草本植物根系网的固土机制模式与力学试验研究

针对生物软措施的力学固土护坡作用进行了力学机制方面的探讨,提出植物根系网固土力学机制模式的四个层次,以及对不同草本植物根系的固土性能进行了力学试验比较。结果表明不同植物根系具有不同的抗拉强度。香根草根系平均抗拉强度最大达85 m Pa,其次为假俭草,平均抗拉强度27.3 m Pa,白三叶根系平均抗拉强度为24.6 m Pa,莎草根系平均抗拉强度为24.5 m Pa,宜安草根系平均抗拉强度为19.7 m Pa,百喜草根系平均抗拉强度为19.23 m Pa,马尼拉草根系平均抗拉强度为17.5 m Pa,狗牙根根系平均抗拉强度为13.45 m Pa。不同的植物根系具有不同的抗拉强度、不同的固土性能与其遗传结构及其组织材料不同有关。充分了解和认识植物根系固土性能,科学合理运用生物软措施代替或部分代替工程措施在我国繁重的生态环境保护和恢复的基本建设工程项目中具有重要的应用价值和意义。     

青藏高原黄土区四种草本植物单根抗拉特性研究

为研究草本植物根系固土护坡的力学机理,对青藏高原西宁盆地黄土区的披碱草、细茎冰草、赖草、芨芨草4种草本植物进行了室内单根拉伸试验,分析了其单根抗拉特性。结果表明:生长2年的4种草本植物单根平均抗拉强度可达65MPa,单根抗拉力随根径的增大而增大;4种草本植物按单根抗拉强度大小排序为:芨芨草>细茎冰草>赖草>披碱草,单根抗拉强度与根径间呈幂函数或指数函数的关系,随根径增大而减小,表明草本植物须根对边坡表层防护具有重要的作用。     

红黏土边坡香根草根土复合体的强度特性

[目的]针对植物护坡效应,探究香根草根系的力学特性及其根土复合体强度特征影响因素,为植物护坡工程设计提供参考依据。[方法]利用模型箱模拟红黏土填筑边坡进行香根草种植,利用根系拉拔试验和原状根土复合体直剪试验等室内试验,研究香根草的力学性能及根土复合体强度特征的影响因素。通过对试验结果进行拟合分析及Spearman相关性分析,分别得出了香根草根系直径与抗拉性能的关系及不同指标对其根土复合体抗剪强度的影响效果。[结果]试验香根草根系平均抗拉力为19.05 N,平均抗拉强度为20.12 MPa;香根草根系的抗拉力、抗拉强度与根系直径呈显著的幂函数关系;土中的根重密度RWD随着深度增加而降低。Spearman相关分析结果显示,根重密度RWD与根土复合体的黏聚力c呈正向强相关关系(R=0.882)。[结论]随着香根草根系直径增大,其抗拉力增大,抗拉强度降低;根重密度RWD的提升能显著提高香根草-红黏土根土复合体的黏聚力c,但对于摩擦角φ提升效果不明显。     

山西土石山区3种草本植物根拉拨特性

为了解山西省土石山区固土护坡草本植物根系拉拔特性,筛选拉拔力优势草本植物物种进行水土流失防治,通过开展根系原位拉拔力学试验,研究了3种典型草本植物香根草(Vetiveria zizanioides L.)、百喜草(Paspalum notatum Flugge)、黑麦草(Lolium perenne L.)根系拉拔力随根径和土层深度的变化规律。结果显示:3种草本植物根系拉拔力随着根径的增大而增加,且拉拔力与根径之间满足幂函数关系;整体上,根系拉拔力从大到小顺序表现为香根草黑麦草百喜草,而且三者之间差异显著;但在D≤0.4 mm和D0.4 mm两个根径组下,黑麦草均表现出较好的拉拔力性能。在0—10 cm,10—20 cm两个土层间,香根草和百喜草两种植物根系拉拔力性能相似,而黑麦草单根拉拔力在表层土壤发挥效果优于下层土壤。从单根拉拔力方面出发,黑麦草在3种植物中可优先考虑用于固持浅表层土壤。试验探究了草本植物单根在不同根径组下和土层深度下的抗拔性能,研究结果可为山西省土石山区水土保持植物措施草本植物物种选择提供理论依据。     

