廖晶晶，羅緒強(qiáng)，羅光杰，魏華煒

（1.貴州師范學(xué)院 地理與旅游學(xué)院，貴州 貴陽550018；2.白云區(qū)環(huán)境監(jiān)測站，貴州 貴陽550014）

生態(tài)護(hù)坡實(shí)質(zhì)上是用活的植物或者用植物和非生命的材料相結(jié)合的方式以穩(wěn)定坡面和防止侵蝕。植物根系的存在提高了邊坡土體的黏聚強(qiáng)度、根系與土體之間的摩擦力，從而提高邊坡土體的抗剪強(qiáng)度，而植物對邊坡土體的穩(wěn)固主要是通過淺層根系的加筋作用、深層垂直根系的錨固作用和水平根系的牽引作用來實(shí)現(xiàn)的［1］。國內(nèi)外一些學(xué)者對植物根系的加筋作用進(jìn)行了研究。Reubens等［2］通過研究得出了根系面積與根系所貢獻(xiàn)的抗剪強(qiáng)度呈正比例關(guān)系。Van Beek等［3－5］通過有限差分法、極限平衡法、有限元法評價了植物根系對邊坡土體的加強(qiáng)作用。劉秀萍等［6］通過三軸試驗(yàn)，得出根—土復(fù)合體在含水量相同的情況下，隨根徑增大，復(fù)合體的強(qiáng)度提高率增大；垂直根和復(fù)合根的根—土復(fù)合體明顯提高土體的強(qiáng)度，水平根的根—土復(fù)合體對于提高土體強(qiáng)度不太明顯。陳昌富等［7］采用室內(nèi)試驗(yàn)方法研究了草根加筋土護(hù)坡加筋原理，試驗(yàn)結(jié)果表明，其加筋機(jī)理可以用準(zhǔn)黏聚力原理來解釋，并提出了加筋黏性土的準(zhǔn)黏聚力計算方法。黃曉樂等［8］對草本植物進(jìn)行樣地種植和室內(nèi)直剪試驗(yàn)，證實(shí)和量化了草本植物根系增強(qiáng)土壤抗剪切強(qiáng)度的作用。護(hù)坡植物是控制土壤侵蝕的最積極因素之一，利用植物根系對土壤結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化，以及對邊坡生態(tài)系統(tǒng)的改善等作用，能使邊坡穩(wěn)定和控制水土流失，同時，能確保邊坡植物的水平和垂直結(jié)構(gòu)合理，生態(tài)系統(tǒng)演替有序和景觀優(yōu)美。上述研究都是分別考慮以草本根—土復(fù)合體、灌木根—土復(fù)合體或林木根—土復(fù)合體狀況下根系對土體強(qiáng)度的增強(qiáng)作用，而不同護(hù)坡植物根—土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的對比研究鮮有報道。隨著植被護(hù)坡的不斷推廣應(yīng)用，根—土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度、黏聚力及內(nèi)摩擦角值與含根量之間的變化差異在選擇護(hù)坡植物中顯得越來越重要，各類植物根—土復(fù)合體對增強(qiáng)土體抗剪強(qiáng)度作用效果等方面的研究已成為很迫切的課題。

