五節(jié)芒和胡枝子的固土護(hù)坡力學(xué)特性研究

周潔昕 郭俊英 何云核

摘要 [目的]分析植物根系在土壤中的力學(xué)性質(zhì)，證明植物能提高坡面的穩(wěn)定性。[方法]以胡枝子、五節(jié)芒為研究對(duì)象，測(cè)定植物根系的抗拉強(qiáng)度。[結(jié)果]根系的存在確實(shí)對(duì)土體抗剪強(qiáng)度有所提高;當(dāng)根系的總長(zhǎng)度恒定時(shí)，根系粗細(xì)是影響抗拉拔力的主要因素。[結(jié)論]植物根系可以提高土體的抗剪強(qiáng)度和抗拉拔能力，增強(qiáng)邊坡的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞 植物護(hù)坡;根土復(fù)合體;抗剪;拉拔

中圖分類號(hào) U418.5+2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 0517-6611（2019）04-0215-04

Abstract [Objective]The mechanical properties of plant roots were analyzed in the soil， demonstrating that plants can improve the stability of the slope.[Method]Taking Miscanthus floridulus， Lespedeza bicolor as test object，pullout strength ?of ?plant ?root ?was determined.[Result]The presence of roots did improve the shear strength of the soil. When the total length of the root system was constant， the root thickness was the main factor affecting the pullout resistance.[Conclusion]Plant roots can improve the shear strength and pullout resistance of the soil and enhance the stability of the slope.

Key words Plant slope protection;Rootsoil composite;Shear experiment;Pullout test

隨著改革開(kāi)放，中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，各地大興土木，加大對(duì)公路、鐵路及水利等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。這些活動(dòng)不可避免地進(jìn)行筑堤或開(kāi)山，造成邊坡失穩(wěn)被破壞，誘發(fā)水土流失、泥石流、山體滑坡等，成為影響人們生命財(cái)產(chǎn)安全的主要因素之一。傳統(tǒng)的工程護(hù)坡包括抹面、勾縫、砌石護(hù)坡或設(shè)置擋墻等，這些措施不但前期花費(fèi)高，而且會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生風(fēng)化、老化等，后期維修費(fèi)用較高[1]。隨著邊坡生態(tài)防護(hù)的作用越來(lái)越被專家肯定，除少數(shù)不穩(wěn)定或者條件嚴(yán)苛的邊坡仍采用工程護(hù)坡，傳統(tǒng)護(hù)坡方式逐漸被植物護(hù)坡取代[2-3]。邊坡生態(tài)防護(hù)技術(shù)是利用根系涵水固土的原理穩(wěn)定土坡淺表層，美化和恢復(fù)生態(tài)環(huán)境的新技術(shù)。它涉及許多學(xué)科，如巖土工程、植物學(xué)、生態(tài)學(xué)、土壤力學(xué)等[4-5]。它沒(méi)有像傳統(tǒng)工程措施那樣的標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算方法。此外，土壤類型、植物種類、生長(zhǎng)階段、氣候等自然條件也會(huì)對(duì)植物的護(hù)坡效果產(chǎn)生影響，導(dǎo)致植物根系固土能力的測(cè)量產(chǎn)生困難[6]。目前邊坡生態(tài)防護(hù)技術(shù)的應(yīng)用還有許多地方可以深入研究，尤其對(duì)它的力學(xué)機(jī)理研究是非常有必要的。

經(jīng)實(shí)地調(diào)查，總結(jié)出常見(jiàn)的固土護(hù)坡植被中鹽扶木和五節(jié)芒為優(yōu)勢(shì)種，紫藤、忍冬、葛藤、野菊、酸模、野燕麥、紫穗槐等為伴生種;馬棘和胡枝子為優(yōu)勢(shì)種，構(gòu)樹(shù)、紅葉野桐、苦苣菜、一年蓬、鵝觀草、紫花苜蓿、酢漿草、千里光、白花敗醬、截葉鐵掃帚等為伴生種;小蠟、高羊茅、刺槐和紫穗槐為優(yōu)勢(shì)種，五節(jié)芒、一年蓬、苦麥草、截葉鐵掃帚、榔榆、迷糊菜、黃鶴菜、竊衣等為伴生種，我們從中選取五節(jié)芒和胡枝子進(jìn)行試驗(yàn)，以為植物護(hù)坡應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選取浙江農(nóng)林大學(xué)校園植被恢復(fù)邊坡中的草本植物五節(jié)芒和木本植物胡枝子作為試驗(yàn)材料（圖1、2、3、4）。五節(jié)芒是禾本科芒屬多年生常綠草本植物，具發(fā)達(dá)根狀莖，是生活中最常見(jiàn)的野外群生禾本科植物;它的根系盤根錯(cuò)節(jié)，十分龐大，有很強(qiáng)的保持水土能力，且再生力也很強(qiáng)，是一種優(yōu)秀的水土保持及綠化護(hù)坡植物。胡枝子是豆科胡枝子屬直立灌木，生于海拔150～1 000 m的山坡、路邊、森林邊緣、灌木和混交林間。枝葉繁茂，根系發(fā)達(dá)，側(cè)根多，能有效保持水土，減少地表徑流，改善土壤結(jié)構(gòu)。采取整株挖掘法，于2018年6月挖取五節(jié)芒和胡枝子的試驗(yàn)植株，選擇3株生長(zhǎng)良好、具有代表性的植株，取出后及時(shí)帶回實(shí)驗(yàn)室，挑選生長(zhǎng)正常、無(wú)病蟲(chóng)害和完整根皮的新鮮根系。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，在該試驗(yàn)中選取的五節(jié)芒根系平均有97%的側(cè)根分布在地表15 cm以內(nèi)，胡枝子根系平均有75%的側(cè)根分布于地表25 cm以內(nèi)。

