植物根系對(duì)低液限粉質(zhì)黏土邊坡淺層土體抗剪強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究*

劉益良　劉曉立　付　旭　李宗杰　馬騰飛

(北華航天工業(yè)學(xué)院建筑工程系　廊坊　065000)

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植物根系對(duì)低液限粉質(zhì)黏土邊坡淺層土體抗剪強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究*

劉益良劉曉立付旭李宗杰馬騰飛

(北華航天工業(yè)學(xué)院建筑工程系廊坊065000)

隨著生態(tài)平衡和環(huán)保日益得到公眾的認(rèn)同和重視，工程邊坡的生態(tài)修復(fù)與防護(hù)技術(shù)得到發(fā)達(dá)國(guó)家的重視，生態(tài)防護(hù)成為邊坡災(zāi)害防治和水土流失控制的首選方案，代表著邊坡防護(hù)的發(fā)展方向。本文采用等應(yīng)變直剪儀對(duì)兩種種植在低液限粉質(zhì)黏土邊坡上的抗旱耐瘠植物的根-土復(fù)合土體及素土進(jìn)行室內(nèi)剪切試驗(yàn)，探討不同根系密度和含水量對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明：隨著垂直壓力的增加，土體抗剪強(qiáng)度隨之增加； 根系能顯著增加土體抵抗剪切破壞能力，其中沙打旺提高土體抗剪強(qiáng)度的效果較錦雞兒明顯； 隨著根系密度的增加，抗剪強(qiáng)度隨之增加； 隨著土體的含水率增加，根-土復(fù)合體抵抗剪切能力先增加后減?。?植物根系對(duì)土體的內(nèi)摩擦角影響不大，但對(duì)黏聚力影響較大，根-土復(fù)合土體抵抗剪切破壞的能力主要由黏聚力的提高決定。本文研究成果對(duì)華北地區(qū)低液限粉質(zhì)黏土公路邊坡生態(tài)防護(hù)技術(shù)及采煤礦區(qū)環(huán)境生態(tài)治理工程中的植物選擇和配置，均具有重要的意義。

