植被混凝土基材2種草本植物根－土復合體直剪試驗研究

黃曉樂，許文年，夏振堯

（三峽大學 三峽庫區(qū)地質災害教育部重點實驗室，湖北 宜昌 443002）

在邊坡生態(tài)治理工程中，應用植物根系的生物軟措施［1］可以降雨截流、削弱濺蝕、減小孔隙水壓力，增加土體的抗剪強度，有效地防止水土流失和土壤侵蝕，從而大幅提高邊坡的穩(wěn)定性和抗沖刷能力。植物根系在土壤中錯綜盤結，可視為帶預應力的三維加筋材料，使巖土體在其延伸范圍由強度相對較高的根系與強度相對較低的土體所組成的根－土復合體［2］。

國內外學者在根系固坡作用的力學模型、根系抗拉、根－土復合體抗剪、邊坡穩(wěn)定性分析等方面取得了一些成果［3－9］。在分析植物根系根－土復合體的抗剪強度的研究中，較多研究均表明，根－土復合體可以明顯提高土體的抗剪強度［10－11］。目前對于植物根系提高土壤抗剪切強度的研究主要集中于喬、灌木植物深根的錨固作用和草本植物根系的淺根加筋作用［12－14］。一般在研究根－土復合體的抗剪強度時是采集根系分層放置或穿插在土試樣中，不足以模擬自然狀態(tài)下根系在土壤中的分布形態(tài)和特征。本文通過在植被混凝土基材［15］上種植2種有代表性的植物，再用環(huán)刀現(xiàn)場取樣進行室內直剪試驗，分析根－土復合體對土壤抗剪強度的影響。采用環(huán)刀現(xiàn)場取樣的方法能保證植物根系在土壤中的分布形態(tài)不改變；其次，采用植被混凝土基材作為試驗樣地基材，種植2種常用生態(tài)護坡草本植物狗牙根和紫花苜蓿，分析根－土復合體在表層0－10 cm土層抗剪強度的提高及其隨深度分布的特征，對植被混凝土生態(tài)護坡技術［15］的研究、生態(tài)護坡效益評價及推廣應用有重要的意義。

1 根－土復合體直剪試驗的工作原理

土的抗剪強度是指土體抵抗剪切破壞的能力，其本質是由于土粒之間的滑動摩擦以及凹凸面的鑲嵌作用產(chǎn)生的摩阻力，其大小決定于土粒表面的粗糙度、土的密實度以及土的顆粒級配等。對于黏性土，其土體抗剪強度還包括土粒之間的粘聚力，它是由于黏性土顆粒之間的膠結作用和靜電引力效應等因素引起的。

應變控制式直接剪切儀測定土體抗剪強度的原理是利用加壓活塞和上透水石對土樣施加一垂直壓力，然后通過等速轉動手輪施加水平推力，使土樣在上下盒之間產(chǎn)生剪切變形，直到破壞，通過量力環(huán)的變形值計算剪應力的大小，土壤的抗剪強度用土壤剪切破壞時的剪應力來度量。

如圖1，本試驗中土樣在垂直壓力P和水平推力N的作用下，土樣沿Ⅰ－Ⅰ面發(fā)生剪切變形，土體內則沿Ⅰ－Ⅰ面產(chǎn)生向左的摩擦力。素土樣的摩阻力主要來自于Ⅰ－Ⅰ剪切面上土顆粒之間的咬合和摩擦。根－土復合體在垂直壓力P和水平推力N作用下，根系和土體共同受力、協(xié)調變形。將水平根系看作是平行加筋形式，用摩擦破壞理論分析，當土體發(fā)生變形時，根系的彈性模量比土大，根系與土體有相對滑動的趨勢，根系通過與土體的摩擦來限制土體變形；對于豎向根系，當根系處在土體剪切變形區(qū)域時，根系變形會產(chǎn)生拉應力，提高土體的抗剪強度。根－土復合體不僅在Ⅰ－Ⅰ面上通過土顆粒之間的摩擦和相互咬合產(chǎn)生摩阻力以抵抗變形，還通過土體和根系的相互接觸及根系自身的材料力學特性在整個土體內產(chǎn)生摩阻力提高土體的抗剪強度。

