何新原，吳勝坤，羅東志，蔡丹丹

（1.蘇交科集團(tuán)檢測(cè)認(rèn)證有限公司，江蘇 南京 210000；2.江蘇宿遷交通工程建設(shè)有限公司，江蘇 宿遷 223800；3.宿遷市高速鐵路建設(shè)發(fā)展有限公司，江蘇 宿遷 223800）

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江蘇省北部的宿遷市，地理坐標(biāo)范圍為33° 8′～ 34° 25′ N，117° 56′～ 119°10′E，總體呈西北高、東南低的格局，最高點(diǎn)海拔高度為71.2m，最低點(diǎn)海拔高度為2.8m。研究區(qū)屬于暖溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫14.2℃，年均降水量910mm，年均日照總時(shí)數(shù)2291h。無(wú)霜期較長(zhǎng)，平均為211d，初霜期一般在10月下旬，降雪初日一般在12月中旬初，積溫5189℃，全年作物生長(zhǎng)期為310.5d。受季風(fēng)影響，年際間變化不大，但降水分布不均，易形成春旱、夏澇、秋冬干天氣。

1.2 根系形態(tài)指標(biāo)測(cè)定

選取3株4年生刺槐采用整株挖掘法進(jìn)行挖掘，根據(jù)刺槐根系的生長(zhǎng)規(guī)律，挖掘深度為60cm，從表土向下每隔10cm分層采集根樣，去除根系表面上附著的雜質(zhì)和土壤顆粒，取樣后裝入寫有編號(hào)的自封袋中并放入裝有干冰的保溫箱內(nèi)，然后對(duì)其根系表面進(jìn)行沖洗，去除表面浮土與雜物。之后，對(duì)根部長(zhǎng)段、根部表面積、重量、體積等與固土性能密切相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。而對(duì)于一些常規(guī)手段難以準(zhǔn)確測(cè)量的參數(shù)，可以利用高精度掃描設(shè)備對(duì)其根系進(jìn)行掃描測(cè)量，并采用WinRHIZO 2009a系統(tǒng)進(jìn)行根系形態(tài)學(xué)指標(biāo)的分析。

1.3 根系抗拉強(qiáng)度測(cè)定

在測(cè)定根系抗拉強(qiáng)度時(shí)，首先要對(duì)試樣進(jìn)行選取標(biāo)記。因?yàn)樘?xì)小的根表面積、體積過(guò)小，且容易折斷，所以在挑選時(shí)只將直徑大于0.3mm的刺槐單根作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。之后，根系直徑每多出0.1mm就分為一級(jí)，每級(jí)至少選取30個(gè)實(shí)驗(yàn)根進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)。除了實(shí)驗(yàn)根直徑，對(duì)于其長(zhǎng)度也有一定要求。長(zhǎng)度要為70mm，且是要從根系中端進(jìn)行截取。每隔15mm對(duì)實(shí)驗(yàn)根進(jìn)行1次標(biāo)記，每根標(biāo)記5處，之后利用游標(biāo)卡尺測(cè)量標(biāo)記處的根系直徑并記錄下來(lái)，要注意的是，為降低測(cè)量誤差，在對(duì)標(biāo)記處進(jìn)行測(cè)量時(shí)要注意正交方向上量取2次。對(duì)測(cè)量得出的根系直徑求得平均值，記作D。準(zhǔn)備工作完成后，使用YG(B)026H-250型織物強(qiáng)力機(jī)（精度為0.01，最大拉力量程2500N）開(kāi)始拉伸試驗(yàn)。將選取測(cè)量完畢的實(shí)驗(yàn)根豎直放于強(qiáng)力機(jī)上，上下夾具固定后啟動(dòng)強(qiáng)力機(jī)。將拉伸速率設(shè)置為500mm/min，直至實(shí)驗(yàn)根被拉斷。根系在由開(kāi)始拉伸到拉斷的過(guò)程中，拉伸傳感器配合計(jì)算機(jī)每隔0.01s記錄1次拉力大小與拉伸量變化并自動(dòng)生成變化曲線。之后根據(jù)如下公式得出抗拉強(qiáng)度與根系直徑之間的關(guān)系。

