昭通爛泥箐滑坡源區(qū)原生狀態(tài)根-土復(fù)合體抗剪特征

徐宗恒，張 宇，陶真鵬，查玲瓏，陳云英

(云南師范大學(xué)地理學(xué)部，云南省高原地理過(guò)程與環(huán)境變化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650500)

習(xí)近平總書(shū)記在中國(guó)共產(chǎn)黨的十九大報(bào)告中，首次將“樹(shù)立和踐行綠水青山就是金山銀山的理念”寫(xiě)入報(bào)告中，成為習(xí)近平新時(shí)代中國(guó)特色社會(huì)主義生態(tài)文明建設(shè)的思想和基本方略。在習(xí)近平生態(tài)文明思想的科學(xué)指引下，生態(tài)護(hù)坡治理工程開(kāi)挖邊坡的方式深入人心，運(yùn)用越來(lái)越廣泛。生態(tài)護(hù)坡優(yōu)勢(shì)一方面在于能兼顧綠色植被和工程的相融相通，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的綠色理念；另一方面，則是植被樹(shù)冠、枯落物以及根系有利于降雨條件下水分的入滲，以及植被根系對(duì)土壤強(qiáng)度的提高，加強(qiáng)土壤的抗侵蝕能力，減小坡面侵蝕。

根系固土的力學(xué)性能以及機(jī)理在生態(tài)護(hù)坡研究中尤為重要。學(xué)者們采用室內(nèi)室外試驗(yàn)以及數(shù)值模擬的方式已開(kāi)展眾多有意義的研究成果，室內(nèi)外試驗(yàn)主要采用直接剪切、原位剪切試驗(yàn)、三軸壓縮以及無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)等，例如，姚喜軍、朱珊等、李紹才等、Kok等采用根土復(fù)合體開(kāi)展三軸壓縮和直剪試驗(yàn)；許桐等選取蘆葦、鹽爪爪、無(wú)脈苔草、鹽地風(fēng)毛菊4種優(yōu)勢(shì)鹽生植物根—土復(fù)合體；余燚等選取紅黏土邊坡香根草根土復(fù)合體；張喬艷等選取貴州石漠化區(qū)有代表性的灌木樹(shù)種多花木藍(lán)和雙莢決明根—土復(fù)合體；楊路等選取黃土區(qū)優(yōu)勢(shì)鄉(xiāng)土灌木達(dá)烏里胡枝子、中國(guó)沙棘和狼牙刺根土復(fù)合體；張永亮選擇沙棘根—土復(fù)合體；格日樂(lè)等、邢會(huì)文等選擇楊柴、沙棘、檸條植物重塑樣采用直剪試驗(yàn)；趙記領(lǐng)等、牛家永等選用不同含根量下根—土復(fù)合體采用自主設(shè)計(jì)研制的新型試驗(yàn)裝置開(kāi)展單軸拉伸試驗(yàn)，研究各種植被根土復(fù)合體在各種影響因素下抗剪或抗拉特征。在數(shù)值模擬方面，學(xué)者們主要是利用數(shù)值模擬軟件進(jìn)行不同工況下根土復(fù)合體的剪切特征研究，吳美蘇等利用有限元軟件計(jì)算降雨過(guò)程中裂隙和根土間隙對(duì)滲流場(chǎng)的影響，并分析降雨對(duì)根系固土作用的影響；王一冰等利用PLAXIS數(shù)值軟件進(jìn)行不同工況下直剪試驗(yàn)數(shù)值模擬計(jì)算；黃建坤等用有限元軟件ANSYS模擬含草邊坡和無(wú)草邊坡的應(yīng)力和應(yīng)變分布規(guī)律。這些研究成果均表明，植被根系對(duì)土體具有強(qiáng)化作用，增強(qiáng)土體的抗剪強(qiáng)度，根系類(lèi)型、根系含量、根徑、分布位置、形式、形態(tài)、根系傾角、復(fù)合體含水量對(duì)根—土復(fù)合體強(qiáng)度增強(qiáng)效應(yīng)有不同程度的影響，但是以上的試驗(yàn)對(duì)象多是在野外分別提取土樣和根系以后在室內(nèi)重組混合形成的重塑根—土復(fù)合體(即根系在土內(nèi)分布和土體的組成研究時(shí)被理想化)，而進(jìn)行的數(shù)值模擬采用的工況多為理想狀態(tài)，這樣所得抗剪特性的結(jié)果顯然與原狀復(fù)合體有著本質(zhì)差別，主要體現(xiàn)在原生條件植被根系在復(fù)合體內(nèi)直徑大小、分布位置、形式、形態(tài)以及傾角都具有明顯的隨機(jī)性。本文以昭通爛泥箐滑坡源區(qū)原生狀態(tài)根—土復(fù)合體作為研究對(duì)象，采用直剪試驗(yàn)對(duì)原生復(fù)合體抗剪特征進(jìn)行深入研究，并與室內(nèi)重塑復(fù)合體試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，得到原生復(fù)合體的抗剪特征，從而為護(hù)坡植被的選擇和配置提供基礎(chǔ)的理論依據(jù)，能更合理有效地指導(dǎo)開(kāi)展水土保持生態(tài)護(hù)坡設(shè)計(jì)。

