陳終達，肖宏彬，張春曉，李珍玉，曾娟娟，何 彬，謝佳佑

（中南林業(yè)科技大學 土木工程與力學學院，湖南 長沙 410004）

根系分布方式對根-土復合體抗剪強度的影響

陳終達，肖宏彬，張春曉，李珍玉，曾娟娟，何 彬，謝佳佑

（中南林業(yè)科技大學 土木工程與力學學院，湖南 長沙 410004）

通過對香根草根-土復合體的室內直剪試驗，探討了根系直徑和分布方式對根-土復合體抗剪強度的影響。研究發(fā)現，在其它條件相同的情況下，垂直加斜交等量布根時，復合體的抗剪強度最高；垂直加水平等量布根時，其抗剪強度最低；其它布根方式時，其抗剪強度介于上述二者之間。研究表明，根系分布方式對根-土復合體的粘聚力的影響是非常明顯的，而對其內摩擦角的影響卻并不明顯。同時，在相同根系數量和布根方式條件下，隨著根系直徑的增大根-土復合體的抗剪強度及內摩擦角先增大后減小。當根系直徑達到某一值時，根-土復合體的抗剪強度達到最大值。研究結果對進一步探索生態(tài)護坡工程中根-土復合體的抗剪強度形成機理具有重要的理論意義，也為生態(tài)護坡工程的強度和邊坡穩(wěn)定分析提供了理論依據。

香根草；根-土復合體；抗剪強度；布根方式；根系直徑

隨著生態(tài)護坡技術的不斷發(fā)展，植物根系固土護坡的作用越來越得到學術界和工程界的重視[1]。尤其是近二十年來我國基礎設施建設迅速發(fā)展，出現了大量的裸露邊坡，傳統(tǒng)的剛性護坡方式不僅造價高而且還破壞了原有的生態(tài)環(huán)境，而采用生態(tài)護坡方式不僅可以達到傳統(tǒng)護坡的效果，還能有效地恢復和改善生態(tài)環(huán)境[2-3]，并且造價相對較低，其經濟和環(huán)保優(yōu)勢日益凸顯[4-6]。生態(tài)護坡主要指采用植被護坡為主并輔之以工程技術的護坡形式。而植被加固坡體的主要機理是利用植物的根系穿插在土壤中形成對土體類似“加筋”和“錨固”的作用，從而達到加固邊坡的目的。國內外許多學者對植物根系固土護坡的機理展開了諸多研究，也取得了長足的進展。密西根大學Donald H. Gray[7]教授指出植物根系固土護坡作用的原理主要表現為根系對邊坡土體的加筋作用和根系的錨固作用；Diti Hengchaovanich[8]研究了不同種植物根系對土壤的作用后，發(fā)現由于不同的植物根系在土壤中互相交錯和穿插，能夠顯著的提高土壤的抗剪強度。草本植物根系的密度較大，根系數量眾多，分布比較密集，所以有草本植物根系存在的根土復合體的抗剪強度相比于有木本植物根系存在的根土復合體的抗剪強度來說要高得多。Rboert R[9]等學者通過試驗發(fā)現，植物根系的作用和植物對土壤飽和度指標的改變對邊坡起到很強的加固作用。另外，植物根系具有很強的吸收水分的能力，可以將比較松散的土體錨固成一個整體，從而提高了邊坡抗滑動破壞的能力。

香根草因其具有發(fā)達的根系以及對環(huán)境的適應性強等方面的顯著優(yōu)勢，被廣泛認為是一種理想的護坡植物?，F有研究更多地關注了根系數量和根系強度對土強度的增強作用，而對根系分布方式的影響未引起足夠的關注。諸多研究表明：根系在土體中的存在能夠有效地提高土體的抗剪強度，但更深入地研究根系在土體中的不同分布方式對土體抗剪強度的影響規(guī)律，尚未見有更多的文獻報道。因此，很有必要針對香根草根系的分布方式對土體抗剪強度影響，特別是對土的粘聚力和內摩擦角的影響規(guī)律開展相關研究。本研究在已有研究的基礎上，擬對上述問題開展相關試驗探索。

