草灌植物根系對煤系土加固效果研究

黃 鋼，鄭明新，董 旭，彭 晶，楊繼凱

(1. 華東交通大學 土木建筑學院，南昌 330013；2. 黃岡師范學院 建筑工程學院，湖北 黃岡 438000)

煤系土富含親水性強的高嶺石、綠泥石等次生黏土礦物，是一種風化速度較快、黏結(jié)能力差、遇水易膨脹軟化、結(jié)構(gòu)易破壞的特殊土，在我國南方山區(qū)或丘陵區(qū)均有分布[1].煤系土等一些特殊地質(zhì)邊坡，在工程建設過程中遇到的越來越多[2].煤系土邊坡在降雨時容易水土流失，容易形成大的沖溝；煤系土邊坡遇到季節(jié)降雨后極易出現(xiàn)表層滑塌和淺層破壞，給工程建設和運行帶來了巨大的威脅[3].因此，研究煤系土邊坡水土流失及淺層穩(wěn)定性非常必要.文獻[4]以廣州至梧州高速公路沿線煤系土邊坡為研究對象，分析了不同含水率條件下煤系土抗剪強度及其影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)含水率對煤系土黏聚力的敏感度極高.文獻[5]通過原位及室內(nèi)實驗研究了廣東云浮地區(qū)粉狀煤系土抗剪強度指標與不同含水率之間的關(guān)系，建立了降雨入滲的煤系土裂隙和風化邊坡穩(wěn)定性數(shù)學模型.文獻[6]借助瞬態(tài)非飽和滲流軟件分析了降雨入滲條件下含裂隙煤系土邊坡穩(wěn)定性影響.文獻[7]利用離散顆粒流對江西省萍鄉(xiāng)地區(qū)高速公路沿線分布的煤系膨脹土三軸試驗進行了數(shù)值模擬，從細觀角度研究了煤系膨脹土的宏觀力學特性和剪切位移場的形成和發(fā)展規(guī)律.文獻[8]通過環(huán)境掃描電鏡技術(shù)分析了煤系土分形維數(shù)、孔隙度分布與孔隙率的關(guān)系，研究了不同含水率狀態(tài)下粉狀煤系土的微觀結(jié)構(gòu).文獻[9]基于彈塑性接觸有限元強度折減法研究了煤系土路塹邊坡淺層穩(wěn)定性.文獻[10]研究了煤系土土-水特征曲線在干濕循環(huán)條件下的變化規(guī)律.

近年來，越來越多的煤系土淺層防護采用生態(tài)護坡技術(shù)，因生態(tài)護坡技術(shù)具有減少邊坡水土流失、成本低、改善環(huán)境保護等方面的優(yōu)勢[11-12].江西省南昌至萍鄉(xiāng)高速公路沿線分布大量煤系土邊坡，并且煤系土邊坡淺層采用草灌植被防護，而目前對于植被根系對煤系土邊坡淺層穩(wěn)定性的研究報道較少.因此，本文作者結(jié)合昌栗高速沿線煤系土邊坡草灌植被防護進行研究，對煤系土淺層草灌根系分布特征參數(shù)變化進行定量分析，對不同草灌根系含量對不同含水率煤系土抗剪強度參數(shù)和基質(zhì)吸力的變化規(guī)律進行了試驗研究.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

昌栗高速K211草灌邊坡為兩級邊坡，坡比為分別為1∶1.25和1∶2.邊坡高度約為8 m，土體主要為煤系土，煤系土物理化學指標見表1.該邊坡地處贛西地區(qū)，屬于中亞熱帶季風性濕潤氣候.夏季占全年降水量的40%，五月中旬至七月中旬為梅雨季節(jié)，地區(qū)年平均降水量約1 603 mm，月最大降水量約165 mm.降雨量大且集中，對邊坡穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響.為了加強煤系土邊坡的淺層穩(wěn)定性，路塹邊坡防護采用人工草灌植被防護形式.

