紫穗槐根系對黃土邊坡加固作用的試驗研究

陳航　張慧莉　田堪良　鐘佩文

摘要：植物護坡措施對黃土邊坡穩(wěn)定及生態(tài)環(huán)境修復具有重要作用。通過對陜北治溝造地工程中黃土以及紫穗槐根系與黃土的復合土體抗剪強度的試驗研究，分析了含水率及含根量對土體抗剪強度的影響。根土復合土體的抗剪強度符合庫侖定律，并隨著含水率的增大而減小；隨著含根量的增加，附加黏聚力增量較大，變化范圍為1.46～14.67 kPa；內(nèi)摩擦角增量較小，變化區(qū)間為1.0°～3.5°。采用FLAC3D巖土工程數(shù)值計算軟件分析了紫穗槐根系對黃土邊坡的加固作用，含水率為12%的種植紫穗槐的坡體最穩(wěn)定，安全系數(shù)最大為3.06。

關鍵詞：紫穗槐根系；根土復合土體；加固作用；穩(wěn)定分析；黃土邊坡

黃土高原地區(qū)大規(guī)模退耕還林工程實施后，耕地不足，糧食安全問題突出，為保障糧食生產(chǎn)，近年來延安市大力開展治溝造地工程。在工程實施過程中，開挖形成了大量裸露的黃土邊坡。黃土形成于半干旱氣候環(huán)境下，在自然界中絕大部分以非飽和狀態(tài)存在，其結(jié)構性強，對水的敏感性高，尤其是在降雨的影響下，這些大型的黃土邊坡存在如滑坡及坍塌等安全隱患。降雨時，雨水入滲使黃土的含水量增加，抗剪強度降低，坡體容重增大、孔隙水壓力增加，下沉量加大，導致坡體破壞。為防護黃土邊坡，修復生態(tài)環(huán)境，在邊坡上栽種植物是一種行之有效的措施。國內(nèi)外學者通過大量試驗，比較了不同類型的根土復合土體與無根系土壤的抗剪強度，結(jié)果表明：根系可以提高土體的抗剪強度，影響根土復合土體抗剪強度的因素有根系含量、含水率等。關于植被的護坡機理的研究表明，植被對邊坡的加固作用表現(xiàn)為水文效應和力學效應，植物固土護坡力學效應主要表現(xiàn)在植物淺層散生根系對根周土體的加筋作用、深層主直根系對土體的錨固作用以及水平根系對根周土體的牽引作用3個方面。紫穗槐是一種典型的深根性直根樹種，主根錨固作用顯著，耐鹽堿、耐干旱、抗風沙、耐嚴寒且對土壤要求不高，被廣泛應用于陜北的邊坡防護工程中。筆者針對陜北治溝造地中采用紫穗槐進行黃土邊坡防護的工程實際，開展紫穗槐根系與黃土的復合土體抗剪強度的試驗研究，分析了含水率及含根量對土體抗剪強度的影響，采用FLAC數(shù)值計算軟件分析了紫穗槐根系對黃土邊坡穩(wěn)定性的影響，以期為陜北治溝造地中黃土邊坡植物防護的工程實踐提供技術支撐。

1試驗材料與方法

試驗所用黃土土樣取自陜西省延安市萬花山治溝造地工程開挖的邊坡，分別在坡面上部和下部采集土樣，取土深度為3.5-4，0 m，土樣的干密度平均值分別為1.35、1.53 g/cm3，天然含水率為12%，屬Q(mào)2黃土。試驗土樣的物理性質(zhì)指標見表1。

