西南山區(qū)云南松根土復(fù)合體力學(xué)特性及其對(duì)淺層坡體穩(wěn)定性的影響

李怡帆張國(guó)濤雷鳴宇方海燕李朝月

(1.中國(guó)科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所 陸地表層格局與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100101;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院,北京100049;3.中國(guó)科學(xué)院水利部 成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所 山地災(zāi)害與地表過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都610041)

淺層滑坡是在地殼運(yùn)動(dòng)、地形地貌、土壤、氣候和植被覆蓋等多因素作用下產(chǎn)生的,其中地震活動(dòng)是滑坡發(fā)生的主要原因之一。2008年汶川地震引發(fā)了中國(guó)西南四川省數(shù)千起的山體滑坡[1-3]。開(kāi)挖建設(shè)活動(dòng)、森林砍伐等人類(lèi)干擾也將降低淺層邊坡土體穩(wěn)定性[4]。在未來(lái)氣候變化背景下,極端降水、融雪入滲等可增加邊坡失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)和山體滑坡等災(zāi)害發(fā)生的次數(shù)[3,5-6],嚴(yán)重威脅人類(lèi)的生命安全。

植被作為一種可以進(jìn)行人工配置和干預(yù)的生物工程,在提高土壤抗剪強(qiáng)度、穩(wěn)定邊坡方面的作用已經(jīng)得到廣泛證實(shí)[7]。Li等[8]研究得出,植被覆蓋是滑坡發(fā)生的控制因素,相對(duì)于植被覆蓋茂密邊坡,在植被覆蓋稀疏邊坡發(fā)生滑坡的概率更高。植被對(duì)邊坡穩(wěn)定性主要從機(jī)械和水文兩方面起作用,根系的力學(xué)加筋和錨固作用可穩(wěn)定邊坡[9],同時(shí)也可通過(guò)增加基質(zhì)吸力、降低土壤含水量、攔截降水等[7,10-11]減小淺層滑坡發(fā)生的概率。

由于根系與土壤的變形模量存在巨大差異,因此受到剪切應(yīng)力時(shí),它們?cè)谧冃芜^(guò)程中存在相互錯(cuò)動(dòng)。在這個(gè)過(guò)程中,根系本身產(chǎn)生的拉應(yīng)力、根土界面的摩擦阻力以及根系之間的土體側(cè)向約束力發(fā)揮作用,從而提高根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度[12]。自然界中,植被類(lèi)型多樣、根系分布復(fù)雜,不同類(lèi)型植被的生理特征不同,根系力學(xué)性能存在差異,其對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響也不同[13]。根系穩(wěn)定邊坡的作用,與其形態(tài)、埋深、結(jié)構(gòu)、生長(zhǎng)狀態(tài)等密切相關(guān)[14-16]。不同土層深度的根系土,根系含量、根系分布方式具有明顯差別。因此本試驗(yàn)設(shè)計(jì)不同的根系密度與根系分布方式,試圖探究不同深度根系土的抗剪強(qiáng)度差異。同時(shí),滑坡的發(fā)生與降雨密不可分,這是由于降雨過(guò)程導(dǎo)致土壤含水量變化從而引起邊坡失穩(wěn)。關(guān)于土壤含水量與土體抗剪強(qiáng)度之間關(guān)系的研究已取得較多成果,然而,綜合考慮根系密度、根系分布方式與土壤含水量對(duì)根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的影響還需要進(jìn)行深入的探究。

