張海洋

摘 要：【目的】工程建設(shè)中產(chǎn)生大量的裸坡，需要對(duì)邊坡進(jìn)行植被恢復(fù)。探究植被對(duì)邊坡土體的力學(xué)性質(zhì)的影響，可為邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供參考?！痉椒ā繉?duì)研究區(qū)的根系和土體進(jìn)行不同比例的混合，并進(jìn)行直剪試驗(yàn)。【結(jié)果】結(jié)果表明：隨著含水量的增加，土體的黏聚力呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，根系能夠明顯增加土體的黏聚力，土體的內(nèi)摩擦角也會(huì)有一定的提高，提高幅度小于黏聚力增加幅度?！窘Y(jié)論】植被能夠增強(qiáng)土體抗剪強(qiáng)度，生態(tài)護(hù)坡對(duì)邊坡防護(hù)具有重要意義。

關(guān)鍵詞：人工邊坡；植被效應(yīng)；根-土復(fù)合體；抗剪強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：TU43? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1003-5168（2024）05-0104-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.05.022

Study on the Influence of Vegetation on Soil Shear Strength of

Ecological Slope

ZHANG Haiyang

（Henan sitong building services Co.， Ltd.， Luoyang? 471000， China）

Abstract： [Purposes] A large number of bare slopes are produced in engineering construction， so it is inevitable to carry out vegetation restoration on the slope， and explore the influence of vegetation on the mechanical properties of the slope soil. The research results will provide reference for the evaluation of slope stability. [Methods] Direct shear test was carried out on the mixture of root and soil in different proportions in the study area. [Findings] The results showed that with the increase of water content， the cohesiveness of soil showed a decreasing trend， the root system could obviously increase the cohesiveness of soil， and the internal friction Angle of soil also increased to a certain extent， and the increase range was smaller than the increase range of cohesiveness. [Conclusions] Vegetation can enhance the shear strength of soil， and ecological slope protection is of great significance for slope protection.

Keywords： artificial slope; vegetation effect; root-soil complex; shear strength

0 引言

近年來(lái)人類工程活動(dòng)增多，尤其是道路工程開(kāi)挖產(chǎn)生了大量的人工邊坡。邊坡土體作為一種重塑土，土壤結(jié)構(gòu)遭受破壞，缺乏固結(jié)，在降雨等侵蝕動(dòng)力作用下極易發(fā)生水土流失和邊坡失穩(wěn)［1］。在過(guò)去的研究中主要采用工程措施對(duì)邊坡進(jìn)行加固，但工程措施造價(jià)高，容易造成資源浪費(fèi)，尤其當(dāng)混凝土老化后產(chǎn)生大量的廢渣會(huì)破壞原有土體成分。隨著人類環(huán)境意識(shí)的增強(qiáng)，生態(tài)工程逐漸被應(yīng)用到邊坡防護(hù)中，植被不僅可以綠化環(huán)境，其根系與土體相互作用形成根土復(fù)合體，能夠大大提高土體的抗剪強(qiáng)度［2-3］。植被的存在能夠改善周圍生態(tài)環(huán)境，增強(qiáng)邊坡土體穩(wěn)定性。力學(xué)加固作用是根系增強(qiáng)土體強(qiáng)度的主要方面，根系固土護(hù)坡力學(xué)效應(yīng)可分為加筋和錨固兩個(gè)方面。植物力學(xué)加固的作用表現(xiàn)為根系延伸至土體內(nèi)部，與土體黏接在一起，共同承擔(dān)載荷，提高土體的抗剪強(qiáng)度。植物根系力學(xué)特性指標(biāo)與根系結(jié)構(gòu)形態(tài)指標(biāo)是定量描述植物根系固持土能力和增強(qiáng)土體強(qiáng)度、提高邊坡穩(wěn)定性能力的重要參數(shù)［4-5］。

近年來(lái)，相關(guān)學(xué)者采用不同的測(cè)定方法，開(kāi)展了根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度與根系分布特征關(guān)系的研究。李建興等［6］研究表明隨著根長(zhǎng)密度、根表面積密度的增大，土壤內(nèi)摩擦角φ呈顯著的對(duì)數(shù)增長(zhǎng)，土壤黏聚力c呈顯著的線性增長(zhǎng)。Li等［7］采用 COMSOL Multiphysics 研究了植物根系產(chǎn)生的附加黏聚力對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。張鋒等［8］通過(guò)常規(guī)三軸固結(jié)不排水試驗(yàn)，研究植物根系在一定含水量和含根量條件下對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響。格日樂(lè)等［9］采用直剪儀對(duì)3種植物重塑的根-土復(fù)合體及素土進(jìn)行室內(nèi)剪切試驗(yàn)，指出隨著土壤含水率的增加，根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度及黏聚力均呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢(shì)。朱錦奇等［10］研究表明根系可以同時(shí)提高土壤的黏聚力和內(nèi)摩擦角，根系對(duì)土壤的加固效果隨土壤含水率的升高而大幅度降低。本研究主要采用人工制備不同含水量和含根量的環(huán)刀樣，通過(guò)控制變量法定量研究含水量和含根量對(duì)土體性質(zhì)的影響，研究?jī)?nèi)容對(duì)邊坡治理具有重要意義。