式中：P為抗拉強(qiáng)度，MPa；F為抗拉力，N；D為根系斷裂處直徑，mm。

1.4 刺槐根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度測(cè)定

在對(duì)根土復(fù)合體進(jìn)行抗剪強(qiáng)度測(cè)定時(shí)，需要用到原位剪切試驗(yàn)裝置ZJ型四聯(lián)應(yīng)變控制式直剪儀，如圖1所示。

圖1 ZJ型四聯(lián)應(yīng)變控制式直剪儀

該設(shè)備可以模擬并自動(dòng)采集植物在根土復(fù)合體原位剪切時(shí)受到的水平拉力、剪切力，同時(shí)，直剪儀會(huì)將采集到的拉力與位移以動(dòng)態(tài)關(guān)系曲線的形式展示出來(lái)。需要注意的是，直剪儀在運(yùn)行時(shí)，滑軌與剪切盒之間會(huì)存在滑動(dòng)摩擦力，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定干擾，需要利用以下公式進(jìn)行排除：

式中：Fj為剪切力，N；Ft為剪切裝置施加的拉力，N；Ff為剪切裝置運(yùn)行產(chǎn)生的滑動(dòng)摩擦力，N。

求得素土和根-土復(fù)合體剪切面處的剪切力后，根系抗剪強(qiáng)度公式如下：

式中：T為抗剪強(qiáng)度，kPa；Fj為剪切力，N；A為剪切面積，cm2。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

研究所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用Excel數(shù)據(jù)處理軟件、SAS9.0和SPSS22.0數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 根系形態(tài)參數(shù)

對(duì)道路邊坡刺槐根系分布的調(diào)查表明，刺槐屬于水平根系植物，根系主要分布于10～40cm土層范圍內(nèi)，沒(méi)有垂直向下生長(zhǎng)的主根。其中，根徑范圍在5～10mm的根系在全部根系中占比最大，約占52%，根徑范圍在1～2mm的根系占比次之，約占33%。同時(shí)，根系的數(shù)量并沒(méi)有隨著其直徑的增加而增加，符合毛細(xì)根與細(xì)根生長(zhǎng)過(guò)程中的差異性。根系形態(tài)參數(shù)如根生物量、根長(zhǎng)、根體積和根數(shù)量是反映植物地下部分生長(zhǎng)的重要指標(biāo)，是根系生長(zhǎng)發(fā)育的最直接體現(xiàn)。

2.2 根系抗拉特性

根系的平均直徑為6.61±1.89mm(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差)，抗拉試驗(yàn)測(cè)得樣品的抗拉強(qiáng)度為7.57～78.6MPa。植物根系直徑在0.5～6mm范圍時(shí)，隨著單根直徑的增加，其極限抗拉強(qiáng)度也不斷加強(qiáng)，并在α=0.01時(shí)存在最為明顯的正相關(guān)關(guān)系，且以冪函數(shù)規(guī)律遞增。單根極限抗拉力均值為316.28N，而單根極限抗拉強(qiáng)度隨直徑的增大而減小，直徑在0.3～0.5mm的細(xì)根具有較大的極限抗拉強(qiáng)度且以對(duì)數(shù)函數(shù)遞減，單根極限抗拉強(qiáng)度與直徑的復(fù)相關(guān)系數(shù)小于0.5。當(dāng)直徑在0.5～6mm時(shí)，單根極限抗拉強(qiáng)度均值為（35.47±16.17）MPa（平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差），當(dāng)直徑在代表根徑級(jí)0.5～1.5mm時(shí)，單根極限抗拉強(qiáng)度均值為55.46MPa，平均極限抗拉強(qiáng)度亦隨著徑級(jí)的增加呈減小的趨勢(shì)，這在ANSYS進(jìn)行模擬分析時(shí)得到了驗(yàn)證，該區(qū)域內(nèi)此次測(cè)試的刺槐根系的平均抗拉強(qiáng)度為32.61MPa，能產(chǎn)生顯著的加筋作用。在一些研究其他種類植物根系抗拉特性時(shí)，植物細(xì)根與毛根也具有較強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度[3]。通過(guò)翻閱已有的研究，筆者發(fā)現(xiàn)當(dāng)毛根直徑在1mm以下時(shí)，對(duì)固化土壤、增強(qiáng)土壤抗沖性能有十分明顯的作用[4]。隨著根系直徑的增加，拉力峰值也不斷上升，且其變化趨勢(shì)具有顯著的冪函數(shù)規(guī)律。而抗拉強(qiáng)度的變化分布則較為離散，隨著直接的增加有一定下降的跡象。

