5种植物两个生长时期根系生物力学特性的研究
【摘要】： 本文针对春季土壤干旱和夏季暴雨后两种自然条件,以黑岱沟露天煤矿排土场内人工栽植的5种4年生水土保持植物,沙棘(Hippophae rhamnoides)、小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)、羊柴(Hedysarum mongdicum)、紫花苜蓿(Medicago sativa)和沙打旺(Astragalus adsurgens)的直根为对象,采用土力学与材料力学原理及研究方法,通过室内单根轴向极限拉伸试验、根-土复合体竖向拉拔试验、根-土复合体直剪试验和根-土界面摩擦特性试验,研究生长初期和生长旺盛期,5种植物根系固土抗蚀的力学特性,分析其种间差异性,并对影响5种植物根系固土的8项指标进行主成分分析,探究影响根系固土的主导力学因素。研究结果表明:(1)5种植物根系直径在0-6 mm范围内时,单根极限抗拉力在生长初期和生长旺盛期随直径增加均呈幂函数增长趋势,单根极限抗拉强度在生长初期和生长旺盛期随直径的增加呈幂函数递减趋势。在0-6 mm范围内,单根极限抗拉力和单根极限抗拉强度除羊柴外,紫花苜蓿、沙棘、小叶锦鸡儿、沙打旺均为生长初期值大于生长旺盛期值。沙棘代表根单根平均极限抗拉力在生长初期(62.97±1.19 N)和生长旺盛期(35.37±1.11 N)均为最大。(2)在1-1.5 mm代表根径级范围内,5种植物单根的应力-应变曲线整体呈单峰曲线;小叶锦鸡儿在生长初期(25.63%)和生长旺盛期(20.86%)极限延伸率值均最大。小叶锦鸡儿和羊柴根系与其他3种植物相比具有较好的抗拉伸变形能力。(3)根-土复合体抗剪强度、根-土复合体残余抗剪强度和素土剪切关系均服从摩尔-库伦理论。在12.5 KPa和25 KPa荷载下,两个生长时期5种植物根-土复合体抗剪强度和残余抗剪强度值均大于素土的值,且生长初期根-土复合体抗剪强度值和残余抗剪强度值均大于生长旺盛期值。沙打旺的抗剪特性和残余抗剪特性较其他4种植物均较强。经对5种植物两个荷载、两个生长时期的抗剪特性和残余抗剪特性进行综合分析,得到土体中根系的加入对内摩擦角值的变化无显著影响,粘聚力值增大时根-土复合体抗剪强度值亦具有明显提高。(4)在12.5 KPa和25 KPa荷载下,两个生长时期根-土界面的抗剪强度增长率和粘聚力增长率值均大于土-土界面的值。植物种间在生长初期和生长旺盛期根-土界面抗剪强度增长率和粘聚力增长率值大小顺序一致为:小叶锦鸡儿>沙棘>羊柴>沙打旺>紫花苜蓿。在12.5 KPa(0.8 m土层)荷载条件下植物根系能更好地发挥固土作用。沙打旺在两个生长时期根-土界面内摩擦角和摩擦系数均为最大,且生长旺盛期值(38.31°±1.63,0.79±0.14)>生长初期值(38.04°±1.19,0.78±0.15)。(5)春季土壤干旱时期综合主成分得分排序为:根-土界面摩阻特性>根-土复合体抗剪特性>根系抗拉力学特性;夏季暴雨后综合主成分得分排序为:根系抗拉力学特性>根-土界面摩阻特性>根-土复合体抗剪特性。
【学位授予单位】：内蒙古农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
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