壓實(shí)度對(duì)植被土持水能力及基質(zhì)吸力的影響

蔣希雁 王皓宇 董捷 周占學(xué)

摘要：目前國內(nèi)外對(duì)植被土的研究大都只考慮植物根系的加筋作用，而忽略了壓實(shí)度這一重要因素。為了給邊坡防護(hù)提供理論支持，按照張家口地區(qū)夏季最大降雨強(qiáng)度進(jìn)行人工模擬降雨，對(duì)種植高羊茅的植被土進(jìn)行不同壓實(shí)度的降雨滲透試驗(yàn)，研究了壓實(shí)度對(duì)植被土吸力維持及持水能力的影響，結(jié)果表明：①隨著壓實(shí)度的提高，高羊茅根系長度明顯減小，但高羊茅在較高壓實(shí)度土體中仍能夠正常生長;②當(dāng)土體壓實(shí)度較高時(shí)，草根的存在占據(jù)了土壤孔隙體積，從而增強(qiáng)了土體持水能力，在壓實(shí)度為80%和95%時(shí)，在一定的基質(zhì)吸力條件下，植被土含水量高于裸露土的、雨水滲透率小于裸露土的;③影響滲透率的主要因素是壓實(shí)度，隨著壓實(shí)度的提高滲透率明顯降低，根系的存在對(duì)滲透率影響較小;④隨著壓實(shí)度的提高，蘋根對(duì)基質(zhì)吸力的影響愈加明顯，壓實(shí)度為95%的植被土有較大的基質(zhì)吸力維持能力，因此把高羊茅作為護(hù)坡植物時(shí)，為了使邊坡土體在降雨過程中維持較高的基質(zhì)吸力、增強(qiáng)淺層邊坡穩(wěn)定性，土體壓實(shí)度應(yīng)選擇95%。

關(guān)鍵詞：植被土;壓實(shí)度;基質(zhì)吸力;持水能力;邊坡防護(hù);高羊茅

中圖分類號(hào)：S152.7;S157.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10. 3969/j .issn.1000-1379.2020.01.018

非飽和土中在毛細(xì)作用下形成的氣水彎曲曲面會(huì)降低土壤的相對(duì)濕度，曲面處的孔隙氣壓與孔隙水壓的差值稱為基質(zhì)吸力。國內(nèi)外學(xué)者圍繞土壤基質(zhì)吸力開展了大量研究工作：李勇等[1]研究了黃土高原植物根系對(duì)土體滲透能力的影響，指出植物根系能顯著增強(qiáng)土壤的滲透力;沈英娃等[2]通過對(duì)覆蓋層合理厚度的研究，指出植物對(duì)減輕雨水侵蝕有重要作用;NG CWW等[3-5]通過測(cè)試法向應(yīng)力作用對(duì)土水特征曲線的影響，發(fā)現(xiàn)隨著應(yīng)力的增大土體的進(jìn)氣壓力增大，并通過室內(nèi)模擬降雨試驗(yàn)對(duì)土體壓實(shí)度為70%、80%、95%的植被（百慕大草）土基質(zhì)吸力維持能力進(jìn)行了研究，通過室內(nèi)試驗(yàn)探究了植被（鴨腳木）種植密度對(duì)土體基質(zhì)吸力的影響;VAN G M T Hc6]經(jīng)過數(shù)學(xué)分析論證，提出了體積含水率與土體體積之間的關(guān)系方程;GALLIPOLI D等[7]提出了根系體積比函數(shù)方程;LEUNG A K等[8-9]通過試驗(yàn)驗(yàn)證了根系體積比函數(shù)方程，試驗(yàn)表明根系的存在增大了土體的進(jìn)氣壓力值、提高了土體的持水能力。目前，國內(nèi)外對(duì)植被土的研究和工程實(shí)踐大都只考慮植物根系的加筋作用，而忽視了壓實(shí)度這一重要因素。土體壓實(shí)度不僅影響著土體水力特征，也影響著土體中基質(zhì)吸力的變化，對(duì)淺層邊坡穩(wěn)定、地表水力侵蝕也有重要的影響。筆者研究壓實(shí)度對(duì)植被土吸力維持及持水能力的影響，以期為邊坡防護(hù)提供理論支持。

1 模型的建立

1.1 土壤類型和植被選擇

選取張家口某公路路堤邊坡的土體進(jìn)行模型試驗(yàn)，土樣物理性質(zhì)指標(biāo)：塑限為13.6%，液限為25.8%，塑性指數(shù)為12.2，含水率為12. 0%，最大干密度為1.90 g/cm3。