本文通過在3種不同植物根系下素土、根—土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，對比分析根—土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度、黏聚力及內(nèi)摩擦角值與含根量之間的變化差異。目的是分析不同根含量、不同物種根系分別對抗剪強(qiáng)度的影響，以評價其護(hù)坡力學(xué)強(qiáng)度增強(qiáng)效應(yīng)。這項研究將有助于為試驗(yàn)區(qū)和相似地區(qū)開展邊坡淺層護(hù)坡、水土流失等地質(zhì)災(zāi)害的防治提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴州省中部的福泉市和甕安縣境內(nèi)的甕福磷礦山，海拔1 170m，坡度20°～55°，排棄的巖土混合物由粉粒、粉砂粒及碎石組成，結(jié)構(gòu)松散。區(qū)內(nèi)屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，年均溫度15℃左右，年積溫5 490℃，無霜期270d。年均降水量1 135.1mm，光、熱、水同季，土壤類型以石灰土最多，黃壤次之，水稻土和紫色土較少［9］。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用的土樣取自甕福磷礦山試驗(yàn)區(qū)，土質(zhì)類型為粉土。試驗(yàn)選用的植物為灌木紫穗槐和胡枝子及草本植物狗牙根，生長期為1a。紫穗槐喜干冷氣候，耐寒耐旱，在沙地、鹽堿地和貧薄土壤上均能生長，可在荒山、沙荒、鹽堿地、濕地、河岸、公路、鐵路兩旁栽植，有防風(fēng)固沙、保持水土的作用。胡枝子為中性樹種，性喜溫暖干燥的氣候條件，是很好的綠化材料，還是荒山、荒地的最好綠化樹種［10］。狗牙根屬禾本科草本植物，具根莖，喜溫暖濕潤氣候，極耐熱和抗旱，覆蓋性好，蔓延速度快，耐踐踏，再生力強(qiáng)［11］。

2.2 試樣制備方法

土壤的物理性質(zhì)對土壤的抗剪切強(qiáng)度影響很大，土壤的抗剪強(qiáng)度與土壤的顆粒組成、土壤容重、土壤含水率等因素密切相關(guān)。試驗(yàn)土樣取自甕福磷礦山試驗(yàn)區(qū)，為了避免表層雜草及其他雜質(zhì)的影響，取樣時從地表往下5—20cm處取樣，切取原狀土試樣。試驗(yàn)區(qū)土壤的干、濕密度分別為1.498，1.648g／cm3，含水率為11.87%，孔隙率為32.46%，孔隙比為0.459。土壤顆分試驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行。土樣粒徑分布均勻性差，大顆粒主要集中在＞5mm，巖粒占53.45%，這為室內(nèi)配置擾動土壤提供參考。

選取直徑為0.2～1.2mm的紫穗槐、胡枝子及狗牙根根系，統(tǒng)一剪成長為環(huán)刀高度（2cm）的根段進(jìn)行室內(nèi)直剪（快剪）試驗(yàn)，并確保每個根段垂直通過剪切面。每組試樣設(shè)4個重復(fù)，分別在4種不同法向應(yīng)力（100，200，300及400kPa）下進(jìn)行抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)。具體步驟如下：在含水率為11.87%下，分別進(jìn)行以含根量為0.1，0.3，0.5，0.7和1.0g／60cm3的試驗(yàn)，同時與無根土樣進(jìn)行對比，以分析不同含根量的3種植物（紫穗槐、胡枝子、狗牙根）根系對甕福磷礦山邊坡巖土體抗剪強(qiáng)度的影響。

稱取800g擾動土樣，利用輕型擊實(shí)儀將試樣擊實(shí)25次，注意保證所有試樣所受的擊實(shí)功相同。具體步驟是：先擊5次試樣使試樣初步成型。接著把統(tǒng)一長2cm、含根量為0.1g／60cm3的根系垂直均勻的倒插入環(huán)刀面積范圍內(nèi)，然后再擊實(shí)20次，得到根土復(fù)合土餅［12］。重復(fù)上述步驟制得其他含根量的試樣。轉(zhuǎn)動手輪，使上盒前端鋼球剛好與量力環(huán)接觸；調(diào)整量力環(huán)中的測微表讀數(shù)為零。施加垂直壓力后拔出固定銷，開動秒表；以4～12轉(zhuǎn)／min勻速旋轉(zhuǎn)手輪，使試樣在3～5min內(nèi)剪壞。如量力環(huán)中測微表指針不再前進(jìn)，或者顯著后退，則表示試樣已被剪壞［13］。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同含根量對抗剪強(qiáng)度的影響

紫穗槐、胡枝子和狗牙根0.2～1.2mm徑級不同含根量的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 不同含根量、法向應(yīng)力對紫穗槐、胡枝子和狗牙根根系抗剪強(qiáng)度的影響

