草本植物護(hù)坡機(jī)理及其固土效應(yīng)試驗研究

鄭啟萍， 徐得潛

（合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 引 言

公路、鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施的大規(guī)模建設(shè)導(dǎo)致了邊坡的大量產(chǎn)生，邊坡的開挖破壞了原有的植被覆蓋層和土體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致坡體穩(wěn)定性變差以及嚴(yán)重的水土流失現(xiàn)象，因此處理產(chǎn)生的邊坡是道路工程建設(shè)中不容忽視的問題。以往的邊坡多以砌片石及混凝土澆筑等工程防護(hù)方法進(jìn)行處理，采取工程加固措施，對減輕坡面修建初期的不穩(wěn)定性和侵蝕方面效果很好［1］。但工程防護(hù)對生態(tài)環(huán)境沒有改善作用，而且隨著時間的推移，工程材料會腐蝕或老化，其護(hù)坡效果變差。而植被護(hù)坡則與工程護(hù)坡相反，初期植被的護(hù)坡作用較小，但隨著植物的生長繁盛，對減輕坡面不穩(wěn)定性和侵蝕方面的作用會越來越大，而且植被護(hù)坡能夠有效改善當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境。隨著人們對植被護(hù)坡認(rèn)識的增加，植被護(hù)坡越來越多地應(yīng)用于邊坡防護(hù)。

植被護(hù)坡最初主要用于河堤的護(hù)岸和荒山的治理。17世紀(jì)我國已開始將植被護(hù)坡應(yīng)用于保護(hù)黃河河岸；1633年，日本采用鋪草皮、栽樹苗的方法來治理荒坡；20世紀(jì)30年代植被護(hù)坡技術(shù)引入歐洲，并在公路邊坡防護(hù)和河堤防護(hù)上廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)以來，隨著植被護(hù)坡的廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外廣大學(xué)者從各個方面對植被護(hù)坡技術(shù)展開了研究和探索，主要體現(xiàn)在植物固土護(hù)坡機(jī)理、根系－土壤相互作用的力學(xué)效應(yīng)、根系抗拉拔力及植被的生態(tài)恢復(fù)作用等方面。文獻(xiàn)［1］指出植被的護(hù)坡作用主要表現(xiàn)在植被莖葉的水文效應(yīng)、主根和粗根的錨固效應(yīng)和支撐效應(yīng)、須根的加筋效應(yīng)3個方面。文獻(xiàn)［2］從植物根系的護(hù)坡作用和植物地上部分的水文效應(yīng)分析了植物對邊坡穩(wěn)定性的影響，同時對植被護(hù)坡與工程護(hù)坡進(jìn)行了比較，指出植被護(hù)坡技術(shù)不僅造價低、施工簡便，還能持久保持生態(tài)景觀。文獻(xiàn)［3］提出植物根系固土機(jī)制模式具有4個層次，即根系網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)作用、根系材料力學(xué)、根系－土壤有機(jī)復(fù)合體的勃結(jié)作用及根系－土壤間生物化學(xué)作用。文獻(xiàn)［4］從理論上分析了植物根系護(hù)坡的力學(xué)機(jī)理并對根系的抗拉錨固能力進(jìn)行了試驗研究。文獻(xiàn)［5］建立了草本植物根土相互作用的力學(xué)模型。文獻(xiàn)［6］分析了草本植物的護(hù)坡機(jī)理及草本植物在護(hù)坡工程上的應(yīng)用。以上研究從不同角度分析了植被護(hù)坡作用，為植物護(hù)坡技術(shù)奠定了一定的理論基礎(chǔ)。

草本植物是植被護(hù)坡工程中最常用的一種材料，本文分析了草本植物的護(hù)坡機(jī)理，并針對常用的護(hù)坡植物——狗牙根草和麥冬草，對其根系固土效果進(jìn)行了試驗研究。

