凍融作用對黃河源區(qū)曲流河岸土體抗剪特性的影響

劉國松， 朱海麗,2， 張 玉， 劉亞斌,2， 李國榮,2

（1.青藏高原北緣新生代資源環(huán)境重點實驗室，青海 西寧 810016；2.青海大學(xué)地質(zhì)工程系，青海 西寧 810016）

黃河源區(qū)凍土的分布孕育了源區(qū)大面積高寒沼澤濕地和高寒草甸，其間河網(wǎng)密布，湖泊和濕地較多，成為青藏高原重要的水源涵養(yǎng)地。近幾十年來，黃河源區(qū)高寒草甸在自然氣候條件和人為活動的雙重影響下，凍土環(huán)境發(fā)生著顯著變化，導(dǎo)致草地退化，高寒草甸生態(tài)屏障作用削弱，進(jìn)而導(dǎo)致河岸穩(wěn)定性降低、河岸崩塌頻繁發(fā)生［1］。由于河岸帶根土體的力學(xué)特性是影響河岸穩(wěn)定的關(guān)鍵因素，因此，明確凍融作用下源區(qū)河岸帶高寒草甸土體力學(xué)特性的變化規(guī)律對定量分析河岸穩(wěn)定性、解釋河岸崩退機(jī)制并預(yù)測曲流橫向演變趨勢具有重要意義。

凍融循環(huán)對土體力學(xué)性能的影響主要是由于土體的三相介質(zhì)在強(qiáng)烈的凍結(jié)和融化過程中具有不同的熱物理特性造成的［2-3］。不同土體結(jié)構(gòu)和含水條件的土體在凍融循環(huán)作用下的凍脹變化存在明顯差異［4］，當(dāng)凍脹力超過一定數(shù)值，則會改變土顆粒之間的排列和連結(jié)，進(jìn)而在宏觀上表現(xiàn)為土體的剪切強(qiáng)度、彈性模量和黏聚力等力學(xué)性能指標(biāo)降低［5-7］，而土體內(nèi)摩擦角變化規(guī)律不一致［8-12］。當(dāng)土體內(nèi)加入纖維或根系等材料時，其對土體的力學(xué)性能有較大的影響，能顯著提升土體黏聚力。申紫雁等［13］、楊馥鋮等［14］通過直剪試驗研究提出含根土較素土黏聚力提高2.47%～94.1%；Mahya 等［15］、Orakoglu 等［16］通過對摻入纖維材料的土體開展凍融循環(huán)前后的剪切試驗，發(fā)現(xiàn)隨凍融循環(huán)次數(shù)增加，加筋土體強(qiáng)度衰減幅度較素土減弱；Gong 等［17］通過研究凍融循環(huán)作用下聚丙烯纖維對路堤邊坡土體穩(wěn)定性的影響，提出纖維的加入提高了凍融循環(huán)作用下土體的黏聚力，改善了土體穩(wěn)定性，并隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，其改善作用降低；王恒星等［18］研究了結(jié)縷草（Zoysia japonica）、牛筋草（Eleusine indica）、狗尾草（Setaria viridis）的根-土復(fù)合體在凍融前后的抗剪特性，提出凍融循環(huán)之后根-土復(fù)合體黏聚力損失較大，損失幅度在28.6%～55.0%之間，但其黏聚力仍高于素土，內(nèi)摩擦角先增大后減小。黃河源區(qū)曲流河岸土體力學(xué)特性，既受到季節(jié)性凍融作用影響，又存在濱河草甸植物根系作用影響，且隨著高寒草甸植被的退化，其地下有效根系減少［19］，分析二者共同作用下，高寒草甸土體抗剪力學(xué)特性的研究相對較少。因此，本文以黃河源區(qū)曲流河岸高寒草甸含根土體為研究對象，通過室內(nèi)重塑凍融直剪試驗深入分析不同凍融循環(huán)作用、不同含根量變化對濱河土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響，為評價黃河源區(qū)河岸帶不同退化程度的高寒草甸植被根系護(hù)岸作用提供數(shù)據(jù)支撐，同時為分析區(qū)內(nèi)曲流河岸穩(wěn)定性及其橫向演變趨勢提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

