西寧盆地黃土區(qū)邊坡土體含水量對植物根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究*

李姜瑤 余冬梅 張西營 胡夏嵩 劉亞斌 周林虎 李 丹

(①中國科學(xué)院青海鹽湖研究所，鹽湖資源綜合高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西寧810008，中國)(②青海省鹽湖地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西寧810008，中國)(③中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049，中國)(④青海大學(xué)地質(zhì)工程系，西寧810016，中國)

0 引 言

近年來，隨著西寧盆地及其周邊地區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，公路、鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度亦隨之加大，在建設(shè)過程中，一些不合理的邊坡開挖等工程活動(dòng)對工程場址區(qū)及其周邊生態(tài)環(huán)境造成一定影響和破壞，其結(jié)果將進(jìn)一步加劇該地區(qū)水土流失、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生(胡夏嵩等，2011；Hu et al.，2013；高海東等，2017；孫萍等，2019)。利用植物護(hù)坡技術(shù)可通過根系的力學(xué)效應(yīng)(淺層加筋、深層錨固等)和水文效應(yīng)(降雨截留、抑制地表徑流等)，起到有效增強(qiáng)土體抗剪強(qiáng)度和提高邊坡穩(wěn)定性的作用(周德培等，2003；Tosi，2007；栗岳洲等，2016；劉益良等，2016)。

已有相關(guān)研究表明，一定程度上根-土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度受根系特征和土體性質(zhì)兩方面因素的影響(栗岳洲等，2016)。國內(nèi)外學(xué)者對有關(guān)植物根系對土體抗剪強(qiáng)度影響，開展了大量試驗(yàn)研究，并取得了重要成果。Zhang et al.(2010)研究了不同布根(水平、垂直、水平-垂直)方式下，含水率由12.7%增加至20.0%時(shí)，根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的降低幅度，結(jié)果表明垂直根型復(fù)合體較水平根型和水平-垂直根型，其降低幅度相對最大為25.0%。余冬梅等(2019)采用灰色關(guān)聯(lián)法評價(jià)了復(fù)合體容重、含水量、根長密度(RLD)、根重密度(RWD)以及根面積比(RAR)這5種因素對根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明復(fù)合體黏聚力c值與容重之間的關(guān)系相對較為顯著。栗岳洲等(2015)將復(fù)合體通過內(nèi)插法設(shè)置了6～8種含根量梯度，探討了海韭菜(TriglochinmaritimeLinn.)、賴草(LeymussecalinusTzvel.)、無脈苔草(CarexenervisC.A.Mey.)、毛穗賴草(LeymuspaboanusClaus.)4種植物的最優(yōu)含根量，當(dāng)為最優(yōu)含根量時(shí)，其復(fù)合體黏聚力可至相對最大值，分別為20.90 kPa、18.11 kPa、17.94 kPa、27.42 kPa。相應(yīng)地，有關(guān)土體性質(zhì)對土體抗剪強(qiáng)度的影響，國內(nèi)外學(xué)者亦開展了相關(guān)試驗(yàn)研究。諸多研究表明(Fan et al.，2008；Wei et al.，2018；Zhang et al.，2020)，土體含水量對其黏聚力和內(nèi)摩擦角有一定的影響作用，一般隨著含水量增加而呈非線性減小趨勢。Zhang et al.(2020)系統(tǒng)地研究了含水量對紅壤抗剪強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明土體的抗剪強(qiáng)度隨法向應(yīng)力的增加而增大，隨含水量的增加而減小，當(dāng)含水量由20%增加至24%時(shí)，土體的抗剪強(qiáng)度降低程度相對最為明顯。Lian et al.(2019)在土體含水量為16%及土體飽和條件下，研究了刺槐(RobiniapseudoacaciaL.)根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度，認(rèn)為黃土含水量的增加顯著降低了根系加筋和未加筋黃土的強(qiáng)度，其中：當(dāng)含水量由16%增加至完全飽和時(shí)，未加筋黃土黏聚力降低幅度為50%，水平加筋、垂直加筋、水平-垂直加筋黃土黏聚力降低幅度分別為50%、57%、61%。陳鴻賓等(2019)通過三軸試驗(yàn)方法，研究重塑紅黏土的干密度、含水率對土體抗剪強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明飽和與未飽和重塑紅黏土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與干密度間呈二次多項(xiàng)式遞增關(guān)系；重塑紅黏土的黏聚力隨含水量增大呈二次多項(xiàng)式關(guān)系減小，內(nèi)摩擦角隨含水量的降低而提高。張愛國等(2001)通過野外實(shí)測數(shù)據(jù)，包括原狀土抗剪強(qiáng)度、土壤含水量、容重等指標(biāo)，以及土壤樣品室內(nèi)理化性質(zhì)分析來測定其土壤pH值、有機(jī)質(zhì)含量、鹽基飽和度等指標(biāo)，研究結(jié)果表明影響水土流失過程中土體抗剪強(qiáng)度的主導(dǎo)因素是容重、土壤含水量、土壤有機(jī)質(zhì)含量。

