沙地柏根系抗拉力學特性研究

蔣希雁　何春曉　董捷　王皓宇

摘要：對河北省張家口市沙地柏（Sabina vulgaris Ant.）根系進行抗拉試驗，結果表明，沙地柏單根抗拉力隨著根系直徑的增大呈冪函數形式增大，單根抗拉強度隨著根系直徑的增加呈近似冪函數的關系遞減，且相關系數都較高，沙地柏根系直徑較大的根對邊坡土體的加固作用有限，而根系直徑較小的根抗拉強度較大，對根系護坡起主要作用;沙地柏單根伸長率、截面收縮率隨著根系直徑的增大呈直線形式減小，且相關系數都較高，根系直徑較小，根系伸長率較大，從側面反映出隨著根系直徑的增加，韌性減小。沙地柏根系直徑范圍在1.00～6.00 mm，抗拉力在25.0～369.0 N，抗拉強度在13.00～17.00 MPa，伸長率在8.00%～12.00%，截面收縮率在8.00%～12.00%，平均抗拉力為170.7 N，平均抗拉強度為14.89 MPa，平均伸長率為10.76%，平均截面收縮率為9.82%。

關鍵詞：沙地柏（Sabina vulgaris Ant.）;抗拉力;抗拉強度;伸長率;截面收縮率;生態護坡

中圖分類號：TU432;P642.22? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）22-0138-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.22.032? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Study on tensile properties of roots of Sabina vulgaris Ant.

JIANG Xi-yan1，2，HE Chun-xiao1，2，DONG Jie1，2，WANG Hao-yu1，2

（1.Hebei Key Laboratory of Diagnosis，Reconstruction and Anti-disaster of Civil Engineering，Zhangjiakou 075000，Hebei，China;

2.Hebei University of Architecture，Zhangjiakou 075000，Hebei，China）

Abstract： Tensile test is carried out on the Sabina vulgaris Ant.'s root in Zhangjiakou city， the results show that with the increase of diameter， the anti-tensile strength of single root increases in the form of power function， and the tensile strength of single root decreases with the increase of root diameter， and the correlation coefficient is higher. The root with large root diameter has limited reinforcement effect on slope soil， while the root with small root diameter has greater tensile strength， which plays a major role in root slope protection. The elongation rate and sectional shrinkage of single root decreases in the form of a straight line with the increase of the diameter， and the correlation coefficients is high.The root diameter is smaller， and the root elongation is larger， which reflect from the side that the toughness decreased with the increase of the root diameter. The diameter of the root is 1.00～6.00 mm， the anti-tensile strength is 25.0～369.0 N， the tensile strength is 13.00～17.00 MPa， the elongation rate is 8.00%～12.00%， the sectional shrinkage rate is 8.00%～12.00%， the average anti-tensile strength is about 170.7 N， the average tensile strength is 14.89 MPa， the average root elongation is 10.76%， the average section shrinkage is 9.82%.

Key words： Sabina vulgaris Ant.; anti-tensile strength; tensile strength; elongation rate; sectional shrinkage; ecological slope protection

植被護坡是利用植物根系固土作用穩定淺層邊坡的一種新技術，與傳統的工程護坡相比，植被護坡在發揮其護坡作用的同時，具有工程措施所無法比擬的優點，一方面能夠迅速恢復由于人類工程建設所破壞的生態環境，保持生態間的平衡，美化景觀，凈化空氣。另一方面，植被護坡造價低，經濟性較工程措施護坡優越。根系是植物的重要器官，不僅具有吸收輸導土壤中的水分養分、合成和儲存營養物質等生理功能，還具有固持水土的能力。研究表明，植物根系通過發揮其自身的抗拉特性以增強土體的抗剪強度。同時，植物根系具有的抗拉性能是增強邊坡穩定性最重要的因素，也是根系固土抗蝕的重要指標，能表征根系材料在固土過程中的受力潛能[1-4]。直徑越大，根系抗拉力越大，抗拉強度越小，根徑與根系抗拉力和抗拉強度呈冪函數或指函數關系。研究者對多種灌木植物根系、草本植物根系進行分析[4-14]，都得出了相同結論。

張家口市地處河北省西北部，位于東經113°50′—116°30′，北緯39°30′—42°10′，海拔1 300～1 600 m。沙地柏（Sabina vulgaris Ant.）生長勢旺，修剪后能產生多發性側枝，形成斜生叢狀樹形，在短期內形成整齊無缺的綠籬，具有開發價值。沙地柏根系發達，細根極多，10～60 cm的土層內形成縱橫交錯的根系網，萌芽力強，能忍受風蝕沙埋，長期適應干旱的環境，是干旱、半干旱地區防風固沙和水土保持的優良樹種，在肥沃通透土壤成長較快。在張家口某高速公路路堤生態邊坡對沙地柏根系進行抗拉強度試驗，從而為該地區生態護坡理論提供一定的理論基礎。

