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。     

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。     

五种护坡草本植物根系固土效果研究

对于公路边坡而言,植物根系在稳定土壤结构、提高土壤抗冲性、防治土壤侵蚀方面作用显著。为准确地评价植物根系的固土作用,选取北京地区常见的5种护坡草本植物,研究了其根系结构特征和根系强度特征,比较了不同草本植物根系结构的差异,结果表明:选取的草本植物根系生长深度除紫花苜蓿外多在0.6 m以内,沙打旺和狗尾草的根系总长度最大,表现出更好的抵抗拔出破坏的能力,而高羊茅和沙打旺根系在土壤中的数量较多,表现出更好的增强浅层土壤抗剪强度的效果。因此,北京地区的护坡草本植物,从根系固土的角度分析,沙打旺表现最好,其次是狗尾草、高羊茅和白三叶,表现较差的为紫花苜蓿。     

植被根系固土机理研究进展

坡面植被不仅可以稳定岩土边坡,而且具有美化生态环境的作用。为了阐明植被根系对不稳定斜坡的影响,根据多年来根系固土的研究成果,从根系固土力学基础、根系几何力学特性、根系对土壤抗冲与抗剪的影响等方面,对植被根系护坡机理进行了综述,分析了目前研究中存在的不足,并就今后研究中应注意的问题提出了看法。     

根系主要成分含量对根系固土效能的影响

选取中国北方两种常见树种油松(Pinus tabulaeformis)和元宝枫(Acer truncatum),对这两种树0.2~6mm直径的根系直径、根系抗拉强度、整根的根土复合体强度、根系3种主要成分含量(纤维素含量、半纤维素含量与木质素含量)进行测定。结果表明,随着根系直径的增加,植物根系半纤维素含量增高,纤维素含量与木质素含量降低,从而植物的抗拉强度降低。植物根系抗拉强度与纤维素含量、木质素含量成正相关关系,与半纤维素含量成负相关关系。因此,在排除根系结构影响的前提下,植物根系纤维素含量与木质素含量是导致不同植物种固土效果差异的直接原因。     

林木根系固土的理论基础

为了探索林木根系的固土作用,半个多世纪以来许多学者从不同侧面对根系的固土作用进行了大量的研究和探索,在根系固土理论研究上取得了一定成果。鉴于此,概述了莫尔-库仑强度理论、加筋理论、锚固理论等根系固土基础理论以及须根理论模型（W氏模型）、垂直根系木本植物根-土相互作用力学模型、水平根系根-土相互作用力学模型等根系固土的分析模型。依据固土理论,提出了今后根系固土作用研究重点是根系的分布特征,根系与土的摩擦特性以及根系的力学性能。     

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。     

油松根系固土的基本力学特性

植被根系的力学性质对于斜坡的稳定性是一个重要因素。为确定油松根系的基本力学特性,对油松不同标距不同直径根段进行拉力试验。结果表明：所有根系随直径级的增大,抗拉力以幂函数显著增大,抗拉强度却以幂函数减小,对于直径D≤1mm的根系,抗拉强度显著增加。标距对抗拉力影响不显著,对抗拉强度影响显著。油松的应力应变曲线为单峰曲线,具有弹塑性材料特征。首次初步将油松根系的应力应变曲线简化为3个阶段：线性弹性段、非线性弹性段和塑性段。在理论推导和数据分析的基础上,建立了油松根系的三阶抛物线本构模型。这些研究探明了油松作为水土保持先锋树种固土的力学机理,对护坡植物的选择和优化组合具有重要的参考价值。     

