林草混交根-土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度特性

肖宏彬，田青青，李珍玉，趙 亮，賀 茜,劉衛(wèi)東，易 文

(中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙410004）

林草混交根-土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度特性

肖宏彬，田青青，李珍玉，趙 亮，賀 茜,劉衛(wèi)東，易 文

(中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙410004）

通過對(duì)香根草和小葉女貞兩種不同植物根系構(gòu)成的根土復(fù)合體及兩種植物混交根系構(gòu)成的根土復(fù)合體分別進(jìn)行了系列直剪試驗(yàn)研究，探索了在不同含水率及不同含根比的情況下，植物根系對(duì)復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律。研究表明，草本植物香根草以及木本植物小葉女貞的根系都能提高根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度，但二者對(duì)復(fù)合體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的貢獻(xiàn)是不同的，且混交根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度仍符合庫(kù)倫強(qiáng)度理論。在此基礎(chǔ)上，本研究提出了根土復(fù)合體的內(nèi)摩擦角隨小葉女貞含根比變化的冪函數(shù)關(guān)系式。以上研究為進(jìn)一步探索林草一體化高穩(wěn)定護(hù)坡技術(shù)，具有重要的理論意義。

植物邊坡；根土復(fù)合體；林草混交根系；抗剪強(qiáng)度

近年來我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)高速發(fā)展，道路建設(shè)中大量的深挖高填，導(dǎo)致一系列道路邊坡問題。傳統(tǒng)的邊坡防護(hù)主要采用砌筑片石或混凝土擋墻、設(shè)置抗滑樁等剛性措施[1]，不僅造價(jià)高，還嚴(yán)重?fù)p傷和破壞生態(tài)環(huán)境。而采用植被系統(tǒng)[2]進(jìn)行邊坡防護(hù)不僅具有傳統(tǒng)護(hù)坡方式的效應(yīng)，還能有效地保護(hù)和改善生態(tài)環(huán)境[3-4]。因此，價(jià)格低廉的植被生態(tài)護(hù)坡工程日趨受到重視。

國(guó)內(nèi)外早期的生態(tài)護(hù)坡主要是栽植草皮或根系較淺的植物，這類淺根系植物只適于水土保持和淺層土體的防護(hù)，對(duì)于破裂面較大、較深的邊坡效果不明顯。美國(guó)[5]、日本[6]等國(guó)的研究和實(shí)踐表明，推廣使用林草一體化高穩(wěn)定生態(tài)護(hù)坡技術(shù)，不僅能極大改善多山地區(qū)的路基邊坡安全，降低滑坡等嚴(yán)重地質(zhì)災(zāi)害，大幅度減少路基邊坡的水土流失，還能明顯改善道路沿線的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，極大地提高路基邊坡的行車觀賞價(jià)值。

在我國(guó)以往的研究中,有關(guān)根土復(fù)合體研究大多為針對(duì)草本植物的單根進(jìn)行研究。林草一體化高穩(wěn)定性生態(tài)護(hù)坡技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用,仍處于起步狀態(tài)。由于林草植被種類多樣性和根系分布的隨機(jī)性，林草混交根系強(qiáng)度復(fù)雜多變，對(duì)植物護(hù)坡中的根土相互作用機(jī)理的認(rèn)識(shí)尚很不全面。因此，探索林草混交根系復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律，對(duì)林草護(hù)坡技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，具有重要的理論價(jià)值和廣闊的工程應(yīng)用前景[7-8]。本研究選取室外種植的香根草和小葉女貞的根系及帶根土體為樣本，通過室內(nèi)直剪試驗(yàn)，研究林草混交根系根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)設(shè)備、材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)土樣及根系

為了開展項(xiàng)目研究，本項(xiàng)目組一年前按設(shè)計(jì)好的植株密度和不同的邊坡坡度在室外種植了5箱草本和木本混交植物。5個(gè)模型箱里面填滿素粘土，經(jīng)自然固結(jié)一段時(shí)間后分別種植草本植物香根草和木本植物小葉女貞兩種幼苗。經(jīng)野外自然生長(zhǎng)1 a后，從箱中分別取出部分根系和土體作為試驗(yàn)樣品。并分別取暴雨后及久旱后模型箱內(nèi)0～30 cm深的原狀土，測(cè)定其含水率及天然密度，見表1。

