植物根系對土質邊坡穩(wěn)定性的影響

曹婷婷，葛磊

（陜西省土地工程建設集團有限責任公司，陜西地建土地工程技術研究院有限責任公司，陜西西安 710075）

邊坡土壤在自然降水、蒸發(fā)條件下常處于干濕交替狀態(tài)。土壤濕潤時膨脹，干旱時收縮[1-2]，特別是對于膨脹性土壤而言，脹縮過程及其產生的危害性更加明顯。土壤中含有大量的蒙脫石、伊利石等粘粒礦物，會隨土壤中含水量的變化產生較大程度的收縮。因氣候原因導致的降雨、蒸發(fā)所引起的土壤中含水量的瞬時變化均會使土壤發(fā)生脹縮現象[3]。通過吸水，土壤濕度增高，體積膨脹并形成膨脹壓力；通過縮水，土壤因為失水會在軸向和徑向方向進行收縮，并隨著失水量的增加，土壤的收縮形變逐漸增強，最終會引起土體裂縫，且隨著失水量的逐漸增加，土體裂縫面積及裂縫長度也會逐漸呈增大趨勢[4]。土壤的顯著膨脹現象對于土質邊坡防護具有顯著影響，是土質邊坡防治重點。

在土質邊坡防治方面，土體通過吸水發(fā)生膨脹進而強度下降；通過失水發(fā)生收縮，產生較大裂隙，反復的膨脹收縮會嚴重破壞土體結構，使得土體結構松散，并產生嚴重裂隙，從而為土體風化、風蝕創(chuàng)造了根本條件。因此在降雨時，會發(fā)生大面積的地質滑坡現象，引發(fā)地質災害。在綠化工程中，土壤收縮會產生較大裂縫，可能會影響土體給予作物供水，使得植物根系產生機械撕裂，對綠化效果產生嚴重影響[4]。除此之外，土壤裂縫會導致土壤水分運移發(fā)生改變，進而導致隨土壤水分運移的溶質遷移也發(fā)生改變；更嚴重的是，因為裂隙空間會使得土壤中流在裂隙處產生優(yōu)先流，引起土體養(yǎng)分流失問題。受當地地質環(huán)境影響，這種存在于土體裂隙中的優(yōu)先流會造成地下水污染等一系列生態(tài)問題。因此，對于土體膨脹特性的研究是土地工程研究的熱點問題。

1 土壤脹縮特性研究進展

土壤脹縮是土壤含水量等土壤性質在外界環(huán)境條件下綜合作用的結果。國內外對土壤的收縮特性進行了大量研究，Stolte J等[5]研究表明42%的線膨脹系數與土體中粘粒含量有顯著相關性，且土體中裂縫寬度與粘粒含量有顯著相關性。Beven K等[6]研究表明，土體組分的礦物類型對土壤脹縮特性的作用顯著高于粘粒含量對土壤脹縮特性的影響，富含高嶺石或者云母的粗質地類粘土線膨脹系數值小于0.03；但是對于主要構成組分為蒙脫石粘土的土體，其線膨脹系數值范圍處于0.03～0.18。因此，土體的線膨脹系數數值很大程度上與蒙脫石含量相關。通過對黏土的粒級進行分類，研究線膨脹系數數值與細黏土含量間的關系發(fā)現，兩者具有極強顯著性。鄭健等人[7]研究表明土壤的比表面積與線膨脹系數數值顯著相關。因此，對于土壤脹縮潛力的研究表明，土壤顆粒的比表面積與土壤組分及土壤中粘粒含量均有相關性。

2 植物根系保護效應研究

植物護坡具有見效快、持效時間長、經濟廉價、促進生物多樣性等諸多方面的優(yōu)勢，已被逐漸廣泛應用。國內外對于植物根系在穩(wěn)定土壤結構、提高土壤抗蝕性、增強土壤抗剪強度及增強土壤滲透性能等方向進行了大量的研究。邢旭光等[8]對黃土高原的抗沖性成因、不同植物根系對邊坡防護的生物動力學性質進行了全面研究，并重點關注了根系強化土壤抗沖性的有效性及其對土壤物理特性的影響。熊燕梅等[9]通過對草地植被恢復不同時期土壤抗蝕變化進行研究，發(fā)現根系對強化土壤抗沖性有網絡串連作用、根土粘結作用及根系生物化學作用3種方式。陳安強等[10]研究表明不同根系直徑及根系的橫向和縱向分布對土壤抗剪強度有顯著影響，且土壤抗剪強度增量與根系生物量之間呈線性正比關系，根系抗拉強與土壤抗剪強度成正比。王云琦等[11]研究表明作物根系對土壤抗沖性能的影響主要是根據根系粘結土壤單粒的能力，同時根系也會將板結密實的土體分散開來，隨著根系的腐殖化過程，使得土體改善為具備良好團聚結構及孔隙狀況的優(yōu)良結構。根系對土體抗沖性能的效果主要取決于有效根密度及根系在土體中的環(huán)繞情況，研究表明有效根密度是影響土壤抗沖特性的關鍵性因子。植物大量的根系（側根、須根）互相纏繞、盤根錯節(jié)，在土體內形成具有強大抗張強度的根網，使得根系周圍的土壤緊緊被根網包裹，根系與土壤成為一體。且植物深粗的垂直根系能夠扎入較深的土層中，使得根系淺層土壤受根系牽制力被其固定在土體深處較為穩(wěn)定的土層，對土體結構穩(wěn)定性有較好的促進作用。諸多研究表明植物根系對有效防治水土流失、治理邊坡表淺層滑坡、提高邊坡淺表層土體的強度和穩(wěn)定性有著非常重要的意義。但目前眾多研究工作的目標主要集中在根系對土壤抗蝕效果的影響方面，而植物根系對土壤脹縮特性的影響及影響機理研究仍屬空白領域。

3 結語

植物根系在土壤中的纏繞加筋作用對土壤脹縮過程存在一定的阻滯作用，而根系對于土壤脹縮特性的影響目前并未量化，且不同徑級細根對土壤脹縮的影響效果至今尚無定論。因此，可選擇不同護坡作物通過研究不同作物根系對土壤脹縮特性的影響，明確根系對土壤脹縮的阻滯機制，探究植物根系不同徑級對土壤脹縮特性的影響程度，揭示生物固坡護坡的科學機理，篩選出適于不同類型護坡工程的綠化植被，這對地質條件相似地區(qū)的坡面裂隙防治具有重大的指導意義。