抗剪強(qiáng)度反映了土體抵抗外力剪切的能力,是衡量土壤力學(xué)特性的重要指標(biāo)之一。在淺層滑坡發(fā)生過(guò)程中,普遍存在土壤力學(xué)特性改變的過(guò)程,以抗剪強(qiáng)度為指標(biāo)探究根土復(fù)合體力學(xué)特性是研究根系固土、淺層滑坡發(fā)生機(jī)理的重要手段,對(duì)于滑坡預(yù)警具有重要指示作用。對(duì)于根系固土力學(xué)特性的研究,國(guó)內(nèi)外已取得很多成果,但多集中于草本或灌木細(xì)小根系的研究,限于試驗(yàn)條件,針對(duì)喬木根系固土力學(xué)機(jī)制、穩(wěn)定淺層邊坡的研究較少,理論滯后于實(shí)踐[14,17-18]。四川省涼山州全州森林覆蓋面積約為2.60×106hm2,主要優(yōu)勢(shì)樹(shù)種云南松、冷杉、絲栗、櫟類(lèi)與華山松分布廣泛,其中云南松1.18×106hm2,占該州森林總面積的45.3%。相關(guān)研究表明[19],松屬通過(guò)其側(cè)根牽引對(duì)提高根際土層的強(qiáng)度、控制淺層滑坡具有重要意義。四川省地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā),而針對(duì)該地區(qū)喬木根系固土的理論探究較為不足,在中國(guó)西南四川省山區(qū)地質(zhì)構(gòu)造活躍、地形急變、土層較薄、降雨分布不均等自然條件下,開(kāi)展喬木根系對(duì)于穩(wěn)固邊坡的研究具有重要意義。

因此,本文選取四川省涼山州西南山區(qū)云南松根土復(fù)合體開(kāi)展研究,通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方式,探究不同根系密度、根系分布方式與土壤含水量下喬木根土復(fù)合體力學(xué)特性及淺層邊坡穩(wěn)定性,為西南山區(qū)淺層滑坡機(jī)理認(rèn)識(shí)、識(shí)別預(yù)警與防治措施等提供理論基礎(chǔ)與數(shù)據(jù)支持,對(duì)揭示大梯度環(huán)境植被—水—土耦合下山地災(zāi)害防治具有積極意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)樣地概況

取樣位置位于四川省西南部、金沙江下游的涼山彝族自治州熱水河流域內(nèi)一植被覆蓋的斜坡,地處北緯26°03′—29°18′,東經(jīng)100°03′—103°52′,位于青藏高原與四川盆地中間過(guò)渡地帶[20]。該州地勢(shì)西北高、東南低,地質(zhì)地貌復(fù)雜,多山地、高原,州內(nèi)自然災(zāi)害種類(lèi)多、發(fā)生頻繁、受災(zāi)范圍廣[21]。涼山州屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),年均溫10.1～19.3℃,年降雨量776～1 170 mm[22]。冬季干冷,降雨稀少,夏季暖濕,集中了全年90%以上的降雨量,形成干濕季節(jié)分明、降雨集中的特點(diǎn),從而極易發(fā)生山洪、滑坡、泥石流等自然災(zāi)害[23-24]。州內(nèi)土壤類(lèi)型多樣,土層較薄,多數(shù)厚度不足100 cm[20]。取樣地位于大涼山云南松(Pinusyunnanensis)純林內(nèi),樹(shù)高12.7±1.2 m,林地密度508±77株/hm2,林齡約20 a,林下為自然生長(zhǎng)的灌草植物,坡面坡度約35°,土壤類(lèi)型為壤土。

1.2 采樣及制樣方法

2019年9月16日,在采樣地內(nèi)斜坡區(qū)域選定灌草植被覆蓋較少的1 m×1 m取樣區(qū)域,清除表面植被和表層腐殖質(zhì),采集10—50 cm深度范圍內(nèi)土壤放入密封袋內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)室條件下,挑出根系、石塊,按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T50123-1999)》[25]采用室內(nèi)試驗(yàn)采集土壤常規(guī)參數(shù)(表1)。將土樣烘干至恒定重量,過(guò)2 mm篩后平鋪在干燥的盤(pán)子中備用。

表1 土體常規(guī)物理與力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

采用人工整株挖掘的方法采集云南松豎向主直根系,取樣時(shí)確保含根系土壤中根系的完整,避免人為破壞根系。隨機(jī)選取生長(zhǎng)正常、莖桿通直均勻、徑級(jí)2 mm左右的根系,小心去除細(xì)根、須根及附著土壤后,洗凈,自然風(fēng)干,剪成長(zhǎng)2 cm垂直根系,用密封袋密封,放置于實(shí)驗(yàn)室冰箱4℃環(huán)境中冷藏保存并盡快制樣。

本試驗(yàn)方法嚴(yán)格按照國(guó)家規(guī)范《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T50123-1999)》[25]制備根—土復(fù)合體土樣,制樣過(guò)程主要包括土壤含水量控制,壓樣,削土等。具體操作流程為:

(1)利用取樣點(diǎn)土體的干密度、設(shè)計(jì)含水量(10%,15%,20%)及土樣質(zhì)量,計(jì)算所需加水量,將土樣平鋪于容器中,用噴水工具均勻加水,攪拌均勻使風(fēng)干土與水充分接觸,用保鮮膜封閉樣品,靜置24 h,使土樣含水量均勻。加水量公式為[10]:

式中:mw為所需加水量(g);m為土壤樣品質(zhì)量(g);w0為風(fēng)干含水量(%);w′為設(shè)計(jì)含水量(%)。

(2)將根系與土體分層放入直徑61.8 mm,高20 mm的圓柱形試樣盒中,分3層擊實(shí)。根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì),制備3種根系分布形式的復(fù)合材料(圖1),根系垂直分布于材料中心(垂直分布),根系在材料中心水平分布(水平分布),根系交叉分布在樣品中心(相交分布)。在每種根系分布方式下,制備3種根系密度的試驗(yàn)樣品,即根系含量0.006,0.012和0.018 g/cm3。同時(shí)為了考慮土壤含水量對(duì)根土復(fù)合材料抗剪強(qiáng)度的影響,以5%為變化梯度,制備不同含水量10%,15%,20%3種條件下的試驗(yàn)樣品。每種根系分布方式、每級(jí)根系密度、每種含水量各制備4個(gè)土樣,共計(jì)108個(gè)根土復(fù)合土樣。此外,利用原狀土制備素土試驗(yàn)樣品4個(gè),以便比較根系存在產(chǎn)生的抗剪強(qiáng)度差異。

圖1 根系排列方式(mm)

1.3 直剪試驗(yàn)

試驗(yàn)于2019年9月在中國(guó)科學(xué)院成都山地所土工實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。采用應(yīng)變控制直接剪切裝置(圖2),在4個(gè)豎向壓力(50,100,150,200 k Pa)條件下對(duì)根土復(fù)合體進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制剪應(yīng)力與剪切位移散點(diǎn)圖,并根據(jù)庫(kù)侖定律計(jì)算相應(yīng)的黏聚力與內(nèi)摩擦角:

圖2 應(yīng)變控制式直剪儀

式中:τf為土的抗剪強(qiáng)度(kPa);σ為法向應(yīng)力(kPa);c為土的黏聚力(kPa);φ為土的內(nèi)摩擦角(°)。

1.4 單根拉伸試驗(yàn)

選取根長(zhǎng)約5～10 cm表皮完好的根系,用游標(biāo)卡尺測(cè)定根樣上、中、下3段處的直徑,取其平均值作為該根樣直徑。使用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)量單根抗拉強(qiáng)度。試驗(yàn)時(shí),只有當(dāng)斷裂面處于根段的中間位置時(shí),被認(rèn)為是由拉力引起的破壞而非其他測(cè)試過(guò)程中的損傷引起的。單根抗拉強(qiáng)度(F)的計(jì)算方法為:

式中:P是極限抗拉力(N);d是平均根徑(mm)。

1.5 數(shù)值模擬

由于本試驗(yàn)主要分析淺表層土體的應(yīng)力應(yīng)變特性,研究根系對(duì)表層邊坡土體穩(wěn)定性的影響,因此把邊坡底層基巖與表層根土材料區(qū)分開(kāi)。根據(jù)淺表層的含義,將其深度設(shè)置為2 m,根據(jù)取樣地坡面情況,設(shè)計(jì)邊坡幾何模型,坡高10 m,坡度30°,土體下部為基巖(圖3)。在建模過(guò)程中,假設(shè)素土與含根系土的根土復(fù)合體為均質(zhì)材料,且坡體的初始應(yīng)力場(chǎng)由坡體自重產(chǎn)生。土體采用常規(guī)理想彈塑性體模型,即摩爾庫(kù)倫單元進(jìn)行模擬,根據(jù)文獻(xiàn)[26]與土體物理性質(zhì)試驗(yàn),確定土體的材料屬性(表2)。