表1 原狀土含水率和天然密度Table 1 Moisture content and soil natural density of undisturbed soil

1.2 試驗(yàn)裝置

本次試驗(yàn)所用的剪切儀為南京土壤儀器廠生產(chǎn)SDJ-1型電動(dòng)等應(yīng)變直剪儀。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

將土樣烘干，過2 mm分樣篩。配制含水率分別為20.5%和14.82%的若干土樣備用。試驗(yàn)中定義含根量為植物根系橫截面積，定義含根比為植物含根量之比，有：

式(1)中：r為兩種植物含根比，A1為香根草含根量，A2為小葉女貞含根量。

式（2）和式（3）中：r1和r2分別為香根草含跟比和小葉女貞含根比，A0為總含根量。

為便于控制土樣的含根比，選取香根草和小葉女貞根系直徑均為0.8～1.0 mm，根長(zhǎng)均為環(huán)刀高度，即2 cm。對(duì)帶根土體控制根系總含根量A0一定，即A1+A2=A0。本實(shí)驗(yàn)中控制A0為5.03～7.85 mm2和10.06～15.71 mm2兩種情況。

分別制備混交根土復(fù)合體試樣和無根土體的試樣若干組，試樣含水率分別為14%和20.5%，兩種含水率條件下，試樣的含根量及含根比如表2所示。

表2 試樣的含根量Table 2 Root contents

1.4 試樣制備

為保證試樣密度與天然密度一致，制備含水率為20.5%的土樣時(shí)，稱取120 g土樣，制備含水率14.82%的土樣時(shí)，稱取110.4 g土樣。放入環(huán)刀內(nèi)，利用輕型擊實(shí)儀按標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)，并注意保證所有的試樣所受到的擊實(shí)能量相同。具體步驟如下：先擊實(shí)5次，使土樣基本成型，接著把根長(zhǎng)為2 cm，根徑為0.8～1.0 mm的香根草和小葉女貞的根系按設(shè)計(jì)的比列均勻的插入環(huán)刀土樣內(nèi)。再擊實(shí)20次，得到根土復(fù)合土餅。重復(fù)上述步驟得到其它根土復(fù)合體試樣。

1.5 抗剪強(qiáng)度測(cè)試方法

將根土復(fù)合體試樣裝入直剪儀，在豎向應(yīng)力分別為50 kPa、100 kPa、200 kPa的條件下進(jìn)行快剪。根據(jù)試樣達(dá)到破壞時(shí)的最大剪應(yīng)力可得出每組試樣各級(jí)荷載所對(duì)應(yīng)的抗剪強(qiáng)度值，如表3所示。

表3 含水率為20.5%時(shí)的直剪試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results obtained from direct shear tests, ω=20.5%

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 直剪試驗(yàn)結(jié)果（見表4）

表4 含水率為14.82%時(shí)的直剪試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Results obtained from direct shear tests, ω=14.82%

2.2 混交根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度分析

采用最小二乘法并利用Matlab內(nèi)置命令ployf i t對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。將表3中含根比為r=8∶2的試樣的抗剪強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行一次和二次擬合，得到正應(yīng)力和抗剪強(qiáng)度有如下關(guān)系式：

擬合曲線如圖1所示，從(4)和(5)式可以看出，二次項(xiàng)的系數(shù)是很小的，對(duì)抗剪強(qiáng)度影響不大。

圖1 當(dāng)r=8:2時(shí)的抗剪強(qiáng)度曲線Fig. 1 Shear strength curves, r=8∶2

同樣對(duì)表4中r=8∶2的試樣的抗剪強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行一次和二次擬合，得到（6）式和（7）式，擬合曲線如圖2所示：

圖2 當(dāng)r=8:2時(shí)的抗剪強(qiáng)度曲線Fig. 2 Shear strength curves, r=8:2

從（6）（7）式同樣可以發(fā)現(xiàn)，二次項(xiàng)系數(shù)很小，說明二次項(xiàng)對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響很小。從圖1和圖2可以看出，一次、二次擬合的曲線近似直線。對(duì)其它林草混交根系的根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度進(jìn)行擬合，也得到了同樣的結(jié)論，即混交根系的根土復(fù)合體的正應(yīng)力和抗剪強(qiáng)度的關(guān)系近似于線性關(guān)系，我們可以認(rèn)為，混交根系根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度仍然符合庫(kù)侖強(qiáng)度理論，即：

