多花木藍(lán)根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究

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(1.三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002； 2.三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 宜昌 443002;3.宜昌潤都建設(shè)工程有限公司，湖北 宜昌 443413)

1 植被根系錨固作用機(jī)理及其含量試驗(yàn)

土工建設(shè)常伴隨大量的開挖，開挖破壞了原有的植被，造成了大量裸露土坡和巖石邊坡，導(dǎo)致嚴(yán)重的水土流失和生態(tài)環(huán)境失衡，加劇惡劣生態(tài)系統(tǒng)的退化，而利用植物與土體的相互作用(根系錨固作用)對邊坡表層進(jìn)行防護(hù)、加固，使之既能滿足設(shè)計(jì)對邊坡表層穩(wěn)定的要求，又能恢復(fù)被破壞的自然生態(tài)環(huán)境[1]。

隨著植物生長和繁殖，根系不斷延伸，植被根系提高了巖土強(qiáng)度，增大巖土層的滑移與運(yùn)動(dòng)阻力，提高邊坡的穩(wěn)定性，從而達(dá)到了永久恢復(fù)植被和維護(hù)坡面穩(wěn)定的目的[2]。植物根系可以加固疏松的土壤，保護(hù)深層的土壤，尤其適用于淺層松散邊坡的防治，而土體中根系含量對邊坡表層穩(wěn)定性具有極大的影響，因此，如何通過模擬試驗(yàn)來找到土體中最佳的根系含量，從而最大程度地提高邊坡穩(wěn)定性，具有十分重要的意義。

本文選用常用護(hù)坡植物多花木藍(lán)和三峽庫區(qū)常見的紫色土重塑所形成的根-土復(fù)合體為研究對象，設(shè)置了60 cm3含根量為0.0，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8 g共9個(gè)梯度對多花木藍(lán)根-土復(fù)合體進(jìn)行了室內(nèi)直剪試驗(yàn)，探討了不同含根量(本文均指60 cm3體積中的含根量)對土體抗剪強(qiáng)度的影響，對三峽庫區(qū)紫色土穩(wěn)定性維持以及庫區(qū)邊坡生態(tài)修復(fù)工程提供了一定的參考。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)對象為多花木藍(lán)(IndigoferaamblyathaM.C.WangetC.L.Min)，取自三峽大學(xué)北門保衛(wèi)處邊坡生態(tài)防護(hù)工程。多花木藍(lán)為直立灌木，屬豆科木藍(lán)植物，生長于山坡草地、灌叢中、水旁、路旁。株高一般為0.8～2 m，少分枝，適應(yīng)性強(qiáng)，不擇土壤。根系發(fā)達(dá)，支根須根多，且密集于土壤表層。具有良好的水土保持功能，是邊坡恢復(fù)的常用物種。采取整株挖掘法挖掘出根系，選取長勢相同的20株進(jìn)行觀察測量，多花木藍(lán)根系為水平根系，且每根水平主根上都有少量直徑<1 mm的毛根。根系數(shù)量在2～5根，根系直徑范圍為0.6～5.8 mm，主要分布在0～40 cm的土體淺層內(nèi)。

試驗(yàn)選擇三峽庫區(qū)常見的紫色土為試驗(yàn)土壤，土壤取自三峽庫區(qū)王家橋小流域，該流域位于三峽庫區(qū)庫首，地處湖北省宜昌市秭歸縣水田壩鄉(xiāng)王家橋村，為良斗河的一條支流，經(jīng)緯度坐標(biāo)為31°12′N～31°15′N，110°40′E～110°43′E。土壤采自荒坡地表層30 cm，土壤類型為石灰性紫色土，土壤容重為1.3 g/cm3。取紫色土樣100 g進(jìn)行篩分試驗(yàn)，其中，砂粒(0.05～2 mm)含量占77.97%，粉粒(0.002～0.05 mm)占20.74%，黏粒(<0.002 mm)占1.29%。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)選用內(nèi)徑為6.18 cm、高度為2 cm、容積為60 cm3的環(huán)刀，把每60 cm3土中根的質(zhì)量定義為含根量[3]。稱500 g土，利用擊實(shí)儀進(jìn)行輕型擊實(shí)25次，通過控制容積為60 cm3環(huán)刀內(nèi)的根系質(zhì)量來保證試樣的一致性。在挖取的多花木藍(lán)完整植株上選取直徑為0.6～1.6 mm的根系，統(tǒng)一剪成高度為2 cm/段。采用BS224S型分析天平稱量每一段根系的質(zhì)量，將根系質(zhì)量之和為預(yù)定含根量的若干數(shù)量根系分為一組，共4組，保證每一組的根系數(shù)量一致。在試樣制作過程中，稱取500 g試樣，保證含水率為11.17%不發(fā)生變化。先鋪0.5 cm厚的土樣，利用輕型擊實(shí)儀擊實(shí)5次，再將已經(jīng)進(jìn)行分組的根系均勻地置入已經(jīng)擊實(shí)的土層中，保證根系在試樣中垂直且分布均勻，分2次填入土壤至填滿環(huán)刀，再擊實(shí)20次，盡量保證所有試樣所受的擊實(shí)功相同。各組試樣的總質(zhì)量和根系、土壤質(zhì)量見表1。