選定黃河源二級支流蘭木措曲作為研究區(qū)，其位于青海省黃南蒙古族藏族自治州河南縣，地理坐標(biāo)為34°26′～35°02′N，101°23′～101°35′E（圖1），屬于典型的高寒草甸型彎曲河流，其流程長，流域大，水文地質(zhì)穩(wěn)定，水力蘊藏量十分豐富。試驗區(qū)位于蘭木錯曲中游，該段河床主要為礫卵石河床，土壤類型主要為高山草甸土及沼澤化草甸土。研究區(qū)內(nèi)海拔為3400～4200 m，受季風(fēng)的影響，高原大陸性氣候特點明顯，冷季較長且多大風(fēng)。根據(jù)青海省河南 縣 氣 象 站1981 年7 月1 日—2018 年6 月30 日 氣溫、降水、日照、凍土等觀測資料可知，多年平均降水量為560 mm，多年平均蒸發(fā)量為1349 mm，年平均氣溫0.4 ℃，屬于季節(jié)性凍土區(qū)，年平均凍土深度為137.8 cm，凍土深度最深為162 cm，5—6 月為消融期，11 月至翌年4 月為凍脹期。研究區(qū)內(nèi)河岸帶植被以高寒草甸為主，其中未退化草甸群落以華扁穗草（Blysmus sinocompressus）、線葉嵩草（Kobresia capillifolia）和垂穗披堿草（Elymus nutans）等草本植物為優(yōu)勢植物種；隨著河岸帶草甸植被退化，優(yōu)勢植物種減少，鵝絨委陵菜（Potentilla anserina）、美麗風(fēng)毛菊（Saussurea superba）、矮小火絨草（Leontopodium pusillum）等典型退化物種增多，地下根量減少。

圖1 研究區(qū)位置示意圖Fig.1 Location map of the study area

1.2 試驗材料

為了給室內(nèi)重塑凍融試驗提供物理參數(shù)及根系參數(shù)設(shè)定依據(jù)，在研究區(qū)隨機(jī)選取3 個河灣凹岸做為試驗和取樣點位。由于研究區(qū)高寒草甸植物根系主要集中于地表以下0～30 cm 深度范圍，且含根土體密度、含水率均隨土層深度增大而變化，因此將原位取樣的深度確定為0～30 cm，分三層取樣（0～10 cm、11～20 cm 和21～30 cm）、同一深度范圍重復(fù)3 次取樣并綜合求其平均值，最終設(shè)定室內(nèi)重塑根-土復(fù)合體的密度、含水率及根系含量，使其數(shù)值具有代表性。其中，土體含水率采用小鋁盒取樣，烘干法測定；密度采用小環(huán)刀（內(nèi)徑6.18 cm，高2 cm）原位制樣，稱重法測定；原狀復(fù)合根-土體采用大環(huán)刀（內(nèi)徑10 cm，高6.37 cm）取樣，室內(nèi)采用洗根法分析單位干土中的根系質(zhì)量。

試驗所用的土體材料取自研究區(qū)取樣點濱河凹岸地表以下0～30 cm 深度范圍的土體，土質(zhì)類別為粉土［20］；重塑根-土復(fù)合體制樣選用的根系材料為研究區(qū)優(yōu)勢濱河植物華扁穗草根系。結(jié)合課題組前期野外調(diào)查和原位植被樣方試驗結(jié)果［20］，研究區(qū)河岸帶華扁穗草分布廣泛、覆蓋度達(dá)60%～90%，因此，將其根系作為重塑根-土復(fù)合體根系材料。利用現(xiàn)場挖掘法在華扁穗草生長正常的區(qū)域進(jìn)行根系取樣，挖取花盆大小的根-土復(fù)合體土柱，將其裝入花盆并帶回實驗室?；貙嶒炇液?，采用浸泡、沖洗的方法，獲得干凈的植物根系，放入恒溫箱4 ℃保存待用。