1 草本植物護(hù)坡機(jī)理

植被護(hù)坡是利用植被涵水固土的原理穩(wěn)定邊坡的淺表層，同時改善邊坡生態(tài)環(huán)境的一種技術(shù)。草本植物護(hù)坡固土作用主要表現(xiàn)為：① 草本植物莖葉的護(hù)坡作用；② 草本植物根系的護(hù)坡作用。草本植物莖葉能夠減弱雨滴濺蝕、抑制徑流沖刷、減少水土流失，植物葉片蒸騰和根系吸水能減小土壤孔隙水壓力，從而增加邊坡穩(wěn)定性。草本植物根系在土體中錯綜盤結(jié)，使邊坡土體在其延伸范圍內(nèi)成為土與根系的復(fù)合材料，根系可視為帶預(yù)應(yīng)力的三維加筋材料，對土體起到加筋作用，能夠顯著增加邊坡表層土體的穩(wěn)定性。

1.1 草本植物莖葉的護(hù)坡作用

降雨濺蝕是邊坡常見的破壞形式之一。降雨濺蝕一般發(fā)生在降雨初期，它能夠破壞坡面表層土體的結(jié)構(gòu)，使土顆粒分散和飛濺，產(chǎn)生大量泥漿堵塞土壤孔隙，阻止雨水下滲，加速坡面徑流的形成。由文獻(xiàn)［7］可知，雨滴擊濺占薄層水流侵蝕物質(zhì)總量的70%以上，最高可達(dá)95%，雨滴的動能是造成邊坡侵蝕的主要能量來源。有植被護(hù)坡時，雨滴首先擊打在植被的莖葉上，使大雨滴分散為小雨滴，大大降低了雨滴的動能，使雨滴以很小甚至接近于0的速度落到坡面上，極大程度地減弱甚至消除了雨滴擊濺對坡面的侵蝕作用，從而推遲并減弱了徑流沖刷邊坡作用。

1.1.2 抑制徑流沖刷、減少水土流失

地表徑流能夠帶走已被滴濺分離的土粒，造成邊坡水土流失。地表徑流集中是坡面土體沖蝕的主要動力，土體沖蝕的強(qiáng)弱取決于徑流流速及徑流所具有的能量大小。抑制地表徑流主要是通過草本植被實現(xiàn)的，草本植物分蘗多、叢狀生長，它在固結(jié)土顆粒防止沖蝕的同時，能夠有效地分散、減弱徑流，而且還能阻截徑流、改變徑流形態(tài)，使徑流在草叢間迂回流動，由直流變?yōu)槔@流，降低徑流沖刷能力，從而使土體沖蝕減弱。草本植被的根莖連接處形成天然的微型攔土柵［8］，當(dāng)水流夾帶的土顆粒粒徑大于攔土柵的孔隙時土粒被擋住，后來的土粒又有一部分會被前面的土粒擋住而沉積下來，因此根莖連接處能夠攔阻部分土顆粒，起到減少水土流失作用。

1.1.3 植物蒸騰降低土壤含水量

土壤中的一部分水是通過根系吸水再由植物的蒸騰作用散發(fā)到大氣中的。通過根系的吸水作用和植物莖葉的蒸騰作用，滲進(jìn)土體內(nèi)的雨水可以被消耗掉一部分，降低了土體的含水量，從而降低了土體的孔隙水壓力，使土體黏聚力增加，提高土體的抗剪強(qiáng)度，使邊坡穩(wěn)定性得以提高。與種植了植被的土體相比，因裸地中無根系吸水作用和植被蒸騰作用，下滲入土壤中的水分將大部分聚集在土壤中。因此，裸地土壤中的含水量增加，土體的孔隙水壓力增大，土體黏聚力減小，土體的抗剪強(qiáng)度降低，使得土體很容易發(fā)生剪切破壞。由此可見，植物的根系吸水作用和莖葉蒸騰作用對減少土壤的含水量、提高邊坡土體的穩(wěn)定性起到了重要的作用。

1.2 草本植物根系的護(hù)坡作用

滑坡是邊坡破壞的常見形式之一，導(dǎo)致滑坡的因素很多，但其根本原因在于土體內(nèi)部某個滑動面上的剪應(yīng)力達(dá)到其抗剪強(qiáng)度，使土體穩(wěn)定平衡遭到破壞。由草本植物根系的分布特點(diǎn)可知，根系在土體中的分布呈網(wǎng)狀、縱橫交錯，隨著深度的增加含根量逐漸減少。根系盤結(jié)范圍內(nèi)的土體可看作由土和根系組成的根土復(fù)合材料，根系看成一種柔性加筋材料，而根土復(fù)合體看作加筋土。因此可按加筋土原理來分析含根土體的受力狀態(tài)，即把土中的根分布看作加筋材料的分布，根系對土體起到加筋增強(qiáng)作用，從而使得根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度明顯提高，達(dá)到加固邊坡的目的。

