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兩種植物根分布特征及其對露天礦邊坡表層的加固效果

2022-09-27 08:08劉向峰郝國亮
長江科學院院報 2022年9期
關鍵詞:剖面邊坡根系

劉向峰,郝國亮,于 冰

(遼寧工程技術大學 力學與工程學院,遼寧 阜新 123000)

1 研究背景

當前研究表明,植物根系對土壤存在明顯的加固作用,可以有效地抑制土壤侵蝕和淺層滑坡[1-3]。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,大量礦產(chǎn)資源從地下采出,致使大面積礦土堆積地表,形成人工邊坡。礦土由于受到人為擾動,土體松散,在自然條件下,極易發(fā)生土壤侵蝕與淺層滑坡[4],因此,植物被廣泛應用于排土場邊坡加固中。為了檢驗植物的固坡效果,需要對植物根的分布特性與加固效果進行研究。

當前對于根的分布特征進行了大量的研究,田樂宇等[5]采用挖掘法,在不同土層不同直徑級別下對熱帶人工林地區(qū)根系生物量密度及根長密度進行了調(diào)查,發(fā)現(xiàn)兩者均隨土壤層深度和根系直徑級別的增加呈現(xiàn)明顯降低趨勢。張成富等[6]采用土鉆法,研究了高原山地丘陵區(qū)中馬尾松近成熟林區(qū)和成熟林區(qū)細根(直徑≤2 mm)的垂直分布特征,研究表明不同林區(qū)生物量存在明顯差異,且細根生物量表層最大。Bordoni等[7]采用根面積比(RAR)描述根的生長分布形態(tài),并通過試驗驗證表明,RAR是比較同種植物加固能力最佳的參數(shù)。在根的加固特性方面,當前研究主要根據(jù)土壤剖面上根的分布特性及根的抗拉力學特性確定加固能力的大小,加固能力表現(xiàn)為根的附加黏聚力。為了量化根在土壤剖面上的根附加黏聚力,當前應用3種模型,分別為Wu-Waldron模型[8](WWM)、根斷裂的纖維束模型(FBM)[9]及基于Weibull分布的應變加載下的根斷裂纖維束(RBMW)模型[10]。研究表明,WWM會高估根在土壤剖面上的加固效果[11],目前主要通過修正因子對其進行修正后,再將其應用于根加固效果的量化中[12]。RBMW模型是當前較為先進的根加固效果的量化模型,但由于其假設條件中規(guī)定根于根之間不存在相互影響,因此,RBMW模型適用于木本植物根的加固效果。當前應用較多的模型為FBM,其適用范圍廣泛,Comino等[13]應用FBM及WWM量化了5種草本植物根的加固效果,并通過模型對比,確定了WWM的修正系數(shù);Mao等[14]采用FBM計算了山區(qū)森林地區(qū)木本植物的加固效果。

目前對植物根系的加固效果研究主要集中于森林、河岸地區(qū),排土場土壤條件復雜,而植物生長受到土壤環(huán)境的影響,因此,勢必會造成其加固效果與森林、河岸地區(qū)存在差異,因此,需要對排土場邊坡根的加固效果進行確定。本文以海州礦排土場生長的兩種植物為研究對象,研究思路為:①考察兩種植物根在不同深度土壤剖面上的幾何分布關系;②確定兩種植物根的抗拉力學特性;③計算根在不同土壤層深度上的根附加黏聚力;④確定根對邊坡淺層穩(wěn)定性的影響。研究結(jié)果可為植物根系加固排土場邊坡方面的研究提供參考。

2 材料與方法

2.1 研究地點

本次研究地點位于遼寧省阜新市太平區(qū)海州露天礦排土場,排土場位于礦區(qū)西南部(121°40′12″E,41°57′36″N),占地面積為13 km2。本次選取研究地點為當?shù)氐幕牟莸?121°39′51.26″E,41°57′06.89″N)和灌木林地(121°39′26.62″E,41°57′11.75″N),研究對象選擇為兩地所生長的小蓬草(Conyzacanadensis(L.)Cronq.,草本植物)及杠柳(PeriplocasepiumBunge,灌木植物),其生長形態(tài)見圖1。

