不同草本植物根系提高無側(cè)限受壓土體的抗剪強(qiáng)度*

段青松 趙燚柯 楊 松 王金霞 楊 旸 龔愛民 孫高峰楊蒼玲 余建新?

（1云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院國(guó)土資源科學(xué)技術(shù)工程研究中心，昆明 650201）

（2云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，昆明 650201）

（3西南有色昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究（院）股份有限公司，昆明 650051）

（4河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京 210098）

草本植物根系能固結(jié)土壤，提高邊坡穩(wěn)定、減少土壤侵蝕，在生態(tài)環(huán)境保護(hù)和改善中發(fā)揮著重要作用。根系固土作用體現(xiàn)在4個(gè)方面，即根系對(duì)土壤的網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)作用、根土黏結(jié)作用、根系化學(xué)作用和根系本身材料力學(xué)作用[1］。植物根系的固土能力，主要用土壤的抗剪強(qiáng)度提高值來衡量[2］，一般通過剪切試驗(yàn)得到，剪切的方法主要有直剪試驗(yàn)[3-5］、三軸試驗(yàn)[6-7］以及野外的原位剪切試驗(yàn)[8-9］。直剪試驗(yàn)和原位剪切試驗(yàn)，土樣的受剪面是預(yù)設(shè)的，它不一定是最薄弱面，且在剪切破壞過程中逐漸變小，因此試驗(yàn)所測(cè)定的抗剪強(qiáng)度不一定能代表根系的固土能力。三軸試驗(yàn)中的破壞面是真正的最薄弱面，且可以模擬不同排水狀況下剪切應(yīng)力的變化，區(qū)分空隙水壓力和有效應(yīng)力，可以更客觀地反映根系固土的實(shí)際。但是三軸試驗(yàn)中，為得到1條庫(kù)倫曲線，至少需要3個(gè)相同的土樣在不同的圍壓下壓縮破壞。對(duì)于自然生長(zhǎng)狀態(tài)下的含根土體，讓3個(gè)土樣完全相同，特別是根系特征值相同是件很困難的事。

自然狀態(tài)下有根土體的破壞，主要是在垂直荷載（包括自重）作用下發(fā)生的，草本植物根系作用于淺層土體，其作用范圍內(nèi)土體的圍壓很小，可以忽略不計(jì)[10］。同時(shí)現(xiàn)有研究表明[11-12］，根土復(fù)合體中的根系會(huì)對(duì)土體產(chǎn)生一種側(cè)向約束，限制土體的側(cè)向變形，當(dāng)從根土復(fù)合體中取出一單元體時(shí)，單元體內(nèi)根系的側(cè)向約束與單元體外根系對(duì)單元體的約束是相互抵消的，該狀態(tài)相當(dāng)于三軸壓縮試驗(yàn)中圍壓為0的狀態(tài)，因此可用無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究草本植物根系提高土體抗剪強(qiáng)度。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)是一種特殊的三軸壓縮試驗(yàn)，同樣以摩爾-庫(kù)倫理論為依據(jù)，圍壓為0，只要測(cè)出試樣的最大主應(yīng)力，即可確定摩爾應(yīng)力圓，其頂點(diǎn)的切線即為庫(kù)侖直線，該直線在縱軸上的截距即為黏聚力，內(nèi)摩擦角為0，土體的抗剪強(qiáng)度全部以黏聚力的形式表現(xiàn)[13］。以上兩點(diǎn)，為采用無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究草本植物根系的固土能力，通過重復(fù)試驗(yàn)研究自然狀態(tài)下根系提高土體的抗剪強(qiáng)度提供了依據(jù)。