對(duì)香根草或小葉女貞單根的根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行擬合，其正應(yīng)力和抗剪強(qiáng)度同樣也符合庫(kù)侖公式，這與前人所做含單根的根土復(fù)合體研究是相符合的[9]。

2.3 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)分析

對(duì)表3中含水率為20.5%的各組試樣的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行擬合，當(dāng)總含根量A0為5.03～7.85 mm2和10.0～15.71 mm2時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果分別如圖3(a)和圖3(b)所示。

通過擬合并計(jì)算可以得到混交根系的粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ。對(duì)表4中各組試件的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行相同的擬合，計(jì)算結(jié)果如表5和表6所示。

表5 含水率為20.5%時(shí)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)Table 5 Shear strength index, ω=20.5%

圖3 抗剪強(qiáng)度曲線Fig.3 Shear strength curves

表6 含水率為14.82%時(shí)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)Table 6 Shear strength index, ω=14.82%

由表5和表6可以發(fā)現(xiàn)，在總含根量不變的情況下，隨著香根草的含根量A1的增大，根土復(fù)合體的粘聚力c逐漸增大，但相應(yīng)的內(nèi)摩擦角變化趨勢(shì)并不明顯；而隨著小葉女貞含根量A2的增大，根土復(fù)合體的內(nèi)摩擦角φ逐漸增大，而粘聚力c的變化趨勢(shì)也不明顯。

很多研究表明，香根草的根系對(duì)根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)主要是提高其粘聚力c值，其對(duì)內(nèi)摩擦角φ的影響較小[10]。本文研究發(fā)現(xiàn)，小葉女貞的根系對(duì)根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)主要是明顯地提高了其內(nèi)摩擦角。因此，可以肯定木本植物根系是提高根土復(fù)合體內(nèi)摩擦角的主要因素。

在表5中，ω=20.5%，當(dāng)根系總橫截面積A0分別為5.03～7.85 mm2和10.0～15.71 mm2時(shí)，運(yùn)用Origin軟件對(duì)內(nèi)摩擦角φ與小葉女貞含根比r2進(jìn)行非線性擬合,擬合曲線如圖4所示。

由圖4可看出，內(nèi)摩擦角隨小葉女貞含根比r2的增大而呈冪函數(shù)形式增長(zhǎng)，當(dāng)A0=5.0～7.85時(shí)其擬合關(guān)系式可表示為：

圖4 含根比與內(nèi)摩擦角的關(guān)系Fig. 4 Relations between root content and internal friction angle

對(duì)其他各組試件的試驗(yàn)結(jié)果均可擬合得到同樣形式的冪函數(shù)關(guān)系，令函數(shù)系數(shù)為m，指數(shù)為n，其結(jié)果如表7。

表7 冪函數(shù)擬合結(jié)果Table 7 Fitted results of power function

分析表7可以發(fā)現(xiàn)，函數(shù)系數(shù)m隨含水率和總含根量而變化，而其指數(shù)n約為0.09，因此，我們得到內(nèi)摩擦角和小葉女貞

含根比的關(guān)系式，即：

式（10）中：m是與含水率和根系總橫截面積有關(guān)的常數(shù)系數(shù)。

3 結(jié) 論

通過對(duì)香根草、小葉女貞的根土復(fù)合體的系列試驗(yàn)研究，探索了林草混交根系的根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度特性，得到了如下結(jié)論：

（1）通過對(duì)多組林草混交根系的根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度進(jìn)行多次最小二乘擬合，得到正應(yīng)力和抗剪強(qiáng)度的函數(shù)關(guān)系。從函數(shù)關(guān)系分析得出混交根系的根土復(fù)合體其抗剪強(qiáng)度符合庫(kù)侖強(qiáng)度理論。

（2）草本植物香根草和灌木植物小葉女貞的根系均能提高根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度。香根草根系對(duì)抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)主要是提高了其粘聚力，這與許多學(xué)者的研究結(jié)果相符。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用林草混交根系固土?xí)r，根土復(fù)合體的粘聚力和內(nèi)摩擦角均有較大幅度的提高。