錦雞兒沙打旺黏聚力內(nèi)摩擦角

0　引　言

隨著我國(guó)高速公路、鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施的大量建設(shè)，工程邊坡的生態(tài)修復(fù)與防護(hù)需求越來(lái)越多(胡其志等， 2011)。生態(tài)防護(hù)主要是用活的植物或者用植物和非生命的材料相結(jié)合的方式以穩(wěn)定坡面和防止侵蝕。植物的根系可以降雨截流、削弱濺蝕、減小孔隙水壓力、增加土體的抗剪強(qiáng)度、有效地防止邊坡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(楊秀麗， 2005)。由強(qiáng)度相對(duì)較高的根系與強(qiáng)度相對(duì)較低的土體組成根-土復(fù)合體，其力學(xué)性質(zhì)是決定生態(tài)邊坡穩(wěn)定性的重要因素。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要針對(duì)黃土地區(qū)淺根系草本植物和一些深根系的護(hù)坡喬木如何提高土體抗剪強(qiáng)度來(lái)開(kāi)展研究工作，如劉國(guó)彬等(1996)對(duì)黃土地區(qū)草地根系的力學(xué)特性進(jìn)行研究，周躍等(2000)對(duì)生長(zhǎng)在云南地區(qū)的松樹(shù)對(duì)土壤的增強(qiáng)作用進(jìn)行研究，程洪等(2002)對(duì)草本植物的固土原理進(jìn)行試驗(yàn)研究。而我國(guó)在這方面的研究主要集中在南方及西北地區(qū)，如胡其志等(2010)對(duì)湖北地區(qū)土壤中含根量與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系進(jìn)行研究，胡文利等(2011)對(duì)內(nèi)蒙古自治區(qū)內(nèi)不同含水率條件下，根-土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究。對(duì)于華北半濕潤(rùn)-半干旱地區(qū)灌木根系穩(wěn)固土體方面的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。目前，研究根-土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度方面的主要方法有原狀土剪切、原位剪切以及制備擾動(dòng)土樣。如黃曉樂(lè)等(2010)采用環(huán)刀取原狀土樣進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)，此方法不能考慮根系密度對(duì)結(jié)果的影響。胡夏嵩等(2009)探討了灌木植物對(duì)土體力學(xué)效應(yīng)的影響，將植物種植在PVC管內(nèi)進(jìn)行取樣，該方法也無(wú)法控制根系密度。目前應(yīng)用較廣的是制取根-土復(fù)合體擾動(dòng)試樣進(jìn)行試驗(yàn)，采集根系并分層放置或穿插于土試樣中，Gray et al.(1983)，Gray et al.(1995)，姚喜軍等(2008)，格日樂(lè)等(2014)均是采用該方法制備試樣。該方法可以根據(jù)試驗(yàn)需要，控制土樣的含根量和含水率。因此，本文在河北省廊坊市區(qū)域內(nèi)選擇一條典型高速公路的邊坡，并人工種植多年生的常見(jiàn)灌木植物錦雞兒和草本植物沙打旺，待植物根系發(fā)育后，在現(xiàn)場(chǎng)采集根-土復(fù)合體土樣，運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室后測(cè)定土體的物理力學(xué)性質(zhì)，制備不同根系密度和含水率的試樣，通過(guò)直接剪切試驗(yàn)測(cè)定試樣的抗剪強(qiáng)度，擬合抗剪強(qiáng)度方程、計(jì)算土樣黏聚力和內(nèi)摩擦角，研究錦雞兒、沙打旺兩種植物根系對(duì)低液限粉質(zhì)黏土邊坡土體抗剪強(qiáng)度的影響。采用擾動(dòng)土樣試驗(yàn)，可以準(zhǔn)確地控制試樣的根系密度和含水率，便于進(jìn)行量化對(duì)比分析。

1　研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河北省中東部廊坊市境內(nèi)，研究區(qū)中心地理坐標(biāo)為E116°33′，N39°22′，屬于暖溫帶半濕潤(rùn)-半干旱大陸季風(fēng)氣候，年平均降雨量540mm，降水季節(jié)分布不均，多集中在夏季， 6～8月 3個(gè)月的降水量一般可達(dá)全年總降水量的70%～80%。年平均氣溫11.5℃，年平均無(wú)霜期為183d左右，年平均風(fēng)速多為1.5～2.5m。光熱資源充足，雨熱同季，有利于植物生長(zhǎng)。但同時(shí)干熱風(fēng)、雷雨、冰雹、大風(fēng)、連陰雨、寒潮等災(zāi)害性天氣，常給植物生長(zhǎng)造成不利影響。土質(zhì)大部分為低液限粉質(zhì)黏土，土壤貧瘠、養(yǎng)分缺乏。

2　試驗(yàn)材料與方法

2.1試驗(yàn)植物生長(zhǎng)狀況

選取的研究區(qū)樣地為新建高速公路某典型邊坡，試驗(yàn)前將錦雞兒和沙打旺單獨(dú)栽培在兩個(gè)邊坡樣地內(nèi)，開(kāi)展綠化試驗(yàn)。播種日期為2014年8月17日，取樣時(shí)間為2014年10月16日，生長(zhǎng)期為兩個(gè)月，期間共澆水7次，取樣時(shí)測(cè)得錦雞兒和沙打旺的植株樣地覆蓋度分別為72%和77%，植株平均高度分別為180mm和142mm。錦雞兒主根發(fā)達(dá)，主根平均長(zhǎng)170mm，根徑為2mm左右，側(cè)根較細(xì)，側(cè)根根徑均小于0.5mm； 沙打旺根系較錦雞兒稍發(fā)達(dá)，主根平均長(zhǎng)130mm，根莖3～4mm，粗根側(cè)面有較多細(xì)根，細(xì)根根莖均小于1mm。錦雞兒和沙打旺的根系分布形態(tài)(圖1)。