1.2 根系分布

該邊坡植被為狗牙根、香根草草本植物和多花木蘭的灌木植物混播相結(jié)合(見圖1)，草本植物一級邊坡覆蓋率高，二級邊坡覆蓋率低；灌木植物在邊坡兩端覆蓋率相對很小，中間覆蓋率相對較高.根據(jù)根系形態(tài)的分類[13]，狗牙根和香根草根系分布類型符合M型.根系大多數(shù)的根系直徑小于2 mm，須根系發(fā)達，和土壤結(jié)合較好，有利于土壤的加固.多花木蘭的根系分布類型符合VH型，主根發(fā)達，側(cè)根豐富且大多數(shù)直徑大于2 mm，有利于邊坡的穩(wěn)定和抗風.

1.3 試驗材料選取

本試驗選取生長3年草灌植被的根-土復合體，測定抗剪度強指標.取樣方法：邊坡上根據(jù)草灌根系多少選4個取樣地(草灌根系較少、較多、非常多、無草灌)，在樣地上選取含狗牙根、香根草和多花木蘭植物原狀土，割除樣地里狗牙根、香根草和多花木蘭3種植物地上莖葉部分.選取在15 cm×15 cm范圍內(nèi)根含量分別為1根系(含1株多花木蘭和較少的草本狗牙根與香根草)、2根系(含2株多花木蘭和較多草本狗牙根、香根草)和3根系(含3株灌木多花木蘭和非常多草本狗牙根、香根草)與無根系(草灌植被根系為0根)的原狀煤系土.

在15 cm×15 cm范圍內(nèi)距坡面0～10、10～20、20～30、30～40 cm處采用原狀土取樣釬采集根系樣品，每層3個樣品.利用根系樣本來測量根系分布特征參數(shù).通過原狀土取樣釬收集根樣，放入直徑0.25 mm的土壤篩中，用水沖洗，然后放入樣品儲存袋中.使用WinRHIZO(Pro.2004c)根系分析軟件掃描根長、根表面積、平均直徑和根體積.最后將根置于一個包膜中，在105 ℃下干燥48 h，以獲得根生物量.根分布特征參數(shù)根據(jù)Fu等[14]研究得到根長密度RLD(根總長度/原狀土取樣釬體積)、根重量密度RWD(根總重量/原狀土取樣釬體積)和根表面積密度RSAD(根總表面積/原狀土取樣釬體積)3個參數(shù).

挖取15 cm×15 cm ×5 cm煤系土試樣.煤系土天然含水率在5%～11%之間，雨后含水率在 13%～20%之間，故按照 GB/T 50123-1999《土工試驗規(guī)程》[15]要求設計制作含水率w為5.5%、8.5%、11.5%、14.5%、17.5%、20.5%的6組試樣.先將測定原狀土含水率，試樣的含水率調(diào)整至設計含水率，按測定含水率和原狀土計算蒸餾水用量，試樣共制備 24組，每組 3個試樣.將制備好的試樣靜置2 h后，采用STJY-5土工合成材料直剪儀完成直剪試驗，見圖2.

基質(zhì)吸力的測定設備采用日本PF土壤水分特征曲線儀，型號為DIK-3403，基質(zhì)吸力測量范圍為0～1 500 kPa.加壓設備為自動調(diào)壓器和空氣壓縮.本試驗利用軸平移技術(shù)來控制基質(zhì)吸力，氣壓分階段施加，平衡后得到由基質(zhì)吸力和含水率組成的數(shù)據(jù)點，最后根據(jù)實測數(shù)據(jù)繪制脫濕狀態(tài)下的土-水特征曲線.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 植物根分布特征

3種植物根系分布特征參數(shù)在不同深度的變化見圖3.

3種含根量的分布總體上隨著煤系土體深度的增加而減少.由圖3(a)可知，在深度為0～40 cm土層范圍內(nèi)，平均根長密度最大的是3根系為1.02 cm/cm3，其次是2根系為0.55 cm/cm3，最小的是1根系為0.35 cm/cm3.3根系、2根系的平均根長密度分別是1根系的1.56、2.88倍.1根系在0～40 cm土層的的總根長密度占所有土層的總根長密度的89.19%，2根系占比75.12%，3根系占比56.13%.由圖3(b)可知， 3根系重量密度為0.45 g/cm3，在深度為0～40 cm土層范圍內(nèi)分別是2根系(0.21 g/cm3)、1根系(0.10 g/cm3)的2.05、4.45倍.由圖3(c)可見，土體表層(0～10 cm)的明顯大于其他土層.根表面密度明顯隨著煤系土深度的增加而減少.在深度為0～40 cm土層范圍內(nèi)，3根系平均根表面密度(0.13 cm2/cm3)分別為2根系(0.07 cm2/cm3)、1根系(0.04 cm2/cm3)的1.75、3.16倍.基于以上的分析可以看出，根分布特征隨著煤系土根含量的增大而增大.