通過上述已有相關(guān)研究結(jié)果可知，相對更多的研究主要體現(xiàn)在，通過根系特征和土體不同理化性質(zhì)指標(biāo)開展對土體抗剪強(qiáng)度影響的研究，主要包括根系的形態(tài)特征、布根方式、含根量等，以及土體含水量、土體干密度、土體容重、有機(jī)質(zhì)含量等。相比較而言，有關(guān)系統(tǒng)開展土體不同含水量變化梯度條件下，對植物根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的影響及其變化規(guī)律等方面的研究，尚有待于進(jìn)一步深入，尤其是對于青藏高原東北部地區(qū)土體含水量變化條件下，對邊坡土體抗剪強(qiáng)度影響方面的研究尚處于起步階段。諸多研究表明降雨是誘發(fā)和導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)最主要影響因素，其主要原因在于不同強(qiáng)度的降雨使得土體含水量增加，孔隙水壓力增大，從而誘發(fā)水土流失和邊坡失穩(wěn)等不同規(guī)模的坡面地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象發(fā)生(黃潤秋等，2002；潘俊義等，2018；黃強(qiáng)強(qiáng)等，2019)?；诖耍卷?xiàng)研究以地處青藏高原東北部西寧盆地作為研究區(qū)，篩選出適宜當(dāng)?shù)貧夂驐l件下生長的優(yōu)勢植物芨芨草、細(xì)莖冰草、檸條錦雞兒、白刺4種草本和灌木作為試驗(yàn)供試種，在室內(nèi)進(jìn)行直剪試驗(yàn)探討土體含水量對其抗剪強(qiáng)度的影響。本項(xiàng)研究結(jié)果可為研究區(qū)及其周邊地區(qū)開展植被護(hù)坡提供理論支撐和實(shí)際應(yīng)用指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)西寧盆地處于新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍地帶(鹿化煜等，2014)，其地形地貌條件較為復(fù)雜，區(qū)內(nèi)黃土高陡邊坡較為發(fā)育，主要地質(zhì)災(zāi)害類型為水土流失、滑坡、崩塌、泥石流以及土地鹽漬化等(張曉宇，2012；孫毅，2013)。區(qū)內(nèi)土體含鹽量為0.3%～3.5%，其類型主要為硫酸鹽漬土(裴浩，2012)。區(qū)內(nèi)屬于高原大陸性半干旱氣候，年平均降水量為478 mm，蒸發(fā)量為1683 mm(王穎華等，2011)，6～9月份的降雨相對較大，降雨持續(xù)時(shí)間較短暫(楊芳等，2012)。研究區(qū)位于西寧盆地長嶺溝流域，地理坐標(biāo)為北緯36°36′00″，東經(jīng)101°42′00″，海拔為2315～2570 m(劉亞斌等，2018)。該試驗(yàn)區(qū)坡向朝南，坡度約為30°，土質(zhì)為粉土(劉亞斌等，2020)。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

