紫花苜蓿根系-砂土复合体力学特性_王贵荣.pdf

第 卷 第 期 年 月西安科技大学学报 .王贵荣，王凯，袁林，等 紫花苜蓿根系砂土复合体力学特性 西安科技大学学报，（）：，（）：收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）通信作者：王贵荣，男，陕西耀县人，博士，教授，：紫花苜蓿根系砂土复合体力学特性王贵荣，王 凯，袁 林，吴延斌，（西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安；西安科技大学 西部矿山生态环境修复研究院，陕西 西安）摘 要：为探究紫花苜蓿根系对砂性土的增强作用，以黄土为基础土料，河砂为改性土料，将改性土料加入基础土料中，制备含砂质量百分比为，的紫花苜蓿根系砂土复合体；通过根系拉伸试验，得到根系抗拉强度；通过直剪试验，得到不同含砂量和根系面积比（根系横截面积 与土体横截面积 的比值）的根土复合体抗剪强度参数；采用电子放大镜对紫花苜蓿根系、根土复合体及剪切后试样进行观察，分析根系与土体的结构和特征。结果表明：随着紫花苜蓿根径的增大，抗拉强度呈指数降低；随着含砂量的增加，根土复合体黏聚力呈现先增大后减小的趋势；随着根系面积比的增加，根土复合体黏聚力逐渐增大；以根系抗拉强度和根系面积比的乘积为自变量，实测的抗剪强度增量为因变量，进行线性拟合得到 值，在含砂量为，下的 值分别为 ，；当根土复合体受到剪切力时，根系所受到的拉应力可转变为增强剪切面的摩擦力和抵抗土体变形的剪应力，提高了根土复合体抗剪强度。研究结果对矿山生态修复中的土体重构工作提供理论依据。关键词：含砂量；根系面积比；根土复合体；抗剪强度；根系拉伸中图分类号：文献标志码：文章编号：（）：开放科学（资源服务）标识码（）：，（，；，）：，（）（），：，：；引 言中国西部地区生态环境脆弱、水土流失严重、地质灾害频发，对区域经济发展十分不利。利用植被控制水土流失和预防地质灾害已成为该地区最为普遍且有效的措施，探究含根土的力学特性及模型应用成为生态研究的热点。杨亚川等以草本植物为研究对象，首次提出“根系土壤复合体”的概念，通过直剪试验发现根土复合体黏聚力随根系含量的增加而增大；等对 种草本植物进行原位剪切试验，发现植物根系的存在增加土体的抗剪强度，且抗剪强度的增量取决于根系面积比的大小；廖博通过大型直剪试验研究紫花苜蓿根系对四川雅安地区黏土抗剪强度特性的影响，认为随着 的增加，根土复合体黏聚力呈现先增大后减小的趋势；祁兆鑫通过直剪试验研究海韭菜和芦苇根系对柴达木盆地粉土抗剪强度的影响，认为随着 的增加，根土复合体的黏聚力逐渐增大；刘宇飞通过无侧限抗压试验研究狗尾草根系对山原红壤的加固效果，认为随着 的增加，根土复合体黏聚力逐渐增大。土体粒径组成决定着土体的水分含量、通气性和稳定性，对植物根系生长、光合特性等影响显著。大量研究表明，当土体中存在砂时，土体孔隙结构得到改善、根系生长得到促进，有利于植物扎根和防止土壤板结。目前砂性土体对根土复合体抗剪强度影响的研究较少，可借鉴其他材料对砂土改性研究的成果。杨文腾等对砂黏混合土强度特性进行研究，提出反映混合土抗剪强度的界限含砂量，即最优强度含砂量在；唐朝生研究含砂量对聚丙烯纤维加筋黏性土强度的影响，发现随着含砂量的增加，纤维土黏聚力呈现先增大后减小的趋势，在含砂量为时，纤维土的黏聚力最大；肖成志研究在相同压实度下，含砂量对粉土抗剪强度的影响，发现随着含砂量的增加，混合土的抗剪强度逐渐增大；邓通发、张彬等学者的研究均表明随着含砂量的增加，土体内摩擦角增大，黏聚力减小。