1 研究區(qū)概況

小河鎮(zhèn)隸屬云南省昭通市巧家縣東北部。巧家縣在區(qū)域構(gòu)造上屬川滇經(jīng)向構(gòu)造體系，位于川滇經(jīng)向構(gòu)造帶北段東緣與東側(cè)滇東“多”字形構(gòu)造的結(jié)合部，北西向以構(gòu)造控制為主，主要構(gòu)造帶為藥山構(gòu)造帶；研究區(qū)構(gòu)造發(fā)育，以斷裂為主，褶皺次之。馬鞍村爛泥箐村民小組是小河鎮(zhèn)下轄的行政村，小河鎮(zhèn)位于發(fā)源于昆明嵩明縣的金沙江支流牛欄江流域的爐房溝與銀廠溝交匯地帶，境內(nèi)主要為構(gòu)造溶蝕侵蝕高山峽谷地貌，最高點(diǎn)位于山堡村滿天星，海拔3 300 m；西側(cè)藥山山頂海拔4 040 m，小河鎮(zhèn)政府駐地位于牛欄江干流西北側(cè)，處于兩山間河谷地帶，海拔不到1 000 m，受牛欄江強(qiáng)烈下蝕作用以及斷裂，褶皺的影響，小河鎮(zhèn)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。為研究滑坡區(qū)優(yōu)勢(shì)物種鳶尾科鳶尾屬鳶尾(Maxim.)對(duì)防治地表水土流失和固土作用，在爛泥箐滑坡滑源區(qū)(103.1422°E，27.2746°N，高程2 315 m)獲取原狀根—土復(fù)合體開(kāi)展相關(guān)的試驗(yàn)研究。