1 試驗材料、設備及方法

1.1 采 樣

試驗中參照工程常用的邊坡比例設計模型箱，在模型箱內按不同密度和坡比種植香根草。經多年野外自然生長后，從試驗箱中分別取出部分根系和土體作為試驗樣品，如圖1所示。測得土樣的含水率及天然密度，并通過液限塑限聯合測定法和輕型擊實試驗分別得到土壤的液限、塑限、最大干密度及最優(yōu)含水率，如表1所示。

1.2 試驗設計

針對不同根系分布方式的根-土復合體進行直剪試驗，測定在不同應力水平、不同根系直徑、不同根系數量和不同的根系分布方式條等件下，根-土復合體的強度變化規(guī)律。試驗中所采用的設備是南京土壤儀器廠生產的ZJ型應變控制式四聯直剪儀，如圖2所示。

圖2 四聯直剪儀Fig. 2 Quadruplet direct shear apparatus

試驗前將土樣烘干，過2 mm分樣篩。然后配置含水率為21.5%的土樣備用。用精度為0.02 mm的游標卡尺測量根的直徑。根據所測得的根系直徑將0～2.0 mm的根系以每增0.5 mm為一級分為4級。并取根系長度與環(huán)刀高度相等，即垂直布時，取試樣用根長為2 cm。其它布根形式根據需要取不同長度根樣。含每級根徑的根-土復合體按不同布根方式制備4組共16個試驗土樣，用于在不同荷載條件下的直剪試驗。

1.3 試樣的制備

取不同根系直徑級別的香根草根系，根系來源如圖2所示，每個試樣垂直布置6條根系。制作土樣時，先取制備好的擾動土120 g分兩層擊實，每層土為環(huán)刀高度的1/2。每擊實一層后，用調土刀將層面劃毛。擊錘每次從最高點自由下落，每層錘擊15次，以保證所有試樣所受到的擊實能量相同，擊實度一致。土樣按規(guī)范標準擊實成型后，將直徑為0.5 mm長度為2 mm的6根香根草根系均勻插入土體中，得到根土復合體土餅。水平布根時，將香根草根系平鋪在環(huán)刀中間位置，制做過程如圖3所示。

圖3 根土復合體試樣Fig. 3 Root-soil composite samples

1.4 直剪試驗

為盡量減少因根土接觸不牢而對復合土體抗剪強度的影響，在將根土復合體試樣裝入直剪儀后，以試驗中的最大荷載300 kPa預壓土樣30 min。然后再按試驗要求在豎向荷載分別為50、100、200和300 kPa的條件下進行快剪試驗。根據根土復合體試樣達到破壞時的最大剪應力可以得到每組試樣在各級豎向荷載所對應的抗剪強度值。剪切后的土樣如圖4所示。

圖4 剪切后的根-土復合體試樣Fig. 4 Root-soil samples after shear failured

2 試驗結果及分析

2.1 不同香根草根系分布方式對復合體抗剪強度的影響

通過對無根素土和4種根徑各4組不同根系分布方式的土樣進行不同垂直荷載作用下的直剪試驗，得到了不同的根-土復合體的抗剪強度，如表2所示。

表2 根土復合體抗剪強度Table 2 Shear strengths of root-soil composite

表2分別反映了無根素土、不同直徑根系垂直布置6根、斜交50°布置6根、垂直和水平各布置3根、垂直和斜交50°各布置3根5種布根方式下香根草根土復合體的抗剪強度。從表2中可以發(fā)現，根土復合體的抗剪強度均高于無根素土的抗剪強度。同時，在同一豎向荷載作用下，且根系數量及直徑均相同時，不同的布根方式對復合土體的抗剪強度影響是不同的。其結果是：垂直和斜交50°各布置3根時，復合體的抗剪強度最高；斜交50°布置6根時，其抗剪強度次之；垂直布置6根時，其抗剪強度又其次之；垂直和水平各布置3根時，其抗剪強度最低。

上述結果再次說明根系在土壤中存在能有效地提高土的抗剪強度。但根系在土壤中的分布方式不同，對提高土體抗剪強度的作用也是完全不同的。因此，研究根-土復合體的抗剪強度，不但要考慮根系直徑和根系數量的影響，更應該考慮植物根系在土體中的實際分布形態(tài)。

2.2 不同香根草根系徑級對根-土復合體抗剪強度的影響

將表2中不同根系分布方式以及不同豎向荷載作用下，試樣中的根系徑級以及對應試樣的抗剪強度用Origin軟件進行擬合分析，得到不同香根草根系徑級與土體抗剪強度關系的擬合曲線，如圖5～圖8所示。