防风固沙灌木花棒沙柳根系生物力学特性

为了揭示花棒和沙柳的根系生物力学特性,该文选取毛乌苏沙地5 a生人工种植花棒、沙柳的根系为研究对象,通过室内单根拉伸试验,得到沙柳(直径0.78~7.44 mm)的平均最大拉力、抗拉强度和杨氏模量分别比花棒(直径0.91~6.46 mm)高42.07%、44.52%和90.00%。花棒、沙柳单根根系的最大拉力随直径增大以幂函数增大,抗拉强度和杨氏模量随直径增大以幂函数减小。花棒与沙柳单根根系的平均抗拉强度能达到Ⅰ级钢筋(370MPa)的6.86%和9.91%,对土壤有一定的加筋作用。采用自制根系拉力测试系统进行野外原位整株根系垂直拉拔试验,得到花棒(地径17.65~42.68 mm)和沙柳(地径20.35~48.07 mm)的整株根系最大垂直拉拔力为(1.71±0.16)k N和(1.18±0.16)k N,花棒比沙柳高出44.92%。花棒整株根系的生物力学特性要优于沙柳,整体固沙能力更强。该研究可为根系固土作用理论研究和防风固沙树种的筛选提供参考。     

植物根系固坡力学机理研究进展

近20年来,植物固坡在国内外越来越受欢迎。为进一步阐明植被根系对不稳定斜坡加固的力学机理,纵观多年来根系固土的研究成果,基于根系的锚固、加筋理论,从根系形态建成、抗拉、抗剪、采伐后根系强度变化及根系中主要成分木质素、纤维素的含量等方面进行综述。与素土相比,根土复合体的力学性能有了很大的提高,但其内在机理尚不太清楚,需要进一步的研究,并对存在的问题进行探讨,以便为根系的理论研究和植被护坡实践提供参考。     

嫩江大堤植物根系固土护堤功能研究

通过对嫩江大堤护坡植物根系及土壤抗冲,抗蚀及抗剪强度的测定分析,发现同一地段土壤的冲击,抗蚀指数及抗剪强度的是表土层大于底土层。植物根系有较强的固持土壤功能,抗冲指数与根长,根量间有明显的相关性,单相关系数分别为０．９１４６和０．８１９７。有机质含量高的土壤抗蚀性强,水稳性指数大。水稳性指数与有机质含量间的相关系数０．９１３２,与根长和根量的相关性相对较低,单相关系数分别为０．８３１７和０．８０９     

含根量与土壤抗剪强度增加值关系的试验研究

通过对裸地、车桑子灌木林地不同深度土壤在天然含水量情况下的直剪试验，及对车桑子根系沿垂直方向的分布情况的调查，研究了含根量对非饱和土抗剪强度的影响。结果表明，植物根系具有提高非饱和土抗剪强度的作用，含根量沿垂直方向呈指数函数规律分布，黏聚力和内摩擦角沿垂直方向的增加值均与含根量成正相关关系。     

浅层滑坡生物治理中的乔木根系抗拉实验研究

通过对野外选取的合欢根系的抗拉试验，及在合欢林地的抗拉拔实验，研究了根系的最大抗拉强度和抗拉拔强度。结果表明，根系最大抗拉强度与根系直径成指数函数关系，最大抗拉力与根系直径成正相关关系，根系抗拉拔力可以和根系直径、根长、土壤容重建立回归方程，从而可以求得根系与周围土体之间的静摩擦系数。     

不同植被类型根系提高浅层滑坡土体抗剪强度的试验研究

通过对裸地、扭黄茅草地、车桑子灌木林地和桉树林地四种不同植被类型、不同深度土壤在天然含水量情况下的直剪试验，研究了植被类型对非饱和土抗剪强度的影响。结果表明，植被具有提高非饱和土抗剪强度的作用，黏聚力增加较大，内摩擦角增加相对较小；土层越深，土壤抗剪强度提高的程度越小。     

瞬时拉力下两个生长期4种植物单根抗拉力与抗拉强度的研究

研究3～4年生柠条、沙柳、沙地柏和白沙蒿的单根(根径为0.3～3 mm)在两个生长时期内瞬时大风作用下的抗拉力和平均抗拉强度.结果表明,在生长季初期(5月初)和旺盛生长期(8月中旬),4种植物根系的单根抗拉力与直径均呈幂函数正相关关系;抗拉力和平均抗拉强度均表现为柠条＞沙柳＞沙地柏＞白沙蒿;沙柳、沙地柏、白沙蒿在生长季初期的抗拉力和平均抗拉强度大于旺盛生长期,柠条反之.     