本項(xiàng)研究篩選草本和灌木供試種的基本原則為：適宜高寒和半干旱氣候條件，具有發(fā)達(dá)根系、生長迅速且在短時(shí)期內(nèi)覆蓋地表(胡夏嵩等，2011)。按照這一原則，篩選出區(qū)內(nèi)單一種植且生長期為3 a的灌木植物檸條錦雞兒(CaraganakorshinskiiKom.)和白刺(NitrariasphaerocarpaMaxim.)，以及生長期為3 a的草本植物芨芨草(Achnatherumsplendens(Trin.)Nevski)和細(xì)莖冰草(AgropyrontrachycaulumLinn.Gaertn.)作為試驗(yàn)供試種。

在制備植物根-土復(fù)合體擾動(dòng)試樣時(shí)，首先，需要確定其試樣中所需含根量，即分別在區(qū)內(nèi)種植4種草本和灌木植物的邊坡頂部、中部和下部其地表以下0～50 cm不同深度處，利用環(huán)刀分別制取4個(gè)根-土復(fù)合體原狀試樣，在室內(nèi)將根系從原狀樣中挑出來，進(jìn)行清洗，然后分別稱取每種植物類型環(huán)刀內(nèi)根系質(zhì)量，并求其平均值即得到試驗(yàn)區(qū)種植不同植物土體的平均含根量，從而將其平均含根量設(shè)置為植物根-土復(fù)合體試樣中根系的布設(shè)數(shù)量，其中：檸條錦雞兒為0.015g·cm-3，白刺為0.013g·cm-3，芨芨草為0.010g·cm-3，細(xì)莖冰草為0.003g·cm-3，如圖1a所示，為試驗(yàn)制取根-土復(fù)合體所用草本和灌木植物根系。

其次，獲取制備復(fù)合體時(shí)所采用的土體試樣：將試驗(yàn)種植區(qū)內(nèi)未種植植物邊坡素土取至實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行烘干處理，采用烘箱在105 ℃條件下，烘至12 h，因區(qū)內(nèi)邊坡土體顆粒大小主要為0.25 mm以下，所以將烘干的素土過孔徑為0.25 mm土工篩，以備制取具有不同含水量梯度的根-土復(fù)合體試樣，圖1b為試驗(yàn)制備完畢的土體粒徑為d≤0.25 mm的素土。表1(劉亞斌等，2020)為試驗(yàn)區(qū)邊坡土體物理性質(zhì)指標(biāo)測試結(jié)果，其中：土體平均干密度為1.25±0.06g·cm-3，含水量為9.12%。圖2為試驗(yàn)種植區(qū)土體的粒徑級配累積曲線。

圖2 試驗(yàn)區(qū)邊坡土體的粒徑級配累積曲線

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 含水量梯度的確定

為了研究不同含水量條件下對植物根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的影響，本項(xiàng)研究通過測得試驗(yàn)區(qū)邊坡地表以下0～50 cm深度范圍內(nèi)土體平均含水量為9.12%，并以該土體平均含水量9.12%作為標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合區(qū)內(nèi)夏季6～9月份所具有的不同降雨量和降雨強(qiáng)度(楊芳等，2012)及其降雨入滲邊坡土體含水量變化特征，依次設(shè)置了土體含水量分別為6%、10%、14%、18%、22% 5種不同含水量梯度，相鄰含水量差值為4%。相關(guān)研究結(jié)果表明，90%左右的邊坡失穩(wěn)是由于降雨使其土體含水量增加而導(dǎo)致的(黃潤秋等，2002)，因此，以上含水量梯度的設(shè)定，充分考慮了區(qū)內(nèi)邊坡土體含水量實(shí)際情況，以及降雨過程中邊坡土體在不同深度處土體含水量變化特征。

2.2.2 素土與根-土復(fù)合體試樣制樣方法及其直剪試驗(yàn)

本項(xiàng)研究分別對不含根系素土，以及檸條錦雞兒、白刺、芨芨草、細(xì)莖冰草4種草本和灌木根-土復(fù)合體擾動(dòng)試樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)。本試驗(yàn)在制備擾動(dòng)試樣過程中，所制備試樣的土體干密度、顆粒級配均保持一致。在制備剪切試樣之前，分別將已烘干且過孔徑為0.25 mm土工篩的土體試樣與蒸餾水按一定比例進(jìn)行充分混合，以制備含水量為6%、10%、14%、18%、22% 5種不同梯度的素土和復(fù)合體試樣，然后將這些具有不同含水量的土體試樣采用保鮮膜密封，待潤濕一晝夜后備用。