1.3 試驗設(shè)計

試驗得知，研究區(qū)濱河土體的密度范圍在1.34～1.78 g·cm-3之間、含水量在37.2%～53.4%之間，地表植被覆蓋度不同，其物理參數(shù)也相應(yīng)變化。取實測土體物理參數(shù)的平均值，設(shè)定根-土復(fù)合體密度為1.55 g·cm-3，含水量為45%。統(tǒng)計大環(huán)刀內(nèi)根系直徑及含根量（植物根系質(zhì)量與干土質(zhì)量之比）可知，試樣中根系平均直徑為0.11～1.69 mm，根系含量范圍為4.1%～11.7%?；趯崪y根系參數(shù)，試驗按照逐級增加的方式，含根量設(shè)置為0%、4%、7%、11%4個梯度，試驗所用根系材料平均根徑為0.58 mm，根長為30 mm。結(jié)合研究區(qū)近10 a每年10月至次年4月的氣溫和日照時長等氣象數(shù)據(jù)，將本試驗凍結(jié)溫度和融化溫度分別設(shè)定為-18 ℃和10 ℃，凍、融時長各為12 h，完成一次凍融24 h。試驗設(shè)置凍融循環(huán)次數(shù)分別為0、3、6、9、12、15、20次，7個試驗梯度。

1.4 試樣制備及直剪試驗方法

根據(jù)試驗設(shè)計進(jìn)行重塑直剪試樣的制備，制取過程根據(jù)規(guī)范《土工試驗規(guī)程》進(jìn)行。具體操作過程如下：（1）將野外所取得的土體風(fēng)干碾碎后過2 mm 篩；（2）在獲得的干凈華扁穗草根系中挑選出根徑為0.58±0.05 mm 的根系，并將其剪至長約為30 mm 左右的根段；（3）首先按設(shè)計的含根量梯度將剪好的根段與素土干土充分拌勻，然后按設(shè)計的含水率和密度配置素土及不同含根量的根-土復(fù)合體試樣，蓋上保鮮膜后靜置12 h；（4）待根-土復(fù)合體完全浸透，再次攪拌均勻，按質(zhì)量將其均分為4 份，依次裝入三瓣模中，利用分層擊實法分4 層擊實；（5）將制備好的復(fù)合根-土體試樣用保鮮膜密封，以減少水分的流失；（6）對試樣進(jìn)行編號后，放入冰箱并在-18 ℃進(jìn)行凍結(jié)，凍結(jié)完成取出后，再放置在10 ℃條件的恒溫恒濕箱內(nèi)消融12 h，此過程為一次凍融循環(huán)。根據(jù)試驗設(shè)計，依次完成不同含根條件和凍融次數(shù)的試樣凍融循環(huán)試驗；（7）對完成既定凍融循環(huán)次數(shù)后的試樣，立即按照《土工試驗規(guī)程》展開直剪試驗。

采用試驗室ZJ 型應(yīng)變控制式直剪儀開展直接剪切試驗，剪切速率設(shè)定為0.8 mm·min-1，采用逐級加壓的方式，每組試樣施加的法向應(yīng)力分別為50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa，每組試樣試驗結(jié)束后，記錄所得黏聚力c值和內(nèi)摩擦角φ值。

2 結(jié)果與分析

由表1可知，復(fù)合根-土體黏聚力在含根量最高（11%）、未經(jīng)凍融時達(dá)到極大值11.9 kPa，在不含根、凍融循環(huán)6次時，達(dá)到極小值6.37 kPa，其變化幅度較大；內(nèi)摩擦角在含根量為7%、凍融循環(huán)6次時，達(dá)到極小值15.53°，其余均在17.22°～20.3°范圍內(nèi)浮動，變化幅度不大。

表1 凍融試樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)Tab.1 Shear strength index of remolded freeze-thaw sample