為了研究紫穗槐根系對土體的加固作用，試驗前對3 a生的紫穗槐根系進行了采樣調(diào)查，結(jié)果表明：紫穗槐根系主要分布在地表以下40 cm的土層內(nèi)，對表層土體具有較好的加固作用；根系對土體的加固作用主要與土體中的根系含量有關，調(diào)查測得地表下0-20、20-40 cm范圍內(nèi)單株根系體積分別為75、44 cm3，按照株距50 cm計算得到的單位體積含根率分別為0.15%和0.09%。紫穗槐根系形態(tài)見圖1，不同深度根系的特點與樣本的平均體積見表2。為便于研究紫穗槐根系對土體的加固作用，根系復合土體試樣的含根量參照調(diào)查所得的平均體積含根率制備。根土復合土體直接剪切試樣的尺寸為高2 cm、直徑6.1 cm，先將現(xiàn)場所取土樣過孔徑為2 mm的篩，選取直徑為0.8 mm的紫穗槐根，將其剪成18 mm長的小段，制備含根量分別為6根、8根、10根的3種試樣，根系體積比分別為0.093%、0.124%、0.155%。制作試樣時，先加部分土到制樣器內(nèi)，將土均勻松散地填滿環(huán)刀，然后將根垂直插入土中，最后加入剩余的土，用千斤頂壓實。制備干密度分別為1.35、1.53 g/cm3的黃土重塑土樣及根土復合土體重塑土樣，試樣的含水率分別為12%、19%和26%。

采用DSJ-3型電動四聯(lián)等應變直剪儀進行抗剪強度試驗，剪切速率為0.80 mm/min，分別測量50、100、200、300 kPa的4種垂直壓力下黃土試樣及根土復合土體試樣的抗剪強度。

2試驗結(jié)果

2.1根土復合土體的抗剪強度

圖2為不同密度、不同含根量及不同含水率條件下試樣的抗剪強度曲線。試驗結(jié)果表明：根土復合土體的抗剪強度與垂直壓力問的關系與無根土相似，符合庫侖定律；根土復合土體的抗剪強度明顯大于無根土的，并隨含根量的增加而增大，根系體積比0.155%、干密度1.53 g/cm3的試樣在含水率12%的情況下抗剪強度最大，比相同情況下無根試樣的抗剪強度增大了35.9 kPa。原因是土體發(fā)生剪切變形時，紫穗槐根系與黃土之間存在摩擦作用，使得根系承擔了部分拉應力，而植物根系的抗拉強度遠大于黃土，植物根系對黃土土體起到了加固作用，因此提高了根土復合土體的抗剪強度。

2.2根土復合土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角

圖3為不同密度及不同含水率條件下試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角隨含根量的變化曲線。在相同含水率情況下，試樣隨著含根量的增加，黏聚力與內(nèi)摩擦角都有所增大，明顯提高了根土復合土體的抗剪強度。根土復合土體相對于相同含水率的無根土黏聚力顯著增大，增加量用附加黏聚力△c表示，變化范圍為1.46-14.67 kPa，含根量越大則△c越大：由于土的干密度越大，土粒與根系表面之間的接觸越緊密，在試樣剪切過程中根系的錨固作用越大，因此在含根量及含水率相同的條件下，干密度較大的根土復合土體的附加黏聚力也越大。內(nèi)摩擦角的增量（用△φ表示）較小，變化范圍為1.0°-3.5°，原因是土體的內(nèi)摩擦角主要取決于土體顆粒大小、粗糙程度、顆粒級配和密實度等，根系的錨固作用影響相對較小。

當含根量相同時，根土復合土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角都隨著含水率的增大而減小。圖4為不同試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角隨含水率變化曲線。

當土體含水率由12%增大到26%時，試樣的黏聚力最大下降了44.2 kPa。原因是隨著含水率的增大，土粒之間以及土粒與根系表面之間的化學膠結(jié)物質(zhì)被溶解，黏結(jié)作用減弱，使得土體本身的黏聚力減小及根系的錨固作用降低。同時，隨著土體含水率的增大，土粒表面的水膜增厚，剪切變形時土粒之間以及土粒與根系表面之間的摩擦力減小，因此根土復合土體的內(nèi)摩擦角也有所減小。