圖1 直接剪切實驗力學分析模型

2 試驗方案

2.1 試驗樣地

試驗樣地及土樣來源均在湖北省三峽大學翠屏山上：首先將取回的土樣風干，用木碾碾散過2 mm篩，再按照植被混凝土基材配比加入一定的水泥、有機質和添加劑，攪拌均勻后分層平鋪到地面上，每層鋪土厚約2 cm，每鋪一層土后用噴壺將土樣充分潤濕，土壤總厚度約大于10 cm時停止鋪土。土樣共分3塊，在其中的兩塊土樣上分別種植狗牙根和紫花苜蓿，采用草坪建植時常用的單播密度，分別為8 g／m2、2 g／m2。播種方法是：在鋪紫花苜蓿樣地和狗牙根樣地最后2 cm土層時，將稱量好的種子與少量攪拌均勻的植被混凝土基材充分混合，均勻撒播到樣地上，再將剩下的基材鋪上，并進行一定的震壓，使土樣總高度略大于10 cm。第3塊樣地作植被混凝土基材空白樣地對照。3塊樣地統(tǒng)一管理，定時定量澆水，并適時進行雜草清除和病蟲害防治。

樣地種植時間是2009年4月，取樣時間是2009年10月，生長期為6個月。取樣時，測得紫花苜蓿和狗牙根的植株密度分別約為800～1 000株／m2、2 500～3 000株／m2，植株平均高分別約為15 cm、1 m。紫花苜蓿和狗牙根的根系分布形態(tài)如圖2。狗牙根根系發(fā)達，平均長12 cm，根徑粗細較均勻，均小于1 mm，在0－2 cm土層中根系相對較少，在2－4 cm土層中最多，在4－10 cm土層中隨深度增加而減少；紫花苜蓿主根發(fā)達，側根稀少，主根平均長15 cm，根徑粗細不均勻，粗根約1～3根／株，根徑為1～4 mm，其他側根根徑均小于1 mm，主要分布在2－4 cm土層中。取樣前一天對3塊樣地充分澆水，取樣時測得狗牙根、紫花苜蓿和基材空白樣3塊樣地的含水率分別為30.18%，30.05%，29.94%。

圖2 根系分布形態(tài)

2.2 試驗方法

取樣時，將每塊樣地沿垂直方向分5層（每層2 cm），用環(huán)刀在每層上取土樣4個（一組），每塊樣地共5組。各組試樣進行直接剪切試驗，剪切時用50，100，150，200 k Pa的4種垂直壓力，得到不同垂直壓力下的剪應力，再通過線性回歸擬合推算出每組土樣的粘聚力和內摩擦角聚力和內摩擦角。

試驗采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的DSJ－2電動四聯(lián)等應變直剪儀。試樣直徑為6.18 cm，截面積30 cm2，試樣高2.0 cm。4個剪切盒的量力環(huán)率定系數(shù)為C1＝5.71 N／0.01mm，C2＝5.66 N／0.01mm，C3＝5.76 N／0.01mm，C4＝5.68 N／0.01mm。

2.3 抗剪強度的計算

應變控制式直剪儀測定根－土復合體的抗剪強度指標，根據(jù)手輪轉數(shù)和測微表讀數(shù)計算每組土樣在4個不同垂直壓力下的剪應力。

式中：τ——垂直壓力下的剪應力；C——量力環(huán)率定系數(shù)；R——量力環(huán)量表讀數(shù)（0.01 mm）；A——剪切盒的截面積；將每組土樣的試驗結果τ值繪在圖中，進行線性回歸，得到各層土壤的抗剪強度曲線。