表1 不同含根量試樣的根系分布密度

2.3 直剪試驗(yàn)

直剪試驗(yàn)采用采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的DSJ-2電動(dòng)四聯(lián)等應(yīng)變直剪儀。4個(gè)剪切盒的量力環(huán)率定系數(shù)分別為C1=5.71 N/0.01mm，C2=5.66 N/0.01mm，C3=5.76 N/0.01mm，C4=5.68 N/0.01mm。剪切時(shí)分別用100，200，300，400 kPa的4種法向應(yīng)力對4組試樣進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)。

根據(jù)手輪轉(zhuǎn)數(shù)和測微表讀數(shù)計(jì)算每組土樣在4個(gè)不同垂直壓力下的剪應(yīng)力，公式為

(1)

式中：τ為垂直壓力下的剪應(yīng)力；c為量力環(huán)率定系數(shù)；R為量力環(huán)量表讀數(shù)(0.01 mm)；A為剪切盒的截面積。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 含根量對土體抗剪強(qiáng)度的影響分析

設(shè)置了60 cm3含根量為0.0，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8 g共9個(gè)梯度，對多花木藍(lán)根-土復(fù)合體進(jìn)行了直剪試驗(yàn)，其抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 多花木藍(lán)根-土復(fù)合體室內(nèi)直剪試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表2可以看出：在100 kPa的法向應(yīng)力下，多花木藍(lán)根-土復(fù)合體在含根量為0.4 g時(shí)抗剪強(qiáng)度最大，值為104.68 kPa，其最小值為72.80 kPa；在200 kPa的法向應(yīng)力下，其在含根量為0.5 g時(shí)抗剪強(qiáng)度最大，值為167.72 kPa，其最小值為116.41 kPa；在300 kPa的法向應(yīng)力下，其在含根量為0.5 g時(shí)抗剪強(qiáng)度最大，值為215.36 kPa，其最小值為155.80 kPa；在400 kPa的法向應(yīng)力下，其在含根量為0.4 g時(shí)抗剪強(qiáng)度最大，值為251.16 kPa，其最小值為195.48 kPa。而當(dāng)試樣不含根系時(shí)，其在100，200，300，400 kPa的法向應(yīng)力下，抗剪強(qiáng)度分別為72.80，116.41，155.80，195.48 kPa，均小于試樣中含根量為0.1～0.8 g所測得的抗剪強(qiáng)度，這說明由于根系的添加，增大了土體的抗剪強(qiáng)度。

圖1 不同法向應(yīng)力作用下的含根量與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系

由圖1可以看出，在法向應(yīng)力不變的情況下，根-土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度隨著試樣中含根量的增加而呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。在100 kPa的法向應(yīng)力下，抗剪強(qiáng)度最大值和次最大值分別出現(xiàn)在含根量為0.4，0.3 g；在200 kPa的法向應(yīng)力下，抗剪強(qiáng)度最大值和次最大值分別出現(xiàn)在含根量為0.5，0.4 g；在300 kPa的法向應(yīng)力下，抗剪強(qiáng)度最大值和次最大值分別出現(xiàn)在含根量為0.5，0.3 g；在400 kPa的法向應(yīng)力下，抗剪強(qiáng)度最大值和次最大值分別出現(xiàn)在含根量為0.4，0.5 g?？梢酝茰y在0.3～0.5 g區(qū)間內(nèi)的存在某一最優(yōu)值，使得多花木藍(lán)根-土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度出現(xiàn)最大值。

表3 不同含根量試樣抗剪強(qiáng)度回歸模型

由圖2可以看出，對同一含根量的試樣來說，其抗剪強(qiáng)度隨著法向應(yīng)力的增大而增加。圖中曲線均呈現(xiàn)上升趨勢且與縱軸截距增大，這說明隨著含根量的增加，土體的c，φ值較無根系試樣都出現(xiàn)了不同程度的增加。

