石浩廷　謝春燕　李雪爾　吳達(dá)科

摘要：以香根草根系及其所在土壤構(gòu)成的根一土復(fù)合體為研究對(duì)象，通過室內(nèi)直剪試驗(yàn)，探討不同含水率和垂直壓力條件下，不同根系分布方式對(duì)復(fù)合體抗剪性能的影響。結(jié)果表明：根系數(shù)量和徑級(jí)相同時(shí)，在土壤天然含水率和2-3 m土層壓力下，當(dāng)所有根系均垂直于剪切面時(shí)，根系分布越集中，對(duì)根一土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的提升越明顯;當(dāng)根系以不同的空間角度均勻分布時(shí)，根一土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度相對(duì)于素土的增長率大小順序?yàn)楦等看怪钡姆植挤绞剑∕b）<根系全部呈45。傾斜的分布方式（Mb）<根系一半傾斜45。一半垂直的分布方式（Mc）。在天然含水率條件下，隨著垂直壓力的增大，根一土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度增長率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢;隨著含水率增大，土體內(nèi)摩擦角先增大后減小，黏聚力總體呈減小趨勢。

關(guān)鍵詞：邊坡穩(wěn)定：根一土復(fù)合體;抗剪強(qiáng)度;香根草

中圖分類號(hào)：S157.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn. 1000- 1379.2019. 04.016

我國幅員遼闊，但有近2/3的國土面積被山區(qū)占據(jù)。隨著我國經(jīng)濟(jì)快速增長，各種工程建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)入了高峰期，在公路、鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的過程中，不可避免地開挖大量邊坡，破壞原有的地質(zhì)平衡，極易造成山體滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，給生命財(cái)產(chǎn)帶來巨大損失。傳統(tǒng)的工程邊坡防護(hù)結(jié)構(gòu)生態(tài)性較差，難以保證工程材料與邊坡巖體在高降雨強(qiáng)度、易風(fēng)化區(qū)域的相容性，工程結(jié)構(gòu)很容易被架空[1].從而導(dǎo)致滑坡。與之相比，利用植被的生態(tài)護(hù)坡方式維護(hù)時(shí)間更長、覆蓋面積更廣，更適合用于天然邊坡的防護(hù)[2]。

植被護(hù)坡的機(jī)理主要體現(xiàn)在根系的作用：①水文方面，根系可以通過蒸騰作用降低孔隙水壓力，減輕泥土質(zhì)量[3-4].從而在一定程度上加強(qiáng)了邊坡的穩(wěn)定性：②生物方面，根系分泌物及其衍生微生物可以在一定程度上增強(qiáng)周圍土體的穩(wěn)定性[5-8]：③物理方面，根系可對(duì)土體起到錨固加筋作用，這是根系提高土體穩(wěn)定性的主要機(jī)理。植物護(hù)坡能夠提高邊坡的抗剪強(qiáng)度，從而起到邊坡防護(hù)和加固的作用。言志信等[9]較為系統(tǒng)地研究了草本植物根系對(duì)巖質(zhì)邊坡的加固機(jī)理，提出了基于剛性和柔性假設(shè)的兩種摩擦型根一巖相互作用的力學(xué)模型，得出了植物邊坡抗剪強(qiáng)度增長可引起邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)增大的結(jié)論。關(guān)于植物根系提高土體的受剪性能，前人已經(jīng)作了大量的研究。MurielleGHESTEM等[10]將蓖麻、麻瘋樹和中華磨坊漆樹3種護(hù)坡植物種植于大型剪切箱中自然生長10個(gè)月后進(jìn)行直剪試驗(yàn)，并與休耕土進(jìn)行對(duì)照，發(fā)現(xiàn)含根土的抗剪強(qiáng)度和變形能力顯著優(yōu)于不含根土壤：肖宏彬等[11]研究了在不同含水率及不同根系含量下植物根系對(duì)復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律：胡敏等[12]研究了沙地柏根不同徑級(jí)、不同布置方式對(duì)根一土復(fù)合體抗剪性能的影響：M. Genet等[13-19]研究表明雖然根系抗拉強(qiáng)度和剛度是影響土體剪切的主要因素，但是根密度和空間分布狀況可能比根的機(jī)械性能對(duì)土體強(qiáng)度影響更大。

