青藏高原东北部黄土区灌木柠条锦鸡儿单根抗拉力学特性研究.pdf
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1、第3 0卷第5期2 0 2 3年1 0月水土保持研究R e s e a r c ho fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o nV o l.3 0,N o.5O c t.,2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 1-1 1-0 1 修回日期:2 0 2 2-1 1-2 6 资助项目:国家自然科学基金资助项目(4 2 0 0 2 2 8 3,4 2 0 6 2 0 1 9);第二次青藏高原综合科学考察研究项目(2 0 1 9 Q Z KK 0 9 0 5)第一作者:石川(1 9 9 7),男,青海西宁人,硕士研究生,研究方向生态工程地质。E-m a
2、 i l:s h i c h u a n w j 1 6 3.c o m 通信作者:刘亚斌(1 9 8 7),男,青海西宁人,副教授,博士,研究方向生态工程地质。E-m a i l:l i u y a b i n c u g 1 6 3.c o mh t t p:s t b c y j.p a p e r o n c e.o r gD O I:1 0.1 3 8 6 9/j.c n k i.r s w c.2 0 2 3.0 5.0 4 2.石川,梁燊,刘亚斌,等.青藏高原东北部黄土区灌木柠条锦鸡儿单根抗拉力学特性研究J.水土保持研究,2 0 2 3,3 0(5):1 8 4-1 9 2.S
3、H IC h u a n,L I AN GS h e n,L I UY a b i n,e t a l.R e s e a r c ho nT e n s i l eR e s i s t a n c eC h a r a c t e r i s t i c s o f S i n g l eR o o t o fC a r a g a n ak o r s h i n s k i iK o m.i nL o e s sR e g i o no fN o r t h e a s t e r nQ i n g h a i-T i b e tP l a t e a uJ.R e s e a r c
4、 ho fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o n,2 0 2 3,3 0(5):1 8 4-1 9 2.青藏高原东北部黄土区灌木柠条锦鸡儿单根抗拉力学特性研究石 川1,梁 燊1,刘亚斌1,2,朱海丽1,2,李国荣1,2,胡夏嵩1,2,缪晓星3,王延秀3(1.青海大学 地质工程系,西宁8 1 0 0 1 6;2.青藏高原北缘新生代资源环境重点实验室,西宁8 1 0 0 1 6;3.青海省水土保持中心,西宁8 1 0 0 1 6)摘 要:目的 柠条锦鸡儿(C a r a g a n ak o r s h i n s k i iK o m.)是青藏
5、高原东北部和黄土高原地区最为广泛的护坡和水土保持灌木之一,开展该种植物单根抗拉力学特性试验研究,为定量评价该种植物固土护坡效果提供理论依据。方法 以根径为2.3 39.1 6mm的中龄期柠条锦鸡儿根系为研究对象,通过单根拉伸试验对比分析了不同断裂模式和不同根径级别条件下,柠条锦鸡儿单根抗拉力学特性的差异性及其与根径之间的关系,并进一步探讨了单根断裂破坏模式及其应力应变特征。结果 柠条锦鸡儿单根存在周皮断裂和整体断裂2种断裂模式,2种断裂模式单根抗拉力和单根抗拉强度分别在(2,4,(4,6 和(6,8mm以及(6,8mm根径级别条件下存在显著性差异;相同断裂模式不同根径级别之间,4个单根抗拉力学
6、特性指标差异程度各不相同。周皮断裂和整体断裂模式条件下,单根抗拉力随着根径的增大分别呈指数函数和幂函数增长趋势;单根抗拉强度、弹性模量和极限延伸率随着根径增大而降低。2种断裂模式的产生取决于单根受拉伸作用时,周皮、中柱鞘薄壁组织和次生维管组织的应力状态;对应的单根应力应变曲线表现为弹性变形、弹塑性变形、应变硬化及周皮(断裂)破坏4个阶段。结论 在采用单根拉伸试验来获取木本植物根系单根抗拉力学特性指标时,有必要考虑根径和断裂模式对单根抗拉力学特性的影响。关键词:青藏高原东北部;柠条锦鸡儿;单根拉伸试验;力学特性;断裂模式;应力应变特征中图分类号:S 1 5 7.9 文献标识码:A 文章编号:1
7、0 0 5-3 4 0 9(2 0 2 3)0 5-0 1 8 4-0 9R e s e a r c ho nT e n s i l eR e s i s t a n c eC h a r a c t e r i s t i c so fS i n g l eR o o t o fC a r a g a n ak o r s h i n s k i iK o m.i nL o e s sR e g i o no fN o r t h e a s t e r nQ i n g h a i-T i b e tP l a t e a uS H IC h u a n1,L I ANGS h e n1,
8、L I UY a b i n1,2,Z HU H a i l i1,2,L IG u o r o n g1,2,HUX i a s o n g1,2,M I AOX i a o x i n g3,WANGY a n x i u3(1.D e p a r t m e n t o fG e o l o g i c a lE n g i n e e r i n g,Q i n g h a iU n i v e r s i t y,X i n i n g8 1 0 0 1 6,C h i n a;2.K e yL a b o r a t o r yo fC e n o z o i cR e s o u