2.2.2.1 不含根系素土試樣制樣方法

素土試樣制取方法：由于擊實(shí)筒內(nèi)徑為61.8 mm，高為125 mm，土體干密度為1.25g·cm-3，故分別稱得492 g上述預(yù)先制備好的不同含水量素土，利用擊實(shí)錘分4層擊實(shí)，每層擊實(shí)次數(shù)保持一定。待4層擊實(shí)完畢后，拆除擊實(shí)筒，將環(huán)刀(內(nèi)徑為61.8 mm，高為20 mm)刀口朝下，放置在擊實(shí)土樣上，垂直向下按壓，使土樣伸出其環(huán)刀，再用削土刀將土樣兩側(cè)修平，擦凈環(huán)刀外壁，稱取環(huán)刀與土樣的總質(zhì)量，重復(fù)以上步驟，可制備一組素土試樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)。

2.2.2.2 根-土復(fù)合體試樣制樣方法

根據(jù)供試種灌木植物檸條錦雞兒、白刺根系特點(diǎn)(根徑較粗，在土體中以垂直分布為主)，故采用垂直布根方式來制備復(fù)合體試樣，其具體方法為：首先按照不含根系素土試樣制樣方式，制備素土試樣，然后采用扦插法布根，用直徑為1.1 mm的細(xì)鐵絲將根段長為20 mm的灌木根系均勻插入環(huán)刀內(nèi)的素土試樣，圖3a、圖3b為已制備完畢的灌木根-土復(fù)合體試樣。

圖3 制備完畢的灌木和草本植物根-土復(fù)合體試樣

供試種草本植物芨芨草、細(xì)莖冰草根徑較細(xì)，以須根為主，故傾斜或水平布根以制備復(fù)合體試樣。其具體方法為：稱取制備好的不同含水量素土試樣492 g，將根系剪至20 mm長的根段，并將一定量(芨芨草為5.94 g，細(xì)莖冰草為1.11 g)的草本根段與素土充分拌勻，然后按不含根系素土試樣制樣方式即可制取一組用于進(jìn)行室內(nèi)直剪試驗(yàn)的根-土復(fù)合體試樣，圖3c、圖3d為已制備完畢的草本根-土復(fù)合體試樣。

2.2.2.3 素土和根-土復(fù)合體的直剪試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)采用試驗(yàn)儀器為ZJ應(yīng)變控制式直剪儀，分別在50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa 4個(gè)等級法向壓力作用下，對每組試樣進(jìn)行試驗(yàn)，剪切應(yīng)變速率為2.4 mm·min-1，其具體試驗(yàn)操作步驟按《土工試驗(yàn)規(guī)程》(中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編寫組，1999)進(jìn)行。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 不同含水量條件下素土與根-土復(fù)合體剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系

本項(xiàng)研究對4種草本和灌木植物根-土復(fù)合體試樣，以及不含根系素土試樣分別進(jìn)行直剪試驗(yàn)，其中：根-土復(fù)合體和素土試樣中土體含水量分別設(shè)置為6%、10%、14%、18%、22% 5種不同梯度，如圖4所示為土體含水量為10%時(shí)，4種植物的根-土復(fù)合體和素土試樣的剪應(yīng)力與剪切位移之間的關(guān)系。由該圖可知，(1)在剪切試驗(yàn)開始階段，根-土復(fù)合體與素土試樣剪應(yīng)力與剪切位移近似呈線性關(guān)系，隨著剪切過程的進(jìn)行，剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系則由線性關(guān)系變化為非線性，且在相同剪應(yīng)力下，與線性階段相比，非線性過程的剪切位移相對較為顯著，當(dāng)剪切破壞之后其關(guān)系線近似為水平。(2)與素土相比，根-土復(fù)合體試樣的抗剪切變形能力均顯著強(qiáng)于素土，表現(xiàn)在當(dāng)剪應(yīng)力達(dá)到40 kPa時(shí)，在4級垂直壓力中的任意一級垂直壓力作用下，例如在垂直壓力P2=100 kPa時(shí)，檸條錦雞兒、白刺、芨芨草、細(xì)莖冰草其根-土復(fù)合體的剪切位移分別為0.93 mm、1.21 mm、1.46 mm、1.94 mm，而素土的剪切位移量為2.29 mm，與素土的剪切位移量相比，檸條錦雞兒、白刺、芨芨草、細(xì)莖冰草根-土復(fù)合體的剪切位移的降低幅度分別為59.39%、47.16%、36.24%、15.28%。