圖1　錦雞兒和沙打旺的根系分布形態(tài)Fig. 1　Root distribution of Caragana microphylla Lam. and Astragalus adsurgens Palla.錦雞兒根系； b.沙打旺根系

2.2土壤材料

試驗(yàn)區(qū)土質(zhì)大部分為低液限粉質(zhì)黏土，土壤貧瘠、養(yǎng)分缺乏。由于生長(zhǎng)期為兩個(gè)月的兩種植根系分布在距坡面30cm范圍內(nèi)，故選取坡面30cm范圍內(nèi)土壤進(jìn)行所有試驗(yàn)。通過(guò)密度試驗(yàn)、含水率試驗(yàn)、液塑限試驗(yàn)等，測(cè)得試驗(yàn)區(qū)土壤的主要物理性能指標(biāo)(表1)。

表1　土壤的物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1　Index of physical properties of soil

密度/g·cm-3含水率ω/%液限WL/%塑限WP/%彈性模量E0/MPa泊松比μ1.7913.424.510.81.920.3

2.3試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了研究植物根系密度和土壤含水率對(duì)邊坡土體的抗剪強(qiáng)度的影響，采用室內(nèi)直接剪切試驗(yàn)對(duì)研究區(qū)土體在不同含根數(shù)量和含水率條件下進(jìn)行試驗(yàn)研究。本文先通過(guò)土體的物理試驗(yàn)，測(cè)定試驗(yàn)區(qū)邊坡的天然含水率等物理力學(xué)指標(biāo)。在天然含水率的條件下，通過(guò)采用分別控制根徑和根系數(shù)量的方法制備試樣并進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)。然后在相同含根量條件下，制備不同含水率的試樣并試驗(yàn)。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果與兩種植物的根系形態(tài)，分析根-土復(fù)合土體微觀結(jié)構(gòu)及不同植物對(duì)土體抗剪強(qiáng)度和內(nèi)摩擦角和黏聚力的影響機(jī)理。

2.4直接剪切試驗(yàn)原理

直剪試驗(yàn)具有操作簡(jiǎn)便、試樣制備方便、可以確定穿過(guò)剪切面的根系數(shù)量等優(yōu)點(diǎn)。本試驗(yàn)直剪設(shè)備為南京土壤廠生產(chǎn)的ZJ-1型等應(yīng)變直剪儀，主要由推動(dòng)座部分、剪切盒部分、杠桿加壓部分和直剪儀測(cè)定部分組成(蔣必鳳， 2008)。直剪試驗(yàn)方法為快剪，其原理是利用杠桿加壓部分通過(guò)透水石對(duì)試件進(jìn)行加載(可選擇50kPa﹑100kPa﹑200kPa﹑300kPa﹑400kPa 不同荷載)、然后通過(guò)推動(dòng)座部分推動(dòng)下剪切盒，使試件在上、下剪切盒之間產(chǎn)生剪切變形，直到試件破壞，通過(guò)百分表讀數(shù)計(jì)算剪應(yīng)力值，試件剪切破壞時(shí)的剪應(yīng)力值稱(chēng)為試件的抗剪強(qiáng)度。

2.5試樣制備

根據(jù)兩種植物根系的分布形態(tài)，錦雞兒選取2mm主根和0.5mm側(cè)根，沙打旺選取3～4mm主根和1mm側(cè)根，將草根均剪成長(zhǎng)度為2cm小段，吸干草根表面水分備用。土樣制備按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》JTG E40-2007進(jìn)行(交通部公路科學(xué)研究院， 2007)，取地表以下30cm范圍內(nèi)帶根土層為研究對(duì)象，由試驗(yàn)測(cè)得天然含水率13.4%。將土中根系去除，放在橡皮板上用木碾碾散，過(guò)2mm篩后放入烘箱中干燥，用噴霧器噴灑相應(yīng)水量，制備含水率為9.4%、13.4%、17.4%和21.4%的土，然后裝入密封容器內(nèi)潤(rùn)濕24h備用。采用環(huán)刀，制備含水率為13.4%的素土土樣4個(gè)。分別制備4組含水率為13.4%含有錦雞兒根和沙打旺根的土樣，根系垂直布置，每組制備4個(gè)試樣，根系布置數(shù)量(表2、表3)。