圖1 植物生長形態(tài)Fig.1 Plant growth morphology

2.2 植物根幾何分布特性調(diào)查

植物根幾何分布特性調(diào)查采用剖面法,根的幾何分布形態(tài)由根在土壤剖面上根的數(shù)量及直徑表示,土壤剖面尺寸選擇為10 cm×10 cm,本次試驗調(diào)查的土壤剖面初始深度為2 cm,后續(xù)以間隔2 cm采集數(shù)據(jù),直至到達根生長深度。在試驗開始前,在土壤表層劃分區(qū)域,采用削土刀在土塊四周清除多余土壤,采用直尺量取所需調(diào)查土壤層位置,采用削土刀沿所在土壤層撥動上方土壤,用刷子清除多余土壤,采用剪刀對剖面上根進行修剪。當土壤剖面處置合理后,采用6 400萬像素照相機進行拍照,拍照距離為地面以上12 cm,拍照完成后帶回實驗室,采用圖片像素換算,采集剖面上根的直徑及數(shù)量,最終根在土壤剖面上的幾何分布形態(tài)由根面積比(RAR)表示,即

(1)

式中:di為第i個根的直徑;A為土壤剖面的面積,本次剖面面積為100 cm2;N為根的總數(shù)量。

2.3 根的抗拉力學特性試驗

在排土場當?shù)夭杉参锔?,為了保留根的活性,將其裝在15%酒精溶液中帶回實驗室[15],立即進行試驗。在試驗前,篩選植物根,盡量保持根沿長度方向直徑相同,以免尺寸效應導致根橫截面積小處斷裂,同時,將有缺陷的根去除。為了保證根抗拉力學特性的準確性,根的抗拉力學特性試驗全為帶根皮測量,試驗時,將植物根剪為10 cm小段,在根段1 cm位置處做標記,用于固定根段,因此,試驗測試段長度為8 cm,如圖2所示。

圖2 測量根段示意圖Fig.2 Schematic diagram of measured root segment

采用游標卡尺測量根直徑,根的抗拉力學特性由抗拉力測試系統(tǒng)測量,該系統(tǒng)由拉力計、拉力架、位移標尺、數(shù)據(jù)采集端和數(shù)據(jù)接收端組成,拉力計型號為SF-300N,精度±1%。將拉力計固定在拉力架上,拉力計一端連接根夾,用根夾夾住根段,采用拉力架進行加載,直至根完全被拉斷。全部根測量完成后,進行數(shù)據(jù)的篩選。為了保證試驗數(shù)據(jù)的準確性,將根中段1/3位置處斷裂的數(shù)據(jù)視為有效數(shù)據(jù),以防止由于根夾損傷根從而降低根的抗拉力學特性。植物根的抗拉力學特性關系采用式(2)表示。

F=adb。

(2)

式中:F為根的抗拉力;d為根直徑;a、b均為擬合系數(shù)。

2.4 根附加黏聚力模型計算

根穿過剪切面,根的抗拉強度高于土壤,因此,對土壤起到一定的加固效果,其加固效果相當于提高了摩爾-庫倫準則中的黏聚力項的值,即

c=cs+Δs。

(3)

式中:c為根土復合體的黏聚力;cs為無根土的黏聚力;Δs為根附加黏聚力,由數(shù)學模型計算獲得。

采用FBM計算根附加黏聚力。FBM假設根系在受外力時,根依據(jù)其抗拉強度逐漸斷裂,當部分根失效時,施加在土壤剖面上的力F由剩余根承擔。直至根全部斷裂,計算加載中所承受的根的最大力。假設一個土壤剖面上含有N個根,土壤剖面面積為A,首先按照根的強度進行排序,記錄最強的根為編號1,最弱的根記為編號N。dn為第n(1

(4)

式中:Δsj為第j個根斷裂時的根附加黏聚力;Rf為根向因子,通過Wu等[16]的研究,Rf取值范圍為0.92~1.31,當前研究采用1.2代替,于是式(4)簡化為

(5)

當前在FBM量化過程中,存在3種力的分配原則,分別為按根直徑、根面積和根數(shù)量分配。根據(jù)Thomas和Pollen-Bankhead[17]的研究可知,按根數(shù)量進行分配計算結(jié)果最優(yōu)。本文采用根數(shù)量平均分配原則的FBM模型,即

(6)

式中Trj為第j個根的抗拉強度。將式(6)代入式(5),當?shù)趈個根斷裂時,量化的草本植物根附加黏聚力為

(7)

在根的逐漸失效過程中,j的變化范圍為1~N,因此可以獲得N個根附加黏聚力值,由FBM計算的根附加黏聚力值為N個根附加黏聚力的最大值,即

Δs=1 200max(TrjRARjj) 。

(8)

采用FBM數(shù)學模型,結(jié)合根的抗拉力學特性,量化根在不同深度土壤剖面上附加黏聚力。本次量化的根附加黏聚力剖面位置與2.2節(jié)中剖面位置相同。