圖4 含水量10%條件下素土和根-土復(fù)合體剪應(yīng)力與剪切位移之間的關(guān)系

由上述可知，在相同豎向壓力及剪切應(yīng)力作用下，4種復(fù)合體試樣的剪切位移均小于不含根系素土，且檸條錦雞兒根-土復(fù)合體的剪切位移相對較小，降低幅度相對較大，白刺次之，其他依次為芨芨草和細(xì)莖冰草，即在垂直壓力為P2=100 kPa時(shí)，當(dāng)剪應(yīng)力達(dá)到40 kPa時(shí)，4種植物的抗剪切變形能力由小至大分別為細(xì)莖冰草、芨芨草、白刺、檸條錦雞兒，這反映出在一定程度上4種植物根系能不同程度地增強(qiáng)邊坡土體的抗剪強(qiáng)度。此外，余冬梅等(2017)、虎嘯天等(2015)和楊幼清等(2018)分別對賴草(LeymussecalinusTzvel.)、冷地早熟禾(PoapratensisL.)等7種不同植物和素土進(jìn)行室內(nèi)直剪試驗(yàn)，研究結(jié)果均表明根系可起到顯著增強(qiáng)土體抗剪強(qiáng)度的作用，使得其復(fù)合體抵抗剪切變形的能力得以顯著提高，這與本項(xiàng)研究所得到的結(jié)果基本相一致。

相應(yīng)地，其他4種不同含水量條件下4種植物根-土復(fù)合體剪應(yīng)力與剪切位移之間的關(guān)系，與土體含水量為10%時(shí)的特征相類似，即當(dāng)含水量分別為6%、14%、18%、22%時(shí)，根-土復(fù)合體的剪切位移均顯著小于素土，且在不同含水量條件下，4種植物根-土復(fù)合體與不含根系素土的剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律。在此，以檸條錦雞兒為例加以說明，由根-土復(fù)合體含水量分別為6%、10%、14%、18%、22%時(shí)的剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系(圖5)可知，隨著垂直壓力P的增加，試樣剪應(yīng)力呈現(xiàn)出顯著增大的變化趨勢，且在4級垂直壓力中的任意一級垂直壓力作用下，例如在P3=200 kPa垂直壓力下，當(dāng)剪應(yīng)力達(dá)到一定值(如剪應(yīng)力τ=40 kPa)時(shí)，土體含水量分別為6%、10%、14%、18%和22%條件下的檸條錦雞兒根-土復(fù)合體的剪切位移量分別為0.69 mm、0.90 mm、1.18 mm、1.42 mm、1.85 mm，與土體含水量6%相比，土體含水量為10%、14%、18%、22%時(shí)的檸條錦雞兒根-土復(fù)合體的剪切位移量增長幅度分別為30.43%、71.01%、105.80%、168.12%，這在一定程度上可反映出，土體抗剪切變形的能力隨土體含水量增加呈逐漸減小的變化規(guī)律。

圖5 不同含水量條件下檸條錦雞兒根-土復(fù)合體剪應(yīng)力與剪切位移之間的關(guān)系

3.2 不同含水量條件下素土與根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)對比

3.2.1 素土與根-土復(fù)合體黏聚力

已有研究表明，植物根系主要通過顯著增強(qiáng)土體黏聚力來增強(qiáng)其抗剪強(qiáng)度(Normaniza et al.，2008)。本項(xiàng)研究中植物根-土復(fù)合體黏聚力的增長量及增長幅度如表2所示。