为量化植物根系对根土复合体抗剪强度的影响，有学者建立根系加固模型以评估根土复合体剪切性能。对植物根系与土体的相互作用进行系统研究，提出首个根系固土力学模型，建立根土复合体抗剪强度增量和 及根系抗拉强度之间数学关系。模型由于力学模型简单实用、参数易于获取、计算方便得到广泛的应用。由于 等未考虑植物和土体类型对结果的影响，后续学者对 模型中 值进行修正。张攀对狗牙根根土复合体进行直剪试验，将结果与 模型计算值进行比较；等对田菁根土复合体进行直剪试验，将结果与 模型计算值进行比较，建议在峰值和残余状态下的修正系数 分别为 和 ；等对紫花苜蓿根土复合体进行直剪试验，并将结果和 模型进行比较，建议将 值修正为 ；卢海静对垂穗披碱草和细茎冰草 种植物进行根土复合体直剪试验，将结果和 模型计算值进行比较，认为在西宁盆地及其周边地区将 值修正为 。紫花苜蓿具有根径发达、抗旱性强、成活率高等特点，常作为干旱地区水土保持、边坡固土的先 西 安科技大学学报 年第 卷第 期王贵荣，等：紫花苜蓿根系砂土复合体力学特性锋植物。目前针对紫花苜蓿的研究多注重于根系对土壤力学性质的影响，以不同砂性土作为土壤分析紫花苜蓿根系砂土复合体强度特性的相关研究略显不足。以紫花苜蓿根系砂土复合体为研究对象，以 和含砂量为变量，通过紫花苜蓿根系拉伸试验、根土复合体直剪试验，得到根系抗拉强度和根土复合体抗剪强度指标，分析 和含砂量对黏聚力、内摩擦角的影响，对不同含砂量下 模型中 值进行修正并探究根系固土机理，研究结果有望对矿山生态修复中的土体重构工作提供理论依据。材料与方法 土体材料采用陕西泾阳南塬 黄土为基础土料，烘干后碾碎并过 筛；采用泾河下游石英质河砂为改性土料，烘干后过 筛。将改性土料加入基础土料中，在搅拌机中均匀混合，制备含砂质量百分比分别为，的砂土样，以下简称含砂量为，编号分别为，（含砂量为素黄土），对砂土样进行粒径测试（图）。图 试样颗粒级配 试样制取 试种预处理及播种采用 浓度酒精对紫花苜蓿种子进行浸泡消毒 ，再用蒸馏水清洗取出备用；采用 浓度的过氧化氢对紫花苜蓿种子进行催发 ，再用蒸馏水清洗取出备用；将种子放入蒸馏水中静置，待上下分层后，取下层颗粒饱满的种子放入培养皿中备用（图）。将混合后的砂土样分层压实，制作干密度为 ，规格为 的砂土土柱（容器为 管），种植前对土柱进行浇水将其浸润至完全饱和状态。采用穴播法播种紫花苜蓿，播种位置选取在距土柱中心 范围内并等间距种植 株。播种后，在土层表面松散铺撒约 厚的砂，便于植物透气。试验在温室中进行，温度维持在 ，湿度 左右，每天光暗交替培养，光照时间为 ，用生物镝灯补充光照。图 紫花苜蓿种子预处理 直剪试样制取待紫花苜蓿生长到 ，分别取环刀样（根土复合体）和紫花苜蓿根系进行直剪试验和根系拉伸试验。在土柱 和 深度上分两层制取，每层取 个环刀（），环刀内保证 根主根，环刀中心尽可能对准主根（图）。共制作 个根土复合体土柱，最终获得 个环刀样。测试方法 拉伸试验选取根茎顺直和表皮完好的根系裁剪为，使用游标卡尺多次测量根系直径，取其平均值作为该根的根径。试验选用 型微机控制电子万能试验机测定根系抗拉强度，拉伸速率为 ，标距为 ，以断裂位置在中点附近为有效试验。选取根径在 个样，个，个，个，个，个。共 个组别，个根系试样进行拉伸试验。直剪试验使用水膜迁移法确保根土复合体含水率为。所用仪器为南京土壤仪器公司生产的 型三联直剪仪，设计法向应力为，剪切速率为 。在结果处理中，应变软化型曲线取其峰值作为根土复合体的 抗剪强度，对于应变硬化型曲线和塑性屈服型曲线取剪切应变在 处对应的剪应力作为根土复合体的抗剪强度。