗拉拔力，而在其他含水率條件下，麥冬根的最大抗拉拔力優(yōu)于多花木藍(lán)的最大抗拉拔力；同時(shí)發(fā)現(xiàn)麥冬根的最大抗拉拔力的最大值在含水率為10.43%附近，而多花木藍(lán)根的最大抗拉拔力的最大值則在含水率為13%附近。

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Experimental Study on Pull-out Resistive Properties ofOphiopogonJaponicusandIndigoferaAmblyanthaRoots

XIA Zhenyao1,2, GUAN Shifeng2,3, NIU Penghui1,2,

LIANG Yongzhe2, HU Wenjing1, XU Wennian1,2

(1.CollegeofCivilEngineering&Architecture,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang,Hubei443002,China; 2.CollaborativeInnovationCenterforGeo-hazardsandEco-environmentinThreeGorgesAreaofHubeiProvince,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang,Hubei443002,China;3.GuangxiDatengxiaGorgeWaterConservancyDevelopmentCo.Ltd.,Nanning,Guangxi530029,China)

Abstract：[Objective] The pull-out resistive properties of Ophiopogon japonicus and Indigofera amblyantha root were tested in order to provide guides for further research on the friction characteristics of the root soil interface. [Methods] Five levels of soil moisture content were designed to carry out single-root direct pull-out tests with vertical outward load. [Results] The maximum pull-out resistive force of the two plant root were both increased by nonlinear power function with root diameter as independent variable. Under the condition of constant soil bulk density, the maximum pull-out resistive force of root experienced an increases firstly and then declined as soil moisture content increased. The maximum pull-out resistive force of Indigofera amblyantha root was greater than that of Ophiopogon japonicus within a certain range of soil moisture content. While the maximum pull-out resistive force of Ophiopogon japonicus root was greater than that of Indigofera amblyantha under other conditions. Results also revealed that the pull-out resistive force of Ophiopogon japonicus root reached the maximum when the soil moisture content was close to 10.43%, while the pull-out resistive force of Indigofera amblyantha root reached the maximum when the soil moisture content was close to 13.00%. [Conclusion] Root diameter, soil moisture content and plants species have influences to some extent on the pull-out resistive force of root-soil interface.

Keywords:root-soil interface; soil-reinforcement; pull-out test; pull-out resistive force

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-288X(2015)06-0110-04

中圖分類(lèi)號(hào)：S157.9

通信作者：許文年(1960—)，男(漢族)，河北省元氏縣人，博士，教授，主要從事邊坡生態(tài)防護(hù)方面的研究。E-mail：xwn@ctgu.edu.cn。

收稿日期：2014-05-21修回日期：2014-09-30

資助項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“金沙江梯級(jí)水電開(kāi)發(fā)區(qū)生態(tài)保護(hù)與入庫(kù)泥沙調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)與示范”(2012BAC06B02-04)； 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51278281; 41202250)

第一作者：夏振堯(1981—)男(漢族)，湖北省武漢市人，博士，副教授，主要從事邊坡生態(tài)防護(hù)方面的研究。E-mail：xzy_yc@126.com。