表2　錦雞兒根-土復(fù)合體試樣中的根系分布Table2　The distribution of Caragana microphylla Lam. roots in sample soil

組號(hào)根 數(shù)總根數(shù)2mm主根0.5mm側(cè)根錦1112錦2224錦3336錦4448

表3　沙打旺根-土復(fù)合體試樣中的根系分布Table3　The distribution of Astragalus adsurgens Pall. roots in sample soil

組號(hào)根 數(shù)總根數(shù)3～4mm主根1mm側(cè)根沙1112沙2224沙3336沙4448

另外制備含水率為9.4%、13.4%、17.4%和21.4%的素土、4根錦雞兒主根和側(cè)根、4根沙打旺主根和側(cè)根的試樣，組號(hào)記為素土9.4、素土13.4、素土17.4、素土21.4、錦9.4、錦13.4、錦17.4、錦21.4、沙9.4、沙13.4、沙17.4、沙21.4，每組做4個(gè)試樣，其中錦13.4、沙13.4、素土13.4條件分別與錦4、沙4和素土土樣相同，故錦13.4、沙13.4、素土13.4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用錦4、沙4和素土實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3　試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1根系密度對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

根據(jù)室內(nèi)直接剪切試驗(yàn)，測(cè)得含水率為13.4%條件下，不同含根量的錦雞兒根-土復(fù)合體和沙打旺根-土復(fù)合體以及沒(méi)有根系的素土在各垂直壓力下的抗剪強(qiáng)度(表4)。

表4　錦雞兒、沙打旺的根-土復(fù)合體及素土 在不同垂直壓力下的抗剪強(qiáng)度(kPa)Table4　Shear strength of pure soil and the roots-soil composite system of Caragana microphylla Lam. and Astragalus adsurgens Pall. by different vertical pressure(kPa)

組號(hào)根數(shù)50kPa100kPa200kPa400kPa錦1219.7250.56113.37191.12錦2425.7653.27126.88214.01錦3630.2165.19139.92237.71錦4837.6873.46153.12262.51沙1236.2552.95142.78228.48沙2443.4161.85151.53250.74沙3648.5071.07159.48273.80沙4857.4079.82169.18300.35素土016.3047.70102.95175.70

把表4中土樣的不同垂直壓力和對(duì)應(yīng)的抗剪強(qiáng)度做成XY散點(diǎn)圖，分別將兩種植物不同含根量土樣和素土的各個(gè)強(qiáng)度數(shù)據(jù)用不同的數(shù)據(jù)標(biāo)記顯示在圖中，通過(guò)擬合線性趨勢(shì)線，可得到各土樣的抗剪強(qiáng)度擬合直線和方程(圖2，圖3)。根據(jù)擬合直線在縱軸上的截距和直線的傾角，可得到每種情況下的黏聚力和內(nèi)摩擦角(表5)。

圖 2　13.4%含水率條件下不同含根量錦雞兒根-土復(fù)合體土樣抗剪強(qiáng)度擬合直線Fig. 2　The shear strength fitting line of soil with different Caragana microphylla Lam.root under 13.4% moisture

圖3　13.4%含水率條件下不同含根量沙打旺根-土復(fù)合體土樣抗剪強(qiáng)度擬合直線Fig. 3　The shear strength fitting line of soil with different Astragalus adsurgens Pall. root under 13.4% moisture

表5　13.4%含水率條件錦雞兒、沙打旺的根-土復(fù)合體 及素土的黏聚力和內(nèi)摩擦角Table5　The cohesion and internal friction angle of soil under 13.4% moisture

