狗牙根根系抗拉強度試驗

嵇曉雷+楊平+王磊

摘要：針對目前國內(nèi)常用植草護坡這一高速公路邊坡防護措施，分析了狗牙根護坡的力學(xué)機理。對狗牙根根系進行室內(nèi)抗拉強度試驗，結(jié)果表明，狗牙根根系的力學(xué)護坡效果與其根系抗拉強度有緊密關(guān)系。建立了狗牙根根系直徑與抗拉強度的相互關(guān)系，對生態(tài)邊坡的設(shè)計和施工具有一定的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：狗牙根;抗拉試驗;根系抗拉強度

中圖分類號：S157;Q947.6 ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ?文章編號：0439-8114（2015）23-5941-02

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.23.037

Experiments on Root Tensile Strengths of Bermuda Grass

JI Xiao-lei1，YANG Ping2，WANG Lei3

（1. College of Architectural Engineering， The City Vocational College of Jiangsu，Nanjing 210019， China; 2. College of Civil Engineering，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037， China;3. College of Civil Engineering，Southeast University，Nanjing 210018， China）

Abstract： In view of the domestic commonly used highway slope protection measure—grass-planted slope reinforcement， this paper analyzed the mechanism of bermuda grass slope protection. By conducting laboratory root tensile strength tests on bermuda grass， the results showed that the mechanical effects of bermuda grass roots on slope protection closely related to the tensile strength of roots. The paper presented the relationship between the tensile strength and the diameter of root system， and provided a certain reference for the ecological slope design and construction.

Key words： bermuda grass;tensile test;tensile strengths of roots

在高速公路建設(shè)中，大量的路塹開挖破壞了原有植被，造成大量露土坡和巖石邊坡，引起嚴重的水土流失和生態(tài)環(huán)境失衡[1]。由于植物具有加固淺層土體、緩解雨水對表面土層的沖蝕、防止水土流失、美化和改善環(huán)境的作用，所以植物被廣泛用于道路開挖形成的邊坡進行生態(tài)防護[2-9]。由于植物根系對邊坡土體的加強作用受根系的長度、直徑、根系與剪切面的夾角及根系在土體中的生長形態(tài)等諸多因素影響[10]，不同植物根系形態(tài)特征對邊坡表層穩(wěn)定性影響也不同。為此，本文以常見護坡植物狗牙根為例，通過室內(nèi)抗拉試驗，研究狗牙根根系直徑與抗拉強度的關(guān)系，為研究植物根系護坡性能提供基礎(chǔ)性參數(shù)。

1 ?材料與方法

1.1 ?試驗儀器

WZL-300紙張拉力儀（中國杭州輕通儀器開發(fā)公司）、螺旋測微器（蘇州量子儀器有限公司生產(chǎn)，型號293-241）、激光位移傳感器[基恩士（中國）有限公司生產(chǎn)，型號IL-300]、數(shù)據(jù)采集選用基于Labview平臺自主開發(fā)的自動化采集數(shù)據(jù)軟件。

1.2 ?試樣制備

試驗所用儀器為測量紙張拉力的儀器，夾頭裝置只能用于夾紙張，因此試驗測量時，用木工膠將根系粘貼在紙張表面，將紙張從中間剪斷，僅留下根系，測量張拉根系時所受拉力。具體制作試樣步驟如下：①制作長15 cm、寬4 cm的紙條，保證紙張拉力儀夾頭間距離為10 cm，在紙條中間挖去2 cm寬的空隙，制作成粘貼根系的紙夾。將預(yù)先處理好的根絲用木工膠粘貼在紙夾中面，并將紙夾對折，制成試樣并編號;②試樣制作時，因根絲直徑微小，根絲旁留有2 cm紙條不剪斷，主要起保護根絲的作用，以防止在試驗準備過程中損壞根絲試樣。試樣安裝到拉力儀時將保護條剪斷。

1.3 ?試驗步驟

1）試樣安裝在紙張拉力儀器兩端夾頭后，擰緊拉力機固定螺絲，將試樣中間紙張保護條剪斷，僅留根絲，保證儀器在拉伸過程中僅有根絲受力。

2）將激光位移傳感器紅外線射線安裝對準紙張拉力儀一段夾頭，調(diào)整自動化采集數(shù)據(jù)軟件，并試采集調(diào)試，使此采集數(shù)據(jù)符合試驗要求。

3）啟動拉力機將根絲拉斷，因根系直徑較小，受力行程較短，為了精確測出根系斷裂行程，位移傳感器每秒鐘采集50個數(shù)據(jù)，記錄根絲拉伸過程中位移隨時間增長的變化曲線。在拉伸過程中，采集不同時間點的應(yīng)變，得出根系應(yīng)力應(yīng)變曲線，根據(jù)曲線計算出根系彈性模量E50。