現(xiàn)有研究主要集中于根系數(shù)量、抗拉強(qiáng)度和根徑對(duì)根一土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的影響，而根系分布方式對(duì)土體強(qiáng)度影響的研究還較少。目前主要以根面積比（RAR）作為根密度指標(biāo)，它是指所有發(fā)揮作用的根在剪切面上的截面積之和與其相交的土體截面積之比。在試驗(yàn)中筆者發(fā)現(xiàn)，根面積比相同但根系的分布狀況不同的根系對(duì)土體產(chǎn)生的影響也有差異?；诖?，筆者對(duì)不同根系的空間分布方式在不同的含水率和垂直壓力條件下對(duì)土體穩(wěn)定性的影響進(jìn)行研究，探討不同根系分布方式與根一土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以期為生態(tài)護(hù)坡方案選擇提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣

香根草是目前國內(nèi)外常見的草本護(hù)坡植物，有“神奇牧草”之稱。所選用的試樣為一年齡香根草根系，采樣時(shí)間為2017年6月。在樣地內(nèi)選取10株生長狀況良好的植株，測量其冠幅和高度，分別計(jì)算其平均值，然后從中選取3株與平均值相近的植株挖掘其根系，取樣時(shí)盡量保持根系的完整性，并保留部分土壤以保持根系的活力。

所選土壤為四川省廣元地區(qū)北緯32°25′48″、東經(jīng)105°49′48″常見的紫色黏土，取自香根草栽種地附近的平坦開闊地段，按照土層深度0～20、20 - 40、40 - 60cm取樣，每層取3個(gè)土樣。根系和土樣取出后立即用保鮮膜包裹，放人硬質(zhì)塑料箱帶回實(shí)驗(yàn)室。測得的土樣基本物理性質(zhì)見表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

剪切試驗(yàn)前，把土樣烘干，過2 mm篩，然后配置含水率為16. 46%、18. 46%、22.46%，干密度為1.71 g/cm的土樣備用。用精度為0.02 mm的游標(biāo)卡尺分別測量根的上、中、下3處直徑，測量差值應(yīng)小于0.1 mm，取直徑為0.6-0.8 mm、長度為3 cm的香根草根備用。結(jié)合自然狀態(tài)下的根系分布密度，每個(gè)含根土樣中布設(shè)10根草根。根一土復(fù)合體分為兩類：一類是所有的根系均垂直但不均勻分布（復(fù)合體M，為10根草根集中分布于土樣中心，M2為2組×5根，M，為5組x2根），另一類是根系按不同空間角度均勻分布（復(fù)合體Ma為所有草根均垂直分布，Mb為所有草根均傾斜45。分布，Mc為5根草根垂直分布、5根傾斜45。分布）。

采用ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀，以剪切速率0.8mm/min對(duì)不同根系分布方式的根一土復(fù)合體進(jìn)行快剪試驗(yàn)，研究不同應(yīng)力水平和土壤含水率及根系分布方式下的根一土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律。每組試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)荷載，每個(gè)荷載重復(fù)3次，按土工試驗(yàn)規(guī)范進(jìn)行，取3個(gè)重復(fù)試樣破壞時(shí)最大剪應(yīng)力的均值作為該荷載下的抗剪強(qiáng)度，繪出抗剪強(qiáng)度與垂直荷載的關(guān)系曲線，進(jìn)而得出黏聚力和內(nèi)摩擦角。

1.3 直剪試驗(yàn)

香根草根系一般長2-3 m，最長可達(dá)6 rri[20]。根據(jù)土力學(xué)自重應(yīng)力公式，采樣地2-3 m的土層自重應(yīng)力為40.4 - 60.6 kPa，取垂直應(yīng)力為50 kPa，按照土工試驗(yàn)規(guī)范，另取100、150、200 kPa 3級(jí)應(yīng)力進(jìn)行試驗(yàn)。所有試樣剪切前放人直剪儀中，在300 kPa荷載下預(yù)壓2h，以減小根土之間接觸不緊密所造成的誤差，然后分別在所設(shè)計(jì)的50、100、150、200 kPa荷載下進(jìn)行快剪試驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 根系分布方式對(duì)根一土復(fù)合體抗剪性能的影響

利用重塑土進(jìn)行直剪試驗(yàn)時(shí)，選擇垂直壓力為50kPa，3種根系垂直但不均勻分布和3種根系以不同空間角度均勻分布的根一土復(fù)合體，土壤含水率為18.46%，土壤干密度為1.71 g/cm，根系直徑為0.6-0.8 mm，分布數(shù)目為10根，剪切速率為0.8 mm/min。