現(xiàn)有研究表明，根系提高土體抗剪強(qiáng)度主要與單根的抗拉強(qiáng)度[14］、剪切面的根面積比(RAR)[15］和含根量[16］等相關(guān)。近年來，逐漸有學(xué)者采用無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)對(duì)根系固土能力進(jìn)行研究。Kleinfelder等[17］研究認(rèn)為，河岸草本植物的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著直徑小于0.5 mm根的根長(zhǎng)密度的增加而增加，周成等[18］、聶影等[19］認(rèn)為草本植物根系對(duì)土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高影響不大，而賀長(zhǎng)彬等[20］則認(rèn)為能增加土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度?？傮w而言，對(duì)草本植物根系提高無側(cè)限受壓土體的抗剪強(qiáng)度研究還較少，結(jié)論也不盡相同，對(duì)根系特征與根土復(fù)合體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系尚未清楚。

為深入研究自然生長(zhǎng)狀態(tài)下草本植物根系提高土體抗剪強(qiáng)度的能力，采用無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)定了3種草本植物根系提高土體的抗剪強(qiáng)度，觀測(cè)了植物根系的形態(tài)特征，并分析了它們之間的相關(guān)性。本研究可為草本植物根系的固土護(hù)坡計(jì)算和草種選擇提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

固土護(hù)坡的草本植物常用斜生型根系和垂直型根系的植物。本研究選用非洲狗尾草、鴨茅代表斜生型根系，紫花苜蓿代表垂直型根系。非洲狗尾草（Setariaanceps Stapf ex MasseyL.），多年生禾本科狗尾草屬植物，斜生型根系。鴨茅（DactylisglomerataL.），多年生叢生型禾本科草本植物，斜生根系[4］。紫花苜蓿（Medicago sativaL.），多年生豆科草本植物，垂直根系[21］，根粗壯，深入土層。

1.2 試樣制備

2016年1月，準(zhǔn)備長(zhǎng)51 cm、規(guī)格為Φ110 mm×3.2 mm的PVC管40根，每根切割為兩半，對(duì)合后用橡皮筋箍緊，再用塑料膜作底面。土料取自云南農(nóng)業(yè)大學(xué)后山試驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)，為山原紅壤[22］，采用比重計(jì)法分析土壤顆粒，得出＜0.01 mm黏粒為58.13%，1～0.01 mm黏粒為41.87%；采用比重瓶法測(cè)得土粒比重Gs=2.80。將土料過5 mm篩，攪拌均勻，裝入準(zhǔn)備好的PVC管中，每管裝入土樣高度約為50 cm，邊裝邊均勻壓實(shí)，管中土壤的質(zhì)量含水量為28.31%，干密度為0.78 g·cm-3，和田間疏松的土壤干密度相當(dāng)。裝好的土柱立放于露天平地上。2016年5月在PVC管中播種鴨茅、非洲狗尾草、紫花苜蓿，加上對(duì)照的素土柱，共4個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)10個(gè)重復(fù)，共計(jì)40個(gè)樣品。為了消除種植密度和種植間距的影響，每個(gè)柱體內(nèi)種植12株植物，并均勻地種植在以柱體中點(diǎn)為中心，半徑為30 mm的圓周上，如圖1所示。

2016年5月，在云南農(nóng)業(yè)大學(xué)后山農(nóng)場(chǎng)各種植1 m2的非洲狗尾草、鴨茅、紫花苜蓿，用于測(cè)定植物根系的抗拉強(qiáng)度。

1.3 柱體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的測(cè)定

試驗(yàn)采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的SJ-1A型應(yīng)變控制式三軸儀。該儀器包括軸向加壓系統(tǒng)、壓力室、周圍壓力系統(tǒng)和試樣變形量測(cè)系統(tǒng)等。試驗(yàn)操作步驟按照土工試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行[23］。

2016年10月，在種草的三個(gè)處理中各選7個(gè)植株長(zhǎng)勢(shì)良好的土柱、再隨機(jī)選取7個(gè)素土土柱，共28個(gè)土柱立放在水面下浸泡24 h使其充分飽和后取出，剪開PVC管的橡皮筋，取出柱體，剪去植株地上部分。用鋼鋸緩慢平穩(wěn)地將柱體從中間鋸開分為兩節(jié)，每節(jié)的高度為25.0 cm，截取中間20.0 cm為試樣，截面直徑為10.36 cm，分別稱重后計(jì)算柱體的飽和密度。每個(gè)柱體取截下的土樣10 g左右，放入鋁盒，稱重后用烘干法測(cè)定土樣的飽和含水量。

