不同土壤生物工程措施根系附加黏聚力研究

陳鵬 劉煜 吳耕華

摘要 [目的]研究4種不同土壤生物工程措施對邊坡土體抗剪強(qiáng)度的提高作用。[方法]設(shè)置了一處長40 m的人工邊坡，在邊坡上使用扦插、灌叢墊、層栽與梢捆4種土壤生物工程措施，并在施工8、12個(gè)月后分別開展根系現(xiàn)場調(diào)查，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行單根抗拉試驗(yàn)，并引入RWM模型量化研究4種不同土壤生物工程對邊坡抗剪強(qiáng)度的提高作用。[結(jié)果]旱柳根系抗拉強(qiáng)度隨根系直徑增大逐漸減小，能產(chǎn)生顯著的根系加筋作用；隨著土層深度的增加，根的面積比減小，4種土壤生物工程措施完工12個(gè)月后的各徑級的根系截面積比率（RAR）相比于8個(gè)月后提高43.75%～69.38% ；土壤生物工程可以明顯提高邊坡的抗剪強(qiáng)度，隨著根系的發(fā)展，12個(gè)月以后各種措施附加黏聚力比8個(gè)月時(shí)有明顯的增長。20 cm土層深度時(shí)灌叢墊與梢捆措施附加黏聚力高于扦插和層栽，且根系所產(chǎn)生的附加黏聚力最大，對邊坡的淺層土壤的加筋作用優(yōu)于另外2種措施。20 cm深度以下灌叢墊與梢捆措施根系附加黏聚力逐漸下降，而扦插與層栽措施附加黏聚力逐漸增加，對深層土壤具有一定的錨固作用。[結(jié)論]研究可為土壤生物工程技術(shù)在農(nóng)田水利護(hù)坡中的廣泛應(yīng)用提供量化評價(jià)方法和理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞 農(nóng)田水利工程；土壤生物工程；河流生態(tài)修復(fù)；根系固坡

中圖分類號 S278 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2018）23-0168-04

Abstract [Objective]The effect of 4 different soil bioengineering measures on the shear strength of slope soil was studied.[Method]An artificial slope of 40 m was set up in the experiment.Four kinds of soil biological engineering measures were used on the slope， including cutting， shrub mat， layer planting and bundling， and the root field investigation was carried out in 8 months and 12 months after construction. Single tensile test was carried out in the laboratory， and RWM model was introduced to quantify the effect of 4 different soil biological engineering on the shear strength of the slope.[Result]The results showed that： the tensile strength of the root system decreased with the increase of root diameter， which could produce a significant root and reinforcement effect. With the increase of soil depth， the area ratio of the root was decreased， and the RAR of the four soil bioengineering measures after 12 months was increased by 43.75% to 69.38% compared with that in 8 months. Soil bioengineering can obviously improve the shear strength of the slope. With the development of the root system， the adhesion of various measures after 12 months is significantly higher than that in August. Scrub pads when 20 cm soil depth and tip add bundle of measures of cohesion is higher than cutting and planting， and the root system produced by the additional cohesive force， the largest of shallow soil on the slope reinforcement effect better than the other two measures. The adhesion cohesion of the root system was gradually decreased with the thickness of the thicknes and the tip bundle， and the adhesion of the cuttings and bedding was gradually increased， which had a certain anchoring effect on the deep soil. [Conclusion]The research results provide quantitative evaluation method and theoretical guidance for the wide application of soil bioengineering technology in farmland water conservancy slope protection.

Key words Irrigation and water conservancy projects；Soil bioengineering；River ecological rehabilitation；Root consolidation

植物根系纖維可以產(chǎn)生對提高邊坡穩(wěn)定性有積極作用的附加黏聚力 [1]。水平方向的植物根系可以通過相互纏繞來束縛土壤，使根系與土體形成具有一定強(qiáng)度的整體，而垂直生長的根系則會穿過淺層土壤，錨固深層土壤，并可以增加土體的遷移阻力[2]。植物根系通過細(xì)根（直徑≤1 mm）的作用，可以明顯地提高土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體數(shù)量[3]。目前，我國國內(nèi)對土壤生物工程的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，在當(dāng)前我國的河岸帶生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重退化的背景下，開展以土壤生物工程措施河岸固坡機(jī)理的動態(tài)研究，使設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化，對未來的河岸生態(tài)恢復(fù)具有重要的意義，利用土壤生物工程的方法穩(wěn)固邊坡是一種必然趨勢，它可以滿足人們對環(huán)境水平的要求。針對目前在土壤生物工程技術(shù)應(yīng)用中存在的對土壤生物工程穩(wěn)定邊坡動態(tài)過程及穩(wěn)固機(jī)理研究不透徹的現(xiàn)實(shí)，筆者通過現(xiàn)場觀測、室內(nèi)外試驗(yàn)對4種土壤生物工程措施動態(tài)進(jìn)行研究，并引入RWM模型 [4-5]計(jì)算分析4種不同土壤生物工程措施對邊坡抗剪強(qiáng)度的提高作用，為土壤生物工程技術(shù)在農(nóng)田水利領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用提供量化評價(jià)方法和理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 植物材料