2 材料與方法

2.1 野外取樣

在進(jìn)行取樣之前，對(duì)滑坡源區(qū)范圍內(nèi)植被類(lèi)型、生長(zhǎng)狀況進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，滑坡滑源區(qū)的優(yōu)勢(shì)草本物種為鳶尾科鳶尾屬鳶尾(Maxim.)和菊科蒿屬艾(LévlVan.)2種多年生植物，在源區(qū)成片狀或者帶狀分布。選擇長(zhǎng)勢(shì)較好、未有人為擾動(dòng)的鳶尾大面積分布區(qū)域，先去除土體表層范圍內(nèi)的大根枯枝和雜草以及稍大礫石，并清除周?chē)锌赡芊恋K取樣的雜物，在清理時(shí)注意盡量不要擾動(dòng)土體表層以及不要拉扯到植物植株。清理好取樣現(xiàn)場(chǎng)以后，選定取樣范圍，然后將植株地上部分統(tǒng)一用鋒利剪刀進(jìn)行切除，將剪切用30 cm×2 cm配套環(huán)刀放置于根—土復(fù)合體表土層之上，配合橡膠錘和手柄將環(huán)刀擊入土中，用環(huán)刀套住復(fù)合體，然后由環(huán)刀外圍5 cm處開(kāi)始由表及里進(jìn)行緩慢切土開(kāi)挖，到預(yù)定深度以后挖取復(fù)合體，為了保證試驗(yàn)復(fù)合體的含水率離散性不大，在相同水平上，取樣深度控制在表土層20 cm范圍內(nèi)。然后用削土刀將該土柱試樣緩慢由外向內(nèi)削去環(huán)刀外多余土樣，使環(huán)刀內(nèi)土樣成規(guī)則狀。為了防止試樣水分損失影響試驗(yàn)結(jié)果，將取得的土樣進(jìn)行標(biāo)記，迅速用保鮮薄膜包裹好，分樣裝入密閉的自封袋帶回實(shí)驗(yàn)室。本次試驗(yàn)所取得復(fù)合體的土體為灰色、紫色黏土、亞黏土，偶夾有少量的泥巖碎屑，細(xì)粒土黏性較強(qiáng)，吸水后軟化效應(yīng)明顯。在土樣表面可見(jiàn)有明顯根系分布，根據(jù)表面暴露的根系量以及取樣現(xiàn)場(chǎng)切削土樣時(shí)觀察到的根系分布情況，將復(fù)合體按照根系從少到多分為4組，分別定名為B(g9～g12)、C(g5～g8)、D(g17～g20)、E(g13～g16)組。為了對(duì)比研究，同時(shí)獲取2組不含根系的試驗(yàn)土樣作為參照組(素土)，定名為A1和A2組(平均值分析時(shí)定為A組)。

2.2 室內(nèi)試驗(yàn)與研究方法

本次剪切試驗(yàn)采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的ZJ型應(yīng)變控制直剪儀，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/T 50123—1999)進(jìn)行。采用8 r/min的速度以及4個(gè)豎向壓力(100，200，300，400 kPa)條件下對(duì)素土和根—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)力與剪切位移曲線圖，抗剪強(qiáng)度的獲取方法為：曲線有峰值時(shí)取該峰值為抗剪強(qiáng)度，不出現(xiàn)峰值時(shí)取剪切位移4 mm對(duì)應(yīng)剪應(yīng)力為抗剪強(qiáng)度。得到各級(jí)垂直壓力下的抗剪強(qiáng)度后，根據(jù)庫(kù)倫定律(=+tan。式中：為抗剪強(qiáng)度(kPa)；為垂向壓力(kPa)；為內(nèi)摩擦角(°)；為黏聚力(kPa))，按照垂向壓力與抗剪強(qiáng)度的線性回歸關(guān)系方程即可得到、值。

研究根系對(duì)土體增強(qiáng)作用，不僅考慮復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度()、黏聚力()、內(nèi)摩擦角()，還可以分析抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)量(Δ(kPa))，抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)率(Δ＇(%))，黏聚力和內(nèi)摩擦角增長(zhǎng)率(Δ＇(%))和(Δ＇(%))。計(jì)算公式為：

Δ=-

Δ＇=(-)×100%

Δ＇=(-)×100%

Δ＇=(-)×100%

式中：、分別為復(fù)合體和素土的抗剪強(qiáng)度(kPa)；、分別為復(fù)合體和素土的黏聚力(kPa)；、分別為復(fù)合體和素土的內(nèi)摩擦角(°)。