采用SPSS軟件對以上數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)整理分析，得到不同含根量、不同凍融循環(huán)次數(shù)對抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力和內(nèi)摩擦角影響的方差分析。其中黏聚力方差分析結(jié)果如下，含根量F＝34.3，顯著性P＝0，差異極顯著；凍融循環(huán)次數(shù)F＝13.1,顯著性P＝0，差異極為顯著，且決定系數(shù)R2＝0.91，說明不同含根量、不同凍融循環(huán)次數(shù)對黏聚力影響極顯著。其中,內(nèi)摩擦角方差分析結(jié)果如下，含根量F＝1.3，顯著性P＝0.3，差異性不顯著；凍融循環(huán)次數(shù)F＝2.0，顯著性P＝0.1，差異性不顯著，且決定系數(shù)R2＝0.46，說明不同含根量、不同凍融循環(huán)次數(shù)對內(nèi)摩擦角影響不顯著。因此，需對不同含根量、不同凍融循環(huán)次數(shù)對抗剪指標(biāo)的影響規(guī)律及影響機(jī)制進(jìn)行詳細(xì)探究。

2.1 凍融作用下含根量對根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響

由圖2可知，不同凍融循環(huán)次數(shù)作用下，土體黏聚力均隨含根量的增加，呈現(xiàn)增大的趨勢，增大幅度明顯，且不同凍融循環(huán)次數(shù)的增大幅度有所差異。結(jié)合表1 數(shù)據(jù)可知，黏聚力增加幅度在凍融循環(huán)3 次時最低，曲線最緩，相較于不含根土體，含根量為4%、7%、11%的復(fù)合根-土體黏聚力增幅依次為2.7%、7.9%、16.4%；黏聚力在凍融循環(huán)12 次時增幅最大，曲線最陡，相較于不含根土體，含根量為4%、7%、11%的復(fù)合根-土體黏聚力增幅依次達(dá)到27.9%、53.0%、77.9%?？梢钥闯觯参锔翟鰪?qiáng)土體黏聚力的效果顯著，這主要是由于植被根系穿插在土體中，可將較小顆粒的土組成較大的團(tuán)聚體，形成具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)合根-土體，在剪切受力過程中，植物根系可發(fā)揮其抗拉特性以抵抗土體的剪切破壞，同時通過根系的纏繞、加筋作用使土體黏聚力得到較大提升［21］，即根系含量高可有效提高根-土復(fù)合體黏聚力，表現(xiàn)為未退化和輕度退化的高寒草甸河岸崩退現(xiàn)象不明顯。

此外，由圖2 還可知，在凍融循環(huán)條件下，土體強(qiáng)度相較于未凍融土體會有所降低，但其中的根系能有效減少土體黏聚力降低幅度，與王恒星等［18］得出的結(jié)論相一致。表明在根系的作用下，土體間的連結(jié)斷開，改變了土壤熱量的收支、傳遞，從而對土體間的熱量傳遞起到調(diào)節(jié)作用。土體內(nèi)根系可在凍期內(nèi)延緩熱量支出，融期內(nèi)阻擋熱量輸入，進(jìn)而在一定程度發(fā)揮阻隔溫度變化的作用［22］，類似于泡沫阻隔熱量的傳遞。由此，減少凍脹作用對土體結(jié)構(gòu)的破壞，從而表現(xiàn)為含根土體在凍融循環(huán)作用下，土體黏聚力下降幅度相對減小。

