滩涂土壤与植物根系复合体抗剪强度的试验研究

１２　广东农机　２００２年第１期　濉涂土壤与■掬曩系复合恤　抗舅蜀度昀试验研穷　华南农业大学郝彤琦谢小妍洪添胜　表１土壤颗粒分析表　颗粒直径Ｄ／ｎａｎ　ｇｒａｎｕｌｅ　ｄｉａｍｅｔｅｒ　Ｄ／ｎｕｔ．　＞２　ｏ００　２　０００～０　５ｏ０　我国滩涂辽阔，发展滩涂牧草种植业具有　广阔的前景。据报道，许多沿海滩涂适宜种植　从美国引进的名为“互生花大米草”（Ｓｐｒａｒｔｉｎａ　ａｌｔｅｍｉｌｆｏｒａ简称“花米草”）的优质牧草…。由于　沿海滩涂海泥松软且深，承载力很低，作业机　械通过性差，所以影响机械化收获花米草。对　于根系茂密且松软饱和海滩的机械行走方式，　洪添胜等　。进行了研究，提出了采用步行船式　行走机构仿生行走方式，并获实用新型专利。　而茂密的植物根系与松软饱和土壤复合体的抗　剪强度对行走机构的支承与推进，是土壤一机　颗粒含量／％　ｔ￣ｎｕｌｅ　ａｎ￣Ｌｍｔ／％　０．５００～０．２５０　０．２５０—０．１００　Ｏ　１（）ｏ～０　０５０　０　０５０～０　０Ｄ５　《０．０ｏ５　＜０．ＯＤ２　器系统力学研究中有待深入探讨的问题　目前　国内外有关土壤一根系复合体抗剪强度的研　究，大多数以固土护坡和抗水蚀能力为目的…。　本文运用工程力学基础理论和土力学试验方　法，研究土壤一根系复合体抗剪强度，剖析植　物根系在增强松软饱和性土壤抗剪强度中的作　用机理，为进一步研制利用植物根系，提高滩　涂行走机构的支承和推进性能提供依据。　０１．２试验方法　毛根直径０．６０～１．１６　ｎｌｌｌｌ，样品自野外采　回后，轻轻冲去泥土，擦干水分，即作测定。　困毛根拉力强度变化很大，目前尚无适宜的拉　力仪，笔者参照文献…制作了简易毛根拉力测　定装置（见图１）。测定时，用夹子夹住毛根两　吣　¨ｍ　；砉　１材料与方法　１　１　试验材料　采集的样本是成熟时期“花米草”的茎、　叶及其根系与土壤（海泥）复合体，取样地点在　广东省珠海市西区沿海滩涂　土壤、毛根、主　根、茎和叶的含水量分别为１１３．５％，２６２％，　２２０％，３６６％，２７２％，土壤平均相对密度为　２．７；土壤颗粒分析结果见表１。　为反映材料的力学特性，在测定时对净根　ｌ滴管槊；２　滴管；３棍夹　４毛根；　５盛水铝盒；６砝码盒　进行清洗和抹干浮水处理，对其它试件未作任　何预处理　Ｆｉｇ．１　图１　毛根拉力测定装置　Ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ　ｉｎｓｌｍｍｎｅｎｔ　ｏｆ　ｒｏｏｔ　ｓｔｒｅｓｓ　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００２年第１期　郝彤琦等：滩涂土壤与植物根系复合体抗剪强度的试验研究　土粒与根系之间的凝聚力，ｋＰａ。　１３　端，记录根系被拉断时砝码质量及滴管加水刻　度即可得出拉力值。滴管可加水２５　ｇ，加水速　度１　ｇ／ｓ，本装置测定范围为０．２５～１０　Ｎ。主　该式形式上与牯性土的抗剪强度的表达形　式相同，但其物理意义有些不同。对粘性土而　言，其抗剪强度包括：①由土颗粒的表面摩擦　力以及颗粒问的嵌人和联锁作用产生的咬合力　组成的内摩擦力；②由原始牯聚力、固化粘聚　力和毛细粘聚力组成的内聚力　而在土壤一　根、茎、叶的拉力均采用弹簧称测定（弹簧秤　在使用前经标定）。