3 試驗結果與分析

3塊樣地不同深度試樣的抗剪強度擬合曲線及各自的回歸模型如圖3，同一土層試樣的含根量和含水率相當，抗剪強度隨垂直壓力的增大而增大，相關系數(shù)最小為0.951 3，最大可達0.996 6，說明用直線回歸擬合土體的抗剪強度效果良好，與庫倫強度公式τ＝c＋σtanφ一致，即根－土復合體服從莫爾－庫侖強度破壞準則。根據(jù)線性回歸模型，計算各土樣土壤的粘聚力c和內摩擦角φ，結果見表1，各組土樣的粘聚力對比分析如圖4。

圖3 各樣地不同深度土壤的抗剪強度曲線

試驗結果表明：

（1）從表1可以看出3塊樣地的土壤內摩擦角隨深度變化均不明顯，故可取各樣地不同土層土壤的內摩擦角平均值代表不同樣地土壤的內摩擦角。狗牙根、紫花苜蓿和基材空白樣樣地的內摩擦角平均值分別為30.5°，29.7°和29.1°，變化幅度不大，認為根－土復合體試樣的內摩擦角與基材空白樣的內摩擦角基本相同，說明植物根系對土壤內摩擦角的影響不大。

（2）表1中基材空白樣的粘聚力隨土層深度變化不明顯，可取其平均值作為該樣地的粘聚力，值為9.13 kPa。狗牙根樣地和紫花苜蓿樣地土壤的粘聚力隨土層深度變化顯著，狗牙根根－土復合體的粘聚力最大為20.94 k Pa，最小為13.37 kPa，相對基材空白樣分別增加了129.4%，46.4%，紫花苜蓿根－土復合體的粘聚力最大為16.19 k Pa，最小為10.48 k Pa，相對基材空白樣分別增加了77.3%，14.8%。

表1 抗剪強度指標

圖4 粘聚力對比分析

（3）圖4中基材空白樣土壤粘聚力隨土層深度變化不顯著，紫花苜蓿和狗牙根樣地土壤粘聚力的變化趨勢均是先增大后減小，2－4 cm處粘聚力最大，底層最低，且每層圖樣的粘聚力均大于基材空白相應深度處的粘聚力。分析其原因是：基材空白樣由于各層基材配比一樣，當含水率一定時，土壤的粘聚力變化不大，又因其中沒有根系的作用，故粘聚力相對根－土復合體較小。研究還發(fā)現(xiàn)根－土復合體抗剪強度的提高主要由直徑小于1 mm的根系與土壤之間的摩擦來實現(xiàn)［16］，而狗牙根和紫花苜蓿根－土復合體在2－4 cm處根徑小于1 mm的根系分布最多，故根－土復合體的粘聚力先增大，后隨著土層深度加大，土壤中根系減少，根－土復合體的粘聚力也隨之呈減小的趨勢；其次，根－土復合體在0－2 cm處由于受到水分侵蝕等外界因素的直接影響，其抗剪強度也會相對降低。

（4）圖4中狗牙根根土復合體每層圖樣的粘聚力比紫花苜蓿根－土復合體相應土層的粘聚力均大。不同種類植物由于其各自的生理生態(tài)特性、根系力學特性和根系分布形態(tài)、播種密度等不同，抗剪強度也不一樣。取樣時紫花苜蓿和狗牙根的植株密度分別為800～1 000株／m2、2 500～3 000株／m2，狗牙根的植株密度比紫花苜蓿的大；從單根植株根系分布特征來看，圖2中紫花苜蓿根系稀少，根徑分布極不均勻，根系在土壤中沒有完全形成網(wǎng)絡結構，而狗牙根根系比較發(fā)達，在所有土層中均有較多分布，且根徑分布均勻，在土壤中基本形成了三維網(wǎng)絡結構。故本試驗中測定的狗牙根根－土復合體粘聚力比紫花苜蓿根－土復合體粘聚力大。

4 結果與討論

（1）基材空白樣和根－土復合體的內摩擦角隨土層深度變化不明顯，3個樣地內摩擦角基本相同。

（2）狗牙根根－土復合體的粘聚力最大為20.94 k Pa，最小為13.37 k Pa，相對基材空白樣分別增加了129.4%、46.4%，紫花苜蓿根－土復合體的粘聚力最大為16.19 k Pa，最小為10.48 k Pa，相對基材空白樣分別增加了77.3%、14.8%。