圖1 PVC管內(nèi)草本植物種植圖Fig. 1 Illustration of the herbs going in the PVC tubes

撤去三軸壓縮儀的壓力室、周圍壓力系統(tǒng)和試樣變形量測(cè)系統(tǒng)，將柱體直接放置在軸向加壓系統(tǒng)平臺(tái)上，直接給土柱加壓，剪切速率為4.14 mm·min-1，用百分表測(cè)定柱體的垂直向變形和量力環(huán)的變形。記錄應(yīng)力應(yīng)變過程，直至試樣被壓壞或者軸向應(yīng)變達(dá)到20%，試驗(yàn)結(jié)束。對(duì)于應(yīng)變達(dá)到20%仍未破壞的柱體，抗剪強(qiáng)度值取應(yīng)變?yōu)?5%對(duì)應(yīng)的值，黏聚力計(jì)算公式如下[23］：

式中，C為柱體黏聚力，kPa；σ為施加在柱體上的應(yīng)力，kPa，按式（2）計(jì)算

式中，Lv為測(cè)力計(jì)率定系數(shù)，N·0.01 mm-1，本實(shí)驗(yàn)中率定系數(shù)為7.238 N·0.01 mm-1；R為測(cè)力計(jì)讀數(shù)，0.01 mm；A為校正后試樣面積，cm2。

1.4 柱體根系特征值測(cè)定

破壞面上根系的直徑、根數(shù)。將壓縮后的柱體沿破壞面剪開，用電子卡尺測(cè)量破壞面上根系的直徑并統(tǒng)計(jì)根數(shù)。計(jì)算破壞面根密度、平均直徑、根面積比。

破壞面根密度（Root Density，RD）為破壞面根的數(shù)量與破壞面面積的比值[24］。

破壞面根系直徑大小不一，強(qiáng)度不同，用它們的平均直徑及其對(duì)應(yīng)的抗拉強(qiáng)度代表破壞面的根系直徑和強(qiáng)度。

根面積比為破壞面上根系的截面積之和與土體截面積之比[15］。

柱體的含根量。將壓縮破壞后的土柱放入細(xì)篩，篩子置于水中，松開土柱，在水中洗出根系，用吸水紙將根系表面水分擦干，用烘干法測(cè)定根系的生物量，含根量計(jì)算公式如下[25］：

式中，Q為含根量，%；MR為柱體內(nèi)根系烘干后的質(zhì)量，g，M為飽和柱體的質(zhì)量，g。

1.5 單根抗拉強(qiáng)度測(cè)定

2016年10月挖取種在云南農(nóng)業(yè)大學(xué)后山的非洲狗尾草、鴨茅、紫花苜蓿根系，洗凈擦干。用電子卡尺測(cè)量根系的直徑，用量程為100 N、精度為0.05 N的山度牌SN100數(shù)顯拉力試驗(yàn)機(jī)測(cè)定單根抗拉力，紫花苜蓿粗根抗拉力可能超出100 N的量程，采用萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸[26］，根據(jù)測(cè)得的單根直徑及其抗拉力計(jì)算單根抗拉強(qiáng)度。擬合根系直徑-抗拉強(qiáng)度關(guān)系函數(shù)。試驗(yàn)時(shí)盡可能選擇不同直徑的根，尤其是極細(xì)或者極粗的根，保證單根抗拉強(qiáng)度-直徑關(guān)系函數(shù)的可靠性。