3 結(jié)果與分析

3.1 應(yīng)力-應(yīng)變特征

根據(jù)直接剪切試驗(yàn)結(jié)果，繪制剪切位移與剪應(yīng)力關(guān)系曲線。由圖1可以看出，同一垂向壓力下，隨著剪切位移的增加，剪應(yīng)力逐漸增加，但增長(zhǎng)速度由快及慢，直至剪切位移達(dá)到一定階段土樣被剪切破壞，變化幅度最小的為垂向壓力100 kPa的曲線。A1、A2原狀素土與B、C、D、E復(fù)合體的曲線有著明顯的區(qū)別，前者多數(shù)都有著密實(shí)黏土相似的性質(zhì)，曲線有明顯的峰值，具有應(yīng)變軟化特征，可以直接按峰值讀取土樣抗剪強(qiáng)度，而后者剪應(yīng)力隨著剪切位移增加逐漸增加或者趨于某一穩(wěn)定數(shù)值，強(qiáng)度峰值均未出現(xiàn)，具有應(yīng)變硬化特征，按照規(guī)定取剪切位移為4 mm時(shí)對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力為抗剪強(qiáng)度。從曲線特征可以發(fā)現(xiàn)，根系對(duì)土樣抗剪特征影響明顯，素土多數(shù)隨剪切位移增加在上下盒接觸面附近發(fā)生直接剪切破壞，而復(fù)合體則在土樣沿接觸面緩慢錯(cuò)動(dòng)后，貫穿上下盒的根系就會(huì)逐漸進(jìn)入工作而使得復(fù)合體產(chǎn)生應(yīng)變硬化的特性，得到曲線“不低頭”，不會(huì)出現(xiàn)峰值。

圖1 土樣剪切位移-剪應(yīng)力曲線

按照國(guó)家規(guī)范《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—1999)規(guī)定，可以得到素土A1、A2以及不同根系含量復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度(圖2)。A1和A2為平行試驗(yàn)，雖然兩者剪切位移—剪應(yīng)力曲線稍有區(qū)別，但抗剪強(qiáng)度差別不大，最大差值為400 kPa時(shí)的106.42，161.82 kPa，相差55.4 kPa，出現(xiàn)該差別較大的原因是該垂向壓力下，A1應(yīng)變軟化，有明顯的峰值點(diǎn)，且出現(xiàn)得較早(在剪切位移1.72 mm時(shí)即出現(xiàn))，導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度明顯偏低，而A2可能是粒度組成的差異，在該垂向壓力下出現(xiàn)與一般素土不同的硬化特征，抗剪強(qiáng)度較高。在相同壓力下A1和A2的抗剪強(qiáng)度均明顯低于復(fù)合體，符合規(guī)律，可用兩者的抗剪強(qiáng)度平均值作為素土A抗剪強(qiáng)度進(jìn)行分析和研究。從圖2還可看出，在相同垂向壓力下，各復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度均比素土的高，根系加固效應(yīng)顯著，因?yàn)閺?fù)合體的抗剪強(qiáng)度不僅來(lái)源于顆粒之間相互作用，還來(lái)源于根系，當(dāng)根系存在時(shí)，復(fù)合體隨剪切面錯(cuò)動(dòng)時(shí)，剪應(yīng)力一部分由根系承擔(dān)，其余的由土體顆粒承擔(dān)，根系的抗拉強(qiáng)度相對(duì)較高會(huì)對(duì)復(fù)合體的側(cè)向變形起到阻止作用，從而使土樣的抗剪強(qiáng)度得到提高。

通過(guò)試驗(yàn)前對(duì)原狀土樣含水率進(jìn)行測(cè)定可知含水率離散性不大，為28%～33%，為了對(duì)比分析相同含水率條件下原狀與重塑復(fù)合體抗剪特征的差別，此處列出筆者文獻(xiàn)[23]中30%含水率時(shí)各垂向壓力下重塑根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度(圖3)，隨著根土復(fù)合體中含根量由0增值至0.93 mg/cm，根—土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度顯著增加，這與原狀復(fù)合體變化一致，但在相同垂向壓力下，重塑復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度一般低于原狀土樣。當(dāng)含根量為0.93 mg/cm時(shí)，重塑復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度達(dá)到峰值，分別為51，105，159，195 kPa；當(dāng)含根量為1.4 mg/cm時(shí)，其抗剪強(qiáng)度反而降低，所以對(duì)于重塑復(fù)合體，隨著含根量的增加，根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度值有著先增加后降低的趨勢(shì)，反映出重塑復(fù)合體中存在最優(yōu)(最佳)含根量，即當(dāng)含根量達(dá)到或接近最優(yōu)(最佳)時(shí)，根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大值，這與文獻(xiàn)[24-25]結(jié)果一致。結(jié)合圖2結(jié)果，雖然原狀復(fù)合體根系固土作用明顯，抗剪強(qiáng)度較大，在垂向壓力為400 kPa含根量最多時(shí)抗剪強(qiáng)度最大，沒(méi)有出現(xiàn)與重塑土類(lèi)似的最優(yōu)(最佳)含根量，這可能與根系分布的隨機(jī)性有關(guān)，根系分布量較少可能也是沒(méi)有出現(xiàn)最優(yōu)(最佳)含根量的原因。