由圖3 可知，土體內(nèi)摩擦角隨含根量的變化規(guī)律如下：未凍融、凍融循環(huán)9 次、12 次和20 次的變化規(guī)律類似，均隨含根量的增加內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)先增大、后趨于基本不變的變化特征；凍融循環(huán)3次試樣的內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)先增大-減小-再增大的變化特征，而凍融循環(huán)6 次試樣呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢，且可以看出凍融循環(huán)6次時，試樣內(nèi)摩擦角變化幅度相較于其他凍融循環(huán)次數(shù)變化相對較大，當(dāng)含根量為7%時，相較于不含根土體，內(nèi)摩擦角下降幅度最大，達(dá)到19.1%。總體來看，當(dāng)含根量為7%、凍融循環(huán)達(dá)6次時，其內(nèi)摩擦角顯著減小，其余含根量條件的土樣在凍融循環(huán)作用下其變化幅度都不大，在一定范圍內(nèi)呈波動狀態(tài)。產(chǎn)生原因可能是由于根系的加入使得部分土-土接觸轉(zhuǎn)化為根-土接觸，相較于原土體，其土體顆粒間的接觸面積以及孔隙大小會有所變化，但由于高寒草甸植物根徑較小，平均僅為0.58 mm，因此，其根土接觸面積相對較小，從而導(dǎo)致根土間摩擦力較小，表現(xiàn)為內(nèi)摩擦角有小范圍的變化［22］。對比王恒星等［18］以平均半徑為0.88 mm 狗尾草為試驗材料的凍融直剪試驗結(jié)果，其內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)較大的變化幅度，可知根系半徑會對內(nèi)摩擦角產(chǎn)生影響。

圖3 不同凍融循環(huán)次數(shù)下內(nèi)摩擦角隨含根量變化關(guān)系Fig.3 Variation of internal friction angle with root content under different freeze-thaw cycles

2.2 凍融循環(huán)次數(shù)對根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響

為分析凍融循環(huán)次數(shù)對根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響，根據(jù)表2 數(shù)據(jù)繪制土體黏聚力和內(nèi)摩擦角隨凍融循環(huán)次數(shù)變化關(guān)系圖（圖4、圖5）。圖4表明，當(dāng)試樣的凍融循環(huán)次數(shù)由0 次依次增加至3、6、9、12、15、20 次，其黏聚力總體表現(xiàn)出降低的變化趨勢。且可以看出，其降低趨勢隨凍融循環(huán)次數(shù)增加逐漸變緩，對比4 種含根量土體試樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的降低趨勢，發(fā)現(xiàn)4 種不同含根量的試樣在凍融循環(huán)3次時，試樣黏聚力降低幅度均達(dá)到最大，分別降低了1.01 kPa、1.62 kPa、1.56 kPa 和2.26 kPa。這主要是因為在凍融初期，試樣經(jīng)過凍融循環(huán)，土體凍結(jié)過程中，生長的冰晶由于體積膨脹破壞了土顆粒間的聯(lián)系，而融化時，被破壞的土顆粒間連結(jié)不可恢復(fù)，因此反復(fù)凍融作用使土體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)弱化，土體原有土顆粒的結(jié)合形式被破壞，進(jìn)而導(dǎo)致黏聚力下降［8］，而隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，凍融作用對土體的土顆粒間的影響越來越小，黏聚力降低速度也逐漸變緩［10］。在凍融循環(huán)達(dá)到12次時，素土試樣的黏聚力降到最低，降幅達(dá)31.4%；隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，其黏聚力變化趨于平緩；而含根試樣在9次凍融循環(huán)時，其黏聚力降到最低。含根量為4%、7%、11%的試樣，在達(dá)到9 次凍融循環(huán)時，降低幅度分別為29.0%、22.7%、24.6%，均小于不含根試樣的降低幅度。含根試樣的黏聚力在凍融循環(huán)12 次時會有一個較為明顯的回升，其黏聚力較素土試樣黏聚力降低幅度要小27.7%，隨后降低并趨于平穩(wěn)。結(jié)合蘇謙等［5］、左小鋒等［23］學(xué)者的研究分析，可能是根土體隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，由于穿插在土體中根系作用，原網(wǎng)狀根土結(jié)構(gòu)被破壞并進(jìn)行重組，土顆粒大小、形狀、顆粒間的孔隙及根系與土顆粒間的連結(jié)狀態(tài)在重組過程中逐漸穩(wěn)定，根-土體結(jié)構(gòu)達(dá)到新的平衡狀態(tài)，并表現(xiàn)為受凍融循環(huán)影響變小，根-土體抗剪強(qiáng)度有所增加，土體黏聚力在凍融循環(huán)12次時有明顯的回升，而后變化趨于平緩。