根據(jù)Hamid 等[16]提出的非飽和土的抗剪強度公式，即

τf=c′+(σ-ua)tanφ′+

(1)

式中：τf為非飽和土的抗剪強度；c′和φ′為有效應力強度參數(shù)；σ為正應力；μa為孔隙氣壓力；μw為孔隙水壓力；σ-ua為凈法向應力；ua-uw為基質(zhì)吸力；θ、θr、θs分別為土體的當前含水率、剩余含水率、飽和含水率.

由式(1)可知，非飽和土的抗剪強度與強度參數(shù)c′與φ′、基質(zhì)吸力ua-uw和含水率有關(guān).所以，下面將研究不同含水率條件下植被根系對邊坡土體抗剪強度參數(shù)和基質(zhì)吸力的影響.

2.2 剪應力-剪位移關(guān)系

無根和3根系試樣的剪應力與剪位移關(guān)系曲線見圖4.由圖4可知，試樣剪應力隨著剪位移的增加而增加，剪應力與剪位移關(guān)系曲線顯示出非線性關(guān)系. 隨著剪應力的增加，試樣應變軟化增量迅速增加.含水率w越大，剪切強度越小.說明隨著含水率的增加，試樣從“變硬”到“變軟”的變化趨勢.含水率對煤系土強度產(chǎn)生明顯的影響.含有3根系與無根系試樣的剪應力與剪位移關(guān)系曲線相比，含有3根系試樣達到最大抗剪強度時的應變和殘余抗剪強度明顯大于無根系的.說明草灌植被根系加大了原狀煤系土的強度，這主要是因為草灌植被根系自身具有較高的強度，需要較大的剪切力來剪斷根系.同時植被根系與煤系土顆粒之間存在較大的摩擦力.

無根和3根系試樣的抗剪強度與垂直壓力關(guān)系曲線見圖5.由圖5可見，抗剪強度與垂直壓力相關(guān)系數(shù)都在0.95以上.隨著含水率的增大，抗剪強度呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律，峰值對應的含水率為11.5%.同時，當含水率從14.5%增加到17.5%時，抗剪強度顯著減小，說明存在界限含水率，使抗剪強度明顯降低.

2.3 不同含水率根系煤系土的抗剪強度參數(shù)變化規(guī)律研究

為了研究含水率變化對植被根系煤系土抗剪強度參數(shù)變化規(guī)律，通過對24組共72個試樣進行直剪試驗，測得樣本不同含水率和根含量影響下的抗剪強度參數(shù)，實驗結(jié)果見圖6.

由圖6(a)可知，所有試樣的黏聚力表現(xiàn)出明顯一致的變化趨勢.含根煤系土黏聚力隨著含水率的增大總體呈減小趨勢，但變化趨勢具有階段性.當含水率從5.5%增加到15.5%時(靠近在最優(yōu)含水率時)，曲線梯度較為平緩，黏聚力緩慢減少；當含水率從15%增加到20.5%時，曲線梯度較大，黏聚力顯著降低.平緩曲線梯度對應的平均黏聚力(25.01～36.49 kPa)是較陡曲線梯度時平均黏聚力(9.11～14.39 kPa)的2.49～2.59倍.說明存在一個界限含水率，即煤系土強度具有軟化特性.這可能是由于土的含水率增加到界限含水率后，煤系土顆粒間的膠結(jié)物將開始被溶蝕，顆粒膠結(jié)作用逐漸喪失.同時在含水率一定時，黏聚力隨著根含量的增加而增大，平均黏聚力由大到小依次為3、2、1、無根系，值分別為29.12、25.43、23.04、19.17 kPa.相對在無根平均黏聚力，3根系平均黏聚力提高了1.47倍，2根系提高了1.29倍, 1根系提高了1.16倍.從圖6(b)可見，內(nèi)摩擦角對含水率和根含量的響應效果不明顯，摩擦角不隨含水率和根含量的變化而變化，而是集中在一定范圍內(nèi)波動.

