沙棘根系生物力学特性研究

本文基于材料力学,弹塑性力学和土力学的原理和方法,通过对4年生沙棘(Hippophae rhamnoides Linn.)根系野外挖掘、室内拉伸试验和室内直剪试验,研究了内蒙古中西部风水复合侵蚀区主要水土保持植物沙棘根系的分布状况、抗拉力学特性、抗剪特性以及不同影响因素的影响,得出以下结论: 沙棘根系主要由三个序级构成,且根系数量、长度和干重主要集中分布在1～1.5mm的范围内,即该径级范围内的根系为代表根。 沙棘单根在外力作用下,抗拉力随着根径的增加逐渐增大,并呈显著的幂函数正相关关系;单根抗拉强度随着根径的增加而降低,总体呈幂函数减小的趋势;生长时期不同时,单根抗拉力和抗拉强度表现为旺盛生长期大于生长季初期;加载速度不同时,单根抗拉力和抗拉强度随着加载速度的增加逐渐增大;试验根长不同时,单根抗拉力和抗拉强度随着试验根长度的增加而减小;试验根含水量不同时,单根抗拉力和抗拉强度随着含水量的增加均表现出下降的趋势;沙棘单根轴向拉伸本构曲线分为上凸型、锯齿型、双峰曲线型、多峰曲线型、直线型,其中以直线型,多峰曲线型为主;沙棘代表根的单根徐变过程大致分为初始徐变阶段和稳定徐变阶段,且应变随荷载的增加而增大、应变随着试验根长度的增加而增大,应变随着根径的增加而减小。 沙棘根-土复合体抗剪强度与垂直荷载呈正相关;根-土复合体的剪应力随着垂直荷载的增大而显著增加,根-土复合体的应力-应变关系呈非线性增大,表现出明显的弹塑性材料的特点;根-土复合体在不同土壤孔隙承压水条件下的抗剪强度和粘聚力均大于素土;随着土壤含水量的增加,根-土复合体的抗剪强度和粘聚力表现为先增大后减小的趋势,均在土壤含水量为14.8%时达到最大值,而根-土复合体的内摩擦角随着土壤含水量的变化不明显;根-土复合体的抗剪强度和粘聚力均随着土体干密度的增加而增大,而内摩擦角随着土体干密度的增加有减小的趋势;逆向布根的抗剪强度和粘聚力>垂直布根>侧向布根>正向布根,其中垂直布根的内摩擦角数值最大;根-土复合体的抗剪强度和粘聚力均随着布根数量的增加而增大,其内摩擦角基本保持不变;剪切速率对根-土复合体抗剪特性影响不显著;随和根系直径的增加,根-土复合体的抗剪强度、粘聚力以及内摩擦角均呈增大的趋势。