由表1可知，在不同法向應(yīng)力作用下，有根擾動土的抗剪強(qiáng)度均高于無根擾動土的抗剪強(qiáng)度。對3種植物根—土復(fù)合體在不同法向應(yīng)力和不同含根量的條件下進(jìn)行雙因素方差分析顯示，法向應(yīng)力、含根量對根—土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的影響極顯著（p＜0.01，表2），表明紫穗槐、胡枝子和狗牙根根系的存在提高了土體的抗剪強(qiáng)度。因此，在一定條件下，可以把土壤抗剪強(qiáng)度的增加歸結(jié)為植物根系存在的結(jié)果［14］。在同一法向應(yīng)力下，隨著含根量的增大，紫穗槐、胡枝子和狗牙根3種植物根—土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，并存在峰值。這說明植物根系對提高土體抗剪強(qiáng)度的作用存在最佳含根量區(qū)域，這與前人研究結(jié)論相一致［12－15］。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是：當(dāng)土中的含根量較少時，根土可充分接觸并發(fā)揮摩阻作用，另一方面，根系的深入形成根—土復(fù)合體，使根的抗拉及抗剪能力傳入到土的抗剪能力中，進(jìn)而約束了土體在橫向和軸向的變形，且隨著含根量的增大其抗剪強(qiáng)度也增大，直到達(dá)到一個峰值。

表2 3種植物根－土復(fù)合體在不同法向應(yīng)力和不同含根量條件下的雙因素方差分析結(jié)果

將表1中3種植物各6組試樣的不同荷載及對應(yīng)的剪切強(qiáng)度用origin軟件進(jìn)行擬合分析，得到法向應(yīng)力與抗剪強(qiáng)度關(guān)系的擬合曲線（圖1—3）。根據(jù)直剪試驗(yàn)原理［16］，繪制關(guān)系曲線中，直線的傾角（與水平線的夾角）為根—土復(fù)合體的內(nèi)摩擦角φ，根—土復(fù)合體的黏聚力c在縱坐標(biāo)上反映為截距。曲線擬合后試樣的決定系數(shù)較高，其中決定系數(shù)最小為R2＝9.936 9，最大為R2＝9.997 6，說明用直線回歸擬合土體的抗剪強(qiáng)度效果良好，與庫倫強(qiáng)度公式吻合，得出的結(jié)論是［8］：根—土復(fù)合體服從莫爾—庫侖強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則。

圖1 紫穗槐不同含根量根－土復(fù)合體試樣剪切擬合曲線

圖2 胡枝子不同含根量根－土復(fù)合體試樣剪切擬合曲線

圖3 狗牙根不同含根量根－土復(fù)合體試樣剪切擬合曲線

3.2 不同物種根系對抗剪強(qiáng)度的影響

通過DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對表1的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析，得到無根系擾動土、紫穗槐、胡枝子及狗牙根根—土復(fù)合體黏聚力c，內(nèi)摩擦角φ值的變化情況（表3）。

表3 紫穗槐、胡枝子、狗牙根根－土復(fù)合體c，φ值的變化

由表3可知，3種植物根—土復(fù)合體的黏聚力及內(nèi)摩擦角明顯大于無根擾動土，但3種植物根—土復(fù)合體的黏聚力的變化不顯著，而狗牙根根—土復(fù)合體內(nèi)摩擦角φ的變化與無根擾動土內(nèi)摩擦角φ的變化不顯著，紫穗槐、胡枝子根—土復(fù)合體與無根土內(nèi)摩擦角φ的變化很顯著。這表明3種植物根系的存在能提高土體的黏聚力，進(jìn)而增強(qiáng)土體的抗剪切強(qiáng)度。原因可以解釋為［17］：根系的彈性模量大于土體的彈性模量，且抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于土體，當(dāng)土體因剪切發(fā)生破壞時，根系和土體相互協(xié)調(diào)，一起抵抗變形，因此根系的存在能夠增強(qiáng)土體的抗剪強(qiáng)度。平均提高幅度從大到小依次是紫穗槐47.5%，狗牙根39.2%，胡枝子38.9%。