2 根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度試驗研究

根系使土體抗剪強(qiáng)度的增加與根系的分布狀態(tài)、根系質(zhì)量分?jǐn)?shù)、根系強(qiáng)度以及土壤性質(zhì)等因素有關(guān)。對于直徑在1mm左右的草須根來說，土中的根量起決定性的作用［9］。本文以根系質(zhì)量分?jǐn)?shù)為主要影響因素，推求狗牙根根系和麥冬草根系對土體抗剪強(qiáng)度提高的影響。

1)頂板錨索規(guī)格為直徑22 mm的1×19股高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，破斷載荷580 kN，延伸率不低于7%，長度5.3 m，間排距為1 100 mm×1 000 mm；構(gòu)件為高強(qiáng)度拱形托板，規(guī)格300 mm×300 mm×16 mm，初始張拉力不低于300 kN。

2.1 試驗材料及裝置

本文采用應(yīng)變控制式直剪儀進(jìn)行室內(nèi)剪切試驗，選用合肥工業(yè)大學(xué)校園內(nèi)多年生草本植物狗牙根和麥冬草為材料。選取校園內(nèi)植草較密的草皮，去掉土層上面莖葉，挖取大塊帶根土若干，剔除大顆粒礫石、碎石，測其含水率和密度，統(tǒng)計根系分布情況。將大塊帶根土敲碎，取出土中根系洗凈晾干，稱其質(zhì)量，測其直徑。經(jīng)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，麥冬草根系在土中質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.40%～2.10%，狗牙根根系在土中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.24%～1.60%。2種草直徑為0.6～1.2mm的根系均占其總數(shù)量80%以上，因本試驗不考慮根系直徑對抗剪強(qiáng)度的影響，所以復(fù)合土體試樣中摻雜根系的直徑均為0.6～1.2mm。試驗測得帶根土的濕密度為1.89g／cm3，土壤含水率為18.76%。

2.2 試驗方案

因為麥冬草根系在土中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.40%～2.10%，狗牙根根系在土中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.24%～1.60%，故每種草的根系與土壤復(fù)合體根據(jù)含根量不同分為2組，各組試樣含根量分別控制在0.5%、1.0%，每組4個試樣，另外用不含根系的素土制作4個試樣，試樣分別編號。對這5組試樣分別在100、200、300、400kPa的垂直壓力下進(jìn)行室內(nèi)直接剪切試驗，得到其在不同剪應(yīng)力下的剪切位移，算出試樣抗剪強(qiáng)度，并繪制抗剪強(qiáng)度與垂直壓力關(guān)系曲線。

2.3 試樣制作

由于采用室內(nèi)直剪儀進(jìn)行試驗，其剪切盒高度為2cm，直徑為6.1cm，且挖取的大塊帶根土中含有較大直徑的礫石，所以本實驗采用重塑土進(jìn)行制樣。試樣的高度為2cm，直徑為6.1cm，試樣的密度和含水率取校園內(nèi)草皮下帶根土的濕密度和土壤含水率，即試樣密度為1.89g／cm3，含水率為18.76%。

將去除根系的土烘干粉碎，過0.5mm篩，測量過篩后的土壤含水率為2.86%。稱取一定量的過篩土壤，將土壤平鋪在不吸水的盤內(nèi)，用噴霧器噴灑預(yù)計的加水量，噴灑所需的加水量為：

其中，mw為土樣所需加水質(zhì)量；m為風(fēng)干含水率時的土樣質(zhì)量；w0為風(fēng)干含水率；w1為土樣所要求的含水率。

將加過水的土拌勻并放入密封袋中浸潤24h，使其充分混合均勻，得到含水率為18.76%的土體，用來制作試樣。在每個試樣中，因為根系質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，根的質(zhì)量很小，因此各試樣總質(zhì)量之間的差別是很小的，可以忽略不計，故每個試樣的總質(zhì)量（根與濕土的總質(zhì)量）為試樣濕密度乘以體積，即為110g，根據(jù)試樣含根比即可分別計算出每個試樣中土體和根系的質(zhì)量。