土石山区护坡草本植物根系抗拉力学特性

为了解山西省土石山区护坡植物的根系抗拉力学特性,对比选择最适宜的水土保持物种.对其边坡上黑麦草(Lolium perenne L.)、香根草(Vetiveria zizanioides L.)、百喜草(Paspalum notatum Flugge)3种护坡植物的根系开展抗拉力学试验,研究3种植物根系最大抗拉力、极限抗拉强度以及弹性模量随直径及根长大小变化的规律.研究结果显示:根长一定时,3种植物的最大抗拉力随直径的增加而增加,单根极限抗拉强度随根系直径的增大而减小;而直径一定时,根系最大抗拉力和极限抗拉强度随根系长度的增大而减小;弹性模量值随着根径和根长增大呈下降的趋势.3种植物根系平均最大抗拉力关系为:香根草(16.258 N)＞黑麦草(11.734N)＞百喜草(4.891 N);平均极限抗拉强度关系为:百喜草(116.226 MPa)＞黑麦草(50.839 MPa)＞香根草(49.650MPa);平均弹性模量分别为:百喜草(20.392 MPa/mm)＞香根草(3.257 MPa/mm)＞黑麦草(3.245 MPa/mm).结果表明这3种植物中百喜草根系的固土能力最好,在选择最为适宜的水土保持物种时可优先考虑.研究结果可为土石山区水土保持研究提供一定的科学依据.     

三峡水库消落带4种草本根系抗拉特性及根系粘聚力

为明确三峡水库消落带典型草本植物根系抗拉特性并评价其固土能力,在三峡腹地忠县石宝镇消落带选取牛鞭草(Hemarthria altissima(L.f.)R.Br.)、扁穗牛鞭草(Hemarthria compressa(L.f.)R.Br.)、双穗雀稗(Paspalum paspaloides(Michx.)Scribn.)和自然恢复草本狗牙根(Cynodon dactylon(L.)Pers.),采用WinRhizo Pro.2009c根系分析系统分析了4种典型草本植物根系在土壤剖面的分布,利用拉力测试仪测定了4种草本根系的抗拉力并计算其抗拉强度,用Wu氏模型估算了根系对土壤粘聚力的增强值。结果表明,4种草地的根系大部分都分布在0—5cm土层中,根长密度(RLD)和根面积比(RAR)均沿土壤深度呈幂函数递减分布。4种消落带草本根系的平均抗拉力次序为狗牙根(5.86N)牛鞭草(5.55N)扁穗牛鞭草(5.50N)双穗雀稗(4.14N)。同样,狗牙根(62.26 MPa)平均抗拉强度最大,扁穗牛鞭草(51.29 MPa)和牛鞭草(50.66 MPa)次之,双穗雀稗(48.81 MPa)最小。4种草本根系都可以显著地增加土壤粘聚力,扁穗牛鞭草、牛鞭草、双穗雀稗、狗牙根最大增强值(表层0—5cm)分别为21.09,22.47,19.51,15.40kPa,平均增加黏聚力值分别为4.90,4.69,4.42,3.12kPa。说明4种草本植物的根系均具备较好的固土潜能,其中扁穗牛鞭草和牛鞭草根系的固土能力最强,双穗雀稗次之,狗牙根最弱。研究结果可以为三峡水库消落带的植被恢复和水土保持工程提供一定依据,并适当的推广到其他水库或湖泊消落带。     

草本植物根系增强土壤抗剪切强度的量化研究

通过对黄土高原丘陵沟壑区山西省河曲县砖窑沟流域内4种有代表性的草本植物进行野外剪切测试和模型预测，证实和量化了草本植物根系增强土壤抗剪切强度的作用。试验表明，在0～20cm土层4种草本植物根系均可显著增加土壤抗剪切强度，其中紫花苜蓿根系对土壤抗剪切强度的增强作用最大，其增大土壤抗剪切强度值为15．33kPa；草木樨和紫花苜蓿根系在20～40cm土层也能明显增大土壤抗剪切强度。同时，对比分析了实测结果与模型预测值间的差异，认为根系增大土壤抗剪强度的真实值应介于实测值和预测值之间。研究结果也表明这4种草本植物根系均具有较高的抗拉强度，且根系的抗拉强度与直径间存在显著幂函数负相关关系。这些研究对黄土区预测和评估草本植物根系的固土护坡作用，以及水土保持植物的选择及优化组合，更有效地发挥植物根系生物软措施的固土潜能具有重要现实指导意义。     