2 結(jié) 果

2.1 草本植物根系柱體的黏聚力增量

受壓試驗(yàn)柱體的飽和密度、飽和含水量見表1。經(jīng)方差分析，不同植物柱體的飽和含水量間、飽和密度間無顯著差異，但它們與素土間的差異均達(dá)極顯著。有根柱體的飽和含水量明顯低于素土柱體，其原因應(yīng)是有根柱體的植物根系填充了土壤顆粒間的空隙，柱體空隙減少，浸泡吸收的水量少。由于根的密度小于水的密度，因此有根柱體的飽和密度小于素土柱體的飽和密度。

表1 受壓柱體的飽和密度、飽和含水量及黏聚力Table 1 Saturate density, saturated moisture content and cohesive strength of the compressed solum

素土柱體的黏聚力。根據(jù)庫(kù)倫公式黏性土的抗剪強(qiáng)度τf=c+σtanφ，式中，c為土的黏聚力，σ為破壞面上的法向應(yīng)力，φ為土的內(nèi)摩擦角。黏聚力可分為原始黏聚力和固化黏聚力。原始黏聚力來源于土體顆粒間的靜電力和范得華力，當(dāng)顆粒間相互離開一定距離以后，原始黏聚力會(huì)完全喪失[13］。固化黏聚力決定于顆粒之間的膠結(jié)物質(zhì)的膠結(jié)作用，黏性土受到擾動(dòng)發(fā)生膨脹以后，固化黏聚力也會(huì)消失[13］。本研究中PVC管中的土為重塑土且密度較低，素土柱體PVC管拆開后成散狀（圖2 a），說明其原始黏聚力和固化黏聚力均消失，其黏聚力值為0。但若土體受力，由土粒間相互移動(dòng)和咬合作用所引起的摩擦強(qiáng)度依然存在，即內(nèi)摩擦角不為0，此時(shí)土體的受力性質(zhì)類似于粗粒土。

圖2 拆開PVC管后土柱形態(tài)Fig. 2 Shape of the soil samples with PVC tubes removed

植物根系固土的黏聚力增量(ΔC)。草本植物的柱體拆開PVC管后均成形（圖2b，圖2c，圖2d），它們無側(cè)限受壓試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖3所示，每種草上層（0～25 cm深范圍內(nèi)）、下層（25～50 cm深范圍內(nèi)）均有7個(gè)柱體受試。鴨茅、非洲狗尾草柱體隨著應(yīng)力的增大變形增加，應(yīng)力未出現(xiàn)峰值，但紫花苜蓿柱體有明顯的峰值，且應(yīng)力值較小，相比非洲狗尾草、鴨茅柱體，紫花苜蓿的承壓能力較低。非洲狗尾草、鴨茅、紫花苜蓿上層柱體的黏聚力分別為4.75 kPa、4.04 kPa、1.39 kPa；下層柱體的黏聚力分別為3.10 kPa、2.32 kPa、0.71 kPa。由于素土柱體的強(qiáng)度為0，上述各值也就是ΔC。不同植物柱體的飽和含水量、飽和密度無顯著差異，但它們的黏聚力增量相差較多，反映了不同植物根系固土效應(yīng)的不同。

圖3 根土復(fù)合體應(yīng)力（σ）與應(yīng)變（ε）關(guān)系曲線Fig. 3 Relationship between stress (σ) and strain (ε) in the root-soil complex

無論是柱體的上層還是下層，均以非洲狗尾草的ΔC最大，上層分別為鴨茅和紫花苜蓿的1.176倍、3.417倍，下層分別為1.336倍、4.366倍。說明生長(zhǎng)了5個(gè)月的3種草本植物，固土能力以非洲狗尾草最優(yōu)，鴨茅次之，紫花苜蓿最差。非洲狗尾草、鴨茅、紫花苜蓿柱體上、下層的ΔC之比為1.532、1.741、1.958，說明草本植物根系上層的固土能力高于下層。