隨著含水率的上升，根土復合土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角均減小，根系體積比為0.155%、含水率由12%增大到26%時，試樣黏聚力最大下降44.2 kPa，內(nèi)摩擦角最大下降5.7°；附加黏聚力、內(nèi)摩擦角的增量隨含水率增大也相對減小，但根固土護坡的作用仍然不可忽視。用c0和φ0分別表示與根土復合土體含水率相同的無根土的黏聚力與內(nèi)摩擦角的值，△c/c0和△φ/φ0表示根對土體抗剪強度的增強作用，則△c/c0和△φ/φ0值隨著含水率的增大而增大，在根系體積比為0.155%、含水率為26%時達到最大，最大值分別為116.50%和14.20%。不同根土復合土體試樣的△c/c0和△φ/φ0。值見表3。

3紫穗槐防護邊坡穩(wěn)定性分析

在延安治溝造地工程中。紫穗槐是一種適合當?shù)貤l件的護坡植物，在開挖邊坡植物護坡工程中被廣泛種植。采用FLAC3D巖土工程數(shù)值計算軟件對紫穗槐防護邊坡進行穩(wěn)定性分析，利用強度折減法求解出邊坡的安全穩(wěn)定系數(shù)。為治溝造地工程中的黃土邊坡防護提供技術依據(jù)。選取邊坡坡高6 m，分兩級，單級坡高3 m，單級坡比1：1，兩級中間留有1 m寬的平臺。分別模擬不同含水率、有無紫穗槐護坡情況下的黃土邊坡，邊坡模型示意見圖5。紫穗槐株距為50 cm，按照紫穗槐根系體積比0.155%和0.093%，分別在距地面20 cm和40 cm的深度內(nèi)設置根土復合土體，其他區(qū)域與試驗中黃土的物理力學指標一致。圖6為不同工況下邊坡的安全系數(shù)以及最大剪應變率云圖。

數(shù)值計算結(jié)果表明：種植紫穗槐坡體的安全系數(shù)比沒有種植紫穗槐坡體的安全系數(shù)有所增大，紫穗槐根系對黃土邊坡有一定的加固作用，含水率為12%的種植紫穗槐的坡體最穩(wěn)定，安全系數(shù)最大為3.06；由于邊坡較高時剪切帶較深，僅在剪切帶穿越的表土層的根系才對土體起到了加固作用，因此紫穗槐根系對深層滑坡的加固作用有限。由于土體的含水率增大其抗剪強度會減小，因此土體的含水率對黃土邊坡的穩(wěn)定性影響較大，當土體含水率由12%增大到26%時，安全系數(shù)由2.99減小到1.06。坡腳處的剪切變形較大，容易發(fā)生破壞，當含水率較小時，最危險點在上部坡面的坡腳處；當含水率較大時，最危險點在下部坡腳處，容易發(fā)生整體滑坡。

4結(jié)論

（1）根土復合土體的抗剪強度符合庫侖定律，并隨著含水率的增大而減小、隨含根量的增大而增大，紫穗槐根系對黃土土體起到了加固作用。

（2）根土復合土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角均隨含根量的增大而增大。附加黏聚力增量較大，變化范圍為1.46-14.67 kPa；內(nèi)摩擦角增量較小，變化范圍為1.0°-3.5°。含水率越大，附加黏聚力和內(nèi)摩擦角增量越小，但△c/c0和△φ/φ0的值均隨含水率的增大而增大，最大值分別為116.50%和14.20%。

（3）紫穗槐根系對黃土邊坡有一定的加固作用，含水率為12%的種植紫穗槐的坡體最穩(wěn)定，安全系數(shù)最大為3.06。當剪切帶加深時，僅在剪切帶穿越的表土層根系才對土體起到加固作用，因此紫穗槐根系對深層滑坡的加固作用有限。

（4）土體的含水率對黃土邊坡的穩(wěn)定性影響較大。當土體含水率增大時，安全系數(shù)會減小（土體含水率由12%增大到26%時，安全系數(shù)由2.99減小到1.06）。當含水率較大時，最危險點在下部坡腳處，容易發(fā)生整體滑坡。