毛根、主根和茎的直径及　叶宽用游标卡尺量出，每个重复２次。土壤一　根系复合体抗剪强度的测定按土工试验图规程　进行常规直剪试验，在样品中分层取样。试验　后用清水将根洗净、擦干，采用以下公式计算　含根量：　肛＝Ｒ／Ｇ　（１）　根系复合体中，由于根系的存在，使其摩擦力　分量比土的摩擦力分量要大，同时，土中存在　的根系将大大增加了土的抗拉强度，与粘性土　中仅存在范得华力和库仑力的效果差异较大。　因此，土中根系含量增多，将使复合体的抗剪　强度增大：　式中：　为复合体含根量，　ｇ；月为复合体　含草根质量，　Ｇ为复合体质量，ｇ　２结果与分析　“花米草”根、茎、叶的力学特性　２．３　含根土壤与无根土壤的力学特性比较　笔者对含根土壤与无根土壤的抗剪强度做　２．１　了比较和分析，进行了含根量对土壤抗剪强度　影响的试验研究。结果显示：在相同正应力作　用下，含恨土壤的抗剪强度比无根土壤的大　（见图２）。含根土壤与无根土壤的ｒ与　关系　（２）　可用下列方程描述：　试验结果表明，根（茎、叶）的抗拉力随根　系截面面积的增加而提高，其计算可参照钢筋　混凝土结构中钢筋抗拉力的计算方法：　＝Ａ　；　式中：　为根（茎、叶）抗拉力，Ｎ；Ａ　为根　为根（茎、叶）的　ｒ＝ａｔａｎｌ７．７５。＋１０．８７（含根土壤，ｄ＜５０　ｋＰａ）　（４）　（茎、叶）截面面积，　抗拉强度．ｋＰａ　根据试验结果算出抗拉强度　平均值：毛根　１＝４　８２１．９　ｋＰａ，主根　２＝　１　３８２．２　ｋＰａ，茎　４　８４４．１　ｋＰａ。　＝ａｔａｎｌ２．１１。＋４．６９（无根土壤）　（５）　式中：ｒ，　分别为含根土壤与无根土壤的抗　＝１　８５１．５　ｋＰａ，叶　４＝　剪强度，ｋＰａ；口为土壤正压应力，ｋＰａ。式（４）　和（５）相关系数　分别为０．９９２　４和０．９２２　２。　如　２５　２Ｏ　１５　ｌＯ　５　０　Ｕ　２０　４０　Ｕ　虽然茎和叶的抗拉强度并不影响土壤的抗　剪承载力，但机构行走时压倒的部分草茎和叶　交错排列在土壤表面上，如同给土壤表面加了　一层“钢筋网”，分散集中应力，间接提高了　土壤承载力，可作为安全储备。　２．２　复合体抗剪强度的组成　土壤一根系复合体的含根量、体积密度和　含水量一定时，其抗剪强度ｒ符合库仑定律：　ｒ＝ａｔａｎ￣ｏ＋ｃ　（３）　／ｋＰａ　图２含根土壤与无根土壤ｒ—　关系曲线　Ｆｉｇ．２　—ｒ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｃｏｎｔａｉｎ　ｒｏｏｔ　ｓｏｉｌ　ａｎｄ　ｎｅｔ　ｓｏｉｌ　式中：ｒ为滩涂土壤一根系复合体的抗剪强　度，ｋＰａ；口为正压应力，ｋＰａ；　为土粒与根　如同钢筋混凝土结构一样，当正压力在一　系之间综合内摩擦角，（。）；ｃ为土粒之间、　定范围内时，对提高钢筋混凝土结构抗剪强度　维普资讯 http://www.cqvip.com