4）試驗完成后，使用螺旋測微計在根系斷裂處測量直徑并記錄，測量時應(yīng)從3個不同方位分別量測后取平均值。

2 ?結(jié)果與分析endprint

2.1 ?根系抗拉強度

根據(jù)測量數(shù)據(jù)，計算根系的平均直徑、根系的橫截面積、根系抗拉強度、根系位移變化量。試驗所得數(shù)據(jù)如表1。其中，根絲的橫截面積（A）和根系抗拉強度（P）分別按下式計算：

A=■，式中d為根絲直徑。

P=■=■，式中F為拉力。

由表1可知，試樣所用根系直徑在0.1～0.3 mm之間，其最大抗拉力在2.8～4.8 N之間，抗拉強度在95～113 MPa之間。

2.2 ?根系抗拉強度與其直徑關(guān)系

對表1中的數(shù)據(jù)進行擬合分析發(fā)現(xiàn)，狗牙根根系的抗拉強度與其直徑的關(guān)系，用多項式擬合的方法進行回歸較為準確。

擬合公式如下：

P=5 627.7D2-2 660.8D+410.04， ? R2=1

式中，P為抗拉強度（MPa），D為根系直徑（mm）

2.3 ?根系彈性模量

根據(jù)表1可知，狗牙根隨著根系直徑的增大，最大抗拉力呈增加趨勢，而抗拉強度呈衰減性降低。根據(jù)位移隨時間變化曲線可知，在拉伸過程中，4組狗牙根試樣變化趨勢相同，根系受力狀態(tài)呈現(xiàn)彈性材料特征，試樣位移隨時間呈線性增大，根據(jù)激光位移傳感器測出位移隨時間變化曲線如圖1 。

在圖1中，采集7個時間點，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)，得出狗牙根根系應(yīng)力與應(yīng)變曲線，如圖2所示。曲線的多項式擬合公式：y=60.079 1ln（x）+264.693，R2=0.994 9，根據(jù)擬合公式得出狗牙根根系的彈性模量E50=1 664.32 MPa。

3 ?小結(jié)

植草護坡對增強邊坡穩(wěn)定以及改善公路景觀有重要意義。本文對狗牙根的根系進行抗拉強度試驗研究，結(jié)果表明，根系受力狀態(tài)呈現(xiàn)彈性材料特征，狗牙根隨著根系直徑的增大，最大抗拉力不斷增大，但抗拉強度隨根系直徑的增大不斷減小，由此可見，草本植物狗牙根根系直徑較大的主根對邊坡土體的加固作用有限，而根系直徑較小的須根抗拉強度較大，對根系護坡起到主要作用;根據(jù)抗拉試驗得出狗牙根根系應(yīng)力與應(yīng)變的相關(guān)擬合公式，得出狗牙根根系的彈性模量。

目前對于根系護坡力學(xué)機制的探索尚處于起步階段，關(guān)于根系護坡力學(xué)效應(yīng)的試驗和應(yīng)用研究方面還不夠完善，有待進一步研究。

參考文獻：

[1] 許文年，王鐵橋，葉建軍.巖石邊坡護坡綠化技術(shù)應(yīng)用研究[J].水利水電技術(shù)，2002，33（7）：35-36.

[2] ROERING J J，SCHMIDT K M，STOCK J D，et a1.Shallow landsliding，root reinforcement，and the spatial distribution of trees in the Oregon Coast Range[J]. Canadian Geotechnical Journal，2003，40（2）：237-253.

[3] 扈 ?萍，宋修廣，吳登高.高速公路邊坡植草護坡的根固效應(yīng)試驗研究[J].巖土力學(xué)，2008，29（2）：442-444.

[4] FATTET M，F(xiàn)U Y，GHESTEM M，et al. Effects of vegetation type on soil resistance to erosion： Relationship between aggregate stability and shear strength[J].Catena，2011，87（1）：60-69.

[5] GREENWOOD J R.SLIP4EX-A program for routine slope stability analysis to include the effects of vegetation，reinforcement and hydrological changes[J].Geotechnical and Geological Engineering，2006，24（3）：449-465.

[6] 李紹才，孫海龍，楊志榮，等.坡面巖體-基質(zhì)-根系互作的力學(xué)特性[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005，24（12）：2074-2081.

[7] 張 ?鋒，凌賢長，吳李泉，等.植被須根護坡力學(xué)效應(yīng)的三軸試驗研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2010，29（增2）：3979-3985.

[8] 胡夏嵩，李國榮，朱海麗，等.寒旱環(huán)境灌木植物根-土相互作用及其護坡力學(xué)效應(yīng)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28（3）：613-620.

[9] 余芹芹，胡夏嵩，李國榮，等.寒旱環(huán)境灌木植物根–土復(fù)合體強度模型試驗研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2013，32（5）：1020-1031.

[10] 宋維峰，陳麗華，劉秀萍.林木根系的加筋作用試驗研究[J].水土保持研究，2008，15（2）：99-102.endprint