9、 r c e sa n dE n v i r o n m e n t o nt h eN o r t h e r nE d g eo ft h eQ i n g h a i-T i b e tP l a t e a u,X i n i n g8 1 0 0 1 6,C h i n a;3.Q i n g h a iS o i la n dW a t e rC o n s e r v a t i o nR e s e a r c hC e n t e r,X i n i n g8 1 0 0 0 1,C h i n a)A b s t r a c t:O b j e c t i v eC a r
10、 a g a n ak o r s h i n s k i iK o m.i s o n e o f t h em o s tw i d e l yu s e d s h r u b s f o r s l o p e p r o t e c t i o na n d s o i la n dw a t e r c o n s e r v a t i o n i n t h e n o r t h e a s t e r nQ i n g h a i-T i b e tP l a t e a ua n d t h eL o e s sP l a t e a u.T h e e x p e r
11、i m e n t a l s t u d yo nt h e t e n s i l em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so f as i n g l e r o o to fC.k o r s h i n s k i iw a s c a r r i e do u t t op r o v i d ea t h e o r e t i c a lb a s i s f o r q u a n t i t a t i v e e v a l u a t i o no f s o i l f i x a t i o na n ds l o p ep
12、r o t e c t i o no f t h i sp l a n t.M e t h o d sS i n g l e r o o t o fC.k o r s h i n s k i iw i t hr o o t d i a m e t e r so f 2.3 39.1 6mma tm i d d l e a g ew a s t a k e na s t h e r e s e a r c ho b j e c t.T h ed i f f e r-e n c e so f t e n s i l e r e s i s t a n c e c h a r a c t e r i
13、 s t i c s o f s i n g l e r o o t o fC.k o r s h i n s k i iu n d e r d i f f e r e n t f a i l u r em o d e s a n dd i f-f e r e n t r o o td i a m e t e rg r a d e sa n dt h e i rr e l a t i o n s h i pw i t hr o o td i a m e t e rw e r ec o m p a r e da n da n a l y z e dv i as i n g l er o o t
14、t e n s i l et e s t,a n dt h ef a i l u r em o d eo fs i n g l er o o ta n di t ss t r e s s-s t r a i nc h a r a c t e r i s t i c sw e r ef u r t h e rd i s-c u s s e d.R e s u l t sT w om o d e so f f a i l u r eo fas i n g l er o o t,t h ep e r i d e r mp r e f e r e n t i a lb r e a k a g em o
15、 d ea n dt h es y n c h r o n o u sb r e a k a g em o d e,o c c u r r e dw h e nt h er o o t sw e r es u b j e c t e dt os i n g l er o o tt e n s i l et e s t.T h es i n g l er o o t t e n s i l e f o r c ea n ds i n g l er o o t t e n s i l es t r e n g t ho f t h et w of a i l u r em o d e sw e r
16、 es i g n i f i c a n t l yd i f f e r e n tu n d e rt h e c o n d i t i o n so f(2,4,(4,6,(6,8mma n d(6,8mmr o o t d i a m e t e rg r a d e s,r e s p e c t i v e l y(p0.0 5).T h ed i f f e r e n c ed e g r e eo f f o u rs i n g l er o o t t e n s i l er e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i c
17、s i n d e x e sw a sd i f f e r e n tb e t w e e nd i f f e r e n tr o o td i a m e t e rg r a d e sw i t ht h es a m ef a i l u r em o d e.U n d e rt h ep e r i d e r mp r e f e r e n t i a lb r e a k a g em o d ea n dt h es y n c h r o n o u sb r e a k a g em o d e,t h e s i n g l e r o o t t e n