表1中黏聚力的標(biāo)準(zhǔn)誤雖然反映了樣本平均數(shù)的抽樣誤差大小，但無法反映黏聚力均值不同的樣本的離散程度，在統(tǒng)計(jì)學(xué)中常用變異系數(shù)CV來反映樣本數(shù)據(jù)的相對(duì)離散程度。非洲狗尾草黏聚力的CV值上層為0.195、下層為0.205，鴨茅的分別為0.151、0.103，紫花苜蓿的分別為0.590，0.634，紫花苜蓿的CV值最大，為其他2種草的2.88倍～6.16倍，說明紫花苜蓿根系固土能力的變化幅度大于非洲狗尾草和鴨茅。如將研究結(jié)果應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定分析中，紫花苜蓿由于CV大，其計(jì)算結(jié)果的可靠性要低于另外兩種植物。

2.2 根密度RD與黏聚力增量ΔC的關(guān)系

表2為每種草上、下層各7個(gè)受壓柱體的根系特征值。同一深度范圍內(nèi)，破壞面的根密度均為鴨茅最大、紫花苜蓿最小，非洲狗尾草居中，說明鴨茅的根系最為發(fā)達(dá)。非洲狗尾草上下層根密度的比值為1.712，鴨茅的為1.591，紫花苜蓿的為1。說明非洲狗尾草和鴨茅生長(zhǎng)5個(gè)月后，根系主要集中在上層，而紫花苜蓿根系分布比較均勻。

表2 受壓柱體的根系特征值Table 2 Eigenvalues of the roots in the compressed soil column

RD與ΔC相關(guān)性分析結(jié)果見表3。非洲狗尾草RD與ΔC呈二次函數(shù)的極顯著相關(guān)，鴨茅呈二次函數(shù)的顯著相關(guān)。2個(gè)函數(shù)的二次項(xiàng)系數(shù)為負(fù)值，圖形開口向下，說明存在最優(yōu)RD。紫花苜蓿RD與ΔC不具有相關(guān)性（表3中亦未列出），其原因應(yīng)是紫花苜蓿的根密度較小（僅為非洲狗尾草、鴨茅的4.89%～9.01%），對(duì)土體包裹、纏繞較弱，不同根密度固土的差異性未得到有效體現(xiàn)。

2.3 破壞面根面積比RAR與黏聚力增量ΔC的關(guān)系

破壞面的RAR見表2。同一深度范圍內(nèi)，RAR最大的是紫花苜蓿，上層分別是非洲狗尾草的4.597倍，鴨茅的7.770倍，下層分別為非洲狗尾草的5.440倍、鴨茅的8.442倍。紫花苜蓿的RAR最大，主要原因是根的直徑較大，是其他2種草的5.63倍～20.8倍。

RAR與ΔC相關(guān)性分析結(jié)果見表3。非洲狗尾草RAR與ΔC呈二次函數(shù)的極顯著相關(guān)，鴨茅呈二次函數(shù)的顯著相關(guān)。函數(shù)二次項(xiàng)系數(shù)均為負(fù)值，圖形開口向下，存在最優(yōu)的RAR，這與目前的研究結(jié)果一致[27-28］。但紫花苜蓿的RAR與ΔC沒有相關(guān)性，其原因在于紫花苜蓿主根粗大，其在RAR中占比高，但其對(duì)土體的網(wǎng)絡(luò)固結(jié)作用弱，形成的固土能力低。