2.3 根土復(fù)合體抗剪特性

首先測(cè)得試驗(yàn)用土的含水量為10.86%，密度為1.53g/cm3。在選取刺槐根系時(shí)，對(duì)于根系所處土層也應(yīng)有所規(guī)定。此次研究中，所取樣本均來(lái)自10～40cm深度的土層，該層次是土體固持作用最為明顯的密集分布層，可以通過(guò)土力學(xué)相關(guān)公式求得此層中根系的自重應(yīng)力約為6.25kPa（40cm深度）。再根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)要求，確定其余兩級(jí)壓力為50kPa與100kPa。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，以土工相關(guān)規(guī)范為準(zhǔn)，設(shè)定剪切速率為0.08mm/min。一組實(shí)驗(yàn)中需要做4個(gè)荷載，單個(gè)荷載中又需要做3個(gè)平行與3個(gè)重復(fù)的抗剪強(qiáng)度值，并取平均值作為對(duì)應(yīng)荷載下的剪應(yīng)力。之后再根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求得黏聚力與內(nèi)摩擦角，分別用C與φ表示。需要注意的是，土粒與土粒、土粒與根系之間都存在摩擦力，故內(nèi)摩擦角的實(shí)質(zhì)是復(fù)合體的內(nèi)摩擦角。素土和刺槐根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度與垂直荷載的關(guān)系如圖2所示。

圖2 素土和刺槐根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度與垂直荷載的關(guān)系

根據(jù)圖2可得出，由素土與刺槐構(gòu)成的根-土復(fù)合體，其抗剪強(qiáng)度的變化與垂直荷載的變化呈線性正相關(guān)，其中素土的正相關(guān)系數(shù)為0.9900，而土-根復(fù)合體的相關(guān)系數(shù)為0.9985，這說(shuō)明利用直線回歸法擬合抗剪強(qiáng)度的效果更好，這與庫(kù)倫強(qiáng)度公式的內(nèi)容τ=c+σtanφ是相吻合的。因而，可以利用摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則對(duì)根-土復(fù)合界面的黏聚力、內(nèi)摩擦角、摩擦系數(shù)進(jìn)行推斷。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算得出，抗剪強(qiáng)度值素土為15.6kPa，刺槐的根-土復(fù)合體為36.2kPa。植物根系具有固持土體的作用，其機(jī)制之一是根系的存在改變了土的力學(xué)性能，提高了土體的抗剪強(qiáng)度，故植物固土主要通過(guò)根系固土來(lái)實(shí)現(xiàn)[5-6]。

3 結(jié)束語(yǔ)

研究表明刺槐根系在土壤中可以形成具有一定抗剪強(qiáng)度的“生物樁”，刺槐根-土界面與土-土界面的剪切特性相似，均符合摩爾-庫(kù)倫理論，且根-土結(jié)合面抵抗位移的能力大于土-土界面。刺槐根系具有較高的抗拉強(qiáng)度，能夠?qū)ν馏w產(chǎn)生有效的約束和加固作用，提高土體的抗剪切強(qiáng)度，有效增強(qiáng)坡面的穩(wěn)定性和抗侵蝕能力。由此可以得出，刺槐根系的力學(xué)特性與形態(tài)結(jié)構(gòu)特征的結(jié)合是具有優(yōu)良護(hù)坡能力的，且結(jié)合宿遷市當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)，得出刺槐是道路邊坡防護(hù)水土保持樹(shù)種的理想選擇。