圖2 不同垂向壓力時(shí)原狀土樣抗剪強(qiáng)度

圖3 文獻(xiàn)[23]含水量30%時(shí)不同垂向壓力下土樣抗剪強(qiáng)度

從抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)量和增長(zhǎng)率(表1)也能看出明顯的根系加固效應(yīng)，隨著含根量的增加，復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)量和增長(zhǎng)率一直呈現(xiàn)增加態(tài)勢(shì)。100 kPa垂向壓力時(shí)，加固效應(yīng)有限，增長(zhǎng)值和增長(zhǎng)率偏低，含根量最多(E組)時(shí)兩者最大，分別為20.83 kPa和43.32%；垂向壓力為200 kPa時(shí)，低含根量時(shí)增長(zhǎng)值和增長(zhǎng)率最低，為23.74 kPa和36.78%，E組增長(zhǎng)最明顯，增長(zhǎng)值和增長(zhǎng)率分別達(dá)到52.04 kPa和80.62%；垂向壓力為300 kPa時(shí)，抗增長(zhǎng)值和增長(zhǎng)率隨含根量均呈梯級(jí)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，最大值81.77 kPa和86.59%；垂向壓力400 kPa時(shí)，具有與300 kPa時(shí)相同態(tài)勢(shì)，但不同的是在低含根量時(shí)(B組和C組)，抗剪強(qiáng)度即明顯提高(增長(zhǎng)量分別為59.88，60.11 kPa，增長(zhǎng)率分別為44.65%和44.82%)，之后在含根量最多時(shí)達(dá)到最大值，分別為93.18 kPa和69.48%?？芍煌瓜驂毫ο驴辜魪?qiáng)度增長(zhǎng)量和增長(zhǎng)率隨垂向壓力的增加而不斷增大，垂向壓力越大，土壤顆粒在垂向壓力作用下越緊密，根土界面擠壓—摩擦效應(yīng)越大，復(fù)合體抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)則越明顯，且復(fù)合體根系對(duì)抗剪強(qiáng)度增強(qiáng)效應(yīng)顯現(xiàn)隨著垂向壓力增加逐漸提前，即高垂向壓力時(shí)根系增強(qiáng)效應(yīng)在低含根量條件時(shí)都能有很好地體現(xiàn)，在高含根量時(shí)增強(qiáng)效應(yīng)更明顯。

表1 原狀復(fù)合體抗剪強(qiáng)度與素土比較的增長(zhǎng)量和增長(zhǎng)率

3.2 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)特征

根據(jù)各級(jí)垂直壓力下的抗剪強(qiáng)度和庫(kù)倫定律可以計(jì)算得到不同含根量復(fù)合體的內(nèi)摩擦角()和黏聚力()，和兩者之間關(guān)系見(jiàn)表2。根據(jù)垂向壓力()與抗剪強(qiáng)度()的線性回歸關(guān)系方程計(jì)算得、值，由表2可看出，垂向壓力—抗剪強(qiáng)度兩者線性擬合度較好，計(jì)算的、值可靠。