組號(hào)錦1錦2錦3錦4沙1沙2沙3沙4素土黏聚力c/kPa2.663.67.6411.468.8912.6314.8418.471.64內(nèi)摩擦角φ/(°)25.8728.3730.5432.6629.5131.3433.3035.3724.13

試驗(yàn)結(jié)果表明：

(1)垂直壓力提高土體抗剪強(qiáng)度。從圖2、圖3 中可以看出，隨著垂直壓力的增大，各種土體的抵抗剪切破壞能力隨之增大，通過(guò)數(shù)據(jù)擬合表明，土體的抗剪強(qiáng)度與垂直壓力是線性正相關(guān)。

(2)錦雞兒、沙打旺根系提高土體抗剪強(qiáng)度。從圖2、圖3 中可以看出，在相同垂直壓力條件下，所有含有植物根系土樣的抗剪強(qiáng)度均大于素土的抗剪強(qiáng)度。另外，由表4可知，在相同垂直壓力條件下，沙打旺根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度均大于具有相同含根數(shù)量的錦雞兒根-土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度。說(shuō)明植物根系可以提高土體抵抗剪切破壞的能力，其中沙打旺根系提高土體抗剪強(qiáng)度的效果最明顯，錦雞兒次之。

(3)隨著根-土復(fù)合體試樣中含根量的增加，抗剪強(qiáng)度隨之增加。

(4)錦雞兒、沙打旺根系對(duì)土體黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ的影響。由表5可知，隨著土樣中根系數(shù)量的增加，土體黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ均增加。錦雞兒、沙打旺根-土復(fù)合體與素土的內(nèi)摩擦角φ值相差較小，但均高于素土，且沙打旺根-土復(fù)合體的內(nèi)摩擦角φ值均高于具有相同含根數(shù)量的錦雞兒根-土復(fù)合體的內(nèi)摩擦角。同時(shí)從表3可以看出，含根土樣的有效黏聚力c值明顯高于素土的c值，對(duì)于具有相同含根量的土樣，沙打旺根-土復(fù)合體的有效黏聚力均大于錦雞兒根-土復(fù)合體。含有8棵錦雞兒根系的土樣黏聚力是素土黏聚力的7倍，含有8棵沙打旺根系的土樣黏聚力是素土黏聚力的11倍。由此可見(jiàn)，植物根系可以提高土體的有效黏聚力，其中沙打旺提高最大，錦雞兒次之。植物根系對(duì)土體的內(nèi)摩擦角影響不大，而對(duì)黏聚力影響較大。

表6　不同含水率條件錦雞兒、沙打旺的根-土復(fù)合體及素土的黏聚力和內(nèi)摩擦角Table6　The cohesion and internal friction angle of soil under different moistures

組號(hào)錦9.4錦13.4錦17.4錦21.4沙9.4沙13.4沙17.4沙21.4素土9.4素土13.4素土17.4素土21.4黏聚力c/kPa9.111.469.583.2813.4118.4731.8814.412.811.641.011.45內(nèi)摩擦角φ/(°)28.932.6628.4125.6432.9435.3737.7431.5123.6524.1319.9515.43

3.2含水率對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

由直接剪切試驗(yàn)，測(cè)得含有8棵根系的錦雞兒根-土復(fù)合體、沙打旺根-土復(fù)合體以及無(wú)根素土在不同含水率、不同垂直壓力下的抗剪強(qiáng)度(圖4、圖5)。不同土樣在不同含水率條件下的黏聚力c(kPa)和內(nèi)摩擦角φ(°)(表6)。

圖4　50kPa和100kPa條件下不同含水率土樣的抗剪強(qiáng)度Fig. 4　The shear strength of soil with different moisture under 50kPa and 100kPa

圖5　200kPa和400kPa條件下不同含水率土樣的抗剪強(qiáng)度Fig. 5　The shear strength of soil with different moisture under 200kPa and 400kPa

試驗(yàn)結(jié)果表明：

(1)在相同垂直壓力和含水率條件下，錦雞兒根-土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度最大，其次是沙打旺根-土復(fù)合體的，素土的抗剪強(qiáng)度最小。說(shuō)明錦雞兒和沙打旺根系可提高土體抗剪強(qiáng)度，且錦雞兒優(yōu)于沙打旺。