鄂州航空港通渠河岸植物根系加固土体的机理

[目的] 定量分析鄂州航空港通渠河岸草灌植物（狗牙根、香根草和紫橞槐）根系分布参数对土体的加固作用,为更好地评价植物根系固土效能提供理论依据。[方法] 通过根钻取样法探究草灌根系分布参数在不同深度的变化规律;开展室内直剪试验和室外张力计测试分别研究了根系分布参数变化对抗剪强度指标和基质吸力的影响。[结果] ①植物的根系分布总体上随着土体深度的增加而减少,灌木植物（紫橞槐）根系分布参数在深度为0-40 cm范围内是草本植物（香根草和狗牙根）的2.13~2.90倍。②灌木植物根-土复合体黏聚力明显大于草本植物,黏聚力与根长度密度（RLD）和根表面积密度（RSAD）满足多项式函数关系。③根系分布参数RLD和RSAD的黏聚力和基质吸力差异达到显著水平（p<0.05）。④灌木植物（紫橞槐） RLD和RSAD对土体基质吸力的增强作用存在最优含根密度。[结论] 狗牙根、白三叶和紫橞槐根系均能显著发挥固土作用。由于根系分布、固土深度、固土方式等差异,三者的固土作用不同,可将三者结合种植,不仅有利于河岸边坡的稳定,也可提高土体的抗冲性。     

青海湖地区草本植物根系力学特性试验研究

为研究草本植物单根的力学特性及其根系固土护坡的力学机制,为青海湖及其周边地区开展植物固土护坡和防风固沙提供理论依据和实际应用指导,以青海湖北岸为研究区,分别采集自然生长区内的醉马草、紫花针茅、羊茅,沙漠生长区的赖草、驼绒藜,315国道种植区的垂穗披碱草、早熟禾等7种优势草本植物,进行了室内单根拉伸和单根剪切试验,较为系统地分析了7种草本植物单根的力学特性。试验结果表明:草本植物单根抗拉力和抗剪力均随其根径的增加而增大,且分别与其根径呈幂函数或指数函数关系;3个区内草本植物单根抗拉强度与其根径均呈幂函数关系,抗剪强度与其根径呈幂函数或指数函数关系,其中自然生长区草本植物单根平均抗拉强度和平均抗剪强度由大至小依次为紫花针茅、羊茅、醉马草,沙漠生长区草本植物单根平均抗拉强度和平均抗剪强度为赖草大于驼绒藜,315国道种植区草本植物单根平均抗拉强度和平均抗剪强度为早熟禾大于垂穗披碱草。     

黄河源区4种植物根系力学特性及根-土复合体抗剪强度研究

为研究黄河源区高寒草地植物根系力学特性及其增强土体抗剪强度效应,选取黄河源区不同退化类型区的4种优势种草本植物(小蒿草、紫花针茅、矮火绒草、细叶亚菊)开展单根拉伸、剪切试验和根-土复合体直剪试验,结果表明:区内4种草本植物的单根抗拉强度和抗剪强度与根径之间呈幂函数关系,其中紫花针茅的平均单根抗拉强度(46.81 MPa)和平均单根抗剪强度(39.34 MPa)均为最大;4种植物根-土复合体重塑试样及素土试样按黏聚力大小排序为小嵩草(14.16 kPa)紫花针茅(13.25 kPa)矮火绒草(10.89 kPa)细叶亚菊(9.32 kPa)素土(6.07 kPa)。此外,进一步研究表明,区内4种草本植物的平均单根抗拉、抗剪强度与其相对应的根-土复合体黏聚力间存在一定程度的关联性。     