圖5 抗剪強度與根徑的關系 (θ=90 °)Fig. 5 Relationship between shear strengths and root diameters (θ=90 °)

圖6 抗剪強度與根徑的關系 (θ=50 °)Fig. 6 Relationship between shear strengths and root diameters (θ=50 °)

圖7 抗剪強度與根徑的關系 (θ=90 °～0 °)Fig. 7 Relationship between shear strengths and root diameters (θ=90 °～0 °)

圖8 抗剪強度與根徑的關系 (θ=90 °～50 °)Fig. 8 Relationship between shear strengths and root diameters (θ=90 °～50 °)

由圖5～圖8可知，在相同根系數量和上述布根方式中，隨著根系直徑的增大，香根草根土復合體的抗剪強度先增大后減小。當香根草根系直徑約為1 mm時，根土復合體的抗剪強度達到最大值。其原因可能是當香根草根系直徑超過1 mm時，根土截面比增大，使根系與土壤的膠結能力有所降低所至。根據已有的研究可知，草本植物根系對根-土復合體的抗剪強度的作用主要表現在對粘聚力的增加方面，也即對土體的“加筋”作用。因此，對于根土復合體的抗剪強度存在一個有效根徑徑問題。根徑太大或太小對提高土的抗剪強度的作用均不明顯。

2.3 香根草根土復合體抗剪強度分析

以表2中不同根系直徑條件下垂直布置6條根系的根-土復合體的抗剪強度為例，將含有直徑分別為0.5 mm，1 mm，1.5 mm和2 mm香根草根系的根-土復合體抗剪強度試驗結果進行擬合，得到正應力與抗剪強度的關系如表3所示。

表3 正應力與抗剪強度的關系Table 3 Relationship between normal stress and shear strength

根據表3得到的擬合公式，可得到根系直徑分別為0.5、1.0、1.5和2.0 mm的香根草根-土復合體抗剪強度隨正應力變化的擬合曲線，如圖9所示。

從表3和圖9可以發(fā)現，在各種根徑中，垂直布根方式時，香根草根-土復合體抗剪強度的擬合曲線均為直線。再次證明了根-土復合體的抗剪強度仍然符合庫侖強度理論，即：

圖9 根-土復合體的抗剪強度曲線Fig. 9 Shear strength curves of root-soil composite

這一結論與胡其志等[10]所做的根土復合體的抗剪強度研究成果是相符的。

此外從表3中的各擬合公式也可以發(fā)現，公式中的系數項即表示內摩擦角的影響，而常數項則是反映粘聚力的影響。顯然，根系直徑對內摩擦角和粘聚力的影響是不同的。隨著香根草根系直徑的增大，復合體的內摩擦角先增大后減小；但隨著香根草根系直徑的增大，復合體的粘聚力有增有減，關系相對復雜。

2.4 香根草根-土復合體抗剪強度指標分析

對表2中各組試驗結果進行擬合并按式（1）進行計算可以得到香根草根土復合體的粘聚力C和內摩擦角φ，計算結果如表4所示。

由表4可以發(fā)現，在根系數量和根系直徑不變的情況下，香根草根系垂直和斜交等量分布時根-土復合體的粘聚力和內摩擦角均為最大值；而當根系垂直和水平分布等量時根-土復合體的粘聚力和內摩擦角均為最小值。在根系數量不變的情況下，當根系垂直-斜等量交分布時根-土復合體的粘聚力隨根徑的變化非常明顯，但相應的內摩擦角變化趨勢并不明顯。由此可知，與無根素土相比，無論根系按何種分布方式，香根草根系對提高根-土復合體的抗剪強度均有較大的貢獻。并且相同根系數量條件下，不同根系分布方式對提高根-土復合體的粘聚力貢獻是不同的，且其影響非常明顯；而相同根系數量條件下，根系分布方式對根-土復合體的內摩擦角的影響卻不很明顯。