2.4 柱體含根量Q與黏聚力增量ΔC的關(guān)系

柱體的Q見表2，上、下層柱體Q值均以紫花苜蓿的最大，上層分別為非洲狗尾草和鴨茅的172.7%和205.7%，下層分別為非洲狗尾草和鴨茅的221.7%和189.7%。非洲狗尾草、鴨茅和紫花苜蓿上層含根量是下層的300.0%、215.5%、233.7%，說明非洲狗尾草上下層根的質(zhì)量差別較另外兩種草大。柱體的Q與ΔC相關(guān)性分析結(jié)果見表3。非洲狗尾草Q與ΔC呈二次函數(shù)的極顯著相關(guān)，鴨茅呈二次函數(shù)的顯著相關(guān)，函數(shù)二次項(xiàng)系數(shù)均為負(fù)值，圖形開口向下，存在最優(yōu)的Q值，這與栗岳洲等[25］、胡其志等[29］的研究結(jié)果一致。鴨茅峰值為0.35%左右，而非洲狗尾草未出現(xiàn)峰值，是因?yàn)閮H生長(zhǎng)了5個(gè)月，非洲狗尾草根系數(shù)量尚未超過最優(yōu)值。紫花苜蓿柱體的含根量與ΔC沒有相關(guān)性，其主要原因是紫花苜蓿主根生物量占比大，側(cè)根、須根占比小，而須根網(wǎng)絡(luò)固土的作用更大，在根系生物量相同的情況下，由于須根占比不同，根系表現(xiàn)出的固土能力也會(huì)有很大的差異。

表3 受壓柱體根系特征值與黏聚力增量相關(guān)性Table 3 The relation between characteristic value of roots and increment cohesion

2.5 破壞面根系平均抗拉強(qiáng)度與黏聚力增量ΔC的關(guān)系

經(jīng)擬合，三種草本植物根系直徑-抗拉強(qiáng)度呈冪函數(shù)關(guān)系，關(guān)系式如下：

將破壞面平均直徑Da代入根系直徑-抗拉強(qiáng)度關(guān)系函數(shù)，得到每節(jié)柱體破壞面根系的平均抗拉強(qiáng)度Tr,a。經(jīng)分析，ΔC與Tr,a沒有明顯的相關(guān)性。這是因?yàn)樵囼?yàn)中，按規(guī)范取15% 應(yīng)變量所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力作為破壞強(qiáng)度，此時(shí)柱體中的根系并沒有因?yàn)閴嚎s而斷裂，根系的抗拉強(qiáng)度沒有得到充分發(fā)揮。

3 討 論

周成等[18］、聶影等[19］的研究結(jié)果表明，擾動(dòng)土含根與不含根的試樣抗壓強(qiáng)度基本相同，這是因?yàn)槿斯ぶ苽湓嚇拥倪^程中，不僅破壞了土體自身的結(jié)構(gòu)，也破壞了根土間的黏結(jié)。本研究采用原狀根土復(fù)合體受壓試驗(yàn)的結(jié)果表明，根系的存在能提高土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，但不同的植物根系提高的程度不同，這與賀長(zhǎng)彬等[20］采用原狀根土復(fù)合體受壓試驗(yàn)的結(jié)論一致。相比采用擾動(dòng)土制樣，采用原狀根土復(fù)合體測(cè)得的抗剪強(qiáng)度提高值不僅反映了根系本身材料力學(xué)的固土作用，也反映了土壤網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)、根土黏結(jié)、根系化學(xué)所起的固土作用。常規(guī)的無側(cè)限抗壓實(shí)驗(yàn)，試樣直徑為35～40 mm，柱體橫截面積小，本研究中柱體直徑為103.6 mm，試樣直徑的增大，減小了邊際效應(yīng)的影響，與實(shí)際狀況更接近。

研究草本植物根系提高土體抗剪強(qiáng)度的能力主要目的之一是為根系固土護(hù)坡計(jì)算提供依據(jù)?，F(xiàn)有研究表明，可以用根土復(fù)合體的剪切破壞面RAR[15］、復(fù)合體的Q[16］、復(fù)合體的RD[24］等預(yù)測(cè)根系提高土體的抗剪強(qiáng)度。本研究中非洲狗尾草、鴨茅根土復(fù)合體的Q、破壞面RAR、RD與ΔC呈二次函數(shù)的極顯著或顯著相關(guān)，理論上講也可用上述三個(gè)參數(shù)計(jì)算ΔC。但實(shí)際當(dāng)中，既使確定了根土復(fù)合體，在其破壞前破壞面是未知的，也就難以計(jì)算破壞面的RD、RAR，但可利用Q值計(jì)算所取根土復(fù)合體所代表土層的根系的ΔC。另一方面，RAR 只是反映了受剪破壞面上根系分布的特征，根密度反映了柱體內(nèi)根的個(gè)數(shù)，而柱體含根量反映了柱體內(nèi)根的質(zhì)量，根土復(fù)合柱體無側(cè)限受壓的承載能力是柱體內(nèi)所有根系與土體共同作用的結(jié)果，從這角度而言，含根量與根系的固土能力間有著更密切的關(guān)系，研究結(jié)果也是Q值與ΔC的相關(guān)性要高于RD、RAR。因此在Q、RD、RAR三個(gè)根系特征指標(biāo)中，含根量Q是計(jì)算非洲狗尾草、鴨茅等斜生根系草本植物提高土體抗剪強(qiáng)度的最優(yōu)指標(biāo)。