表2 試驗(yàn)土體材料屬性

圖3 淺層邊坡幾何模型

根據(jù)根土材料直剪試驗(yàn)得到的黏聚力(c)與內(nèi)摩擦(φ)采用FLAC 3D軟件的強(qiáng)度折減法計(jì)算邊坡安全系數(shù)。即通過(guò)折減系數(shù)F將土的黏聚力(c)與內(nèi)摩擦(φ)逐漸降低,使某單元應(yīng)力超過(guò)屈服強(qiáng)度,當(dāng)多余的應(yīng)力轉(zhuǎn)移到周?chē)鷨卧a(chǎn)生連續(xù)滑動(dòng)面時(shí),土體發(fā)生破壞,此時(shí)的F即為邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù),其計(jì)算公式為:

式中:cm,φm是土強(qiáng)度折減后的黏聚力(k Pa)和內(nèi)摩擦角(°);Fr是強(qiáng)度折減系數(shù)。

1.6 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用Excel 2019。顯著性檢驗(yàn)采用無(wú)重復(fù)方差分析,借助SPSS 26.0操作完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 根系密度對(duì)復(fù)合體力學(xué)特性的影響

不同根系密度下復(fù)合體力學(xué)特性測(cè)試表明,土壤黏聚力與內(nèi)摩擦角均具有顯著的差異性(Pc=0.04＜0.05,Pφ=0.044＜0.05,詳見(jiàn)表3—4)。根系分布方式與含水量一定的情況下,在各法向應(yīng)力下根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度隨根系密度的增加呈現(xiàn)增加;相對(duì)于含水量10%與15%條件下,含水量20%時(shí)不同根系密度之間的抗剪強(qiáng)度差異明顯減小。與素土相比,各條件下,黏聚力與內(nèi)摩擦角均隨根系密度的增加而增加,根土復(fù)合體黏聚力增量變化范圍為1.05～6.05 kPa,內(nèi)摩擦角增量變化范圍為-1.0°～2.6°。根系垂直分布、土壤含水量10%時(shí),根系密度由0.006 g/cm3增至0.018 g/cm3時(shí),黏聚力分別增加了22.93%,28.95%和34.59%,內(nèi)摩擦角分別增加2.95%,4.80%和5.90%,即在固定的根系分布方式與含水量條件下,隨根系密度的增加,黏聚力與內(nèi)摩擦角均呈增加趨勢(shì)。在根系相交分布、土壤含水量20%時(shí),黏聚力與內(nèi)摩擦角隨根系密度變化的規(guī)律表現(xiàn)不明顯,可能是由于根系分布復(fù)雜、土壤含水量較高多種因素綜合作用下的表現(xiàn)。相比于素土,在根系相交分布、含水量20%條件下黏聚力增量最高,達(dá)45.49%;在根系相交分布,含水量10%條件下內(nèi)摩擦角增量最高,達(dá)到9.59%。

表3 不同條件下試樣對(duì)應(yīng)法向應(yīng)力下土體抗剪強(qiáng)度值

分析表明,根系的存在可以提高根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度,并隨根系密度的增加而增加,根系增加抗剪強(qiáng)度的效應(yīng)可能受土壤含水量的影響。這是由于根系的加入使得土體周?chē)娜葜卦龃?增強(qiáng)了土體的摩擦力。同時(shí)根系的存在改變了土壤顆粒之間的接觸條件,在含有大量根系的復(fù)合體中,根系與土體之間產(chǎn)生更多的接觸面,進(jìn)而產(chǎn)生更強(qiáng)的根—土界面間的相互作用力,在進(jìn)行剪切時(shí),這種作用力轉(zhuǎn)化為根系的抗拉力,因而提高了復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度[27]。不僅喬木根土復(fù)合體具有這種性質(zhì),由草本[28]和灌木等[29]植被根系組成的根土復(fù)合體同樣如此。

根系樣本的根徑范圍為0.5～9.4 mm,抗拉強(qiáng)度范圍為6.50～169.85 MPa,根系抗拉強(qiáng)度與根徑之間具有明顯的冪函數(shù)負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖4),其抗拉強(qiáng)度與根系直徑擬合方程為:

圖4 根系抗拉強(qiáng)度和根徑的關(guān)系圖及擬合曲線(xiàn)