植被選擇高羊茅，其具有生長周期短、耐高溫、耐半陰、耐酸、耐貧瘠、抗病性強(qiáng)等特性，屬禾本科植物，適合在張家口地區(qū)種植。

1.2 模型裝置和儀器

為了模擬不同強(qiáng)度的降雨，開發(fā)了一套降雨模擬裝置，見圖1。該裝置由5根水平塑料管連接在一個(gè)固定高度的蓄水器上，每根塑料管有許多直徑為1 mm的小孔用于模擬降雨，降雨能均勻降落到測(cè)試箱中;在降雨期間，源源不斷向蓄水器供水，保持蓄水器中水位不變，通過調(diào)整水頭差值來調(diào)節(jié)降雨強(qiáng)度。

為了防止降雨時(shí)土體表面下沉，在每個(gè)測(cè)試箱一側(cè)土體表面上方1 mm處鉆一個(gè)溢流孔，因此土壤表面多余的水可以通過溢流孔流到集水器，用電子秤測(cè)量收集的水量，可以確定地表水溢出率;在測(cè)試箱底部有9個(gè)直徑為5 mm的排水孔。測(cè)試箱中的水量保持平衡，水量平衡公式為R= Ro +B+E+S，其中：R為降雨量，Ro為土表面溢流量，B為基底滲流量，E為表面蒸發(fā)量.S為土中蓄水量。該裝置放在一個(gè)溫度和濕度相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境中（溫度控制在22 - 24℃，濕度控制在25%-30%），蒸發(fā)量極小，可忽略不計(jì)。

所有測(cè)試箱中的土體均沒有添加任何肥料，以防止產(chǎn)生溶質(zhì)吸力。在每個(gè)測(cè)試箱的中心安裝3個(gè)微型張力計(jì)，型號(hào)為TEN - 15，用于測(cè)量深度分別為60、120、200 mm的土壤基質(zhì)吸力，用張力計(jì)測(cè)得的總吸力代替基質(zhì)吸力[10]。在120 mm深度的預(yù)留孔中埋置TDR時(shí)域反射計(jì)傳感器探頭，用來監(jiān)測(cè)該深度對(duì)應(yīng)的體積含水率。

1.3 測(cè)試箱前期準(zhǔn)備

把6個(gè)測(cè)試箱分成3組，對(duì)應(yīng)的土樣干密度分別為1.330、1.520、1.805 g/cm3，相當(dāng)于壓實(shí)度分別為70%、80%、95%.每一組2個(gè)測(cè)試箱中分別裝植被土與裸露土進(jìn)行對(duì)照試驗(yàn)，裝植被土的3個(gè)箱子編號(hào)分別G70、G80、G95（即壓實(shí)度分別為70%、80%、95%的植被土），裝裸露土的3個(gè)箱子編號(hào)分別為B70、B80、B95（即壓實(shí)度分別為70%、80%、95%的裸露土）。土樣裝箱后，在編號(hào)為G70、G80、G95的測(cè)試箱中以密度為16 g/m2均勻撒播高羊茅草籽，其生長周期為1個(gè)月，在此期間每3d用同樣的水給6個(gè)測(cè)試箱澆水一次。

1.4 試驗(yàn)方案

草生長周期完成后，對(duì)所有的測(cè)試箱進(jìn)行兩階段試驗(yàn)：第一階段，通過人工模擬降雨，使每個(gè)測(cè)試箱3個(gè)深度處達(dá)到飽和.6個(gè)測(cè)試箱放在恒定的溫室環(huán)境中，測(cè)試箱底部9個(gè)孔自由排水，持續(xù)監(jiān)測(cè)不同深度基質(zhì)吸力的變化，直到3個(gè)深度基質(zhì)吸力有較大的變化;第二階段，對(duì)6個(gè)測(cè)試箱分別進(jìn)行人工模擬降雨，降雨強(qiáng)度為123 mm/12 h（相當(dāng)于大暴雨水平，即張家口地區(qū)近3a來夏季最大降雨強(qiáng)度），持續(xù)降雨時(shí)間為th。在降雨過程中記錄6個(gè)測(cè)試箱中3處深度基質(zhì)吸力、溢出量、基底滲透情況及深度為120 mm的土體體積含水率變化情況。每一組裸露土和植被土，制備和測(cè)試條件都是一樣的，所以吸力變化的差異歸因于草根的存在。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 壓實(shí)度對(duì)根系的影響