待直剪试验完成后，流水冲洗根系使土壤脱离，用游标卡尺对根系上、中、下进行多次测量并取其平均值作为复合体的根茎，进而求得剪切试样内根系的横截面积，将其与试样的横截面积相比得到根土复合体的根系面积比。图 根土复合体样品展示 图 根系拉伸试验 结果与分析 根系拉伸特性通过根系拉伸试验得到不同根径的抗拉力和抗拉强度。紫花苜蓿根径范围 ，抗拉力在 ，抗拉强度范围在 。紫花苜蓿根径越大，根系的极限抗拉力越大，当根径小于 时，极限抗拉力增长较慢，当根径大于 之后，随着根径的增加，极限抗拉力大幅度增加；相反，当紫花苜蓿根径较小，根系的抗拉强度越大，当根径小于 时，极限抗拉强度降低趋势较快，而大于 之后，随着根径的增加，抗拉强度缓慢下降（图）。抗拉力 与根径 的关系为 ，而抗拉强度 与根径 关系为 。图 根径与抗拉力、抗拉强度关系 根土复合体剪切特性 与含砂量对应力应变曲线的影响 的变化对根土复合体试样应力应变曲线形态和抗剪强度都有显著影响。在 和 条件下，素土样（为）为应变硬化型曲线，当根系存在，根土复合体曲线均转化为应变软化型，且随着 的增加，抗剪强度显著提高（图 （）、（）；在 和 条件下，的变化并没有影响应力应变曲线形态，根土复合体和素土均表现为应变硬化型曲线，且随着 的增加抗剪强度有一定提高（图（）、（）。含砂量的变化对根土复合体试样应力应变曲线形态和抗剪强度都有显著影响。在 为 时，在，条件下抗剪强度分别为.，在 约为.时，在，条件下抗剪强度分别为 ，在其他近似的 条件下也基本表现出了相同规律，即随着含砂量的增加，抗剪强度呈现先增大后减小的趋势。此外，在 和 条件下根土复合体曲线均为应变软化型，随着含砂量的增加，在 和 条件下根土复合体曲线为应变硬化型（图（）（）（）（）。西 安科技大学学报 年第 卷第 期王贵荣，等：紫花苜蓿根系砂土复合体力学特性图 和含砂量对应力应变曲线的影响 法向压力对应力应变曲线的影响挑选 组不同含砂量和 下的应力应变曲线。法向压力的增加显著提升了根土复合体的抗剪强度，随着剪切位移的增大，高法向应力条件下试样的抗剪强度增幅更显著，如在 条件下 为 时，法向压力分别为，所对应的根土复合体的抗剪强度分别为.，（图（）；在条件下 为 时，法向压力分别为，所对应的根土复合体的抗剪强度分别为 ，（图（）。另一方面，法向压力的增加改变了部分应力应变曲线形态，在 条件下 为 和条件下 为 时，法向应力为，时根土复合体曲线出现一定程度的软化现象，而在，下表现出硬化的现象（图（），（）；在 条件下 为 和 条件下 为 时，根土复合体曲线在各级法向应力下均表现为应变硬化现象（图（），（）。抗剪强度参数特征根据抗剪强度拟合结果得到抗剪强度参数。随着 的增加，根土复合体黏聚力快速升高。黏聚力曲线在，之上，表明在 条件下根系对土体的加固作用最好。这是由于在时，土体减小的黏聚力和摩擦力的增大值处于较好的结构状态，使得在 时，根系的加固作用得到最大的发挥。在 条件下 范围在 .，黏聚力范围在 ，增幅为；条件下 范围在 ，黏聚力范围在 ，增幅为.；条件下 范围在 ，黏聚力范围在 ，增幅为 ；条件下 范围在 ，黏聚力范围在 .，增幅为 。可以看出在 时黏聚力增量、增幅都是最大的，说明适当的掺砂不会降低根土复合体的黏聚力，反而会有一定的提高。但随着 的增加，根土复合体的黏聚力却明显低于，且增长幅度较小，根土复合体的黏聚力增量、增幅都是最小的（图（）。在相同含砂量条件下，随着 的增大，根土复合体内摩擦角变化均在 左右，变化幅度较小。这是由于土体的内摩擦角主要受其矿物成分、粒径分布、颗粒形状和排列以及颗粒柔软程度等影响，而根系的存在不会改变土体的固有特性。