狗牙根根系抗拉强度试验

嵇晓雷+杨平+王磊

摘要：针对目前国内常用植草护坡这一高速公路边坡防护措施，分析了狗牙根护坡的力学机理。对狗牙根根系进行室内抗拉强度试验，结果表明，狗牙根根系的力学护坡效果与其根系抗拉强度有紧密关系。建立了狗牙根根系直径与抗拉强度的相互关系，对生态边坡的设计和施工具有一定的借鉴作用。

关键词：狗牙根;抗拉试验;根系抗拉强度

中图分类号：S157;Q947.6        文献标识码：A        文章编号：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

在高速公路建设中，大量的路堑开挖破坏了原有植被，造成大量露土坡和岩石边坡，引起严重的水土流失和生态环境失衡[1]。由于植物具有加固浅层土体、缓解雨水对表面土层的冲蚀、防止水土流失、美化和改善环境的作用，所以植物被广泛用于道路开挖形成的边坡进行生态防护[2-9]。由于植物根系对边坡土体的加强作用受根系的长度、直径、根系与剪切面的夹角及根系在土体中的生长形态等诸多因素影响[10]，不同植物根系形态特征对边坡表层稳定性影响也不同。为此，本文以常见护坡植物狗牙根为例，通过室内抗拉试验，研究狗牙根根系直径与抗拉强度的关系，为研究植物根系护坡性能提供基础性参数。

1  材料与方法

1.1  试验仪器

WZL-300纸张拉力仪（中国杭州轻通仪器开发公司）、螺旋测微器（苏州量子仪器有限公司生产，型号293-241）、激光位移传感器[基恩士（中国）有限公司生产，型号IL-300]、数据采集选用基于Labview平台自主开发的自动化采集数据软件。

1.2  试样制备

试验所用仪器为测量纸张拉力的仪器，夹头装置只能用于夹纸张，因此试验测量时，用木工胶将根系粘贴在纸张表面，将纸张从中间剪断，仅留下根系，测量张拉根系时所受拉力。具体制作试样步骤如下：①制作长15 cm、宽4 cm的纸条，保证纸张拉力仪夹头间距离为10 cm，在纸条中间挖去2 cm宽的空隙，制作成粘贴根系的纸夹。将预先处理好的根丝用木工胶粘贴在纸夹中面，并将纸夹对折，制成试样并编号;②试样制作时，因根丝直径微小，根丝旁留有2 cm纸条不剪断，主要起保护根丝的作用，以防止在试验准备过程中损坏根丝试样。试样安装到拉力仪时将保护条剪断。

1.3  试验步骤

1）试样安装在纸张拉力仪器两端夹头后，拧紧拉力机固定螺丝，将试样中间纸张保护条剪断，仅留根丝，保证仪器在拉伸过程中仅有根丝受力。

2）将激光位移传感器红外线射线安装对准纸张拉力仪一段夹头，调整自动化采集数据软件，并试采集调试，使此采集数据符合试验要求。

3）启动拉力机将根丝拉断，因根系直径较小，受力行程较短，为了精确测出根系断裂行程，位移传感器每秒钟采集50个数据，记录根丝拉伸过程中位移随时间增长的变化曲线。在拉伸过程中，采集不同时间点的应变，得出根系应力应变曲线，根据曲线计算出根系弹性模量E50。

4）试验完成后，使用螺旋测微计在根系断裂处测量直径并记录，测量时应从3个不同方位分别量测后取平均值。

2  结果与分析endprint

2.1  根系抗拉强度

根据测量数据，计算根系的平均直径、根系的横截面积、根系抗拉强度、根系位移变化量。试验所得数据如表1。其中，根丝的横截面积（A）和根系抗拉强度（P）分别按下式计算：

A=■，式中d为根丝直径。

P=■=■，式中F为拉力。

由表1可知，试样所用根系直径在0.1～0.3 mm之间，其最大抗拉力在2.8～4.8 N之间，抗拉强度在95～113 MPa之间。

2.2  根系抗拉强度与其直径关系

对表1中的数据进行拟合分析发现，狗牙根根系的抗拉强度与其直径的关系，用多项式拟合的方法进行回归较为准确。

拟合公式如下：

P=5 627.7D2-2 660.8D+410.04，   R2=1

式中，P为抗拉强度（MPa），D为根系直径（mm）

2.3  根系弹性模量

根据表1可知，狗牙根随着根系直径的增大，最大抗拉力呈增加趋势，而抗拉强度呈衰减性降低。根据位移随时间变化曲线可知，在拉伸过程中，4组狗牙根试样变化趋势相同，根系受力状态呈现弹性材料特征，试样位移随时间呈线性增大，根据激光位移传感器测出位移随时间变化曲线如图1 。

在图1中，采集7个时间点，根据采集的数据，得出狗牙根根系应力与应变曲线，如图2所示。曲线的多项式拟合公式：y=60.079 1ln（x）+264.693，R2=0.994 9，根据拟合公式得出狗牙根根系的弹性模量E50=1 664.32 MPa。

3  小结

植草护坡对增强边坡稳定以及改善公路景观有重要意义。本文对狗牙根的根系进行抗拉强度试验研究，结果表明，根系受力状态呈现弹性材料特征，狗牙根随着根系直径的增大，最大抗拉力不断增大，但抗拉强度随根系直径的增大不断减小，由此可见，草本植物狗牙根根系直径较大的主根对边坡土体的加固作用有限，而根系直径较小的须根抗拉强度较大，对根系护坡起到主要作用;根据抗拉试验得出狗牙根根系应力与应变的相关拟合公式，得出狗牙根根系的弹性模量。

目前对于根系护坡力学机制的探索尚处于起步阶段，关于根系护坡力学效应的试验和应用研究方面还不够完善，有待进一步研究。

参考文献：

[1] 许文年，王铁桥，叶建军.岩石边坡护坡绿化技术应用研究[J].水利水电技术，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，宋修广，吴登高.高速公路边坡植草护坡的根固效应试验研究[J].岩土力学，2008，29（2）：442-444.

[4] FATTET M，FU 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] 李绍才，孙海龙，杨志荣，等.坡面岩体-基质-根系互作的力学特性[J].岩石力学与工程学报，2005，24（12）：2074-2081.

[7] 张  锋，凌贤长，吴李泉，等.植被须根护坡力学效应的三轴试验研究[J].岩石力学与工程学报，2010，29（增2）：3979-3985.

[8] 胡夏嵩，李国荣，朱海丽，等.寒旱环境灌木植物根-土相互作用及其护坡力学效应[J].岩石力学与工程学报，2009，28（3）：613-620.

[9] 余芹芹，胡夏嵩，李国荣，等.寒旱环境灌木植物根–土复合体强度模型试验研究[J].岩石力学与工程学报，2013，32（5）：1020-1031.

[10] 宋维峰，陈丽华，刘秀萍.林木根系的加筋作用试验研究[J].水土保持研究，2008，15（2）：99-102.endprint