不同护坡草本植物的根系分布特征及其对土壤抗剪强度的影响

为明确用于三峡库区植被构建的边坡植物物种根系特征与土壤抗剪强度之间的关系,该文以裸地为对照,应用WinRHIZO(Pro.2004c)根系分析系统对香根草(Vetiveria zizanioides(Lin.) Nash)、百喜草(Paspalum notatum Flugge)、狗牙根(Cynodon dactylon(L) Pers.)和紫花苜蓿(Medicago sativa L.)4种护坡草本的根系特征进行定量分析.研究发现:香根草的根长密度和根表面积密度显著大于其他草本;各草本类型的根长密度、根表面积密度及根重密度均随着土壤深度的增加递减,但随深度的增加,不同草本类型的差异逐步缩小;不同草本类型土壤内摩擦角φ和粘聚力c大小均为:香根草>百喜草>紫花苜蓿>狗牙根>裸地,且随土层深度的增加而降低;随着根长密度、根表面积密度的增大,土壤内摩擦角φ呈显著的对数增长,土壤粘聚力c呈显著的线性增长,且与直径D≤5 mm不同径级的根系特征之间存在明显的相关性.结果表明:相对于裸地而言,4种草本均能显著增强土壤内摩擦角φ和粘聚力c,且根系对土壤内摩擦角φ的提高程度大于土壤粘聚力c;根长密度和根表面积密度,尤其是直径D≤5 mm径级的根长密度和根表面积密度能很好的表征土壤的抗剪强度,可作为评估土壤抗剪强度的重要参数.     

生态护坡中根系对土体抗剪强度的影响

在护坡工程中,植被发达的根系能对边坡土体产生一定程度的加筋作用,从而可提高边坡的浅层稳定性。为探究植物根系对土体抗剪强度的影响,采用常规三轴不固结不排水试验,测定不同含根量、含水率对重塑粉质黏土抗剪指标的影响,结果表明:①根土复合体与素土的应力-应变变化趋势相同,说明摩尔-库仑强度准则同样适用于根土复合体,其不同主要体现在黏聚力大小上;素土和根土复合体均大约在轴向应变2%处出现主应力差峰值,然后逐渐趋于破坏。②根土复合体的抗剪强度明显大于素土,并且在含水率为9%时黏聚力增加显著,说明根能起到加筋作用,能够用来约束土体变形、增加抗剪强度。③在一定条件下,黏聚力和含根量成线性正相关关系;黏聚力和含水率对数成反比关系,即在一定条件下随着含水率增大,黏聚力降低。通过拟合得到根系加筋效应公式τ_f=c+σtan φ=c_0+a+bx+σtan φ,只要给定含水率和含根量,就能初步计算出抗剪强度。     

虎榛子群丛根系的固土作用研究

共选样地18块,其中15块均为由虎榛子(Ostryopsis davidiana Decaisne)单一种组成的植被群落样地,另外选择对照样地3块,样地规格为5m×5m。18块样地均测定了地表以下20,40,60,80,100cm共5个层面的土壤抗剪强度,同时测定对照裸地样地的紧实度和虎榛子植被群落样地根截面积率。虎榛子植被群落样地土壤样品需去除裸地抗剪强度的影响。在研究林木根系固土作用时,必须消除土壤紧实度造成的影响。经测量计算,土壤样品根截面积率最大为1.014%,对应的抗剪强度增强值(也为最大值)为0.1346kN/m2。分析结果表明,虎榛子群丛根系对土壤抗剪强度的增强值与穿过剪切面的根截面积率呈线性正相关。     

排土场土体裂缝区植被根系及抗剪强度分布特征

为揭示排土场土体裂缝区植物根系和抗剪强度分布特征,采用根钻法、WinRHIZO根系分析系统和直剪仪研究了0—60 cm土层植物根系、黏聚力和内摩擦角随土层深度的变化规律。结果表明:3个样地根系特征参数不同,随土层深度增加而减小,主要分布在0—20 cm土层,根密度和根重密度为88.81～303.03个/10³cm³,0.15～2.69 mg/cm³。根系以径级d≤0.1 mm和0.1 mm相似文献