試驗(yàn)對象選擇當(dāng)?shù)爻Ｒ姌浞N旱柳（Salix matsudana Koidz），旱柳的根系十分發(fā)達(dá)且生長很快，容易繁殖，喜光且耐寒，在濕地、旱地中都可以生長，但是在濕潤且排水良好的土壤上生長最佳，其對蟲害與大氣污染的抵抗性也很強(qiáng)。

1.2 研究區(qū)域

試驗(yàn)點(diǎn)位于湖北省武漢市湖北工業(yè)大學(xué)土木工程建筑與環(huán)境學(xué)院南區(qū)試驗(yàn)基地（30°28′32.05″N，114°18′4.75″E），屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候區(qū)，雨量十分充沛且日照充足，具有夏高溫、冬季稍涼濕潤等特點(diǎn)。設(shè)置一處長40 m的人工邊坡，在邊坡上使用扦插、灌叢墊、層栽與梢捆4種土壤生物工程措施。

1.3 方法

1.3.1 根系截面積比率（RAR）調(diào)查。

RAR是在一個(gè)水平的斷面或者垂直斷面根系的截面面積占總斷面面積的比率。采用“剖面法”測定，在4種措施坡面上分別選取9株新生植株作為樣本，在距離植株根部50 cm處挖出一個(gè)50 cm×50 cm的剖面，將坡面鏟平，再用10 cm×10 cm大小的單元網(wǎng)格劃分剖面，然后按照0～2、2～3、3～4、4～5 mm 4個(gè)不同的根徑級記錄各個(gè)徑級的根系截面積，再計(jì)算根系面積比。

1.3.2 單根抗拉試驗(yàn)。

隨機(jī)選取生長良好且完整無損的根系進(jìn)行單根抗拉試驗(yàn)，試驗(yàn)采用 RGM-6010電子萬能試驗(yàn)機(jī)，將根系置入兩端的夾具夾緊，并控制兩端夾具的距離是根徑的50 倍，下端夾具固定不動，上端夾具勻速向上運(yùn)動，直至根系被拉斷，記錄不同根莖級下根系的抗拉強(qiáng)度、根系位移變化量等參數(shù)。

1.3.3 根系附加黏聚力計(jì)算方法。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同措施根系面積比

不同土層的根系含量不同，不同植物根系對土體的錨固與加筋作用效果也不相同，所以不同土層新生的植物根系對邊坡穩(wěn)定性的影響程度不同。通過剖面法調(diào)查4種不同土壤生物工程措施完工8個(gè)月和12個(gè)月后不同徑級根截面積比隨土層深度變化如圖1～4所示。

隨著土層深度的增加，根的面積比減小，到50 cm以下時(shí)根的含量已經(jīng)很少了，4種土壤生物工程措施完工12個(gè)月后的各徑級的RAR相比于8個(gè)月后提高43.75%～69.38%。其中，扦插措施與層栽措施在30 cm以下土層深度提高較明顯，且多為直徑大于2 mm的粗根，而灌叢墊與梢捆措施新生根系主要集中在0～30 cm深度的土層中，并且灌叢墊措施根徑≤1 mm的細(xì)根含量占總根量的32.8%，須根系最為發(fā)達(dá)，梢捆次之，細(xì)根含量占總根量的20.4%。

2.2 單根抗拉強(qiáng)度

為了進(jìn)一步探討根系拉力與根系直徑的關(guān)系，作出直徑為0～2、2～3、3～4、4～5 mm 的旱柳根系抗拉強(qiáng)度隨根系直徑變化的關(guān)系曲線并進(jìn)行擬合分析，如圖5～8所示。由圖5～8可知，根系抗拉強(qiáng)度隨著根系直徑的增大而逐漸減小，式中y為抗拉強(qiáng)度（MPa），x為根系直徑（mm）。

由圖5～8可知，根系直徑越大，最大抗拉力也越大，抗拉強(qiáng)度則越小，且這一特性在不同的試樣變化趨勢都相同。根系的受力狀態(tài)呈現(xiàn)彈塑性材料特征，試樣位移隨時(shí)間增長而逐漸增大，在拉伸過程中位移有突變，隨著根系直徑的增加，抗拉強(qiáng)度的遞減幅度逐漸減小，細(xì)小的根不但具有較大的抗拉強(qiáng)度，而且同樣RAR下的細(xì)根數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于粗根，所以細(xì)根比粗根具有更大的表面積，與土壤的接觸面積大，摩擦力較大從而抵抗拉脫的能力強(qiáng)。且直徑介于0～2 mm的根系平均單根抗拉強(qiáng)度為20.172 MPa，為一級鋼屈服強(qiáng)度的8.5%，能產(chǎn)生顯著的根系加筋作用，直徑>2 mm的根系平均單根抗拉強(qiáng)度為15.040 MPa，為一級鋼屈服強(qiáng)度的6.4%，能產(chǎn)生一定的錨固作用。