隨根徑增大,抗拉強(qiáng)度減小,當(dāng)根徑小于2 mm時(shí),抗拉強(qiáng)度遞減速率最快,在2～10 mm根徑范圍內(nèi),根系抗拉強(qiáng)度隨根徑變化平緩。這說(shuō)明細(xì)根相比粗根具有更強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度,在土體中的加筋作用更為明顯,其將土體的剪應(yīng)力轉(zhuǎn)化為自身的拉應(yīng)力從而增強(qiáng)土體抗剪強(qiáng)度的作用更為顯著。眾多研究也得出了類(lèi)似的結(jié)論,李牧陽(yáng)[30]對(duì)油松、華山松、日本落葉松和銳齒槲櫟的研究證實(shí)了根系抗拉強(qiáng)度隨根徑增加呈負(fù)指數(shù)減少;李佳[31]對(duì)隴南地區(qū)4種灌木研究也得出了類(lèi)似的結(jié)論。

2.2 根系分布方式對(duì)復(fù)合體力學(xué)特性的影響

在固定的根系密度與土壤含水量條件下,不同根系分布方式下根土復(fù)合體的力學(xué)特性有明顯的規(guī)律。土壤含水量10%時(shí),隨根系密度的增加,根系垂直分布方式下,黏聚力分別為16.35,17.15和17.9 kPa,內(nèi)摩擦角分別為27.9°,28.4°和28.7°,根系水平分布方式下,黏聚力分別為15.65,16.8和18.7 k Pa,內(nèi)摩擦角分別為27.5°,28.1°和28.6°(表4)。根系相交分布方式下,黏聚力分別為17.7,17.95和18.9,內(nèi)摩擦角分別為28.8°,28.6°和29.7°。由此可知,根系垂直分布方式與水平分布方式對(duì)增強(qiáng)力學(xué)特性的效果相差不大,根系相交分布方式下,黏聚力與內(nèi)摩擦角均高于同條件下垂直與水平分布的數(shù)值。在抗剪強(qiáng)度上,同樣具有這樣的規(guī)律;且相比于含水量10%與15%條件下,含水量20%時(shí),根系相交分布下的抗剪強(qiáng)度與另外兩種分布方式下抗剪強(qiáng)度的差異要明顯。

表4 不同條件下試樣黏聚力與內(nèi)摩擦角

研究表明,根系相交分布方式下,抗剪強(qiáng)度、黏聚力與內(nèi)摩擦角均明顯高于同條件下根系水平分布與垂直分布,相較于根系單一分布方式,復(fù)雜根系分布方式對(duì)提高根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的作用更顯著。這主要是相交分布方式下垂直方向的根系起到錨固作用,水平方向的根系起到牽拉作用[32],在剪切過(guò)程中,土粒之間的摩擦力轉(zhuǎn)化為根系的剪切與拉伸,根系的存在多角度上增強(qiáng)了復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度,使復(fù)合體的理化性質(zhì)發(fā)生顯著的變化,即根系縱橫交錯(cuò)狀態(tài)下固土護(hù)坡效果最為顯著。已有研究[14]表明,在水平根、垂直根和復(fù)合根3種形態(tài)的根型中,復(fù)合根最適合于增強(qiáng)土體強(qiáng)度、保持土體穩(wěn)定。

2.3 土壤含水量對(duì)復(fù)合體力學(xué)特性的影響

在根系垂直分布、根系密度0.018 g/cm3時(shí),根土復(fù)合體的黏聚力與內(nèi)摩擦角隨含水量的增加而減小,如土壤含水量從10%增至20%,黏聚力減少10.91%,內(nèi)摩擦角減少4.79%。根系水平分布、根系密度0.018 g/cm3條件下,根土復(fù)合體的黏聚力與內(nèi)摩擦角也存在相似的變化規(guī)律。然而,根系相交分布方式下,黏聚力和內(nèi)摩擦角不隨含水量的增加而減小,而是當(dāng)含水量由10%增至15%時(shí),黏聚力和內(nèi)摩擦角減小,含水量由15%增至20%時(shí),黏聚力和內(nèi)摩擦角增加。由此可知,根系水平或垂直分布條件下,黏聚力與內(nèi)摩擦角隨含水量的增加而減小,根系相交分布條件下,黏聚力與內(nèi)摩擦角隨含水量的增加,均表現(xiàn)為先減小后增加的趨勢(shì)。同樣地,根系水平與垂直分布方式下,根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度隨含水量的增加而減小,在根系相交分布方式下,這種規(guī)律表現(xiàn)不明顯。