圖2為在兩階段試驗(yàn)后植被土中草根平均長度與土體壓實(shí)度之間的關(guān)系，可以看出，隨著壓實(shí)度的提高根長逐漸減小，壓實(shí)度從70%提高到95%時(shí)平均根長從17.2 cm減小到12.9 cm，原因是較高的土體壓實(shí)度加大了根系生長過程中的力學(xué)阻力[11]。此外，土壤的透氣性也影響著植物根系的生長[12]，土體壓實(shí)度的提高使空氣滲透性減小從而抑制了根的生長。盡管壓實(shí)度為95%的土體中高羊茅根長明顯減小，但是高羊茅仍能夠正常生長。

2.2 根系對(duì)土體持水能力的影響

圖3為各測(cè)試箱深度為120 mm的土水特征曲線，由于降雨過程中土體由干燥到濕潤，因此該曲線是增濕曲線。土水特征曲線基本上可分為3段直線，分別為吸著段、薄膜段和毛細(xì)段，各段對(duì)應(yīng)的基質(zhì)吸力大體上為10⁴～ 10⁶、10²～ 10⁴、0- 10²kPa[10]。本試驗(yàn)的基質(zhì)吸力變化范圍為0-100 kPa.對(duì)應(yīng)著毛細(xì)段，即主要針對(duì)毛細(xì)段的持水能力進(jìn)行研究。

由圖3可以看出，隨著基質(zhì)吸力的增大，體積含水率逐漸減小，對(duì)于裸露土，基質(zhì)吸力為60 kPa左右時(shí)，土體壓實(shí)度為95%和80%的體積含水率接近，均比70%的高，這與ROMERO E等[13-14]的研究結(jié)果一致，即當(dāng)土體壓實(shí)度較高時(shí)對(duì)應(yīng)的持水能力相對(duì)較高;植物根系存在于壓實(shí)度為80%和95%的土體中時(shí)，在相同的基質(zhì)吸力下測(cè)得的體積含水率高于與之對(duì)應(yīng)的裸露土的，然而當(dāng)土體壓實(shí)度為70%時(shí)，卻出現(xiàn)了相反的結(jié)果，即G70測(cè)試箱中土體體積含水率始終低于B70的，原因可能是在相對(duì)疏松的土壤中根系的生長會(huì)造成更大的根系通道，使土壤孔隙變得更大，導(dǎo)致持水能力比裸露土弱[15]。測(cè)試箱B95、G95深度為120mm的基質(zhì)吸力和體積含水率并沒有發(fā)生變化，原因主要是降雨過程中基質(zhì)吸力的影響深度小于120 mm。

2.3 滲透率隨時(shí)間變化曲線

圖4顯示了在th持續(xù)降雨過程中滲透率的變化情況，可以看出，壓實(shí)度為80%和95%的植被土滲透率始終低于裸露土的，而壓實(shí)度為70%的滲透率與此相反（植被土滲透率始終高于裸露土的），原因是相對(duì)密實(shí)土體中的根系占據(jù)了土體內(nèi)部b孔隙，從而導(dǎo)致土體孔隙減小、滲透率降低[12]，然而相對(duì)疏松土體（壓實(shí)度為70%）中根系的存在會(huì)加大水分通道，導(dǎo)致植被土滲透率大于裸露土的，盡管如此，仍可以看出同一壓實(shí)度的植被土和裸露土滲透率并沒有很大差距。壓實(shí)度為70%的土體，降雨結(jié)束時(shí)滲透率高達(dá)81%.只有約1/5的雨水溢出;壓實(shí)度為80%和95%的土體，降雨結(jié)束時(shí)土體滲透率分別為45%、20%左右。滲透率是影響基質(zhì)吸力變化的直接因素.6個(gè)測(cè)試箱中G95的滲透率最低。

2.4 裸露土和植被土基質(zhì)吸力的對(duì)比

圖5為深度60 mm處基質(zhì)吸力變化情況。觀察深度為60 mm的基質(zhì)吸力變化情況，原因主要是該深度位于植被根部深度范圍內(nèi)，可直接分析植物根系對(duì)基質(zhì)吸力的影響。