从曲线的空间分布来看，曲线在最上方，内摩擦角平均为 ；曲线次之，内摩擦角平均为.；之后为 曲线，内摩擦角平均为 ；最下面为 曲线，内摩擦角平均为 。总体来说，条件下内摩擦角最大，随着含砂量的增加，在 和 条件下内摩擦角逐渐减小，条件 下内摩擦角最小（图（）。图 法向压力对应力应变曲线的影响 图 抗剪强度参数 讨 论 模型分析 模型是用于分析并计算根系固土效果的常用模型，计算所得抗剪强度增量基于根系抗拉强度与根系面积比，模型建立时设定含根土中根系的抗拉力得到充分发挥，所有根系同时达到抗拉强度且同时断裂，以根系的抗拉强度来计算根系对土体的力学加固。但 模型没有考虑根系未断裂的工况、以及植物类型和土性的特征。分别计算出 模型所得抗剪强度增量和室内试验所得抗剪强度增量。在 较小时模型预测值与实际值相对接近，随着 的增加，误差越来越大，通过 模型计算所得抗剪强度增量和室内试验所得抗剪强度增量相差较大（图）。对不同含砂量下 模型中 值进行修正，以根系抗拉强度与根系面积比的乘积为自变量，以室内试验所得抗剪强度增量为因变量，拟合数据得到 值（图）。在，条件下，系数 值分别为，。随着含砂量的增加，值呈现先增大后减小的趋势，在 条件下，值达到最大为 ，根系的固土能力达到最大，但仍然远小于 模型中理论值 。对比 紫花苜蓿黄土研究中 值为 ，（黄土）条件下 值为 ，加固效果更好；对比 田青 细砂研究中峰值和残余状态下 值分别为.和 ，条件下 值为 ，加固效果更好；对比张攀狗牙根砂土研究中 值为 ，和在 条件下 值一样，加固效果一般；在 条 西 安科技大学学报 年第 卷第 期王贵荣，等：紫花苜蓿根系砂土复合体力学特性件下 值为 ，加固效果并不理想。在 和条件下，尽管植物根系的透气效果会提升，植物会获得更好的生长发育条件，但这种砂性土在根系固土作用中表现效果不佳。图 模型计算值与实测抗剪强度增量 图 系数修正 根土复合体固土机理紫花苜蓿根系呈“圆柱形”，根系表面凹凸不平、粗糙，有平行于根系生长方向的凸脊，凸脊之间形成沟槽（图（）。这些凸脊和沟槽能够使根系与砂土颗粒之间的机械咬合力显著提高。同时，紫花苜蓿根系具有一定韧性，在根土复合体中受力时不易被破坏，根系在土中类似“钢筋”，使土体得到加固。通过对比发现，紫花苜蓿根系的抗拉强度明显高于狗牙根、灰灰菜、龙葵、苦苣草、细茎针草和短柄草等草本植物，是一种良好的加筋材料。在 条件下细颗粒较多，根系与土颗粒之间孔隙较小，土颗粒将根系紧密包裹，较细的颗粒嵌入根系的沟槽中（图（）。在 条件下粗颗粒较多，根系与砂土颗粒之间的孔隙增大，砂土颗粒不能完全嵌入根系沟槽中（图（）。由于根系和土体的弹性模量不同，当根土复合体在外力作用下发生剪切破坏时，根与土出现了错位现象，一些粗径根系并不会被拉断，而是被剪弯，根系与法向方向的夹角大约（图（）。在剪切力作用下，根系与土体有相互错动的趋势进而产生摩擦力，土体中根系被拉动时，可迅速将根系受到的拉应力转化为剪切面上的法向应力和切向应力，其中法向应力增加了剪切面上的正应力，起到增强剪切面摩擦强度的作用，而切向应力则直接参与抵抗土体剪切变形所产生的剪应力（图（）。这种由根系产生的摩擦力和剪应力提高了根土复合体的抗剪强度，提高了根土复合体的黏聚力，进而增强了土体力学性能。图 根系与土体细观分析 当 较小时，根茎较细，根系抗拉力小，根系与土体发生相互错动时，根系更容易被剪断，进而根系的抗拉力可以完全转化为剪应力和摩擦力，这也说明了在 较小时模型预测值与实际值越接近的原因。当 较大时，根系较粗，根系本身具有较大的抗拉力，在发生相对位移时，根系不易被剪断，而是被剪弯，根系的抗拉力可以部分转化为剪应力和摩擦力，所以造成了模型预测值与实际值相差较大。