2.4 草灌植被根系對土壤基質(zhì)吸力變化影響

非飽和土力學理論認為，基質(zhì)吸力是研究非飽和狀態(tài)土體的抗剪強度的核心，在煤系土淺層邊坡，忽略土壤基質(zhì)吸力變化的影響，會低估邊坡淺層穩(wěn)定性.通過對試驗土樣，采用軸平移技術(shù)分別測得不同根含量煤系土的基質(zhì)吸力與飽和度，得到的土-水特征關(guān)系曲線見圖7.

由圖7可知，不同根含率的煤系土的土-水曲線呈倒S形，在不同的基質(zhì)吸力段表現(xiàn)出不同的特性.在吸力小于進氣壓力值，根-土復合體處于飽和狀態(tài)，含水率隨基質(zhì)吸力的增大變化很小.當吸力大于進氣壓力值且小于殘余飽和度所對應的吸力值，根-土復合體進入快速失水狀態(tài).在吸力大于殘余飽和度對應的吸力值，根-土復合體含水率隨基質(zhì)吸力的增大無明顯變化，煤系土的含水率不隨吸力的增加而變化.

進氣值隨著根含量增加而減小，而殘余飽和度對應的吸力隨著根含量增加而增大.這種現(xiàn)象存在主要原因可以從根-土復合體的微觀結(jié)構(gòu)來看，根系纖維細胞能改變土壤物理特性，促進土壤從松散結(jié)構(gòu)向團粒結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，團粒結(jié)構(gòu)之間形成大孔隙，從而土體的吸力減少，排水較快；植物根系纖維細胞對土壤的作用，增加了土壤的微生物活性，有機物分解形成了親水性礦物成分，從而殘余飽和度較大.

土水特征曲線的擬合采用Gardner模型[17]函數(shù)，即

(2)

式中：Se為根土的飽和度；Sr、Sn分別為煤系土的殘余飽和度、最大飽和度；a為與進氣值有關(guān)的參數(shù)；n為擬合參數(shù)；ψ為壓力水頭.

擬合的土-水特征曲線參數(shù)見表2.由表2可見，相關(guān)系數(shù)都在0.91以上.

表2 土-水特征曲線擬合參數(shù)

非飽和土的滲透特性是土中孔隙水和孔隙氣兩種流體的運動規(guī)律.目前對非飽和土的滲透系數(shù)一般利用土-水特征曲線，引入土-水特征參數(shù)得到.本文根據(jù)Gardner的滲透模型，得到含根煤系土滲透系數(shù)與基質(zhì)吸力的關(guān)系式

kw=awkws/[aw+bwcw(ua-uw)]

(3)

式中：kw、kws分別為非飽和土的滲透系數(shù)、飽和土的滲透系數(shù)；aw、bw、cw為土體系數(shù)，分別取1 000、0.258、1.7.

滲透系數(shù)與基質(zhì)吸力關(guān)系曲線見圖8.由圖8可見，4種試樣的滲透系數(shù)和基質(zhì)吸力曲線形態(tài)上具有很好的相似性，當基質(zhì)吸力小于進氣壓力值時，所有試樣的滲透系數(shù)接近于飽和滲透系數(shù)；當基質(zhì)吸力大于進氣壓力值時，土的滲透系數(shù)隨著基質(zhì)吸力的增加而減少.含根煤系土的滲透系數(shù)小于無根煤系土.滲透系數(shù)隨著根含量的增加而增大，且具有階段性.當基質(zhì)吸力小于1 kPa時，曲線梯度較小，滲透系數(shù)變化較小，但不同根含煤系土的滲透系數(shù)的差距較??；當基質(zhì)吸力大于1 kPa時，曲線梯度較大，具有明顯的線性關(guān)系.

3 討論

1)草灌植物根系對煤系土加固作用.