由圖5可以看出：降雨前各測(cè)試箱初始基質(zhì)吸力接近，均為82 kPa左右;壓實(shí)度為70%的土體，由于壓實(shí)度較低，降雨快速滲入土體中，植被土基質(zhì)吸力迅速降為0，而裸露土基質(zhì)吸力降至0的時(shí)間比植被土晚了5 min.這表明根系對(duì)壓實(shí)度為70%的土體并沒有起到基質(zhì)吸力維持的效果;然而，壓實(shí)度為80%和95%的土體中，基質(zhì)吸力的維持時(shí)間都有一定延長，相比于裸露土，植被土基質(zhì)吸力的維持時(shí)間更長。壓實(shí)度為80%的土體，降雨30 min時(shí)，植被土與裸露土基質(zhì)吸力差達(dá)到峰值38 kPa，然而在降雨結(jié)束時(shí)G80僅保留了4 kPa的吸力，這表明降雨期間草根在壓實(shí)度為80%的植被土中有顯著的基質(zhì)吸力維持能力，但在降雨結(jié)束后基質(zhì)吸力維持能力很弱;壓實(shí)度為95%的土體，隨著降雨時(shí)間的延長，裸露土與植被土基質(zhì)吸力的差值不斷增大，降雨結(jié)束時(shí)G95基質(zhì)吸力比B95基質(zhì)吸力大30 kPa.保留了降雨前初始基質(zhì)吸力的37%.表明壓實(shí)度為95%的植被土有較大的基質(zhì)吸力維持能力，因此把高羊茅作為護(hù)坡植物時(shí)，為了使邊坡土體在降雨過程中維持較高的基質(zhì)吸力、增強(qiáng)淺層邊坡穩(wěn)定性，土體壓實(shí)度應(yīng)選擇95%。

2.5 不同深度基質(zhì)吸力的分布情況

圖6為不同深度的基質(zhì)吸力分布情況。

B70和G70在降雨前初始基質(zhì)吸力分布相似，相差不到2 kPa。降雨10 min后B70在60 mm深處基質(zhì)吸力迅速下降，120 mm深處基質(zhì)吸力開始有變化，然而200 mm深處基質(zhì)吸力沒變化，這說明降雨對(duì)基質(zhì)吸力影響深度小于200 mm.在降雨30 min后所有深度處基質(zhì)吸力都變?yōu)?;G70在10 min降雨后所有深度處吸力均有變化，20 min后吸力都變?yōu)?.并且比B70更早出現(xiàn)了基底滲流，產(chǎn)生了更深的吸力影響區(qū)，這意味著根系在壓實(shí)度為70%土體中的存在增強(qiáng)了土體滲透性、加大了降雨對(duì)基質(zhì)吸力的影響區(qū)，不利于土體基質(zhì)吸力的維持。

與B70、G70相比.B80和G80由于土體壓實(shí)度提高，因此基質(zhì)吸力維持時(shí)間得到了大幅度延長。B80和G80相比，更早出現(xiàn)了基底滲流，產(chǎn)生了更深的吸力影響區(qū)，在40 min后所有深度處基質(zhì)吸力均降為0。G80在60 min后除60 mm深處吸力為4 kPa外其他深度吸力均為0.這表明草根在壓實(shí)度為80%的土體中維持基質(zhì)吸力的作用是非常弱的。

B95和G95從降雨開始到結(jié)束，只有60 mm深度處的基質(zhì)吸力有變化，兩個(gè)測(cè)試箱均沒有發(fā)現(xiàn)基底滲流，降雨對(duì)高壓實(shí)度土體基質(zhì)吸力的影響區(qū)很小;植被土基質(zhì)吸力的變化較裸露土的變化更慢，在降雨結(jié)束時(shí)二者基質(zhì)吸力差達(dá)到最大值30 kPa，表明植被土有更強(qiáng)的基質(zhì)吸力維持能力。