(2)隨著含水率的增加，錦雞兒和沙打旺根-土復(fù)合體的抵抗剪切破壞的能力先增加后減小，錦雞兒根-土復(fù)合體在含水率為13.4%時(shí)達(dá)到峰值，沙打旺根-土復(fù)合體在含水率為17.4%時(shí)達(dá)到峰值； 素土抗剪強(qiáng)度在含水率小于13.4%時(shí)變化不大，大于13.4%時(shí)，抗剪強(qiáng)度迅速下降。

(3)由表6可知，隨著含水率的增加兩種植物根-土復(fù)合體的黏聚力和內(nèi)摩擦角均是先增加后減少，錦雞兒根-土復(fù)合體的黏聚力和內(nèi)摩擦在13.4%時(shí)最大，沙打旺在17.45%時(shí)最大。素土的黏聚力和內(nèi)摩擦角沒(méi)有明顯變化規(guī)律。

4　根-土復(fù)合土體微觀結(jié)構(gòu)與影響機(jī)理研究

4.1根-土復(fù)合土體微觀結(jié)構(gòu)研究

由以上試驗(yàn)可知，在相同試驗(yàn)條件下，錦雞兒和沙打旺根系對(duì)土體抗剪強(qiáng)度影響不同。沙打旺根-土復(fù)合體的黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ和抗剪強(qiáng)度均大于錦雞兒。由圖1 可知，沙打旺較密的根系分布形態(tài)、較粗的根莖，對(duì)于提高根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度均有積極的影響。試驗(yàn)后的根-土復(fù)合體試樣內(nèi)的主根系均未被剪斷，故根系增加了土壤摩阻力，使內(nèi)摩擦角增加。沙打旺為草本植物，其根系發(fā)達(dá)，在土壤中基本形成了三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，故草本沙打旺根-土復(fù)合體黏聚力比灌木錦雞兒根-土復(fù)合體黏聚力大。

4.2根系影響機(jī)理研究

目前，國(guó)內(nèi)外在生態(tài)護(hù)坡研究中普遍認(rèn)為，植物護(hù)坡的作用主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：主根的錨固作用、根系的加筋作用、降低坡體孔隙水壓力。本文試驗(yàn)植物生長(zhǎng)期為兩個(gè)月，主根長(zhǎng)不足30cm，故沒(méi)有起到錨固作用。兩種植物的根系在土中盤(pán)根錯(cuò)節(jié)，相互交織成網(wǎng)狀，與淺層土體形成根-土復(fù)合材料。根系可視為帶預(yù)應(yīng)力的三維加筋材料，使土體強(qiáng)度提高。植物通過(guò)蒸騰作用，吸收邊坡內(nèi)水分，降低了邊坡的孔隙水壓力，從而提高邊坡的抗剪強(qiáng)度。

當(dāng)土樣含水率相同時(shí)，隨著土樣中根系數(shù)量的增加，根系的外表面積隨之增加，即根系與土壤的接觸面積增大，因此根-土間摩阻力的增加使試樣的橫向約束力及軸向應(yīng)力增加，因此黏聚力明顯增大。

土壤中含水率增加，使孔隙水壓力增加，土顆粒間的有效應(yīng)力減小，從而使土體的抗剪強(qiáng)度降低。根系可使土體抗剪強(qiáng)度增加，當(dāng)含水率不大時(shí)，根系增強(qiáng)作用呈上升趨勢(shì)，但隨著含水率增加強(qiáng)度降低。但相同含水率條件下，根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度大于素土。當(dāng)含水率低于適宜值時(shí)，根系的存在可增加根-土間摩擦力，當(dāng)含水率高于適宜值時(shí)，過(guò)多的水使根-土間的有效應(yīng)力減小，界面摩擦力減小，因此呈下降的趨勢(shì)。