1? 材料與方法

1.1? 試驗材料

選取張家口某沙地柏長勢較好的邊坡，試驗采用人工挖掘根系方法，挖掘深度0～20 cm，隨機挖取生長較好的鮮活根系，在挖掘過程中盡量避免機械對根系的損傷。經清理后，放入密封袋，帶回實驗室保存。取得的試樣7 d內測完，以保證根系材料的新鮮。

1.2? 試驗方法

在進行根系拉伸試驗前，用精確度較高的游標卡尺測量根系的直徑，為了使一根上的直徑大致相同，截取粗細較為均勻的根段作為一個根系，每個根系測量分別選取根系的兩頭和中間三部分進行測量，然后求取平均值作為根系的直徑，記為D。采用電子拉力試驗機，測試時將根系的兩端用專用夾持機構固定，啟動測試儀器，速度25 mm/min，到根系拉斷結束。為了正確反映根系的抗拉性能，排除夾持損傷導致的根系斷裂，將根系在靠近兩端夾具處斷裂時測得的數據剔除;選取夾具中間或接近中間處斷裂時的數據為有效數據。

根系各指標的計算公式為：

式中，P為根系抗拉強度;F為根系最大抗拉力（N）;D為根系平均直徑（mm）;？啄為伸長率;ΔL為根系長度變化量;L為根系原長;？鬃為截面收縮率;A0為根拉斷前截面面積;A為根拉斷后的截面面積。

2? 結果與分析

2.1? 沙地柏不同直徑根系指標

由表1可以看出，所取沙地柏根直徑范圍在1.00～6.00 mm，抗拉力在25.0～369.0 N，抗拉強度在13.00～17.00 MPa，伸長率在8.00%～12.00%，截面收縮率在8.00%～12.00%，平均抗拉力為170.7 N，平均抗拉強度為14.89 MPa，根系伸長率為10.76%，截面收縮率為9.82%。隨著根系直徑的增加，抗拉力逐漸增大，而抗拉強度、伸長率、截面收縮率隨著根系直徑的增加逐漸減小。

對于沙地柏的抗拉強度、抗拉力、伸長率、截面收縮率與其根系直徑的關系，采用線性、多項式和冪函數3種常用數值擬合的方法進行回歸分析，得到沙地柏根系的抗拉力與其根系直徑的關系分別是（Y為根系的抗拉力，D為對應根系直徑）線性Y=-106.3+77.32D（R2=0.986），多項式Y=7.96D2+18.14D-17.68（R2=0.992），冪函數Y=14.54D1.82（R2=0.996）。

通過擬合得到冪函數（指數式）和多項式更接近反映根系抗拉力與根系直徑的關系，因為冪函數擬合度更高一些，這里取根系直徑與抗拉力是指數分布。由圖1可知，隨著根系直徑的增加，根系抗拉力逐漸增加，呈指數型分布，根系抗拉力都在擬合曲線的上下分布，且擬合度較高，建立其關系為Y=aDb，式中，Y為植物根系的抗拉力，D為植物根系的直徑，a、b為給定植物的經驗常數，在一定條件下，給定一個沙地柏根系直徑，就能初步估算出根系的抗拉力。

沙地柏根系的抗拉強度與其根系直徑的關系分別是（P為根系的抗拉強度，D為對應根系的直徑）線性P=17.32-0.678D（R2=0.893），多項式P=0.088D2-1.335D+18.3（R2=0.901），冪函數P=17.68D-0.15（R2=0.912）。通過擬合得到指數式和多項式更接近反映根系抗拉強度與根系直徑的關系，因指數型擬合度更高一些，這里取根系直徑與抗拉強度為指數分布。

由圖2可知，隨著根系直徑的增加，根系抗拉強度逐漸減小，呈指數型分布，根系抗拉強度真實值在擬合曲線上下分布并且與指數型擬合度較高，由根系抗拉強度的計算公式，結合根系直徑與根系抗拉強度的關系，可以得出根系直徑增加的幅度要大于根系抗拉強度，即在一定條件下隨著根系直徑增加抗拉強度增加緩慢。建立其關系為P=aDb，其中，P為植物根系的抗拉強度，D為植物根系的直徑，a、b為給定植物的經驗常數，由圖2可以看出，根系直徑在2.23～2.60 mm，根系抗拉強度下降比較快;根系直徑在2.60～5.02 mm，根系抗拉強度下降比較緩慢。

沙地柏根系的伸長率與其根系直徑的關系分別是（？啄為根系的伸長率，D為對應根系的直徑）線性？啄=12.98-0.64D（R2=0.983），多項式？啄=-0.036D2-0.37D+12.58（R2=0.98），冪函數？啄=13.18D-0.17（R2=0.797）。