香根草应用于铁路边坡防护的力学研究

针对目前较少研究香根草在边坡防护的力学作用的情况,通过香根草力学试验,测定、分析香根草的力学指标,定量检验香根草在边坡防护中的力学作用。通过试验分析发现,香根草护坡可以提高土的黏聚力和内摩擦角,从而提高土的抗剪强度,进而增加土壤稳定性。香根草根系必须达到一定密度,抗剪强度才能提高,从而发挥边坡防护的作用。     

尖萼金丝桃根系对边坡土体抗剪强度的影响

[目的]探讨根系单根抗拉拔强度对边坡土体抗剪强度的影响,定量分析根系对边坡土体抗剪强度的增强作用,为评价植物根系增强边坡土体抗剪切性能提供依据。[方法]以2 a生尖萼金丝桃根系及其组成的根土复合体为研究对象,分别进行室内单根拉拔试验和根土复合体剪切试验,获得根系的抗拉强度及根土复合体试样黏聚力值;在此基础上分析根系抗拉强度与根土复合体黏聚力值之间的关系。[结果]尖萼金丝桃根系抗拉强度与根系直径存在负向幂函数关系,相关性系数均大于0.92;根系拉拔位移、抗拉拔力均与根系直径呈正相关关系,拉拔位移与抗拉拔力之间也表现为显著正相关关系;抗拉强度与根系直径、拉拔位移、抗拉拔力两两之间均呈负相关关系;根土复合体的黏聚力相较于无根素土均有不同程度的增长,增幅达17.25%～94.76%,黏聚力、黏聚力增长率均与根土面积比、根土体积比呈正相关关系。[结论]尖萼金丝桃根系拉拔特征对边坡土体抗剪强度产生显著的影响,边坡土体抗剪切性能评价指标与根系拉拔特征变化密切相关。     

Evaluating soil reinforcement by plant roots using artificial neural networks

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.     

黄土区3种优势灌木根土复合体的抗剪强度研究

黄土区水土流失严重,生态护坡是比较推崇的防护手段,特别是灌木具有发达的根系,对含根土体有较为明显的抗剪增强作用,因此,比较自然条件下区域适生优势灌木的根土复合体抗剪强度,对于合理选择固土护坡植物具有重要意义。以黄土区常见的优势乡土灌木达乌里胡枝子(Lespedeza davurica)、中国沙棘(Hippophae rhamnoides)和狼牙刺(Sophora viciifolia)为研究对象,野外采用三维土柱挖取灌木的根系,进行不同直径单根抗拉试验和根土复合体的剪切试验。结果表明:(1)达乌里胡枝子、沙棘和狼牙刺的根系集中分布于0—40 cm土层中,它们的根长密度、根表面积密度和生物量密度随着土层深度的增加表现出整体递减的趋势。(2)达乌里胡枝子、沙棘和狼牙刺根系的抗拉力(Tensile Resistance,TR)与抗拉强度(Tensile Strength,TS)都表现为关于直径(D)的幂函数(aD^b),其中抗拉力与根径呈正相关(b>1),而抗拉强度与根径呈负相关(b<1)。(3)不同灌木根土复合体的抗剪强度在地下分布是不同的,在根际范围内随土层加深,达乌里胡枝子根土复合体的抗剪强度表现出先增加后减少而后增加又减少的趋势,最大抗剪强度的土层是20—30 cm和50—70 cm,沙棘和狼牙刺根土复合体的抗剪强度表现出先增加后减少的趋势,最大抗剪强度的土层分别是30—50 cm,0—20 cm。说明灌木的细根可以更好地起到固土护坡的作用,建议在黄土区优先选择达乌里胡枝子和沙棘作为护坡植物,从而为生态护坡提供一些参考。     

Temporal and spatial variability in root reinforcement of streambanks: Accounting for soil shear strength and moisture

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 (F_S) 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.     