1 試驗(yàn)材料與方法

本研究選取工程中邊坡填土為研究對(duì)象，探究根系對(duì)土體強(qiáng)度的影響。在試驗(yàn)過(guò)程中首先對(duì)土體進(jìn)行簡(jiǎn)單的粗篩，去除土體中的根系及礫石，再經(jīng)烘箱烘干、碾碎后通過(guò)干篩法測(cè)量土體顆粒級(jí)配。為探究土體中不同含水量和含根量對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響，分別設(shè)置6%、9%、12%、15%和18%共計(jì)5個(gè)梯度的含水量。根系梯度設(shè)置6 mg·cm-3、12 mg·cm-3、18 mg·cm-3和無(wú)根土進(jìn)行對(duì)照試驗(yàn)。

根系為多種草本根系混合，直徑為0.2～5 mm不等。在野外取樣后，簡(jiǎn)單去除表層土壤后用保鮮膜包裹，避免根系脫水失去活性，在室內(nèi)把根系在水中進(jìn)行浸泡2 h，完全去除表層的土顆粒，用吸水毛巾去除表層的多余水分。含根量的設(shè)置采用根土質(zhì)量比，即根系質(zhì)量與土體質(zhì)量的比值作為根-土復(fù)合體試樣中含根量的確定方法。將根系與各梯度含水量的土體充分均勻混合后制作環(huán)刀樣，控制各試驗(yàn)中土體密度相等，為1.3 g/cm3 ， 密度設(shè)置參考取樣地土體平均密度，制樣后進(jìn)行直剪試驗(yàn)。

2 結(jié)果分析

通過(guò)干篩法可知（如圖1所示），土壤最大土粒直徑不超過(guò)40 mm，1～10 mm土粒含量最多，占總質(zhì)量的45.64%，粒徑小于0.5 mm土壤占總質(zhì)量的22.39%，研究區(qū)土體為級(jí)配良好的砂土。通過(guò)干篩法可知，土壤中含有大量的團(tuán)聚體，在碾碎過(guò)程中很難使團(tuán)聚體中的土粒完全分離，導(dǎo)致土壤顆粒粒徑偏大。

對(duì)裸土烘干后配置相應(yīng)含水量的環(huán)刀，并進(jìn)行直剪試驗(yàn)，垂直壓力梯度設(shè)置為50 kPa、100 kPa、150 kPa和200 kPa，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)見(jiàn)表1。土壤含水量對(duì)土體抗剪強(qiáng)度影響較大且規(guī)律明顯，隨著含水量的增加，土體抗剪強(qiáng)度呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。土體黏聚力和內(nèi)摩擦角也呈現(xiàn)不同程度的變化規(guī)律：隨著含水量的增加，土體黏聚力呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，相較于含水量為6%的土體，含水量為9%、12%、15%和18%的土體黏聚力分別降到6%含水量土體的92.95%、91.33%、79.13%和78.59%；當(dāng)含水量增加到12%以上時(shí)，土體黏聚力降低最為明顯；隨著含水量的增加，土體內(nèi)摩擦角也呈現(xiàn)出降低的趨勢(shì)，但幅度不明顯。

含根量為6 mg·cm-3土體直剪試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)見(jiàn)表2。根系對(duì)土體強(qiáng)度具有一定的增強(qiáng)作用，根系與土體相互作用形成根土復(fù)合體，對(duì)土體的強(qiáng)度具有促進(jìn)作用。相較于裸土，根系含量為6mg·cm-3土體在不同含水量條件下均有提高，尤其表現(xiàn)在黏聚力上，含水量為6%、9%、12%、15%、18%的土體黏聚力分別為裸土的1.22、1.18、1.08、1.30、1.21倍，內(nèi)摩擦角也有一定的提高，提高幅度為裸土的1.06～1.12倍。

為探究根系含量對(duì)土體強(qiáng)度的提高，繼續(xù)對(duì)含根量為12 mg·cm- 3土體在各含水量梯度下進(jìn)行直剪試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)見(jiàn)表3。相較于裸土，含根量為12 mg·cm- 3的土體黏聚力在不同含水量條件下分別為裸土的1.38、1.25、1.30、1.47、1.28倍，內(nèi)摩擦角為裸土的1.07～1.29倍。

相較于裸土，含根量為18 mg·cm- 3的土體黏聚力在不同含水量條件下分別為裸土的1.30～1.61倍（見(jiàn)表4），內(nèi)摩擦角為裸土的1.18～1.40倍，黏聚力增加幅度有所降低，如在含水量為6%的土體中，隨著根系含量的增加，土體黏聚力反而略微降低（如圖5所示）。本研究認(rèn)為根系增強(qiáng)土體是存在最優(yōu)含根量的。當(dāng)含根量較小時(shí)，隨著含根量增大，土體強(qiáng)度得到提高，而當(dāng)含根量繼續(xù)增大時(shí)，土體強(qiáng)度反而出現(xiàn)降低的趨勢(shì)。分析認(rèn)為根系過(guò)多時(shí)會(huì)影響土體之間的黏結(jié)作用，導(dǎo)致土體密度會(huì)降低，最終導(dǎo)致土體強(qiáng)度降低。