表2 試驗(yàn)區(qū)素土與4種植物根-土復(fù)合體試樣黏聚力的增長量和增長幅度計(jì)算結(jié)果

由表2可知，當(dāng)土體含水量相同時(shí)，植物根-土復(fù)合體黏聚力普遍大于素土，且檸條錦雞兒根-土復(fù)合體黏聚力增長量與增長幅度相對最大，其次為白刺、芨芨草、細(xì)莖冰草，例如當(dāng)土體含水量為10%時(shí)，與不含根系素土試樣相比，檸條錦雞兒、白刺、芨芨草、細(xì)莖冰草其根-土復(fù)合體試樣的黏聚力增長量分別為11.89 kPa、8.63 kPa、6.38 kPa、2.78 kPa，黏聚力增長幅度則分別為184.63%、134.01%、99.07%、43.17%，由此可見，檸條錦雞兒、白刺根-土復(fù)合體其黏聚力增長量和增長幅度，顯著大于芨芨草和細(xì)莖冰草根-土復(fù)合體。上述結(jié)果表明，5種含水量梯度條件下，區(qū)內(nèi)4種植物根系均對邊坡土體黏聚力起顯著增強(qiáng)作用，且灌木植物根系較草本根系對邊坡土體黏聚力的增強(qiáng)作用相對較大。

圖6所示為區(qū)內(nèi)素土與4種植物根-土復(fù)合體含水量與黏聚力之間的關(guān)系，由該圖可知，素土與根-土復(fù)合體試樣土體含水量對其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)具有顯著性影響，具體表現(xiàn)為：(1)當(dāng)土體含水量為6%時(shí)，素土和檸條錦雞兒、白刺、芨芨草、細(xì)莖冰草根-土復(fù)合體的黏聚力分別為8.32 kPa、20.49 kPa、18.07 kPa、15.62 kPa、11.19 kPa，隨著土體含水量增加，根-土復(fù)合體和素土黏聚力降低，當(dāng)土體含水量達(dá)到22%時(shí)，素土和檸條錦雞兒、白刺、芨芨草、細(xì)莖冰草根-土復(fù)合體的黏聚力分別為3.18 kPa、14.65 kPa、11.19 kPa、8.52 kPa、5.12 kPa，與土體含水量為6%時(shí)相比，素土和4種植物根-土復(fù)合體黏聚力降低幅度分別為61.78%、28.50%、38.07%、45.45%、54.24%；(2)當(dāng)含水量較小時(shí)，隨著含水量增加，素土和根-土復(fù)合體黏聚力的降低普遍較為顯著，當(dāng)含水量增加至14%時(shí)，隨著含水量增加，其黏聚力降低程度則較為緩慢，例如檸條錦雞兒根-土復(fù)合體含水量由6%增加至14%時(shí)，其黏聚力降低幅度為18.11%，而其含水量由14%增加至22%時(shí)，黏聚力降低幅度則為12.69%。表3為區(qū)內(nèi)素土與根-土復(fù)合體黏聚力值及其與含水量之間的擬合方程式，由表3可知，素土與根-土復(fù)合體的黏聚力，隨著土體含水量呈二次多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系降低。上述有關(guān)素土與復(fù)合體中土體含水量對黏聚力影響的研究結(jié)果，與Lian et al.(2019)，F(xiàn)an et al.(2008)和Pollen(2007)等的研究結(jié)果相吻合，這些學(xué)者的研究結(jié)果表明，土體含水量增加會(huì)顯著降低根系加筋和未加筋土體的強(qiáng)度。