2.3 不同措施根系附加黏聚力

試驗(yàn)以直徑小于5 mm的根系為研究對象，按照0～2、2～3、3～4、4～5 mm 4組不同的根徑級記錄各徑級的根截面積，然后計(jì)算根系截面積比率?；诟档目估瓘?qiáng)度與截面積比率，用式（2）計(jì)算根系的附加黏聚力，結(jié)果如圖9所示。由研究結(jié)果可知，根系可以明顯地提高邊坡的抗剪強(qiáng)度，隨著根系的發(fā)展，12個(gè)月以后各種措施附加黏聚力比8個(gè)月時(shí)有明顯的增長，平均增長率達(dá)到了21.8%。20 cm土層深度時(shí)灌叢墊與梢捆措施附加黏聚力高于扦插和層栽，且根系所產(chǎn)生的附加黏聚力最大，對邊坡的淺層土壤的加筋作用優(yōu)于另外2種措施。20 cm深度以下灌叢墊與梢捆措施根系附加黏聚力逐漸下降，而扦插與層栽措施附加黏聚力逐漸增加，超過了灌叢墊和梢捆措施，且在30 cm深度時(shí)達(dá)到最大，對深層土壤具有一定的錨固作用，隨著土層深度增加至50 cm深度時(shí)，根系所產(chǎn)生的附加黏聚力逐漸減少，根系對邊坡抗剪強(qiáng)度的提高作用逐漸減少。

3 結(jié)論與討論

（1）直徑<2 mm的根系平均單根抗拉強(qiáng)度為20.172 MPa，為一級鋼屈服強(qiáng)度的8.5%，能產(chǎn)生顯著的根系加筋作用；直徑>2 mm的根系平均單根抗拉強(qiáng)度為15.040 MPa，為一級鋼屈服強(qiáng)度的6.4%，能產(chǎn)生一定的錨固作用。旱柳植物根系的最大抗拉力隨著根系直徑增大而逐漸增大，抗拉強(qiáng)度隨根系直徑增大逐漸減小。該試驗(yàn)定量分析了旱柳根系抗拉力、抗拉強(qiáng)度與根系直徑之間的關(guān)系，擬合出了相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系式，為旱柳植物根系固土護(hù)坡提供了重要的理論依據(jù)。

（2）隨著土層深度的增加，根的面積比減小，到50 cm以下時(shí)根的含量已經(jīng)很少了，4種土壤生物工程措施完工12個(gè)月后的各徑級的RAR相比于8個(gè)月后提高43.75%～69.38%。其中，扦插措施與層栽措施在30 cm以下土層深度提高較明顯，且多為直徑大于2 mm的粗根，而灌叢墊與梢捆措施新生根系主要集中在0～30 cm深度的土層中，并且灌叢墊措施根徑≤1 mm的細(xì)根含量占總根量的32.8%，須根系最為發(fā)達(dá)，梢捆次之，細(xì)根含量占總根量的20.4%。

（3）土壤生物工程可以明顯地提高邊坡的抗剪強(qiáng)度，隨著根系的發(fā)展，12個(gè)月以后各種措施附加黏聚力比8個(gè)月時(shí)有明顯的增長，平均增長率達(dá)到了21.8%。20 cm土層深度時(shí)灌叢墊與梢捆措施附加黏聚力高于扦插和層栽，且根系所產(chǎn)生的附加黏聚力最大，對邊坡淺層土壤的加筋作用優(yōu)于另外2種措施。20 cm深度以下灌叢墊與梢捆措施根系附加黏聚力逐漸下降，而扦插與層栽措施附加黏聚力逐漸增加，超過了灌叢墊和梢捆措施，且在30 cm深度時(shí)達(dá)到最大，對深層土壤具有一定的錨固作用。隨著土層深度的增加至50 cm深度時(shí)，根系所產(chǎn)生的附加黏聚力逐漸減少，根系對邊坡抗剪強(qiáng)度的提高作用逐漸減少。

旱柳根系發(fā)達(dá)，具有較強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度，適合用于岸坡植被生態(tài)恢復(fù)與防止土壤侵蝕、水土流失，其根系具有較強(qiáng)的加筋作用，可代替部分工程措施，隨著植物的生長可以逐漸形成密集的灌叢，根系分布范圍也會越來越廣，從而達(dá)到穩(wěn)固岸坡、抵抗坡面侵蝕的作用效果。

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