紫花苜蓿和马唐根的生物力学性能及相关因素的试验研究

选择固土护坡植物时，植物根的抗拉强度是一项重要的力学指标。对豆科的紫花苜蓿和禾本科的马唐根的抗拉力和纤维素含量的研究表明，根的抗拉强度和纤维素含量均与直径呈显著的负相关关系，根的抗拉强度与纤维素含量呈正相关关系，表明“木本植物根的抗拉强度、直径和纤维素含量关系”的研究结论在这两种草本植物上也同样适用。对紫花苜蓿和马唐根的抗拉强度与其“木质素/纤维素”之间关系的研究表明，两者呈负相关关系，证实纤维素含量对于维持根抗拉强度的作用大于木质素含量。研究发现，豆科紫花苜蓿根的应力-应变为对数函数关系，不符合胡克定律，马唐根的应力-应变关系的本构方程基本遵从胡克定律。直径愈小，紫花苜蓿和马唐根的应力—应变关系对应变率敏感程度愈高，根的极限延伸率愈大。另外，根的抗拉力和直径测试设备的改进，实验结果更准确可靠。这方面研究对揭示植物根系提高土壤抗冲击性和抗剪强度机理，更好地进行水土保持植物的选择和优化组合具有重要意义。     

寒旱环境灌木根系增强边坡土体抗剪强度特征

为深入研究根系与剪切面呈不同夹角α条件下,边坡土体中根系对土体抗剪强度的影响,以及定量分析评价植物根系对边坡土体抗剪强度的增强作用,该项研究以生长期为150 d的柠条锦鸡儿、霸王根系及其组成的柠条锦鸡儿根-土复合体、霸王根-土复合体为研究对象分别进行室内单根拉伸试验和复合体剪切试验。通过对2灌木根系进行单根拉伸试验,得到2种灌木根系单根的抗拉强度,并对根系与剪切面夹角α分别为45°、60°、75°、90°等4种条件下的根-土复合体进行剪切试验,得到4种α角度条件下的根-土复合体试样抗剪强度;在此基础上,分析探讨了单根抗拉强度与根-土复合体试样粘聚力值之间的关系。结果表明:柠条锦鸡儿根系的单根抗拉强度较霸王根系的单根抗拉强度略高;柠条锦鸡儿根-土复合体、霸王根-土复合体试样,在4种不同α角度条件下的黏聚力均显著大于素土黏聚力;当α角由45°增大至90°时,2种灌木根-土复合体的黏聚力值呈逐渐增大的趋势,且黏聚力的增长率亦表现出一致性变化规律,即2种灌木根-土复合体试样的黏聚力的增长率均随着α角的增大而呈增大趋势;根-土复合体黏聚力值与单根抗拉强度存在正相关关系。由上述复合体黏聚力值的变化规律反映出,试验区2种灌木根系对边坡土体抗剪强度具有显著增强作用,同时亦反映出随根系的单根抗拉强度的增大,根系对土体粘聚力值的增强效果相对愈加显著,且随根系与剪切面间夹角不同,根系增强边坡土体抗剪强度贡献具有不同的变化规律,即表现在根系与剪切面之间的夹角趋于垂直时,根系具有相对最大限度地增强土体抗剪强度的作用。该研究结果为定量评价植物根系增强边坡土体抗剪强度的贡献,提供了试验方面的数据支撑,这为进一步深入探讨植物根系增强边坡土体抗剪强机理提供参考。     

针叶与阔叶树根系对土壤抗剪强度及坡体稳定性的影响

重庆缙云山地处三峡库区,是国家重点自然保护区。由于地势特点,坡面极易发生土壤侵蚀及浅层滑坡,因此,在不破坏原有生态环境的前提下,有效防止灾害发生是该地区的重点防治工作。选取了同种根构型的针叶树种(马尾松Pinus massoniana Lamb)和阔叶树种(四川大头茶Gordonia acuminate),比较其提高土壤抗剪强度的作用强弱,并分析根面积比率、剪切带根系径级比、根系位置范围,以及根系角度等因素对土壤抗剪强度的影响。结果表明,针叶树种对土壤抗剪强度增强效果强于阔叶树种;针叶树种根系平均抗拉强度较大,其对土壤抗剪强度的增量更大;针叶树种根系分布范围较广且存在更多与剪切方向成60°的根系,表现出更好的固坡作用;根面积比率对土壤抗剪强度影响不明显。