由表2并結(jié)合文獻(xiàn)[23]試驗(yàn)結(jié)果(表3)可以看出，根系的含量對(duì)原狀土和重塑土、值影響有明顯的區(qū)別，原狀復(fù)合體值隨含根量增加分別為14.44 kPa→14.69 kPa→13 kPa→2.5 kPa→14.7 kPa，整體趨勢(shì)為隨含根量先小幅增加再降低而后增加(即沒(méi)有明顯變化規(guī)律)，在含根量較少(B組)和最多(E組)時(shí)，值最大，變化最明顯同時(shí)也是最小是D復(fù)合體(2.5 kPa)，與素土(14.44 kPa)相比值降低82.67%。值隨含根量增加分別為15.82°→21.4°→23.14°→27.18°→27.99°，隨著含根量的增加呈逐級(jí)遞增趨勢(shì)，但增加的梯度(相鄰不同含根量復(fù)合體之間的差值)則逐漸降低，最大值為E復(fù)合體27.99°，與素土A(15.82°)相比值增加76.93%。對(duì)于重塑復(fù)合體，值隨含根量呈逐級(jí)降低趨勢(shì)，為18.5 kPa→10.5 kPa→6 kPa→-2 kPa，變化最明顯是含根量為1.4 mg/cm的復(fù)合體(-2 kPa)，與素土(18.5 kPa)相比值降低110.81%，值隨含根量先增加后降低，為20.76°→22.83°→25.92°→25.31°，含根量為0.93 mg/cm時(shí)增長(zhǎng)量最大，與素土的20.76°相比值增加27.34%，由于最優(yōu)(最佳)含根量的原因，在含根量最大(1.4 mg/cm)時(shí)，值為-2 kPa，值為25.31°。含根量對(duì)原狀土和重塑土、值影響整體趨勢(shì)基本一致，但影響幅度不盡相同。

表2 不同含根量情況下土樣c、φ值

表3 不同含根量各土樣c、φ值及與素土比較的增長(zhǎng)率

含根量對(duì)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)具有明顯影響的原因需要從決定、值的因素去分析，根據(jù)前節(jié)分析，根系對(duì)土體的加固效應(yīng)明顯，復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度由黏聚力()和內(nèi)摩擦力(tan)決定，、值是土壤抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，由土力學(xué)知識(shí)可知，黏聚力來(lái)源土粒之間的膠結(jié)作用和電分子吸引力，受黏粒含量和含水量等因素影響；摩擦力來(lái)源剪切面土粒間表面的粗糙摩擦和互相嵌入所產(chǎn)生的咬合力，受垂向應(yīng)力、土密度、顆粒級(jí)配及形狀等影響。受原狀素土和重塑素土的粒度組成和含水率的影響，兩者、值有差別，這屬于正?，F(xiàn)象，對(duì)于復(fù)合體，在低根系量時(shí)，、值主要由土體的自身性質(zhì)決定，高含根量時(shí)，隨著剪切位移的增加，特別是潛在剪切面形成后，剪應(yīng)力主要由根系承擔(dān)，隨剪切位移繼續(xù)增加，復(fù)合體具有應(yīng)變硬化特征，值相對(duì)于素土降低，而此時(shí)存在根系的復(fù)合體所受部分剪應(yīng)力會(huì)轉(zhuǎn)化為根系張力，該張力產(chǎn)生的垂向分力增大顆粒之間的嵌入咬合力，且隨著根系的增加而增加，所以值隨根系含量增加而增加，而水平分力則阻止剪切的進(jìn)程，間接增加土體抗剪強(qiáng)度，當(dāng)超過(guò)最優(yōu)(最佳)含根量以后，復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度受復(fù)合體中存在過(guò)量根系的影響，土粒之間的膠結(jié)作用和電分子吸引力等因素作用而產(chǎn)生黏聚力失去主導(dǎo)效應(yīng)，這也是重塑土含根量1.4 mg/cm時(shí)抗剪強(qiáng)度較前一級(jí)有所降低、且值為-2 kPa反常的原因。