3 結(jié)論

按照張家口地區(qū)夏季最大降雨強(qiáng)度進(jìn)行人工模擬降雨，對(duì)種植高羊茅植被土進(jìn)行不同壓實(shí)度的降雨滲透試驗(yàn)，研究壓實(shí)度對(duì)植被土吸力維持及持水能力的影響，結(jié)果表明：①隨著壓實(shí)度的提高，高羊茅根系長度明顯減小，但高羊茅在較高壓實(shí)度土體中仍能夠正常生長;②當(dāng)土體壓實(shí)度較高時(shí)，草根的存在占據(jù)了土壤孔隙體積，從而增強(qiáng)了土體持水能力，在壓實(shí)度為80%和95%時(shí)，在一定的基質(zhì)吸力條件下，植被土含水量高于裸露土的、雨水滲透率小于裸露土的，而壓實(shí)度為70%的植被土與此相反;③影響滲透率的主要因素是壓實(shí)度，隨著壓實(shí)度的提高滲透率明顯降低，根系的存在對(duì)滲透率影響較小;④隨著壓實(shí)度的提高，草根對(duì)基質(zhì)吸力的影響愈加明顯，壓實(shí)度為95%的植被土有較大的基質(zhì)吸力維持能力，因此把高羊茅作為護(hù)坡植物時(shí)，為了使邊坡土體在降雨過程中維持較高的基質(zhì)吸力、增強(qiáng)淺層邊坡穩(wěn)定性，土體壓實(shí)度應(yīng)選擇95%。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李勇，徐曉琴，朱顯謨，黃土高原植物根系強(qiáng)化土壤滲透力的有效性[J].科學(xué)通報(bào)，1992（4）：366-369.

[2]沈英娃，高吉喜，曹洪法，城市垃圾填埋場(chǎng)表面覆蓋層的厚度及外觀設(shè)計(jì)[J].環(huán)境科學(xué)研究，1998，11（4）：58-60.

[3] NG C W W， PANG Y. Influence of Stress State on Soil-Water Characteristics and Slpoe Stability [ J ] Journal ofGeotechnical and Geoenvironmental Engineering， ASCE，2000，126（ 2） ：157-166.

[4]NG C W W， LEUNG A K， WOON K X. Effect of Soil Den-sity on Grass-Induced Suction Distribution in Compacted SoilSubjected to Rainfall [ J ] . Canadian Geotechnical Journal，2014，51（ 3） ：311-321.

[5]NG C W W， NI J J， LEUNG A K， et al. Effects of PlantingDensity on Tree Growth and Induced Soil Suction [J].Geotechnique ， 2016 ， 66 （ 9） ： 711-724.

[6] VAN G M T H. A Closed-Form Equation for Predicting theHydraulic Conductivity of Unsaturated Soils [ J ]Geotechnique ， 1980 ， 8 （ 2） ： 35-40.

[7]GALLIPOLI D， WHEELER S J， KARSTUNEN M. Modellingthe Variation of Degree of Saturation in a Deformable Unsatu-rated Soil [ J ] .Geotechnique ， 2003 ，53 （ 1） ： 105- 112.

[8]LEUNG A K， GARG A， NG C W W. Effects of Plant Rootson Soil-Water Retention and Induced Suction in Vegetated Soil [ J ] .Engineering Geology ， 2015 ， 193 ： 183- 197.

[9] NG C W W， LEUNG A K. A New and Simple Water Rent-ention Model for Root-Permeated Soils[J].GeotechniqueLetters，2016 ，6（1）：106- 111.

[10]謝定義.非飽和土土力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2015：34.

[11]BENGOUGH A G，MULLINS C E.Mechannical Impedance toRoot Growth：a Review of Experimental Techniques and RootGrowth Responses[J].Soil Science， 1990， 41： 341-358.

[12] LIPIEC J，HAKANSSON I.Influences of Degree of Com-pactness and Matric Water Tension on Some ImportantPlant Growth Factors[J].Soil Tillage Research， 2000， 53：87-94.

[13]ROMERO E，DENS A， LLORET A.Water Permeabilitv WaterRetention and Microstructure of Unsaturated Compacted Boomaay[J].Engineering Ceology，1999，54（ 1/2）：117-12'7.

[14]NG C W W， LEUNG A K.Measurements of Drying and Wet-ting PermeabiliW Functions Using a New Stress-ControllableSoil Column[J].Journal of Geotechnical and GeoenvironmentalEngineering， ASCE， 2012， 138（1）：58-68.

[15]吳宏偉.大氣一土體一植被相互作用：理論與機(jī)理[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2017，39（1）：16-18.

【責(zé)任編輯張智民】

收稿日期：2019- 04- 09

基金項(xiàng)目：河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（E2017404013）;河北省教育廳重點(diǎn)科研項(xiàng)目（ ZD2017224）;河北省高校百名優(yōu)秀創(chuàng)新人才支持計(jì)劃項(xiàng)目（SLRC2017033）;河北建筑工程學(xué)院研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（XB201814）

作者簡介：蔣希雁（1968-），女，河北張家口人，教授，博士，主要研究方向?yàn)樯鷳B(tài)護(hù)坡