2.5 植物根系對邊坡淺層穩(wěn)定性提升效果

為研究植物根系對邊坡淺層穩(wěn)定性提升效果,建立一個理想的邊坡模型,植物根系主要生長在地表以下1 m范圍內(nèi),因此,邊坡表層厚度設置為1 m,下層假設為基巖,基巖土體力學參數(shù)設置盡量大一些,以便于突出植物根系對邊坡淺層穩(wěn)定性加固的影響。邊坡傾角為45°,邊坡模型如圖3所示,植物根系加固范圍根據(jù)2.4節(jié)中植物根系在不同深度處的根附加黏聚力變化規(guī)律確定。當前研究表明,植物根系的加固作用對土體內(nèi)摩擦角的影響較小,可以忽略不計[18],因此,根的加固效果只表現(xiàn)為根附加黏聚力。將2.4節(jié)中模型計算的根附加黏聚力按深度分布規(guī)律添加至圖3的模型中,采用Slide 5.0中的簡化Bishop法計算邊坡安全系數(shù)。為對比分析,本次在3種工況下計算安全系數(shù),分別為無根系邊坡、小蓬草加固邊坡及杠柳加固邊坡。土壤層的物理力學參數(shù)根據(jù)礦區(qū)現(xiàn)場數(shù)據(jù)選取,土壤層含水率為8.71%,計算邊坡安全系數(shù)所用的土壤物理力學參數(shù)見表1。

圖3 邊坡模型Fig.3 Slope model diagram

表1 土體物理力學參數(shù)

3 結(jié)果與討論

3.1 根的幾何分布特性

每種植物采集5個樣本數(shù)據(jù),通過統(tǒng)計分析,根在不同深度土壤剖面上的RAR分布如圖4所示。為了統(tǒng)計數(shù)據(jù)的分布規(guī)律,圖4標明了每組數(shù)據(jù)的四分位數(shù)點的范圍(25%~75%),并將每個剖面上的RAR均值采用線段連接,IQR表示四分位數(shù)范圍。

圖4 在不同深度土壤剖面上的RAR分布Fig.4 Distribution of RAR in soil profiles at different depths

從圖4可以看出,兩種植物的RAR均值均隨著土壤層深度的增加而減小,這取決于根的自身生長發(fā)育特性,兩種植物根均存在明顯的主根(圖1),主根逐漸向下發(fā)育且直徑在逐漸減小,與此同時,由上至下在主根上逐漸有側(cè)根生長,因此,造成了RAR均值隨深度逐漸減小。在相同深度時,杠柳的RAR均值高于小蓬草,且在深度分別為6 cm和2 cm時,RAR均值分別相差最大(3.95)和最小(0.01)。杠柳的RAR均值高于小蓬草,主要是因為杠柳屬于灌木植物,小蓬草屬于草本植物,灌木植物發(fā)育的根直徑大于草本植物。隨著深度的增加,兩種植物RAR的分布范圍大體呈現(xiàn)減小的趨勢,其中杠柳在深度6~8 cm土壤剖面上以及小蓬草在深度4~6 cm土壤剖面上的RAR分布范圍呈增加趨勢,這主要取決于植物根的自身生長發(fā)育,且與單獨個體生長的土壤環(huán)境有關;在深度為2 cm時,兩種植物RAR的分布范圍最大。與此同時,對比每組數(shù)據(jù)中位數(shù)與均值可以發(fā)現(xiàn),兩種植物RAR的中位數(shù)與均值的差值(取正數(shù))均在2 cm時最大(杠柳為1.59,小蓬草為2.36),說明在深度為2 cm時,RAR分布最離散化。對兩種植物不同深度RAR進行方差分析可知,兩種植物不同深度的RAR存在顯著性差異(p<0.001)。在相同深度處對比兩種植物RAR的差異性,RAR不存在顯著性差異(p>0.05)。

3.2 根的抗拉力學特性

兩種植物根的抗拉力學特性如圖5所示,試驗后篩查所測樣本數(shù)據(jù),兩組試驗的測試有效樣本為35個,杠柳、小蓬草樣本測試有效率分別為38.5%、32.24%。

圖5 根的抗拉力Fig.5 Tensile force of root

兩種植物根的抗拉力均隨著直徑的增大而增大,且呈現(xiàn)冪律函數(shù)關系,采用式(2)對數(shù)據(jù)點擬合,擬合優(yōu)度均在0.9以上。造成抗拉力非線性增長的原因不僅僅與尺寸有關,還與根內(nèi)部的纖維素及木質(zhì)素含量有關。Genet等[19]研究表明,根內(nèi)部纖維素含量越高,其抗拉強度越強。與此同時,還與根內(nèi)部含水量有關,根的含水量越高,其細胞壁間含水量越多,從而降低細胞壁之間的連接力[20]。對比兩種植物根的抗拉力可知,在相同根直徑時,小蓬草抗拉力大于杠柳,Pollen-Bankhead等[21]通過對根的抗拉力的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,發(fā)現(xiàn)草本植物的抗拉力高于灌木植物,本次研究結(jié)果與Pollen-Bankhead的結(jié)果相同。為了對比兩種植物根系抗拉力學的差異性,采集植物根在(0.6±0.2)mm的數(shù)據(jù),對兩種植物進行方差分析可知,兩種植物抗拉力學特性存在顯著性差異(p<0.01)。