圖4 黏聚力隨凍融循環(huán)次數(shù)變化關(guān)系Fig.4 Relationship between cohesion and freeze-thaw cycles

圖5 內(nèi)摩擦角隨凍融循環(huán)次數(shù)變化關(guān)系Fig.5 Relationship between internal friction angle and freeze-thaw cycles

由圖5 可知，凍融循環(huán)對試樣內(nèi)摩擦角的影響與黏聚力不同，總體來說呈現(xiàn)略微加強(qiáng)的作用。未經(jīng)凍融循環(huán)的素土試樣內(nèi)摩擦角顯著小于含根試樣，凍融循環(huán)6次以內(nèi)，不含根試樣內(nèi)摩擦角有明顯的增加，然后隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而變緩；而含根試樣在6 次凍融循環(huán)以內(nèi)，內(nèi)摩擦角則表現(xiàn)為降低趨勢，其中以含根量為7%的試樣降低幅度最大，達(dá)到19.5%，表現(xiàn)為隨凍融循環(huán)次數(shù)增加，呈波狀起伏增加的變化趨勢。分析可能是由于不含根試樣土體孔隙相對較多，土體結(jié)構(gòu)較為疏松，凍融循環(huán)作用之后，其土體大顆粒破碎，大孔隙減少使得土顆粒間的接觸更為充分，從而使得內(nèi)摩擦角增大，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增大，土顆粒間結(jié)構(gòu)形成新的平衡態(tài)，內(nèi)摩擦角逐漸趨于平穩(wěn)［8］；而試樣在加入根系后，整個試樣土體顆粒間的接觸變得更加充分，而在凍融循環(huán)作用下土體結(jié)構(gòu)被破壞，土體顆粒間接觸變少，因而內(nèi)摩擦角減?。?0］；隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增大，和不含根土體類似，含根土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞過程停止，在9 次凍融循環(huán)以后內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)小范圍的波動，變化較?。?8］。

3 結(jié)論

（1）在相同凍融循環(huán)作用下，重塑根-土復(fù)合體黏聚力隨著根系含量由4%增加至7%、11%，呈逐漸增大趨勢；較素土試樣，含根土體黏聚力最大增幅可達(dá)77.9%，而根系對土體內(nèi)摩擦角影響幅度相對較小。根系的加入使土體形成緊密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，抵抗剪切破壞的能力增強(qiáng)，進(jìn)而提高河岸穩(wěn)定性。

（2）隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，含根和素土試樣的黏聚力均呈現(xiàn)不同程度的先減小后趨于平緩的變化趨勢。在凍融循環(huán)3 次時，土體黏聚力降幅達(dá)到最大，為19.0%，表明凍融初期對土體結(jié)構(gòu)破壞較大，土體抗剪強(qiáng)度明顯下降；隨著凍融次數(shù)增加，其破壞能力減弱，土體結(jié)構(gòu)達(dá)到新的平衡，在凍融循環(huán)達(dá)到12次時，凍融循環(huán)對黏聚力的減小幅度達(dá)到最低，僅為3.7%。

（3）凍融循環(huán)對研究區(qū)高寒草甸植被河岸抗剪強(qiáng)度具有一定衰減作用，當(dāng)濱河高寒草甸植物退化，其地下根量減少，由于缺少根系對土體的網(wǎng)絡(luò)、纏繞和阻隔溫度變化的作用，河岸土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)有不同程度的降低趨勢，土體黏聚力降幅最高可達(dá)31.4%。表現(xiàn)為河岸穩(wěn)定性降低，因此，在退化河岸帶應(yīng)盡量減少人類和牲畜活動，并適當(dāng)開展植被恢復(fù)工作，保護(hù)河流生態(tài)。