香根草根系固土原理的力學(xué)試驗(yàn)研究

呂正勛　史新偉　李世偉

（河南省水利科學(xué)研究院，河南　鄭州　450002）

香根草根系固土原理的力學(xué)試驗(yàn)研究

呂正勛史新偉李世偉

（河南省水利科學(xué)研究院，河南鄭州450002）

植物護(hù)坡作為邊坡的一種新型的防護(hù)手段，目前越來(lái)越受到重視。本文通過對(duì)香根草根系的固土原理的力學(xué)試驗(yàn)研究，得出香根草在固土護(hù)坡方面的效果明顯，對(duì)于提高土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性有一定的效果。

香根草；根土復(fù)合體；抗拉試驗(yàn)；拉拔試驗(yàn)

香根草（Vetiveria zizaniondes）屬于禾本科香根草屬，系多年生草本植物。由于其根系發(fā)達(dá)，且向地下縱深發(fā)展，以及所具有的其他諸多特性，自20世紀(jì)80年代以來(lái)就受到世界各國(guó)的青睞，成為知名的水土保持和斜坡固定植物［1］。香根草技術(shù)是一項(xiàng)新型的生物工程技術(shù)，也是植物學(xué)與工程學(xué)的學(xué)科邊緣交叉技術(shù)。香根草根系具有很強(qiáng)的抗剪切能力，并且可以和土體牢固地結(jié)合成整體，當(dāng)邊坡土體向下滑動(dòng)時(shí)，根土復(fù)合體能夠產(chǎn)生抗力來(lái)阻止邊坡土體向下滑動(dòng)，從而增強(qiáng)邊坡工程的穩(wěn)定性。本文通過對(duì)根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度和根系的抗拉試驗(yàn)研究，得出土質(zhì)邊坡采取香根草技術(shù)防護(hù)的可行性。

1　試驗(yàn)材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

香根草于2015年7月取自南陽(yáng)香根草生態(tài)草種種植基地；選用某堤壩填壩材料作為根土復(fù)合體的主要土體材料。

1.2根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)

試驗(yàn)制作香根草含根量分別為0%、0.5%、1%、2%和4%的根土復(fù)合體，通過剪切試驗(yàn)研究含根量對(duì)根土復(fù)合體力學(xué)性能的影響，從而得出含根量對(duì)堤壩邊坡穩(wěn)定性能的影響程度。

1.3根系抗拉試驗(yàn)

試驗(yàn)分別進(jìn)行不同直徑香根草單根系和相同長(zhǎng)度不同香根草根數(shù)的拉拔試驗(yàn)，通過試驗(yàn)得出香根草的抗拉拔能力。試驗(yàn)結(jié)束后采用游標(biāo)卡尺測(cè)定斷裂面香根草根系的直徑，而后利用公式（1）計(jì)算獲取該組根系的抗拉強(qiáng)度［2，3］。

式（1）中：F為香根草根系的最大抗拉力，kN；D為根系斷裂時(shí)等效直徑，mm。

表1　根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度測(cè)定值

圖1　根土復(fù)合體剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線

圖2　剪應(yīng)力-垂直應(yīng)力關(guān)系曲線

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1含根量對(duì)土體抗剪特性影響的試驗(yàn)結(jié)果分析

圖1為香根草含量分別為0%、0.5%、1%、2%和4%時(shí)根土復(fù)合體直剪試驗(yàn)過程中剪切位移-剪應(yīng)力關(guān)系曲線；圖2為各試樣剪應(yīng)力-垂直應(yīng)力關(guān)系曲線；表1為各試樣剪切過程中最大剪應(yīng)力，以及不同含根量下各組試樣的剪切強(qiáng)度。

圖1可知，隨法向壓力的增大，根-土復(fù)合體試樣的剪應(yīng)力呈明顯的增大趨勢(shì)。并且隨著式樣香根草含根量的增多，在相同法向壓力作用下，試樣的剪應(yīng)力呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。

由表1和圖2可知，根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度明顯大于無(wú)根土體的抗剪強(qiáng)度。隨含根量的增大，根-土復(fù)合體的粘聚力呈先增大后減小趨勢(shì)，原因在于含根量較小時(shí)（特別是1%、2%時(shí)），制備根-土復(fù)合體試樣時(shí)香根草根系能夠與土體緊密接觸，根系能夠與土體顆粒充分摩擦，從而使土體的粘聚力增大明顯；而含根量超過一定數(shù)值時(shí)（4%），試樣制備時(shí)根系含量多，根系間相互接觸較多且試樣內(nèi)孔隙較大，根系與土顆粒不能充分接觸，兩者摩擦不夠充分，故而黏聚力相對(duì)較小。

表2　香根草根系的抗拉強(qiáng)度匯總

2.2香根草根系拉拔試驗(yàn)結(jié)果分析

本試驗(yàn)分別進(jìn)行12組單根拉拔試驗(yàn)和5組組合根系拉拔試驗(yàn)，以測(cè)定相同長(zhǎng)度不同直徑的香根草根系抗拉能力和香根草的群根效應(yīng)。表2為香根草根系的抗拉強(qiáng)度匯總。

根據(jù)表2繪制出圖3和圖4。從圖3和圖4中可以得出，香根草根莖的最大抗拉力隨根系直徑的增加呈增大趨勢(shì)。并且隨著香根草根系直徑的增大，其最大抗拉強(qiáng)度呈減小趨勢(shì)。

圖3　最大抗拉力隨根系直徑的變化規(guī)律

圖4　最大抗拉強(qiáng)度隨根系直徑的變化規(guī)律

3　結(jié)論

通過本試驗(yàn)的研究可知，香根草的根系可以提高土體的抗剪強(qiáng)度，對(duì)于增強(qiáng)土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性能夠起到明顯的作用。通過對(duì)香根草根系的抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)表明，其強(qiáng)度值是相同直徑鋼筋強(qiáng)度的1/6。本試驗(yàn)的結(jié)果為香根草根系防護(hù)邊坡的工程力學(xué)特性提供了技術(shù)支撐。

［1］王雙生，徐禮煜，劉金根.香根草技術(shù)在道路路基防護(hù)與綠化上的作用［J］.交通環(huán)保，2004，25（3）：36-38.

［2］王瓊，宋桂龍，辜再元.邊坡生態(tài)防護(hù)中草本植物根系的力學(xué)試驗(yàn)研究［A］工程綠化理論與技術(shù)進(jìn)展暨全國(guó)工程綠化技術(shù)交流研討會(huì)論文集［C］，2008.

［3］陳麗華，余新曉，張東升，等.整株林木垂向抗拉試驗(yàn)研究［J］.資源科學(xué)，2004，26（s1）：39-43.

Experimental Study on Vetiveria zizanioides Root for Strength Principle of Soil-fixation

Lv ZhengxunShi XinweiLi Shiwei
（Henan Provincial Water Conservancy Research Institute，Zhengzhou Henan 450002）

As a new type of protective measures，plant slope protection has been paid more and more attention.Through the study of soil mechanics test principle on Vetiveria zizanioides root system，the effect of vetiver grass in the slope was obvious，and it had a certain effect for improving the stability of soil slope.

Vetiveria zizanioides；root soil composite；tensile test；pullout test

S154.4

A

1003-5168（2016）05-0095-03

2016-04-27

呂正勛，（1984-），男，碩士，工程師，研究方向：水工結(jié)構(gòu)工程；史新偉（1983-），男，碩士，工程師，研究方向：水工結(jié)構(gòu)工程。