表4 抗剪強度指標Table 4 Indexes of shear strength

3 結 論

通過對香根草根-土復合體的一系列試驗研究，探討了在根系數量不變的前提下，不同根徑和不同根系分布方式對土體抗剪強度的影響，得到的結論如下。

研究結果表明根系在土體中的存在能有效地提高土體的抗剪強度，但根系在土體中的分布方式不同，對提高土體抗剪強度的作用也是完全不同的。在同一豎向荷載作用下，當根系數量及根徑均相同時，垂直和斜交等量布根時，復合體的抗剪強度最高；全部斜交布根時，其抗剪強度次之；全部垂直布根時，其抗剪強度又其次之；垂直和水平等量布根時，其抗剪強度最低。因此，研究根-土復合體的抗剪強度，不但要考慮根系直徑和根系數量的影響，更應該考慮植物根系在土體中的空間分布形態(tài)。

在相同根系數量和相同的布根方式條件下，隨著根系直徑的增大，香根草根-土復合體的抗剪強度先增大后減小。當香根草根系直徑約為1 mm時，根-土復合體的抗剪強度達到最大值。因此，對于根-土復合體的抗剪強度存在一個有效根徑問題。根徑太大或太小對提高土的抗剪強度的作用均不明顯。

通過對根-土復合體的抗剪強度試驗結果的擬合，發(fā)現含香根草根系的根-土復合體的抗剪強度服從庫侖強度定律。但根系直徑對內摩擦角和粘聚力的影響是不同的。隨著香根草根系直徑的增大，復合體的內摩擦角先增大后減小；但隨著香根草根系直徑的增大，復合體的粘聚力有增有減，關系相對復雜。

研究發(fā)現，在相同根系數量條件下，不同根系分布方式對提高根-土復合體的粘聚力的作用是不同的，且其影響非常明顯；而在相同根系數量條件下，根系分布方式對根-土復合體的內摩擦角的影響卻不是很明顯。

上述研究結果對進一步探索生態(tài)護坡工程中根-土復合體的抗剪強度形成機理具有重要的理論意義。本試驗沒有針對不同角度布根方式及不同含水量條件下的根-土復合體抗剪強度的研究。今后應對不同根系布置方位，不同含水量的根-土復合體的抗剪特性進行深入探索。此外，除從力學的角度分析外，還需要從根系分布形態(tài)，根強度及彈性模量等其他角度進行研究。

[1] 肖宏彬,趙 亮,李珍玉,等.香根草根系的分布形態(tài)及抗拉強度試驗研究[J].中南林業(yè)科技大學學報, 2014, 34(3): 6-11.

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The impact of root distribution methods on the shear strength of root-soil composite

CHEN Zhong-da, XIAO Hong-bin, ZHANG Chun-xiao, LI Zhen-yu, ZENG Juan-juan, HE Bin, XIE Jia-you
(College of Civil Engineering and Mechanics, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

The effects of root diameter and root distribution on the shear strength of vetiver root-soil composites have been studied,through a series of indoor direct shear tests on these composites. When the root numbers of vertical distributed are equal to that of oblique, the study found that the shear strength of composite is the highest, under the same conditions. And when the root numbers of vertical distributed are equal to that of horizontal, the shear strength of composite is the lowest. In any other root distribution mode,the shear strength of the composite is somewhere in between the above two cases. Meanwhile, the study shows that the effect of root distribution on the cohesive force of root-soil composite is very obvious, but the influence of it on the internal friction angle is not obvious. Moreover, with the increase of root diameter, the shear strength and the internal friction angle of this composite are increased first and then are decreased, if the root numbers and the distribution mode are the same. When the root diameter is reached to a certain value, the shear strength of this composite is reached to the maximum. The research results have important theoretical significance for further exploring the mechanism of shear strength of root-soil composite in ecological slope protection engineering, and it also provides a theoretical basis for the strength and slope stability analysis in this field simultaneously.

vetiver grass; root-soil composite; shear strength; root distribution; root diameter

S719

A

1673-923X(2016)08-0130-06

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.08.023

2015-10-27

國家自然科學基金資助項目（31270671）；國家林業(yè)局948項目（2012-4-76）；湖南省自然科學基金資助項目（12JJ5015）；湖南省自然科學基金資助項目（11JJ5036）；湖南省外國專家局資助項目（湘財教指[2012]26號）

陳終達，碩士研究生

肖宏彬，教授，博導；E-mail：tfnxhb@sina.com

陳終達，肖宏彬，張春曉，等. 根系分布方式對根-土復合體抗剪強度的影響 [J].中南林業(yè)科技大學學報，2016, 36(8):130-135.

[本文編校：文鳳鳴]