圖2 不同含根量下的法向應(yīng)力與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系

3.2 含根量對土體內(nèi)摩擦角及黏聚力的影響分析

將表1中多花木藍(lán)根-土復(fù)合體試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel進(jìn)行了擬合分析，得到表3中不同含根量試樣抗剪強(qiáng)度的回歸模型，計(jì)算得到不同含根量試樣的c，φ值，見表3。

從表3中可以看出，當(dāng)含根量為0.1 g時(shí)內(nèi)摩擦角最大，其值為為26.95°；當(dāng)含根量為0.0 g時(shí)內(nèi)摩擦角最小，其值為22.17°。不同含根量梯度的內(nèi)摩擦角平均值為25.10°，比較可知不同含根量試樣的土壤內(nèi)摩擦角變化不大，說明植物根系對土壤內(nèi)摩擦角的影響很小。其原因是，當(dāng)復(fù)合體受剪力作用時(shí), 不僅產(chǎn)生土粒與土粒之間的摩擦作用, 同時(shí)還產(chǎn)生土粒與根系之間的摩擦作用, 這對復(fù)合體來講, 都屬于內(nèi)摩擦, 故φ值可理解為土壤-根系復(fù)合體的綜合摩擦角，雖然根的總數(shù)目增多, 但是根系與土粒間的接觸面積增加并不多, 故φ值變化不大[4]。

圖3 不同含根量對應(yīng)的黏聚力

從圖3中可以看出，隨著含根量的增加，土壤黏聚力的變化趨勢為先增大后減小。取含根量為0.0 g的試樣作為基礎(chǔ)值，不同含根量梯度的試樣黏聚力較該基礎(chǔ)值出現(xiàn)了不同程度的增加；當(dāng)含根量為0.4 g時(shí)增幅最大，黏聚力為59.00 kPa，增幅達(dá)到了77.34%；當(dāng)含根量為0.1 g時(shí)增幅最小，黏聚力為35.84 kPa，增幅為7.72%。試樣含根量分別為0.0，0.4，0.8 g時(shí)， 黏聚力數(shù)值從33.27 kPa增加到59.00 kPa，后又減少到38.07 kPa，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，且含根系試樣黏聚力數(shù)值大于無根系試樣。

c值不僅包括土粒與土粒之間的黏聚力, 同時(shí)還包括土粒與根系之間的黏聚力, 以及由土粒的剪應(yīng)力傳遞給根系而引起的根系抗剪力或錨固力。當(dāng)錨固力大于根系抗剪力時(shí)，以根系抗剪力為主, 反之以錨固力為主, 故c值可理解為土壤-根系復(fù)合體的黏聚力與根系的抗剪力或錨固力之和[4]。當(dāng)試樣含根量較小時(shí)，隨著試樣中含根量的增加, 根系的錨固力逐漸增大, 即c值明顯增加；而由于是人為摻加的根系，當(dāng)試樣含根量大于最優(yōu)含根量時(shí)，根土之間并沒有很好的接觸，使得土粒與根系之間的黏聚力, 根系與土壤之間的錨固力等都相應(yīng)減小，進(jìn)而導(dǎo)致c值減小。

3.3 討 論

Wu等[5]在野外及室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)(sinθ+ cosθ·tanφ)對θ，φ的通常變化范圍(40°≤θ≤70°,20°≤φ≤40°)不敏感,其值基本保持在1.0～1.3范圍內(nèi)，穿過剪切面上的所有根系對土體抗剪強(qiáng)度的增量通常簡寫為

ΔS=1.2TR(AR/AS) 。

(2)

式中：TR為剪切面所有發(fā)揮作用的根系平均抗拉強(qiáng)度；AR為剪切面所有發(fā)揮作用的根系截面積之和；AS為土體截面積；AR/AS為根系截面積與土體截面積之比,稱為根面積比(Root Area Ratio, RAR)。從簡化的Wu-Waldron模型可以看出，根系產(chǎn)生的土體抗剪強(qiáng)度增量與根系的平均抗拉強(qiáng)度和根面積比成正比。