表3 試驗(yàn)區(qū)素土與4種植物根-土復(fù)合體黏聚力值及其與含水量之間的擬合方程

圖6 素土與根-土復(fù)合體黏聚力與含水量之間的變化關(guān)系

3.2.2 素土與根-土復(fù)合體內(nèi)摩擦角

如圖7所示為區(qū)內(nèi)素土與4種植物根-土復(fù)合體內(nèi)摩擦角與含水量之間的關(guān)系。由圖7可知，(1)在相同含水量條件下，素土與4種草本和灌木根-土復(fù)合體內(nèi)摩擦角變化規(guī)律不顯著，由此可知，草本和灌木根系對土體內(nèi)摩擦角的影響較小。胡夏嵩等(2009)在PVC管中種植灌木植物，并在室內(nèi)進(jìn)行4種灌木根-土復(fù)合體直剪試驗(yàn)，結(jié)果表明灌木根-土復(fù)合體的黏聚力c值均顯著大于素土，而內(nèi)摩擦角φ值變化相對不顯著。(2)隨著含水量的增加，素土和4種植物根-土復(fù)合體的內(nèi)摩擦角呈顯著降低趨勢，當(dāng)土體含水量由6%增加至22%時(shí)，復(fù)合體內(nèi)摩擦角由24.22°±0.88°逐漸降低至14.84°±0.96°，降幅為38.73%。與本項(xiàng)研究結(jié)果相類似的研究表現(xiàn)在，例如陳煒韜等(2006)通過對格爾木地區(qū)的氯鹽漬土進(jìn)行直剪試驗(yàn)，結(jié)果表明在相同含鹽量條件下，隨著土體含水量的增加，其內(nèi)摩擦角呈降低趨勢。

圖7 素土與4種植物根-土復(fù)合體內(nèi)摩擦角與含水量之間的關(guān)系

3.3 不同含水量條件下植物根系對土體抗剪強(qiáng)度影響的機(jī)理分析

本項(xiàng)研究結(jié)果表明，植物根系主要通過顯著增強(qiáng)土體黏聚力表現(xiàn)對其抗剪強(qiáng)度的增強(qiáng)作用，而其內(nèi)摩擦角變化相對較小，這與Lian et al.(2019)、Normaniza et al.(2008)、張超波等(2009)的研究結(jié)果表現(xiàn)出一定的相似性。其中：草本和灌木植物根系增強(qiáng)土體黏聚力的作用機(jī)理主要表現(xiàn)為，由于草本和灌木植物根系具有較強(qiáng)的抗拉特性，而土體抗壓能力較強(qiáng)其抗拉能力較弱，故當(dāng)剪切力作用于含根系土體時(shí)，根系可將土體內(nèi)部剪應(yīng)力轉(zhuǎn)化為自身承受的拉應(yīng)力，穿過土體剪切面的根系將其拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化為剪切面的法向應(yīng)力和切向應(yīng)力，其中法向應(yīng)力增加了剪切面上的正應(yīng)力，可增強(qiáng)剪切面的摩擦強(qiáng)度，而切向應(yīng)力則可抵抗剪切面兩側(cè)土體發(fā)生剪切變形，從而起到增強(qiáng)土體黏聚力的作用(Waldron，1977；劉亞斌等，2020)。

此外，本項(xiàng)研究結(jié)果表明：灌木根系較草本植物根系對土體黏聚力的增強(qiáng)作用相對較為顯著。這主要?dú)w因于本項(xiàng)研究中灌木與草本根-土復(fù)合體中的根系分布特征存在差異性。如圖8(李國榮等，2007)所示，灌木植物為主直根型，其根系在土體中呈近似垂直分布，在根-土復(fù)合體中的每個(gè)根段均能貫穿剪切面，起到一定錨固土體的作用，具有顯著促進(jìn)剪應(yīng)力傳遞和擴(kuò)散作用(Fan et al.，2010；栗岳洲等，2015)；相比較而言，本項(xiàng)研究中的草本植物均為須根型，根系在土體中近似呈水平或傾斜分布，主要起加筋作用，在試樣中僅有部分根系貫穿剪切面，即在試樣受剪切作用時(shí)，僅有部分根系可起到增強(qiáng)土體抗剪強(qiáng)度的作用；與此同時(shí)，相關(guān)研究結(jié)果亦進(jìn)一步表明，植物根系對土體的加筋錨固作用與根系自身的抗拉力有關(guān)，根據(jù)課題組前期相關(guān)研究結(jié)果可知，本項(xiàng)研究中檸條錦雞兒和白刺的單根抗拉力明顯大于芨芨草和細(xì)莖冰草(栗岳洲等，2015)。