18、s i l e f o r c eo fC.k o r s h i n s k i ii n c r e a s e dw i t h t h e i n c r e a s eo f r o o td i a m e t e r,t h e r ee x i s t e de x p o n e n t i a la n dp o w e rr e l a t i o n s h i p b e t w e e ns i n g l er o o tt e n s i l ef o r c ea n dr o o td i a m e t e r,r e s p e c t i v e l
19、y.I na d d i t i o n,t h es i n g l er o o tt e n s i l es t r e n g t h,s i n g l er o o te l a s t i cm o d u l u sa n ds i n g l er o o t l i m i te x t e n s i l er a t eo fC.k o r s h i n s k i id e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fr o o td i a m e t e r.T h eo c c u r r e n c eo ft h
20、 e s e t w of a i l u r em o d e so fr o o t sd e p e n d so nt h es t r e s ss t a t eo ft h ep e r i d e r m,t h i nw a l lt i s s u eo fm i d d l ec o l u m ns h e a t h,a n dt h es e c o n d a r yv a s c u l a rt i s s u ew h e nas i n g l er o o ti su n d e rt e n s i o n.T h es t r e s s-s t r
21、 a i nc u r v e s f o r t h e t w o f a i l u r em o d e s c a nb ed i v i d e d i n t o f o u r s t a g e s:e l a s t i cd e f o r m a t i o n,e l a s t i c-p l a s t i cd e f o r m a-t i o n,s t r a i nh a r d e n i n ga n df r a c t u r ef a i l u r e.C o n c l u s i o nI ti sn e c e s s a r yt o
22、c o n s i d e rt h ei n f l u e n c eo fr o o td i a m e t e ra n df a i l u r em o d eo ns i n g l er o o tt e n s i l ep r o p e r t i e sw h e ns i n g l er o o tt e n s i l et e s ti su s e dt oo b t a i ns i n g l er o o t t e n s i l ep r o p e r t i e s i n d e x e so fw o o d yp l a n t s p
23、e c i e s.K e y w o r d s:n o r t h e a s t e r n Q i n g h a i-T i b e tP l a t e a u;C a r a g a n ak o r s h i n k i iK o m.;t e n s i l et e s to fs i n g l er o o t;m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s;f a i l u r em o d e;s t r e s s-s t r a i nc h a r a c t e r i s t i c s 青藏高原东北部黄土地貌发育广泛,
24、区内植被覆盖率相对较低,水土流失、滑坡等地质灾害频发,地质和生态环境相对脆弱1-2。近年来,随着区域经济快速发展,区内基础设施建设活动日益加强。工程建设会对原始地貌和生态环境产生一定程度的改造和破坏,从而促进水土流失、滑坡等地质灾害现象的发生,加剧区域生态地质环境问题2-3。诸多研究结果表明,采用植被护坡工程技术,对于防治地区水土流失、浅层滑坡等斜(边)坡浅层地质灾害,并进一步改善生态地质环境,具 有重要的理 论研 究 意 义 和 实 际 价值3-5。由于根系抗拉特性要显著高于土体,故当含根土体受到剪切作用时,根系将土体内部的剪应力通过根土界面摩擦作用转换为根自身的拉应力,并再次通过根土界面摩
25、擦作用将拉应力传递至稳定土体,从而起到增强土体抗剪强度和提高斜(边)坡稳定性的作用6-8。因此,植物根系单根抗拉力学特性评价是植物根系固土护坡力学机制研究和固土护坡效应定量评价的重要基础。目前,在植物根系单根抗拉力学特性研究方面,诸多学者主要通过单根拉伸试验,以获得不同植物单根抗拉力、抗拉强度、弹性模量和极限延伸率等单根抗拉力学特性指标,及其与根径和根系物理化学指标之间的关系,并通过分析单根拉伸应力应变关系,探讨单根抗拉力学行为。一般而言,植物单根抗拉力和抗拉强度愈高,则其抗拔出特性和固土护坡能力愈强8。在单根极限延伸率较小、弹性模量较大的条件下,单根在受拉过程中,能够在产生较小变形的条件下,
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