4 討 論

由分析可知，復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度比素土的高，根系加固土體的效應(yīng)明顯。隨著含根量的增加，復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度呈增加趨勢(shì)，在復(fù)合體中存在使抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大值所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)(最佳)含根量，該最優(yōu)(最佳)含根量受不同植被類(lèi)型根系、不同根系分布特征等因素影響。復(fù)合體在受剪作用初期，該剪切力主要由顆粒膠結(jié)作用和電分子吸引力，以及粒間摩擦和咬合作用承擔(dān)，根系基本不承擔(dān)或承擔(dān)較少；當(dāng)剪切面逐漸形成后，剪切力主要由根系承擔(dān)，這個(gè)時(shí)候根系加固土體的作用逐漸顯現(xiàn)，隨著剪切力和位移的增加，根系固土作用隨之增強(qiáng)，出現(xiàn)應(yīng)變硬化的特性，最終在剪切力作用下剪切面貫通復(fù)合體破壞。根據(jù)任柯的研究結(jié)果，復(fù)合體在外荷載作用下的破壞模式分為2種：一是根土復(fù)合體整體出現(xiàn)剪切破壞，表現(xiàn)為根系被拉斷，土體破壞；二是根與土的接觸面出現(xiàn)剪切破壞，表現(xiàn)為根系被拔出土體。

為探究原狀復(fù)合體的破壞模式以及原狀內(nèi)復(fù)合體根系分布的情況及其對(duì)強(qiáng)度的影響，將試驗(yàn)后的典型土樣沿縱斷面剖開(kāi)，觀察斷面情況。根據(jù)斷面情況發(fā)現(xiàn)，素土破壞模式為整體破壞，破壞時(shí)沿著上下盒交界面附近形成貫通的剪切面，但并不是完全水平，在交界面處存在有毫米尺度角礫時(shí)有繞過(guò)角礫錯(cuò)動(dòng)的痕跡；但在復(fù)合體的破壞斷面上，并沒(méi)有形成明顯的貫穿剪切面，也沒(méi)有根系被拉斷的情況，僅根系有明顯變形的情況，破壞模式多為第2種，即破壞時(shí)表現(xiàn)為根系被拔出土體，根系與旁側(cè)土體顆粒有明顯的錯(cuò)動(dòng)變形。從原狀復(fù)合體的破壞斷面來(lái)看，不同組的土樣剖面出露的根系數(shù)量和形態(tài)有明顯差別，同組土樣根系直徑和數(shù)量雖有所差別，但根系總量基本相同。B組復(fù)合體g12，復(fù)合體破壞后的斷面顯示斷面上存在有2根垂向的根系及部分細(xì)小的側(cè)根系，受到剪切力作用直至破壞以后2根根系已有一定角度的傾斜，傾斜方向與剪切方向相一致，表明根系在剪切過(guò)程中的加強(qiáng)作用，雖然g12含根量較少，但是g12高垂向力(400 kPa)時(shí)抗剪強(qiáng)度達(dá)到194.0 kPa，比在相同垂向荷載下素土的抗剪強(qiáng)度增加59.88 kPa，僅比C組g8的抗剪強(qiáng)度小0.23 kPa，可見(jiàn)，含根量雖少，但是加固效果較優(yōu)。D組復(fù)合體g14斷面顯示有較多根系，其中直徑近7 mm的主根系在土內(nèi)呈平臥狀態(tài)，剪切面由其下方通過(guò)，僅見(jiàn)部分側(cè)根傾斜分布，g14抗剪強(qiáng)度為116.60 kPa，相同垂向壓力下素土抗剪強(qiáng)度為64.56 kPa，該復(fù)合體根系有加固效應(yīng)，但該效應(yīng)是有限的。B組復(fù)合體g11斷面未見(jiàn)主根系分布，僅可見(jiàn)一些側(cè)根和須根分布，根系分布量較少，抗剪強(qiáng)度為100.75 kPa，遠(yuǎn)低于B組前述的復(fù)合體g12(194.0 kPa)，高于B組g9垂向壓力100 kPa時(shí)67.54 kPa，可能受直接剪切試驗(yàn)復(fù)合體尺度的影響，所以強(qiáng)度提高不明顯，但對(duì)于不存在主根但具有團(tuán)簇狀眾多側(cè)根的復(fù)合體在大尺度條件下增強(qiáng)效果明顯。E組復(fù)合體g16斷面上含根量較多，直徑近1 cm的主根系約45°傾斜貫穿剪切面，同時(shí)還有較多的側(cè)根系，雖然根系傾斜分布方向與剪切錯(cuò)動(dòng)方向一致，但在剪切力作用下，根土界面產(chǎn)生的摩擦滑移使得根系具有較大固土能力，抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大值。D組復(fù)合體g17雖有與g12類(lèi)似的垂向貫通剪切面的根系以及部分側(cè)根和須根系，但由于為單根根系，且垂向壓力較小，根系在剪切力作用下沒(méi)有明顯位移，未發(fā)揮明顯的固土效應(yīng)，抗剪強(qiáng)度為67.19 kPa，僅比素土的49.22 kPa高出17.97 kPa。從斷面觀察和抗剪強(qiáng)度定量分析發(fā)現(xiàn)，根系在復(fù)合體內(nèi)分布的級(jí)別(直徑大小)、分布的形態(tài)、存在狀態(tài)(根系垂直或不同程度的傾斜)、是否貫穿剪切面，以及垂向壓力的大小等內(nèi)因和外因?qū)Ω蛋l(fā)揮固土效應(yīng)是有影響的，根系垂向分布，貫穿剪切面且垂向壓力較大(g12)時(shí)，或雖不垂直分布，但根系為主根系(直徑較大)(g16)，固土效應(yīng)相對(duì)較優(yōu)；根系垂向分布且貫穿剪切面但垂向壓力小(g17)，或非主根的根系直徑較小且數(shù)量隨機(jī)分布較少(g11)時(shí)，根系作用發(fā)揮不明顯；同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，如果根系在復(fù)合體中傾斜分布，方向與剪切錯(cuò)動(dòng)方向一致也影響固土作用的發(fā)揮，傾斜角度越大，作用越小，水平分布且不位于剪切面上的根系(g14)，基本沒(méi)有固土作用。