圖1為不同根系分布方式的根一土復(fù)合體相對(duì)于素土的抗剪強(qiáng)度增長率，可以看出，在50 kPa對(duì)應(yīng)的中淺層土壓力下，根系均垂直分布的根一土復(fù)合體相對(duì)于素土抗剪強(qiáng)度的增長率大小順序?yàn)镸1（30.95%）>M2（ 25.0%）>M3（18.65%），呈現(xiàn)出根系越分散，根一土復(fù)合體相對(duì)于素土抗剪性能增長率越低的規(guī)律。根系以不同空間角度均勻分布的根一土復(fù)合體相對(duì)于素土抗剪強(qiáng)度的增長率大小順序?yàn)镸a（ 23.81%）>Mb（ 15.08%）>Ma（ 7.54%）。原因是垂直于剪切面分布的根系主要通過提供拉力來提高復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度，而相對(duì)于剪切面呈不同角度分布的根系，相當(dāng)于在土體中形成一張交織的受力網(wǎng)，不僅在復(fù)合體受剪時(shí)提供拉力，而且將根系周圍的細(xì)土粒裹縛在一起，增加土壤顆粒的凝聚力，使根一土復(fù)合體具有更好的整體性。

2.2 垂直壓力對(duì)不同根系分布方式的根一土復(fù)合體抗剪性能的影響

不同根系分布方式的根一土復(fù)合體相對(duì)于素土的抗剪強(qiáng)度增長率隨垂直壓力的變化見圖2。從圖2（a）可以看出，根系均垂直不均勻布設(shè)的M1、M2、M3的抗剪強(qiáng)度相對(duì)素土均有所增大，抗剪強(qiáng)度增長率大小順序?yàn)镸1>M2>M3。從圖2（b）可以看出，根系按不同空間角度均勻分布的抗剪強(qiáng)度增長率大小順序?yàn)镸c>Mb>Ma，且在垂直壓力為150 kPa時(shí)抗剪強(qiáng)度增長率均為負(fù)值。在設(shè)計(jì)的壓力梯度下，6種含根土相對(duì)于素土抗剪強(qiáng)度的增長率隨垂直壓力的增大均呈先減小后增大但不超過前期最大值的趨勢，在垂直壓力為150 kPa時(shí)增長率最小。宋維峰等[21]采用數(shù)值分析方法，模擬了油松根系和黃土的相互作用也得出了相似的結(jié)論，表明根系在淺層土壓力下提高土的抗剪強(qiáng)度作用比較明顯，固土護(hù)坡效果好。

根系在土體中的分布類似于鋼筋在混凝土中的加筋，但根系在土中受力時(shí)會(huì)與土體發(fā)生相對(duì)滑移，故在局部區(qū)域內(nèi)，根系垂直分散分布可能會(huì)降低土體的整體性和抗剪強(qiáng)度。在土體中以不同空間角度分布的根系，在受力時(shí)交織成網(wǎng)，更易對(duì)土體形成裹縛作用，提高其抗剪切性能。根系對(duì)土體的加筋作用隨垂直壓力增大呈先減小后增大趨勢，原因可能是一定的壓力使土體與根系的黏結(jié)力加強(qiáng)，隨著壓力增大，根系與土粒間的作用力小于土粒與土粒間的作用力，從而導(dǎo)致根系的加筋效果削弱：隨著垂直壓力進(jìn)一步增大，土粒發(fā)生滑移并在更穩(wěn)定的位置上重新平衡，與根系形成的復(fù)合體整體性增強(qiáng)。

2.3 土壤含水率對(duì)不同根系分布的根一土復(fù)合體抗剪性能的影響

對(duì)設(shè)計(jì)的6種根系分布方式根一土復(fù)合體進(jìn)行土壤含水率為16.46%、18.46%、22.46%的剪切試驗(yàn)。在50 kPa的中層土壓力下，不同土壤含水率的根一土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度見圖3?？梢钥闯?，當(dāng)含水率由16.46%增大到22.46%時(shí)，根一土復(fù)合體M1、M2、M3、Ma的抗剪強(qiáng)度均呈先增大后減小的趨勢，含水率為18.46%時(shí)抗剪強(qiáng)度均為最大。素土P和根一土復(fù)合體Mb、Mc的抗剪強(qiáng)度隨含水率增大呈現(xiàn)遞減趨勢，在含水率為16.460-/0時(shí)抗剪強(qiáng)度均為最大。當(dāng)含水率為16.46%時(shí)，抗剪強(qiáng)度最大的是Mc（55.07 kPa），最小的是Ma（44.42 kPa）;當(dāng)含水率為18.46%時(shí)，抗剪強(qiáng)度最大的是M1（56.79 kPa）.最小的是P （43.37 kPa）;當(dāng)含水率為22.46%時(shí)，抗剪強(qiáng)度最大的是Mb（46.64 kPa），最小的是M3（24.78 kPa）。