狗牙根根系對土體抗剪強(qiáng)度的增加并不體現(xiàn)在增大土體內(nèi)摩擦角上，這與紫穗槐和胡枝子有所不同。這種現(xiàn)象可以解釋為：試驗(yàn)用紫穗槐和胡枝子植物根系大多集中在直徑0.7mm左右，而狗牙根直徑主要集中在0.5mm左右，紫穗槐和胡枝子植物根系直徑普遍大于狗牙根根系直徑。作為木本植物，紫穗槐和胡枝子的根系硬度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于狗牙根根系。在土體承受荷載產(chǎn)生變形破壞時，狗牙根根系依靠自身抗拉強(qiáng)度和增加與土顆粒之間的摩擦阻力來抵抗土體變形，起到的是加筋作用［17］，而紫穗槐和胡枝子根系硬度較大，在土體剪切破壞過程中不僅能夠依靠自身抗拉強(qiáng)度和增加土顆粒之間的摩擦阻力來抵抗土體變形外，還能依靠自身硬度大的特性，起到支撐土體的作用。紫穗槐和胡枝子根系與狗牙根根系相比，能獨(dú)立承受荷載，不僅能發(fā)揮根系抗拉強(qiáng)度，還能發(fā)揮其抗壓強(qiáng)度的作用。紫穗槐和胡枝子根系增強(qiáng)土體強(qiáng)度的能力更強(qiáng)，其增加土體抗剪強(qiáng)度不僅表現(xiàn)在黏聚力的增長上，也表現(xiàn)在增大土體內(nèi)摩擦角上。3種植物根—土復(fù)合體內(nèi)摩擦角平均提高幅度從大到小依次為胡枝子19.3%，紫穗槐16.9%，狗牙根7.2%。

4 結(jié)論

（1）根系的存在提高了土體的抗剪強(qiáng)度，根—土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度隨著含根量的增加而增大，但當(dāng)含根量達(dá)到一定數(shù)值時根—土復(fù)合體的強(qiáng)度增加并不明顯，即存在最佳含根量區(qū)域。

（2）紫穗槐、胡枝子和狗牙根根根—土復(fù)合體較無根擾動土，黏聚力c值和內(nèi)摩擦角φ值均有增加，c值增加的幅度相對較大，φ值增加的幅度相對較小。黏聚力平均提高幅度從大到小依次是紫穗槐47.5%，狗牙根39.2%，胡枝子38.9%；內(nèi)摩擦角提高幅度從大到小依次是胡枝子19.3%，紫穗槐16.9%，狗牙根7.2%。

（3）紫穗槐及胡枝子根—土復(fù)合體和狗牙根根—土復(fù)合體對土壤的抗剪強(qiáng)度影響不同。在工程實(shí)踐中，考慮具體條件和要求選擇不同的物種，以達(dá)到最佳的治理效果。

通過本試驗(yàn)研究，闡明了在不同含根量、不同法向應(yīng)力作用下，有根系存在的根—土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度明顯高于無根擾動土的抗剪強(qiáng)度，初步總結(jié)出不同含根量、不同植物根系對根—土復(fù)合體抗剪的影響規(guī)律，可為試驗(yàn)區(qū)和相似地區(qū)開展邊坡淺層護(hù)坡，治理水土流失等地質(zhì)災(zāi)害的防治提供理論依據(jù)。本試驗(yàn)沒有對0.2～1.2mm非木質(zhì)化根和木質(zhì)化根的根—土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度進(jìn)行研究，今后應(yīng)針對不同徑級根系的根—土復(fù)合體抗剪性能的變化規(guī)律進(jìn)行深入研究，為防風(fēng)固土，防治荒漠化和水土流失提供更科學(xué)的理論依據(jù)。

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