3 討論

根據(jù)已有的根系固土力學(xué)模型，主要認(rèn)為根系能夠增強(qiáng)土體的表觀黏聚力，這也與本研究結(jié)論相一致。根土復(fù)合體中存在最優(yōu)含根量，使得根系加固土體效果最為明顯。除此之外，根系增強(qiáng)土體抗剪強(qiáng)度還與根系的種類、不同根系的抗拉強(qiáng)度有關(guān)。根系的空間分布也對(duì)土體強(qiáng)度具有重要的影響，這也是今后的研究?jī)?nèi)容。本試驗(yàn)采用的重塑土和人工加入根系的方法，得出的土體抗剪強(qiáng)度偏小，重塑土破壞了土體結(jié)構(gòu)，且根系具有活性，能夠分泌物質(zhì)使得土體膠結(jié)程度更好。在野外條件下，根系會(huì)滲透延伸到土體中，形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，對(duì)土體的增強(qiáng)效果更為明顯。因此，實(shí)際情況下，植被根系對(duì)土體的抗剪強(qiáng)度提高更為明顯。格日樂(lè)［9］、何偉鵬等［5］的研究表明黏聚力隨含根量先增加后減少，而本次研究黏聚力隨含根量的增加黏聚力逐漸增大，但增加速度也呈降低的趨勢(shì)，整體研究規(guī)律也與已有研究結(jié)論呈現(xiàn)一致性。

4 結(jié)論

①研究區(qū)土壤最大土粒直徑不超過(guò)40 mm，1～10 mm土粒含量最多，占總質(zhì)量的45.64%，粒徑小于0.5 mm土壤占總質(zhì)量的22.39%，土體為級(jí)配良好的砂土。

②對(duì)于不含根系的裸土，隨著含水量的增加土體黏聚力呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，當(dāng)含水量增加到12%以上時(shí)，土體黏聚力降低最為明顯，隨著含水量的增加，土體內(nèi)摩擦角也呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。

③根土相互作用形成根土復(fù)合體對(duì)土體強(qiáng)度有明顯的提高作用，對(duì)提高邊坡穩(wěn)定性具有重要的作用。含根量為6 mg·cm- 3的土體黏聚力為裸土1.2倍。

④隨著含根量的增加，土體黏聚力均呈增加趨勢(shì)，當(dāng)含根量增加到12 mg·cm-3以上時(shí)增加幅度逐漸減小。根土復(fù)合體存在最優(yōu)含根量使得土體強(qiáng)度最高。

參考文獻(xiàn)：

［1］陳飛， 羅特， 錢乾，等. 生態(tài)護(hù)坡技術(shù)在河道與公路邊坡工程中的應(yīng)用綜述［J］. 水利水電快報(bào)， 2022，43（8）：108-113.

［2］劉昌義， 胡夏嵩， 李希來(lái)，等. 黃河源區(qū)高寒草地根—土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度與土壤營(yíng)養(yǎng)元素分布關(guān)系［J］. 山地學(xué)報(bào)， 2020，38（3）：349-359.

［3］袁亞楠， 劉靜， 李詩(shī)文，等. 小葉錦雞兒根土界面摩阻特性及復(fù)合體抗剪強(qiáng)度研究［J］. 干旱區(qū)資源與環(huán)境， 2022，36（7）：173-179.

［4］孔綱強(qiáng)， 文磊， 劉漢龍，等. 植物根系分布形態(tài)及含根復(fù)合土強(qiáng)度特性試驗(yàn)［J］. 巖土力學(xué)， 2019，40（10）：3717-3723.

［5］何偉鵬， 胡夏嵩， 劉昌義，等. 黃河源區(qū)不同禁牧年限對(duì)垂穗披堿草單根及其根-土復(fù)合體力學(xué)強(qiáng)度特征的影響［J］. 草業(yè)學(xué)報(bào)， 2023，32（5）：106-117.

［6］李建興， 何丙輝， 諶蕓，等. 不同護(hù)坡草本植物的根系分布特征及其對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度的影響［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2013，29（10）：144-152.

［7］LI Y P， WANG Y Q， MA C，et al. Influence of the spatial layout of plant roots on slope stability［J］. Ecological Engineering， 2016，91（1）：477-486.

［8］張鋒， 凌賢長(zhǎng)， 吳李泉，等. 植被須根護(hù)坡力學(xué)效應(yīng)的三軸試驗(yàn)研究［J］. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2010，29（S2）：3979-3985.

［9］格日樂(lè)，張成福，蒙仲舉，等.3種植物根-土復(fù)合體抗剪特性對(duì)比分析［J］. 水土保持學(xué)報(bào)，2014，28（2）：85-90.

［10］朱錦奇， 蘇伯儒， 王云琦，等. 荊條根系的固土功能隨土壤含水率的變化［J］. 林業(yè)科學(xué)， 2020，56（6）：202-208.