随着 的增加，根土复合体抗剪强度逐渐增大，这与祁兆鑫和刘宇飞的研究结果相似。当含砂量较小时，黏土颗粒较多，土体孔隙较少，土体中以黏土颗粒为骨架结构，产生了较大的黏聚力，提高了土体的抗剪强度；当含砂量较大时，砂颗粒增多，砂土颗粒之间产生一定的摩擦力，但土体孔隙增多，黏聚力减小，摩擦力的增加值小于黏聚力的减小值，导致土体的抗剪强度降低；在含砂量为 时，土体摩擦力的增大和黏聚力的减小处于较好的结构状态，使得土体的抗剪强度达到最大。随着含砂量的增加，土体抗剪强度呈现先增大后减小的趋势。在适量砂颗粒和土颗粒的综合作用下限制根系在土体中相对滑动，使得根系加固作用得到最大的发挥。这也是含砂量达到 时根土复合体出现强度阈值的关键原因。结 论）紫花苜蓿根系随着根径的增大，抗拉力呈指数增加，抗拉强度呈指数降低。随着 的增加，根土复合体黏聚力逐渐增大，内摩擦角基本不变；在 和 条件下，素土样（为）为应变硬化型曲线，当有根系存在时，根土复合体曲线均转化为应变软化型；在 和 条件下，的变化并没有影响应力应变曲线形态，根土复合体和素土样均表现为应变硬化型曲线。）随着含砂量增加，根土复合体黏聚力呈现先增大后减小趋势，内摩擦角小幅度提升；在 条件下，根土复合体黏聚力增长幅度最大，表明少量的砂颗粒使得根系加固作用得到最大发挥；在和 条件下根土复合体曲线为应变软化型，随着含砂量增加，在 和 条件下根土复合体曲线为应变硬化型；对 模型进行修正，在，条件下，值分别为 ，随着含砂量增加，值呈现先增大后减小趋势。）紫花苜蓿根系表面粗糙，发育有凸脊和沟槽，这些凸脊和沟槽在结构上增强了根土间的摩擦阻力，提高了土体的稳定性；同时紫花苜蓿根系具有更大的抗拉特性，可以显著提升根土复合体的抗剪强度。参考文献（）：王念秦 黄土滑坡发育规律及其防治措施研究成都：成都理工大学，：，段钊，彭建兵，冷艳秋 泾阳南塬 黄土物理力学特性 长安大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：黄润秋 中国西部地区典型岩质滑坡机理研究地球科学进展，（）：，（）：殷跃平 中国地质灾害减灾战略初步研究 中国地质灾害与防治学报，（）：，（）：，：，：郭力宇，郭昭，王涛，等 陕北黄土高原植被动态变化及其对气候因子的响应 西安科技大学学报，（）：，（）：张元栋，尚晓鹏，杜芬玲，等 宁夏植被动态变化及其对降水的响应 西安科技大学学报，（）：，西 安科技大学学报 年第 卷第 期王贵荣，等：紫花苜蓿根系砂土复合体力学特性 ，（）：闫大鹏，周兴东，刘伟，等 一种基于高斯拟合的水生植被遥感分类阈值确定方法 西安科技大学学报，（）：，（）：杨亚川，莫永京，王芝芳，等 土壤草本植被根系复合体抗水蚀强度与抗剪强度的试验研究 中国农业大学学报，（）：，（）：，（）：廖博，刘建平，周花玉 含根量对秋枫根土复合体抗剪强度的影响 水土保持学报，（）：，（）：祁兆鑫，余冬梅，刘亚斌，等 寒旱环境盐生植物根土复合体抗剪强度影响因素试验研究 工程地质学报，（）：，（）：刘宇飞，赵燚柯，杨苑君，等 种草本植物混播根系对土体抗剪强度的影响 中国水土保持科学，（）：，（）：杨方社，李怀恩，曹明明，等 小型人工沙棘林对砒砂岩沟道土壤有机质与水分的影响 干旱区资源与环境，（）：，（）：，（）：王群，李潮海，张永恩，等 不同质地土壤夏玉米生育后期叶绿素荧光特性比较研究 安徽农业科学，（）：，（）：宋桂龙，韩烈保，张训忠，等 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