制作試樣時，首先把根洗干凈晾干表面水分，選擇直徑為0.6～1.2mm的根系剪成2cm長。用天平稱取所需質(zhì)量根系均勻摻入一定質(zhì)量土壤中，然后將制作好的土樣放入模具中在一定壓力下進(jìn)行加壓密實，以使試樣的濕密度能達(dá)到1.89g／cm3。經(jīng)過加壓密實的試樣即可進(jìn)行剪切。

2.4 試驗數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

分別將素土、2種含麥冬根根土復(fù)合體、2種含狗牙根根土復(fù)合體在100、200、300、400kPa的垂直壓力下對應(yīng)的抗剪強(qiáng)度值進(jìn)行擬合，繪出抗剪強(qiáng)度與垂直應(yīng)力間的關(guān)系，如圖1、圖2所示。

圖1 加麥冬根系復(fù)合土體的垂直壓力與抗剪強(qiáng)度關(guān)系

由圖1、圖2可以看出，在根土復(fù)合體的含根量、密度和含水率一定時，復(fù)合土體抗剪強(qiáng)度與垂直壓力的關(guān)系類似于素土，呈線性關(guān)系，隨著垂直壓力增大，復(fù)合土體抗剪強(qiáng)度隨之線性增大，說明根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度也符合庫侖定律τ＝c＋σtanψ。在相同的含水率和濕密度條件下，含根土體的抗剪強(qiáng)度大于素土的抗剪強(qiáng)度，添加根系后土體抗剪強(qiáng)度提高4.29～15.34kPa，增幅為9.6%～30.9%；含根系土的黏聚力大于素土，增量為4.26～13.08kPa，增幅為19.2%～58.9%；內(nèi)摩 擦 角 的 增 量 為 0.01°～0.13°，增 幅 為0.1%～1.5%。

圖2 加狗牙根根系混合土體的垂直壓力與抗剪強(qiáng)度關(guān)系

每組試樣的內(nèi)摩擦角ψ和黏聚力c及其與素土相比的增量，見表1所列。

表1 素土及各種不同含根量的根土復(fù)合體的參數(shù)

從表1可以看出，當(dāng)土壤的含水量、濕密度一定時，隨著含根量的增加，復(fù)合土體的黏聚力明顯增加。素土的黏聚力為22.22kPa，含0.5%麥冬根系的復(fù)合土體黏聚力為26.48kPa，增量為4.26kPa；含0.5%狗牙根根系的復(fù)合土體黏聚力為29.77kPa，增量為7.55kPa；含1.0%狗牙根根系的復(fù)合土體黏聚力為35.30kPa，增量為13.08kPa。由以上數(shù)據(jù)可看出，對同一種根系，含根量越大，根土復(fù)合土體的抗剪強(qiáng)度的增量越大；比較含麥冬根系和含狗牙根根系的復(fù)合土體抗剪強(qiáng)度相比于素土抗剪強(qiáng)度的增量可知，含根系種類是根土復(fù)合土體抗剪強(qiáng)度增量的一個影響因素，在含根量相同時，狗牙根的固土效果更好。

3 結(jié) 論

草本植物能夠增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性并改善邊坡生態(tài)環(huán)境。本文在分析其護(hù)坡機(jī)理的基礎(chǔ)上，通過大量的復(fù)合土體直剪試驗，研究了含根系土的含根量與其抗剪強(qiáng)度的關(guān)系。根據(jù)試驗得到的數(shù)據(jù)，推導(dǎo)了含根系土的錨固效應(yīng)強(qiáng)度公式，得到以下結(jié)論：

（1）當(dāng)土壤－根系復(fù)合土體的含根量、濕密度和含水率一定時，其抗剪強(qiáng)度與垂直壓力成正比，即兩者符合庫倫定律τ＝c＋σtanψ。

（2）草本植物根系可以明顯增加土體的抗剪強(qiáng)度，而且其主要是增加了土體的黏聚力c，對土體內(nèi)摩擦角ψ的影響不大。

（3）當(dāng)土壤的含水量、濕密度一定時，含根量越大，根土復(fù)合土體的抗剪強(qiáng)度的增量就越大。

（4）草本植物種類是根土復(fù)合土體抗剪強(qiáng)度提高的一個影響因素，在根系直徑和含根量相同時，狗牙根的固土效果更好。

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