圖8 灌木與草本植物護(hù)坡作用示意圖(李國榮等，2007；略作改動(dòng))

本項(xiàng)研究結(jié)果表明，隨著含水量的增加，土體黏聚力和內(nèi)摩擦角表現(xiàn)出呈降低的變化趨勢。其中：含水量對其根-土復(fù)合體黏聚力的影響機(jī)理主要體現(xiàn)在：(1)當(dāng)根系加固土體發(fā)生剪切時(shí)，根系發(fā)生了兩種變形破壞機(jī)制，即根系斷裂和拔出現(xiàn)象，土體水分含量的變化影響根系斷裂和拔出現(xiàn)象產(chǎn)生的比率，從而影響根系提供的黏聚力(Pollen，2007)；(2)本項(xiàng)試驗(yàn)研究中，素土和根-土復(fù)合體試樣土體為硫酸鹽漬土，當(dāng)土體含水量增加時(shí)，土體中孔隙水能溶解較多的Na2SO4，使得土體內(nèi)呈粉末狀或晶體狀Na2SO4含量減少，降低其對土顆粒的膠結(jié)作用，從而一定程度影響到土體黏聚力，其結(jié)果使得土體黏聚力降低(李飛等，2012)。相應(yīng)地，含水量對其根-土復(fù)合體內(nèi)摩擦角的影響機(jī)理主要表現(xiàn)為：(1)土體含水量的增加，能夠直接增加土顆粒周圍結(jié)合水層的厚度，甚至土顆粒間存在自由水，這些水分均可起到潤滑作用，從而降低了土顆粒間滑動(dòng)摩擦力和咬合摩擦力，導(dǎo)致內(nèi)摩擦角減小(霍晨琛等，2017)。(2)由于本項(xiàng)研究所采用的土體為硫酸鹽漬土，當(dāng)含水量增加時(shí)，會(huì)溶解較多的Na2SO4，使得土體孔隙之間的Na2SO4溶液愈多，且Na2SO4溶液為一種水基潤滑劑，故能起到減小土顆粒粒間摩擦力的作用(張文廣等，2000；王月禮，2014)。

4 結(jié) 論

(1)當(dāng)土體含水量相同時(shí)，在相同豎向壓力和剪切應(yīng)力下，4種復(fù)合體的剪切位移均比不含根系素土小，其中檸條錦雞兒根-土復(fù)合體的剪切位移相對較小，白刺次之，其他依次為芨芨草和細(xì)莖冰草，由此可見，根-土復(fù)合體試樣的抗剪切變形能力均顯著強(qiáng)于素土；隨著含水量增加，素土與根-土復(fù)合體在相同剪應(yīng)力與垂直壓力作用下，剪切位移量亦隨之增加，故土體抗剪切變形能力呈降低趨勢。

(2)當(dāng)土體含水量相同時(shí)，與不含根系素土相比，根-土復(fù)合體的黏聚力顯著大于素土，其中檸條錦雞兒根-土復(fù)合體的黏聚力增長量和增長幅度相對最大，其次為白刺、芨芨草、細(xì)莖冰草；此外，在相同含水量條件下，素土與4種草本和灌木根-土復(fù)合體的內(nèi)摩擦角變化相對較小，加筋土內(nèi)摩擦角受根系的影響程度相對不顯著。

(3)隨著土體含水量的增加，素土與4種植物根-土復(fù)合體的黏聚力表現(xiàn)為呈二次多項(xiàng)式函數(shù)遞減的關(guān)系，素土和根-土復(fù)合體的內(nèi)摩擦角表現(xiàn)出明顯的降低趨勢，當(dāng)土體含水量由6%增加至22%時(shí)，復(fù)合體內(nèi)摩擦角則由24.22°±0.88°逐漸降低至14.84°±0.96°，降幅為38.73%。