在多花木藍(lán)根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)中，對于根系含量比較小的情況，根系平均分布于試樣土體之中，根系與土體之間能夠充分接觸，隨著含根量的增加，根系與土體接觸的總表面積增加，從而增大了根系和土體之間的摩擦力，即使上式中AR/AS增大，進(jìn)而增加了抗剪強(qiáng)度。而本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，含根量在0.3～0.5 g區(qū)間內(nèi)存在某一使得抗剪強(qiáng)度最大的最優(yōu)含根量值，當(dāng)含根量大于該最優(yōu)值時(shí)，抗剪強(qiáng)度出現(xiàn)了不同程度的減小。其原因是由于根系含量較大且相互交錯(cuò)，部分根系并沒有與土顆粒充分緊密接觸，不能充分形成根系和土顆粒的復(fù)合體。在試樣剪切的過程中，部分根系之間出現(xiàn)了相互錯(cuò)動(dòng)從而減小了c，φ值，因此，當(dāng)含根量大于最優(yōu)含根量時(shí)，并不是每段根系和土顆粒之間都充分接觸并發(fā)揮了摩阻作用，即式(2)中AR反而減小，導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度值出現(xiàn)了不同程度的減少。

4 結(jié) 論

(1) 采用直線回歸擬合土體的抗剪強(qiáng)度效果良好，與庫倫強(qiáng)度公式τ=c+σtanφ吻合，即多花木藍(lán)根-土復(fù)合體服從摩爾-庫倫強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則，且土壤內(nèi)摩擦角變化不大。含根量為0.1～0.8 g試樣的抗剪強(qiáng)度均大于無根系試樣，說明由于根系的加入，增加了土體的抗剪切強(qiáng)度。

(2) 在法向應(yīng)力不變的情況下，根-土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度隨著試樣中含根量的增加先增大后減小。含根量在0.3～0.5 g區(qū)間內(nèi)存在某一最優(yōu)值，使得多花木藍(lán)根-土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度出現(xiàn)最大值。當(dāng)含根量大于最優(yōu)含根量時(shí)，由于根系之間相互交錯(cuò)，使得AR(剪切面所有發(fā)揮作用的根系截面積之和)減小，進(jìn)而導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度的變小。

(3) 植物通過根系在土體中穿插、纏繞、網(wǎng)絡(luò)等作用，有效地提高了土壤的抗侵蝕性能。本文僅選擇了理想的垂直布置方式進(jìn)行了室內(nèi)控制剪切試驗(yàn)，具有一定的局限性。因此，后期應(yīng)結(jié)合三峽庫區(qū)紫色土的物理力學(xué)特性、根系的分布結(jié)構(gòu)及力學(xué)特性，通過野外調(diào)查和開展原位試驗(yàn)來研究植物根系對三峽庫區(qū)紫色土的加固效應(yīng)和機(jī)制，更好地利用植被對三峽庫區(qū)紫色土進(jìn)行防護(hù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 毛伶俐. 生態(tài)護(hù)坡中的植被根系的力學(xué)分析[D].武漢: 武漢理工大學(xué)，2007. (MAO Ling-li. Mechanics Analysis of Vegetation Root in Ecological Slope Protection[D]. Wuhan: Wuhan University of Technology, 2007. (in Chinese))

[2] 高 強(qiáng),汪在芹,李 珍. 巖土坡面植被恢復(fù)及護(hù)坡技術(shù)研究[J]. 長江科學(xué)院院報(bào)，2005,22(2):25-28.(GAO Qiang, WANG Zai-qin, LI Zhen. Research on Vegetation Restoration and Slope Protection Technology in Slope of Rock Mass[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute,2005, 22(2): 25-28.(in Chinese))

[3] 鐘亮根. 紫穗槐在贛南紅層路基邊坡防護(hù)應(yīng)用的試驗(yàn)研究[D].南昌: 華東交通大學(xué)，2009.(ZHONG Liang-gen. Experimental Study on Application of Amorpha Fruticosa in Red Embankment Slope Protection in Gannan[D]. Nanchang: East China Jiaotong University, 2009.(in Chinese))

[4] 楊亞川,莫永京,王芝芳,等. 土壤-草本植被根系復(fù)合體抗水蝕強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)研究[J]. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1996,1(2):31-38.(YANG Ya-chuan, MO Yong-jing, WANG Zhi-fang,etal. Experimental Study on Anti-water Erosion and Shear Strength of Soil-Root Composite[J]. Journal of China Agricultural University,1996, 1(2):31-38.(in Chinese))

[5] WU T H, MCOMBER R M,ERB R T,etal.Study of Soil-Root Interaction[J]. Journal of Geotechnical Engineering, 1988,114(12):1351-1375.