通過擬合得到線性式和多項式更接近反映根系伸長率與根系直徑的關系，因為直線型擬合度更高，這里取根系直徑與根系伸長率是直線分布，如圖3所示。由圖3可知，隨著根系直徑的增加，根系伸長率逐漸減小，呈直線型分布，由此可以得出根系直徑越大，根系伸長率越小，由公式和擬合關系可以得出根系直徑大的，根系長度變化量較小，建立其關系為？啄=a+bD，其中，？啄為植物根系的伸長率，D為植物根系的直徑，a、b為給定植物的經驗常數，在一定條件下，通過根系伸長率與根系直徑擬合線就能初步估算出根系的伸長率。

沙地柏根系的截面收縮率與其根系直徑的關系分別是（？鬃為根系的伸長率，D為對應根系直徑）線性？鬃=11.8-0.55D（R2=0.918），多項式？鬃=-0.049D2-0.19D+11.3（R2=0.912），冪函數？鬃=12.03-0.18（R2=0.863）。

通過擬合得到線性和多項式更接近反映根系截面收縮率與根系直徑的關系，因為直線型擬合度更高，這里取根系直徑與截面收縮率是直線型分布，如圖4所示。由圖4可知，隨著根系直徑的增加，截面收縮率逐漸減小，通過擬合度可知，線性更能反映根系直徑與截面收縮率的關系，建立其關系為？鬃=a+bD，其中，？鬃為植物根系的截面收縮率，D為植物根系的直徑，a、b為給定植物的經驗常數，在一定條件下，就能初步估算出根系的截面收縮率。從圖4可以看出，隨著沙地柏根系直徑的增加，根系直徑在1.39～2.60 mm，截面收縮率下降較快，根系直徑在2.60～5.02 mm，截面收縮率逐漸下降，且較慢。

3? 小結

對張家口地區分布較為廣泛的沙地柏根系進行了單根抗拉力學特性試驗。結果表明，抗拉力在25.0～369.0 N，抗拉強度在13.00～17.00 MPa，伸長率在8.00%～12.00%，截面收縮率在8.00%～12.00%，平均抗拉力為170.7 N，平均抗拉強度為14.89 MPa，根系伸長率為10.76%，截面收縮率為9.82%。沙地柏單根抗拉力隨著根系直徑的增大呈冪函數形式增加，單根抗拉強度隨著根系直徑的增加呈近似冪函數的關系遞減，且相關系數都較高，由此可見，沙地柏根系直徑較大的根對淺層邊坡土體的加固作用有限，而根系直徑較小的須根抗拉強度較大，對根系護坡起到主要作用。沙地柏單根伸長率、截面收縮率隨著根系直徑的增大呈直線形式減小，且相關系數都較高，由此可以看出根系直徑較小，根系伸長率較大，從側面反映出隨著根系直徑的增加，韌性減小。以上試驗結果分析可以用來預測和評估植物的固土護坡作用，對有效地進行水土保持、植物的選擇及優化組合、發揮生物工程措施的固土潛能具有指導意義。

參考文獻：

[1] 周德培，張俊云.植被護坡工程技術[M].北京：人民交通出版社，2003.

[2] 王治國，張云龍，劉徐師，等.林業生態工程學[M].北京：中國林業出版社，2000.

[3] 王可鈞，李焯芬.植物固坡的力學簡析[J].巖石力學與工程學報，1998，17（6）：687-691.

[4] 朱清科，陳麗華，張東升，等.貢嘎山森林生態系統根系固土力學機制研究[J].北京林業大學學報，2002，24（7）：64-67.

[5] 楊永紅，劉淑珍，王成華，等.淺層滑坡生物治理中的喬木根系抗拉實驗研究[J].水土保持研究，2007，14（1）：138-140.

[6] 李賀鵬，岳春雷，陳友吾，等.浙南山區6種優勢喬木植物根系的力學特性研究[J].浙江林業科技，2010，30（3）：6-11.

[7] 張超波.植物根系固土護坡力學基礎研究[D].北京：北京林業大學，2011.

[8] 耿? 威.4種植物單根持續拉力下的抗拉特性[D].呼和浩特：內蒙古農業大學，2008.

[9] 王劍敏，沈烈英，趙廣琦.中亞熱帶優勢灌木根系對土壤抗剪切力的影響[J].南京林業大學學報（自然科學版），2011，35（2）：47-50.

[10] 劉國彬，蔣定生，朱顯漠.黃土區草地根系生物力學特性研究[J].土壤侵蝕與水土保持學報，1996，2（3）：21-28.

[11] 程? 洪，張新全.草本植物根系網固土原理的力學試驗探究[J].水土保持通報，2002，22（5）：20-23.

[12] 李成凱.青藏高原黃土區4種草本植物單根抗拉特性研究[J].中國水土保持，2008（5）：33-34.

[13] 張小娟.高速公路護坡植物根系分布及力學特性研究[D].陜西楊凌：西北農林科技大學，2013.