3.3 根附加黏聚力

每種植物5組樣本統(tǒng)計得到的根附加黏聚力如圖6所示。兩種植物在不同深度土壤剖面的根附加黏聚力均值采用直線連接。

圖6 不同深度土壤剖面根附加黏聚力Fig.6 Additional cohesion of roots in soil profiles at different depths

由圖6可知,兩種植物根附加黏聚力均隨著土壤層深度的增加而減??;將其與圖4對比可知,每種草本植物RAR的變化規(guī)律與根附加黏聚力變化規(guī)律相同。對比同一深度處物種間的RAR分布與根附加黏聚力的關系可以發(fā)現(xiàn),杠柳的RAR大于小蓬草,但杠柳的根附加黏聚力小于小蓬草,所以,對比不同物種根附加黏聚力不能只根據(jù)RAR來判定,因為根附加黏聚力不僅與根在土壤剖面上的分布有關,還與根的抗拉力學特性有關。在同一深度土壤剖面,小蓬草根附加黏聚力高于杠柳(14 cm位置處除外,因為小蓬草根生長深度在12 cm),當前研究表明,草本植物較灌木植物與木本植物存在更高的加固能力[21]。兩種植物根附加黏聚力數(shù)據(jù)分布關系與其RAR數(shù)據(jù)分布規(guī)律基本相同,RAR是描述根附加黏聚力的優(yōu)質(zhì)參數(shù);根附加黏聚力的中位數(shù)與平均值的差值隨著深度的增加呈現(xiàn)減小趨勢;綜合以上兩點說明其離散程度在減小。對兩種植物不同深度的根附加黏聚力進行方差分析,不同深度根附加黏聚力存在顯著性差異(p<0.01)。對比相同土壤剖面兩種植物根附加黏聚力的差異性,在2、4 cm位置處,兩種植物的根附加黏聚力存在顯著性差異(p<0.05),在其余深度位置處,兩種植物的根附加黏聚力差異性不顯著(p>0.05)。

3.4 植物根系對邊坡淺層穩(wěn)定性的影響

3種工況下邊坡淺層穩(wěn)定性安全系數(shù)如圖7所示,無根系邊坡的安全系數(shù)最低,僅為1.288,經(jīng)杠柳和小蓬草根系加固后,邊坡的安全系數(shù)分別提升了5.4%和9.0%。從圖7可以看出,無根系邊坡安全系數(shù)范圍在0.86~1.70之間的面積最大,堿蓬和小蓬草加固后面積減小,綜合以上兩點說明植物根系對邊坡淺層穩(wěn)定性起到了明顯的加固作用。植物根系加固后,滑移面的位置并沒有發(fā)生較大改變,只是在坡腳位置處略有提高。

圖7 3種工況下邊坡的安全系數(shù)Fig.7 Safety factor of the slope under three working conditions

為了更好地分析植物加固后對滑移面微小的影響,圖8給出了3種工況下滑移面條塊的抗剪強度。由圖8可知:在x=16.9 m之前,3種工況下滑塊的抗剪強度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,且3種工況下的滑塊抗剪強度近似相同;而在x=16.1 m之后,植物加固邊坡的條塊抗剪強度明顯提高,杠柳與小蓬草土塊的最大抗剪強度分別為22.9、41.5 kPa,分別在x=17.3 m和x=17.4 m位置處,更加說明了邊坡滑移面只在坡腳產(chǎn)生微小變化的原因。

圖8 滑動面條塊抗剪強度Fig.8 Shear strength of sliding blocks

4 結(jié) 論

(1)小蓬草與杠柳的RAR均值均隨著土壤層深度的增加而減小,且深度2 cm時,兩種植物RAR分布最離散化。

(2)小蓬草與杠柳的根抗拉力與直徑呈現(xiàn)冪律函數(shù)關系,且在相同直徑時,小蓬草根的抗拉力高于杠柳。

(3)小蓬草與杠柳的根附加黏聚力均隨著土壤層深度的增加而減小,隨著土壤剖面深度增加,根附加黏聚力的離散化趨勢呈現(xiàn)減小趨勢。

(4)邊坡經(jīng)杠柳和小蓬草根系加固后,安全系數(shù)分別提升了5.4%和9.0%,植物根系對邊坡起到明顯的加固作用。

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