本研究成果可為增強(qiáng)復(fù)合體抗剪強(qiáng)度為目的的護(hù)坡植被的選擇提供基礎(chǔ)理論依據(jù)，但是由于該試驗(yàn)所采取的復(fù)合體尺度較小，實(shí)際斜坡土體內(nèi)眾多根系所組成的復(fù)雜根系網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的抵抗剪切變形的能力比試驗(yàn)值高，所以實(shí)際增強(qiáng)效果還需要進(jìn)一步根據(jù)群根效應(yīng)開(kāi)展相應(yīng)研究，才能使植被選擇更具有科學(xué)性。

5 結(jié) 論

(1)整體上無(wú)根素土具有應(yīng)變軟化特征，而原狀復(fù)合體具有應(yīng)變硬化的特性，各復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度均比素土的高，且抗剪強(qiáng)度隨著含根量的增加而增加，根系固土效應(yīng)明顯，與重塑復(fù)合體不同，由于根系分布的隨機(jī)性或根系量較少等原因，原狀復(fù)合體未出現(xiàn)最優(yōu)(最佳)含根量。

(2)根系及其含量對(duì)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)、值有明顯的影響，值隨含根量的增加沒(méi)有明顯的變化規(guī)律，值則呈逐級(jí)遞增趨勢(shì)，產(chǎn)生這種趨勢(shì)的原因是在剪切過(guò)程中，部分剪應(yīng)力會(huì)轉(zhuǎn)化為根系張力，該張力的垂向分力會(huì)增加顆粒之間的嵌入咬合能力，該能力隨根系的增加而增加。

(3)典型復(fù)合體破壞斷面顯示根系為主根系且垂直貫通剪切面，垂向壓力大時(shí)固土效應(yīng)最優(yōu)，無(wú)主根時(shí)且側(cè)根直徑較小，根系在復(fù)合體中傾斜分布特別是與剪切錯(cuò)動(dòng)方向一致影響固土效應(yīng)發(fā)揮。素土破壞模式為破壞面并不完全水平的整體剪切破壞，復(fù)合體則是非根系被剪斷或拉斷而是根系被拔出土體，根土兩者界面之間產(chǎn)生明顯相對(duì)位移的破壞模式。