土壤的抗剪強(qiáng)度主要取決于黏聚力和摩擦力,黏聚力與法向應(yīng)力無(wú)關(guān),主要由基質(zhì)吸力或負(fù)孔隙水壓力產(chǎn)生[33],受黏粒含量、含水量影響;摩擦力與法向應(yīng)力有關(guān),來(lái)源于剪切面土粒之間的摩擦和互相嵌入所產(chǎn)生的咬合力,受應(yīng)力狀態(tài)、土壤顆粒級(jí)配、土粒表面粗糙度等影響。本試驗(yàn)采用過(guò)2 mm篩的重塑土,故土壤細(xì)顆粒含量高,比表面積大,含水量提高使土壤顆粒之間的水膜增厚,土粒之間基質(zhì)吸力減小,故黏聚力降低;當(dāng)含水量繼續(xù)增加時(shí),水分產(chǎn)生的吸力對(duì)土壤顆粒的牽引力持續(xù)增強(qiáng),因此表現(xiàn)為黏聚力增大。水分在土粒中表現(xiàn)為潤(rùn)滑作用,從而使摩擦力減小;高含水量可以增強(qiáng)團(tuán)粒之間的咬合作用,有利于提高摩擦力。在根系相交分布方式下,復(fù)雜根系的加入改變了根土復(fù)合體物理力學(xué)性質(zhì),故在剪切過(guò)程中,表現(xiàn)為黏聚力與內(nèi)摩擦角隨含水量的增加,表現(xiàn)為先減小后增加的趨勢(shì)。

灌木和草本根系與土壤之間的摩擦效應(yīng)同樣具有這樣的規(guī)律。Li等[10]研究結(jié)果與本文一致,灌木根際土壤的黏聚力隨土壤含水量的增加顯著降低,內(nèi)摩擦角降低但不顯著。Wang等[34]根據(jù)根系拔出試驗(yàn)得出,牧草秈稻根系與土壤之間的界面摩擦效應(yīng)隨土壤水分含量的增加而迅速降低。但本研究并沒(méi)有得到王晨灃等[33]研究得出的黏聚力隨含水量增加先增加后減少的結(jié)論。這可能是由于本試驗(yàn)中各種性質(zhì)根系的加入,使得不同含水量下根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度變化不同于土壤。

2.4 邊坡穩(wěn)定分析

基于不同根土特性下數(shù)值模擬表明(表5),邊坡安全系數(shù)模擬結(jié)果與復(fù)合體力學(xué)特性表現(xiàn)一致。根系存在下的邊坡安全系數(shù)均高于素土條件下的邊坡安全系數(shù),同時(shí)邊坡安全系數(shù)隨著根系密度的增加而提高。因此,在進(jìn)行護(hù)坡植被選擇時(shí),可將根系是否發(fā)達(dá)作為選擇指標(biāo)進(jìn)行考慮。以往的研究多認(rèn)為植被可以控制滑坡發(fā)生,然而有學(xué)者通過(guò)黃土高原降雨條件下植被覆蓋斜坡上滑坡的失效機(jī)制研究,發(fā)現(xiàn)植被根系增加淺層土壤含水量而不能控制滑坡侵蝕[35]。同時(shí),邊坡植被增加了坡體自重載荷,進(jìn)而增加了坡體失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。因而,在氣候、地形、土壤等條件存在顯著差異的地區(qū),如西南山區(qū)、黃土高原和華北土石山區(qū)等,植被對(duì)淺層滑坡的影響存在差異。因此,如何從水—土—植被耦合的角度多層面定量表達(dá)植被對(duì)淺層滑坡的作用,還需要進(jìn)一步的研究。

表5 不同根土特性條件下邊坡安全系數(shù)對(duì)比

邊坡安全系數(shù)在根系水平分布與垂直分布方式下相差不大,根系相交分布時(shí),邊坡安全系數(shù)明顯高于同條件下其他兩種分布方式,說(shuō)明不同形態(tài)根系對(duì)土體穩(wěn)定影響很大。因此,護(hù)坡植被配置時(shí),縱向主根系與橫向須根系發(fā)達(dá)的植被搭配護(hù)坡效果比單一植被下要好。選擇不同根系形態(tài)的護(hù)坡植物,采用不同種類(lèi)植物混交,形成植物根系縱橫交錯(cuò)狀態(tài)更有利于減少滑坡等山地災(zāi)害的發(fā)生[15]。