1.2 試驗(yàn)方法

五節(jié)芒的試驗(yàn)方法：利用取土器挖取完整的原狀土（圖5），用60 cm3環(huán)刀進(jìn)行切割，將土樣填滿環(huán)刀。為了分析含根量的變化對(duì)根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的影響，分別對(duì)取出的完整土體取0～2、2～4、4～6 cm深度的根土復(fù)合體試樣進(jìn)行剪切試驗(yàn)。同時(shí)，對(duì)素土也進(jìn)行剪切試驗(yàn)來(lái)證明根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度比素土強(qiáng)。用應(yīng)變控制式直接剪切儀對(duì)土樣進(jìn)行剪切試驗(yàn)計(jì)算得到剪應(yīng)力。計(jì)算公式如下：

以上擬合結(jié)果的相關(guān)系數(shù)R2均大于0.86，可知擬合均較好，表明黏聚力和含根量的變化關(guān)系以及內(nèi)摩擦角和含根量的變化關(guān)系。根土復(fù)合體的黏聚力和內(nèi)摩擦角都大于素土，黏聚力的增加特別明顯。因此，根密度與邊坡的穩(wěn)定性密切相關(guān)，根密度增加，邊坡穩(wěn)定性增加。

試驗(yàn)表明，垂直應(yīng)力影響剪切強(qiáng)度，垂直應(yīng)力和試樣的抗剪強(qiáng)度呈線性關(guān)系。隨著垂直應(yīng)力的增加，抗剪強(qiáng)度呈線性增加;根系含量影響土體的剪切強(qiáng)度，根土復(fù)合體的的抗剪強(qiáng)度隨著根系的增加而增強(qiáng);根對(duì)土體內(nèi)摩擦角的影響相對(duì)小，對(duì)黏聚力影響較大;根密度能夠影響邊坡的穩(wěn)定性。

2.2 根系拉拔試驗(yàn)結(jié)果 在該試驗(yàn)中，分別進(jìn)行20組單根從圖9和圖10可以看出，胡枝子根徑的最大抗拉力隨根系直徑的增大而增大，而最大抗拉強(qiáng)度隨胡枝子根系直徑的增大而減小。朱清科等[10]指出在拉拔試驗(yàn)中，根系變形會(huì)從彈性形變到塑性形變，當(dāng)植物根徑增大到一定程度時(shí)，其抗拉拔力會(huì)有明顯的躍遷，但在該試驗(yàn)中，植物根的最大抗拉拔力沒(méi)有顯示明顯的躍遷，這是因?yàn)樵囼?yàn)植物根徑尚未達(dá)到轉(zhuǎn)變的極限值。采用線性回歸方程擬合胡枝子的最大抗拉拔力與根徑之間的關(guān)系，比較冪函數(shù)和線性函數(shù)的相關(guān)系數(shù)，發(fā)現(xiàn)用冪函數(shù)方程其擬合度更高[11]，因此，根系的最大抗拉拔力與直徑之間存在著非線性冪函數(shù)關(guān)系。

3 結(jié)論與展望

試驗(yàn)結(jié)果表明，根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度與剪切面上的法向壓力成正比，其抗剪強(qiáng)度符合庫(kù)侖定律，τ=c+σtanφ;隨著根土復(fù)合體中含根量的增加，其黏聚力C值明顯增加，而內(nèi)摩擦角增加值較小，根系對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的增加主要體現(xiàn)在黏聚力的增加，與Waldron的修正式相符合;根系的最大抗拉拔力隨根徑的增加而增大且呈現(xiàn)非線性冪函數(shù)關(guān)系，而最大抗拉強(qiáng)度隨植物根系直徑的增大而減小。

生態(tài)護(hù)坡技術(shù)與傳統(tǒng)的工程技術(shù)防護(hù)方法相比有諸多優(yōu)點(diǎn)，在此領(lǐng)域開(kāi)展相關(guān)研究，不但具有重要的理論價(jià)值，更具有一定的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和生態(tài)效益。植物護(hù)坡技術(shù)是一門綜合性學(xué)科，在這一領(lǐng)域仍有許多問(wèn)題值得繼續(xù)開(kāi)展更深入的研究，其力學(xué)作用機(jī)理還有待進(jìn)一步探索。另外，在實(shí)際的坡面綠化中，更多采用多種植物結(jié)合的復(fù)合植物系統(tǒng)，不同植物根系可能對(duì)固土效果具有互補(bǔ)作用[7，12]。因此，研究植物復(fù)合根系的固土機(jī)理也是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。希望今后在生態(tài)護(hù)坡技術(shù)理論研究和實(shí)際工程應(yīng)用上，有進(jìn)一步的發(fā)現(xiàn)和研究。

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