１４　广东农机　２００２年第１期　１）具有茂密根系的海滩滩涂土壤一根系复　是有利的，而一旦超出某个范围时，则变为不　利因素　从图２中我们也可以看出复合体所受　到的正压力ｄ＜５０　ｋＰａ时，剪应力ｒ随着正应　力ｄ的增加而提高；但ｄ＞５０　ｋＰａ时，剪应力　ｒ则有所降低，说明正压力对土壤抗剪强度的　合体的抗剪强度ｒ与正压应力　的关系符合　库仑定律ｒ＝ａｔａｎ￣＋ｃ，式中　是土粒与根系　之间的综合内摩擦角（１７．７５。）；ｃ是土粒之间、　土粒与根系之间的凝聚力之和（１０　盯ｋＰａ）。　２）含根土壤的抗剪强度比无根土壤抗剪强　影响成为不利因素。尤其对于本试验中这种高　含水量的试件，正应力过大，会发生土体受压　变形过大而被破坏的现象。　另外，如同钢筋混凝土构件中的配筋率会　度有较大提高。草本植被根系的存在，阻止了　土体受压后沿破坏面的滑动，从而提高了复台　体的抗剪强度。但当正压力ｄ＞５０　ｋＰａ时，承　载力反而降低，含根量几乎不影响复合体的抗　剪强度；另外，由于草比较茂密，收获机械行　走时，压倒部分草的茎和叶，如同在土壤表面　铺了一层“钢筋网”，分散了集中应力，因此　有利于滩涂机械行走机构的支承与推进。　影响其受剪承载力一样，草根的含量也影响复　合体的受剪承载力。试验结果表明，复合体的　抗剪强度随含根量的增加而提高。　参照钢筋混凝土构件受剪承载力计算公　式…，可用以下公式描述复合体抗剪强度ｒ与　含根量Ｍ之间的关系：　ｒ＝＂ｔｏ＋０．１４Ｗ　（６）　３）复合体的抗剪强度ｒ随含根量Ｍ的增　加而提高，可采用公式（６）来计算单位面积上　毛根虽然截面面积小，但数量较多；主根　截面面积较大，但数量较少，所以　可取毛　根　与主根　的抗剪强度的平均值。公式（６）　复合体的抗剪承载力　总之，根系增加了土壤　的凝聚力、土壤与根系之间的摩擦力，提高了　土壤的抗剪承载力　参考文献　１　洪添胜，区颖刚，罗锡文．沿海滩潦牧草生产机　械化的设想ｌＡ】．见：现代农业发展的战略与对策—海　的适用范围为　＜５０　ｋＰａ。实测值与公式计算　结果见图３。　６Ｏ　要４ｏ　２０　０　０　峡两岸农业科技发展研讨会论文集［ＣＪ．广州：暨南大学　出版社，１９９７．２６９—２７２　２洪添胜，张泰岭，罗锡文．等．步行船式车辆　２　４　肘，　６　ｇ一　８　１０　行走稳定性的比较研究川．农业工程学报，１９９９，１５　（１）：６３—６８　图３　Ｆｉｇ．３　ｒ一脾关系图　ｒ—Ｍｒ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓ　３杨亚川，莫永京，王芝芳，等．土壤一草本植　被根系复合体抗水蚀强度与抗剪强度的试验研究…．　中国农业大学学报．１９９６，１（２）：３１—３８　４　铷国彬，蒋定生，朱显谟１９９６，２（３）：２１～２８　如同钢筋混凝土构件具有较高的抗剪强度　是由于钢筋具有较大的抗拉强度，且与混凝土　之间存在着粘结力一样，当土壤受剪产生滑动　时，根系与土壤之间的摩擦力和茂密根系与土　壤之间产生的胶合力就会通过根系受拉来阻止　土体滑动，从而提高了土壤的抗剪强度。　黄土区草地根系　生物力学特性研究【Ｊ】．土壤侵蚀与水土保持学报，　５　黄文熙．土的工程性质【ｕ］北京：水利电力　出版社，１９８３．３９～３２７　６　中华人民共和国原城乡建设环境保护部．混　凝土结构最计规范（ＧＢＪ１０—８９）北京：中国建筑工业　出版社，［９９１．３—６４～３—７２　３　结论