（3）進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)木本植物小葉女貞根系對(duì)根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)主要提高了其內(nèi)摩擦角，且內(nèi)摩擦角值與小葉女貞的含根比呈冪函數(shù)關(guān)系，本研究并得到了相關(guān)系數(shù)的取值方法。

通過對(duì)林草混交根土復(fù)合體的研究，發(fā)現(xiàn)不同根系（木本或草本）的作用有所不同，固土深度亦有不同。這對(duì)研究林草一體化高穩(wěn)定護(hù)坡技術(shù)具有重要的理論意義。

[1] 郭長(zhǎng)慶,粱勇旗,魏 進(jìn).公路邊坡處治技術(shù)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2006.

[2] 封金財(cái),王建華.植物根的存在對(duì)邊坡穩(wěn)定性的作用[J].華東交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2003,20(5): 42-46.

[3] 徐剛標(biāo).中國(guó)林木遺傳改良研究現(xiàn)狀[J].經(jīng)濟(jì)林研究,2003,21(4): 120-122.

[4] 胡學(xué)華,肖千文,蒲光蘭,等.經(jīng)濟(jì)樹木抗旱研究進(jìn)展[J].經(jīng)濟(jì)林研究,2004,22 (04):82-86.

[5] Leshchinsky, D Reinschmidt, A J Stability of membrane reinforced slopes[J]. J. of Geotech. Engr (ASCE), 1985, 11(111):1285-1300.

[6] John R. Greenwood SLIP4EX-A program for routine slope stability analysis to include the effects of vegetation,reinforcement and hydrological changes[J]. Geotechnical and Geological Engineering, 2006, 24: 449-465.

[7] 廖建軍,李 晟,楊喜生,等.城市園林樹種規(guī)劃探討——以衡陽(yáng)為例[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào),2009, 29(3): 162-166.

[8] 王 麗,劉衛(wèi)東,呂 靜,等.四種暖季型草坪草的固土性能研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào),2010,30(2): 83-87.

[9] 胡其志,周一鵬,肖本林,等.根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度研究[J].湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2011,26(2):102-104.

[10] 言志信,宋 杰.草本植物加固邊坡的力學(xué)原理[J].土木建筑與環(huán)境工程, 2010,32(4):30-34.

Shear strength characteristics of root and soil composite formed from mixed forest and grass

XIAO Hong-bin, TIAN Qing-qing, LI Zhen-yu, ZHAO Liang, HE Xi, LIU Wei-dong, YI Wen
(Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

Through a series of indoor shear tests, the effect laws that the two kinds of plants (vetiver grass and Ligustrum quihoui) each roots and mixed forest roots inf l uencing on the shear strength of root-soil composites were studied. Under the conditions of different root contents and different water contents, the shear strengths of these composites which contain different kinds of roots have been tested respectively. The roots included in these composites are vetiveria’s roots or privet’s roots (L. quihoui) or the roots of mixed the two plants. The results indicate that either of the two plants’ roots can increase the shear strength of the soil, but different plants’ roots,their contributions to the composites shear strength indexes were varied. Furthermore，the shear strength of roots-soil composites still conformed to Coulomb’s strength theory; on this basis, a power function which can be used to describe the relationship between the internal friction angle of the complex and privet’s roots contain has been presented. In order to explore high stable slope protection technology of forest-grass integration, the results of this study may have important theoretical implications for future research.

plants slope; root-soil composite; roots of mixed forest and grass; shear strength

S759.2

A

1673-923X(2014)02-0001-05

2013-10-31

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（31270671）；國(guó)家林業(yè)局948項(xiàng)目（2012-4-76）；湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（12JJ5015）；湖南省外國(guó)專家局資助項(xiàng)目（湘財(cái)教指[2012]26）；湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11JJ5036）；中南林業(yè)科技大學(xué)研究生科技創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（CX2012B24）；長(zhǎng)沙市科技局項(xiàng)目（k1205023-11）

肖宏彬（1957-），男，湖南邵東人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事巖土力學(xué)與基礎(chǔ)工程研究；

E-mail：tfnxhb@sina.com

[本文編校：文鳳鳴]