在100 kPa的中層土壓力下，不同土壤含水率的根一土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度見圖4。當(dāng)含水率由16.46%增大到22.46%時(shí)，根一土復(fù)合體M1、M2、M3的抗剪強(qiáng)度均呈先增大后減小的趨勢，含水率為18.46%時(shí)抗剪強(qiáng)度均為最大。當(dāng)含水率由16. 46%增大到18.46%時(shí)，素土P和根一土復(fù)合體Ma的抗剪強(qiáng)度變化不明顯;含水率由18.46%增大到22.46%時(shí).P和Ma抗剪強(qiáng)度減小。P和Ma的最大抗剪強(qiáng)度分別出現(xiàn)在含水率為16.46%與18.46%時(shí);Mb、Mc的抗剪強(qiáng)度隨含水率升高呈遞減趨勢，最大值出現(xiàn)在含水率為16.46%時(shí)。當(dāng)含水率為16.46%時(shí)，抗剪強(qiáng)度最大的是Mc（82.20 kPa），最小的是P （66.34 kPa）;當(dāng)含水率為18.46%時(shí)，抗剪強(qiáng)度最大的是M，（ 81. 99 kPa）.最小的是P（65. 59kPa）;當(dāng)含水率為22. 46%時(shí)，抗剪強(qiáng)度最大的是Mc（ 66.48 kPa）.最小的是M3（40.61 kPa）。

在上述兩種壓力條件下，當(dāng)含水率由18.46%增大至22.46%時(shí)，復(fù)合體M3和Ma的抗剪強(qiáng)度都出現(xiàn)大幅減小的現(xiàn)象，說明在高含水率條件下M3和Ma的根系分布方式不利于土體穩(wěn)定。在所設(shè)定的土壤含水率梯度下，除根一土復(fù)合體M3的黏聚力先增大后減小外，其余樣本的黏聚力都隨含水率的增大而減?。ㄒ姳?）。在相同的含水率條件下，素土與含根土的黏聚力相差較大，內(nèi)摩擦角差別不明顯。這與大多數(shù)學(xué)者的試驗(yàn)結(jié)果相吻合。當(dāng)土壤含水率從16.46%增大到22.46%時(shí)，素土P和根一土復(fù)合體Mb、Mc的內(nèi)摩擦角先增大后減小，這與倪九派等[2]對(duì)重慶地區(qū)的中性紫色土進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)得出的結(jié)果相符：隨著含水率升高.P、Mb、Mc抗剪強(qiáng)度的變化趨勢和黏聚力的變化趨勢相同，均呈減小趨勢，與Normaniza[23]、格日樂等[24-25]的室內(nèi)直剪試驗(yàn)結(jié)論一致，這說明黏聚力對(duì)素土P和復(fù)合體Mb、Mc的抗剪性能起主導(dǎo)作用。隨著含水率增大，根一土復(fù)合體M1、M2、Ma的黏聚力減小，其抗剪強(qiáng)度隨內(nèi)摩擦角的增大先增大后減小。

3 結(jié)論

（1）根系數(shù)量和徑級(jí)相同時(shí)，在土壤天然含水率和2-3 m的土層壓力下，不同根系分布方式對(duì)土體的作用效果不同。當(dāng)所有根系均垂直于剪切面時(shí)，根系分布越集中，對(duì)根一土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的提升越明顯。當(dāng)根系以不同的空間角度均勻分布時(shí)，根系一半傾斜45°一半垂直分布的根一土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度最大，根系全部呈45°傾斜分布的抗剪強(qiáng)度次之，根系全部垂直的抗剪強(qiáng)度最小。

（2）在天然含水率條件下，根一土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度相對(duì)于素土抗剪強(qiáng)度的增長率隨著垂直壓力的增大呈先減小后增大的趨勢。在2-3 m土層范圍內(nèi)，根系分布方式對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的增強(qiáng)作用最明顯。在所選壓力層級(jí)中，垂直壓力為150 kPa時(shí)，根系對(duì)土體抗剪性能的增強(qiáng)作用最差。

（3）在所設(shè)定的土壤含水率梯度下，隨著含水率增大，土體內(nèi)摩擦角先增大后減小，黏聚力總體呈減小趨勢。在相同的含水率條件下，素土與含根土的黏聚力相差較大，內(nèi)摩擦角差別不明顯。

（4）根一土復(fù)合體的抗剪性能不僅受根系在土體中的分布方式影響，還與土壤含水率和垂直壓力有關(guān)。只有在合理的含水率和壓力范圍中，根系的分布對(duì)土體的抗剪性能才能起到提升作用，且不同的根系分布方式對(duì)土體抗剪性能影響較大。

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