基于根系相交分布方式、最大和最小根系密度等多工況下的邊坡x向位移云圖,邊坡安全系數(shù)隨含水量增加的變化規(guī)律與土壤抗剪強(qiáng)度一致。在根系水平分布與垂直分布方式下,邊坡安全系數(shù)隨含水量的增加而減小。這也揭示了降雨降低邊坡穩(wěn)定性、誘發(fā)淺層滑坡的一個(gè)重要原因:降雨入滲會(huì)增加土壤載荷和孔隙壓力[35-37],減弱土粒聚集性[7],減少淺坡土壤的基質(zhì)吸力[11],降低根系抗拉強(qiáng)度[37]和土壤抗剪強(qiáng)度。在相交分布方式下,邊坡安全系數(shù)隨含水量增加表現(xiàn)出先減小后增加的趨勢(shì)。在不同根系排列方式之下,邊坡穩(wěn)定性隨含水量變化的不同表現(xiàn)可能是由于根系排列方式造成的根土復(fù)合體的物理力學(xué)性質(zhì)不同造成的。

土壤水分是植物生長(zhǎng)的重要基礎(chǔ),同時(shí)植被會(huì)對(duì)土壤水分分布和含量產(chǎn)生影響[38-41],因此單純進(jìn)行不同含水量下重塑土根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)無(wú)法確定自然界中不同類(lèi)型植被地下根系與土壤水分變化如何影響邊坡穩(wěn)定性[10],需要將野外原位觀測(cè)試驗(yàn)與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)合展開(kāi)進(jìn)一步研究。同時(shí)在本試驗(yàn)中,根土復(fù)合體是通過(guò)室內(nèi)人工添加根系配置的,這樣制成重塑土根土復(fù)合體與野外原狀根土的理化性質(zhì)存在一定差別,如沒(méi)有考慮在根系生長(zhǎng)過(guò)程中根系分泌物、根瘤菌、根菌等對(duì)土壤和根土復(fù)合體理化性質(zhì)的影響,因此,需要通過(guò)野外采集原狀土進(jìn)行試驗(yàn)以得到更符合真實(shí)情況的結(jié)果。

3 結(jié)論

(1)土體中根系的存在有效提高了土壤的抗剪強(qiáng)度,且隨根系密度增加而增加,與素土相比,黏聚力、內(nèi)摩擦角提高比例分別高達(dá)45.5%和9.6%。

(2)根系粗細(xì)特征可影響根系的抗拉強(qiáng)度,對(duì)根土復(fù)合體力學(xué)過(guò)程、覆被邊坡穩(wěn)定性分析具有重要的實(shí)際應(yīng)用意義,如較細(xì)的根徑可有效地提高抗拉強(qiáng)度,當(dāng)根徑小于2 mm時(shí),抗拉強(qiáng)度遞減速率最快,根徑在2～10 mm范圍,根系抗拉強(qiáng)度隨根徑變化平緩。

(3)根系分布方式可明顯地改變根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度與淺層邊坡穩(wěn)定性,如根系交錯(cuò)分布方式下,抗剪強(qiáng)度與邊坡穩(wěn)定性最大,植物根系縱橫交錯(cuò)的狀態(tài)最有利于固土護(hù)坡。

(4)此外,土壤的含水量也可有效地改變根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度和邊坡穩(wěn)定性,如較高的土壤含水量可降低根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度、黏聚力與內(nèi)摩擦角,邊坡安全系數(shù)減少,淺層滑坡更易發(fā)生。

因此,喬木根系的高密度發(fā)育、復(fù)雜交錯(cuò)分布、細(xì)根叢生等特點(diǎn)可有效地提高根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度與邊坡穩(wěn)定性,關(guān)注土壤含水量的變化特征、適度地增加邊坡植被覆蓋是認(rèn)識(shí)和預(yù)防淺層滑坡發(fā)生的重要措施之一。