（3）基材空白樣的粘聚力隨土層深度變化不明顯，紫花苜蓿根－土復合體和狗牙根根－土復合體的粘聚力隨土層深度先增大后減小，2－4 cm處最大。

（4）紫花苜蓿根－土復合體和狗牙根根－土復合體對土壤的抗剪強度影響不同。在工程實踐中，考慮具體條件和要求選擇不同的物種，以達到最佳的治理效果。

本次試驗基于在植被混凝土基材上種植2種不同的草本植物，測定一定生長期后不同土層深度土體抗剪強度的情況，與基材空白樣對比，評估植被混凝土生態(tài)護坡技術的前期效果，對植被混凝土技術的研究和應用推廣，發(fā)揮生物軟措施的固土潛能具重要的指導意義。試驗中樣地設在平坦的地面上進行人工管理，而在實際工程中，所治理的邊坡處于自然條件下，均有一定的坡度，且一般都是選取幾種不同的物種混播，故對于植物混凝土生態(tài)護坡技術的研究還有待于進一步完善和改進。

［1］陳昌富，劉懷星，李亞平.加筋土的護坡機理及強度準則試驗研究［J］.中南公路工程，2006，31（2）：14-17.

［2］湯勁松，劉松玉，童立元.植物根系的加筋作用對淺埋公路隧道施工穩(wěn)定的影響［J］.東南大學學報：自然科學版，2009，39（2）：334-339.

［3］Wu T H，Mckinnell W P，Swanston D N.Strength of tree roots and landslides on Prince of Wales Island，Alaska［J］.Canadian Geotechnical Journal，1979（1）：19-33.

［4］高齊治，張俊斌，張新萍.臺灣西南部優(yōu)勢竹類籟竹根力之研究［J］.世界竹藤通訊，2008（1）：10-15.

［5］李成凱.青藏高原黃土區(qū)四種草本植物單根抗拉特性研究［J］.中國水土保持，2008（5）：33-36.

［6］李國榮，毛小青，倪三川，等.淺析灌木與草本植物護坡效應［J］.草業(yè)科學，2007，24（6）：86-89.

［7］劉秀萍，陳麗華，宋維峰.林木根系與黃土復合體的抗剪強度試驗研究［J］.北京林業(yè)大學學報，2006，28（5）：67-72.

［8］付海峰，姜志強，張書豐.植物根系固坡效應模擬及穩(wěn)定性數(shù)值分析［J］.水土保持通報，2007，27（1）：92-98.

［9］及金楠，張志強，F(xiàn)ourcaud Thierry，等.鯡骨狀根構型對典型土體抗傾覆力的有限元分析［J］.中國水土保持科學，2007，5（3）：14-18.

［10］Kassiff G，Kopelovitz A.Strength properties of soilroot systems［J］.Israel Institute of Technology，1968（25）：36-44.

［11］Waldron L J，Dakessian S.Soil reinforcement by roots：calculation of increased soil shear resistance from root properties［J］.Soil Science，1981，13：427-435.

［12］Nilaweera N S.Effects of tree roots on slope stability：the case of Khao Luang Mountain area，Thailand［M］.Bangkok：Asian Institute of Technology，1994.

［13］周躍，宏偉，徐強.南松幼樹垂直根的土壤增強作用［J］.水土保持學報，2000，14（5）：100-105.

［14］王文生，楊曉華，謝永利.公路邊坡植物的護坡機理［J］.長安大學學報，2005，5（4）：26-30.

［15］王鐵橋，許文年，葉建軍，等.挖方巖石邊坡綠化技術與方法探討［J］.三峽大學學報：自然科學版，2003，25（2）：101-104.

［16］程洪，顏傳盛，李建慶，等.草本植物根系網(wǎng)的固土機制模式與力學試驗研究［J］.水土保持研究，2006，13（1）：62-65.