干濕循環(huán)導致的淺層破壞是煤系土的環(huán)境問題之一，影響著邊坡穩(wěn)定和昌栗高速的正常通行.由于南方春夏暴雨頻繁，在暴雨過程中煤系土坡面出現(xiàn)侵蝕和巨大的土壤流失.大量的研究證實，植物根系具有減少徑流和土壤流失的潛力.通過本文研究結(jié)果可知，草本植物狗牙根和香根草細根(d<2 mm)根系與灌木植物多花木蘭粗根(d≥2mm)可以增加煤系土黏聚力.這是由于根徑越大，根系越深，根土界面摩擦力就越大，進而對土壤的摩擦錨固作用就越強[18].草本植物狗牙根須根(d<1 mm)還可以阻止土壤顆粒的分散，提高土壤的抗侵蝕性，從而保證煤系土邊坡的穩(wěn)定性.在淺層，由于植被的潛在蒸騰作用和錯綜盤結(jié)的根系力學作用,提高了煤系土邊坡的耐沖性和抗侵蝕性.

2)草灌植物根系對煤系土抗剪強度的增強作用.

文獻[19]研究發(fā)現(xiàn)，降雨入滲使煤系土的含水率顯著增加，土粒間的黏結(jié)性降低，從而降低了黏聚力，這也是煤系土邊坡在降雨條件下易發(fā)生滑坡的原因之一.本文得到含根系煤系土邊坡黏聚力大于無根邊坡，從而根系增加了煤系土土體的抗剪強度，該研究成果與文獻[20]的研究結(jié)論一致.本文所測定的含根煤系土的黏聚力比無根黏聚力的增加了16%～47%，小于文獻[21]研究的根系對土壤的黏聚力增加值.造成不同的原因可能是煤系土和寒冷凍土的不同土壤類型、氣候狀況對草灌植物根系固土效果的影響所致.筆者發(fā)現(xiàn)草灌根系土體的黏聚力隨著根含量的增加而增大，與文獻[11]中植被的抗剪強度的研究結(jié)論一致.分析原因，可能與土和植物的種類、土壤含水等水文條件不同有關(guān).

3)煤系土壤滲透性隨著草灌植物根系變化的特性.

煤系土邊坡在降雨作用下穩(wěn)定的影響取決于土坡的滲透系數(shù).研究發(fā)現(xiàn)草灌植物根系能增大土體滲透性能，在降雨條件下，根系對邊坡土體影響與文獻[22-23]的研究結(jié)果一致，根系在土體中生長使土體疏松，從而使得土體滲透系數(shù)增大.草、灌植物根系對土體滲透系數(shù)的提高作用均存在顯著差異，說明根系提高土體的土體滲透系數(shù)因植物種類而異.其中，土壤滲透系數(shù)隨著根含量的增加而增大.推測的原因可能是由于根系錯綜盤結(jié)、縱橫交錯貫穿于煤系土土體中，同時具有團聚構(gòu)造和團粒結(jié)構(gòu)，增大了邊坡土體的孔隙率，這需要結(jié)合植物根系微觀結(jié)構(gòu)做進一步分析.

4 結(jié)論

1)草灌植物根系分布特征參數(shù)隨著根含量增大而增大.在深度為0～40 cm土層范圍內(nèi),3根系分布特征參數(shù)分別是2、1根系的1.56～2.05、2.88～4.45倍.

2)含根煤系土應變軟化增量隨著應力的增加迅速增加.隨著含水率的增加，試樣從“變硬”到“變軟”.煤系土的最大抗剪強度隨著根含量的增加而增大.

3)含根煤系土黏聚力隨著含水率的增大總體呈減小趨勢，但變化趨勢具有階段性.含根黏聚力隨著根含量的增加而增大，并且平均黏聚力是無根煤系土黏聚力的1.16～1.47倍.

4)不同根含量的煤系土的土-水曲線呈倒S形，進氣值隨著根含量增加而減小，殘余飽和度隨著根含量增加而增大.滲透系數(shù)隨著基質(zhì)吸力的增大呈減小趨勢，但具有明顯的界限.隨著根含量的增加，滲透系數(shù)越來越小.

本文研究了植被根系對煤系土邊坡土體的增強作用，沒有考慮長期作用下植被覆蓋作用下煤系土邊坡淺層含水率和基質(zhì)吸力的變化關(guān)系，今后將就植被對煤系土邊坡淺層含水率的變化做深入探討.