5　結(jié)　論

(1)隨著垂直壓力的增加，土體抗剪強(qiáng)度隨之增加。錦雞兒、沙打旺的根-土復(fù)合體符合庫(kù)侖定律。

(2)在相同生長(zhǎng)條件下，錦雞兒、沙打旺根系可提高土體抵抗剪切破壞的能力，其中沙打旺根系提高土體抗剪強(qiáng)度的能力高于錦雞兒根系。

(3)隨著根-土復(fù)合體試樣中根系密度的增加，抗剪強(qiáng)度隨之增加。

(4)植物根系對(duì)土體的內(nèi)摩擦角影響不大，但對(duì)黏聚力影響較大。其中沙打旺根系提高黏聚力最大，錦雞兒次之。因此，可以認(rèn)為根-土復(fù)合土體抵抗剪切破壞的能力主要由黏聚力的提高決定。

(5)隨著含水率的增加，素土抗剪強(qiáng)度逐漸下降，根-土復(fù)合體抵抗剪切破壞的能力先增加后減小，錦雞兒根-土復(fù)合體的含水率適宜值為13.4%，沙打旺根-土復(fù)合體的含水率適宜值為17.4%。

本次試驗(yàn)基于在邊坡上種植灌木和草本植物，測(cè)定一定生長(zhǎng)期的植物根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度并與素土相比較，同時(shí)考慮了含根量和含水率對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響，對(duì)工程邊坡生態(tài)防護(hù)植物種植密度和土壤含水量控制具有指導(dǎo)意義。試驗(yàn)采用擾動(dòng)土進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)于邊坡原位試驗(yàn)及幾種不同的物種混播等生態(tài)護(hù)坡技術(shù)的研究還有待于進(jìn)一步完善和改進(jìn)。

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EXPERIMENTAL STUDY ON INFLUENCE OF PLANT ROOTS TO SHEAR STRENGTH OF LOW LIQUID LIMIT SILTY CLAY AT SHALLOW DEPTH OF SLOPE

LIU YiliangLIU XiaoliFU XuLI ZongjieMA Tengfei

(DepartmentofArchitecturalEngineering，NorthChinaInstituteofAerospaceEngineering，Langfang065000)

As ecological balance and environmental protection have been increasingly recognized and valued， many developed countries have paid attentions to the ecological restoration and protection technology of slope engineering. Such technology has become the preferred solution for disaster prevention and erosion control and represented the development direction of slope protection. The shear strength of pure soil and the roots-soil composite system of two vegetation species are tested in laboratory. The two species are Astragalus adsurgens Pall. and Caragana microphylla Lam. and are planted in slope composing silty clays with low liquid limit. They are endurable to drought and barren resistance. This paper investigates the effects of different root density and moisture content on shear strength. The results show that the shear strength of the root-soil composite system increases linearly with increasing vertical pressure. Root can increase soil shear strength. The root of Astragalus adsurgens Pall. has the most noticeable effect， which is followed by Caragana microphylla Lam.As the root density increases， the shear strength increases. But， the shear strength of root soil-composite increases firstly and then decreases as the moisture increases. Plant root has little effect on the internal friction angle， while it has larger effect on the cohesion. So the increase of cohesion can greatly improve root-soil composite shear strength. The results of this test have great significance to the ecological protection technology of the slope composing silty clays with low liquid limit and ecological management of mining area in the way of plant selection and configuration．

Caragana microphylla Lam.， Astragalus adsurgens Pall.， Cohesion， Internal friction angle

10.13544/j.cnki.jeg.2016.03.007

2015-04-21;

2015-09-17.

河北省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目(2013-1-50)，廊坊市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015013008)，北華航天工業(yè)學(xué)院科研基金項(xiàng)目(KY-2015-01)資助.

劉益良(1987-)，男，碩士，助教，主要從事城市與工程防災(zāi)減災(zāi)，GIS研究與應(yīng)用方面的研究工作. Email: liuyiliang1987@163.com

TU411.7, P642

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