目前常用WU模型或FBM模型預(yù)測(cè)根系固土能力[2］，兩個(gè)模型均是基于直剪或原位剪切試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算，其破壞面是預(yù)定的；而且WU模型預(yù)測(cè)精度差，F(xiàn)BM模型預(yù)測(cè)需要確定破壞面根系的直徑和數(shù)量[30］，草本植物根系細(xì)密，確定破壞面根系的直徑和數(shù)量是一個(gè)繁瑣且易受人為影響的過程，利用Q值計(jì)算根系固土能力，Q值的獲得就簡(jiǎn)單得多。同時(shí)基于WU模型或FBM模型預(yù)測(cè)根系固土能力用于邊坡穩(wěn)定的計(jì)算，得到穩(wěn)定安全系數(shù)。但實(shí)際上，土的抗剪強(qiáng)度是隨機(jī)變量，引起邊坡滑動(dòng)的土體自重、水壓力等荷載也是隨機(jī)變量，因此采用概率論對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行可靠性分析，得出邊坡穩(wěn)定的可靠度，是更合理的方法。由于無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中單個(gè)柱體受壓破壞即可得到該柱體的根系固土的ΔC，對(duì)所計(jì)算邊坡多點(diǎn)取樣進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，即可得到柱體的Q值及相應(yīng)的ΔC，可以計(jì)算ΔC的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)等統(tǒng)計(jì)參數(shù)，從而使采用概率論分析邊坡穩(wěn)定成為可能。

本研究得出紫花苜蓿3個(gè)量與ΔC間相關(guān)性不顯著，Comino 和Druetta[8］采用原位剪切試驗(yàn)測(cè)定三葉草、紫花苜蓿根系固土能力中發(fā)現(xiàn)在兩種草的ΔC值大小近似相等的情況下，紫花苜蓿的RAR為三葉草的2倍。Li等[31］認(rèn)為，根系對(duì)淺層土的固定作用，與直徑小于1 mm須根數(shù)量成正比。本研究中，紫花苜蓿上層柱體破壞面上約70%根直徑大于1 mm（7個(gè)樣平均值）、下層約為40%，而這些根在根土復(fù)合體的Q、破壞面RAR、RD占有較大的比重，導(dǎo)致紫花苜蓿3個(gè)量與ΔC間相關(guān)性不顯著。因此，對(duì)于紫花苜蓿等主根較大的草本植物，需要進(jìn)一步深入研究根系特征與其固土能力的關(guān)系。

4 結(jié) 論

在自然生長(zhǎng)狀態(tài)下的3種草本植物，非洲狗尾草根系提高土體抗剪強(qiáng)度的能力最強(qiáng)，鴨茅次之，紫花苜蓿最差，而且紫花苜蓿提高值的變化幅度大；同一種草上層根系的提高值要大于下層。對(duì)非洲狗尾草、鴨茅等斜生根系草本植物，在破壞面RD、RAR、柱體Q三個(gè)根系特征指標(biāo)中，Q是計(jì)算根系提高土體抗剪強(qiáng)度的最優(yōu)指標(biāo)。對(duì)所計(jì)算植物邊坡多點(diǎn)取樣進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，使采用概率論計(jì)算其穩(wěn)定成為可能。