土體含水率和相對密實度變化與植物根系固坡效果1)

單 煒 郭 穎 劉紅軍 張程程

(哈爾濱工業大學，哈爾濱，150090) (東北林業大學) (五邑大學) (東北林業大學)

公路邊坡上的綠化植物不僅能美化道路景觀、恢復和重建生態環境，還具有護坡功能。植物固坡目前廣泛應用在土木工程建設領域中。植物根系的固坡效果受土體含水率、土體密度、根系分布狀態、植物種類及生長年限等因素的影響。關于植物護坡機理的基礎研究，目前在國內外仍處于探索階段［1-4］。植物根系扎入巖土體內，形成亂向分布的錨固系統，能起到固土護坡的作用。隨著時間的推移，植物根系進一步發育生長，錨固的作用會越來越強。人們已在感性上認識到植物根系固土護坡的優越性，并在工程實踐中，開始利用植物進行邊坡的防護與加固，已有的研究多從植物的生態效應、植物的防護技術、植物根系本身的特性等方面進行研究［5-8］，對植物根系錨固作用的研究不多［9-10］。

在土樣中加入植物纖維，制成植物纖維復合土試件，采用三軸試驗，研究植物根系的加筋作用，并考慮含水率和土體相對密實度的變化對植物根系加筋效果的影響，分析植物根系的錨固作用機理，對合理利用和發揮植物根系作用或根據其作用機理發展新的邊坡防護與加固途徑具有積極的意義。

1 材料與方法

植物根系固坡對象主要是土質邊坡，選用哈同公路東風收費站附近粉質黏土進行試驗。其基本的物理性質指標如下：液限32.5%，塑限18.7%，塑性指數13.8，最大干密度1.90 g/cm3，最佳含水率13.0%。

自然植物根系依植物的不同，其性質存在很大的差異。植物根系的抗拉強度介于5～150 MPa，模量介于100～6 000 kPa，塑性變形為2%～5%。參照實際根系的參數，選取了同樣為植物原料做成的麻繩(平均直徑為0.8 mm)作為根系模擬材料。通過拉伸試驗，測得其平均抗拉強度為35 MPa，極限伸長率為5%，與一般的植物根系特性基本一致。

根據現場調查，采用重型擊實，確定土樣相對密實度分別為75%、80%、85%，含水率分別設計為9%、14%、19%、22%、24%，制作含根和不含根試件，進行不排水三軸剪切試驗。植物主干根系與邊坡坡面的夾角接近45°+φ/2，因此，試樣中麻繩采用水平布置，使土樣的剪切破壞面與麻繩的夾角也接近45°+φ/2。將麻繩分兩層，分別布置在距試樣上下兩端三分之一位置，每層兩段，呈十字交叉型布置。

2 含水率和相對密實度對根系土應力與應變的影響

圖1為根系土與無根系土在不同含水率及相對密實度狀態下主應力差與軸向應變之間的關系曲線。由曲線變化特征可得：同一含水狀態下，無論是否有植物根系的加筋作用，相對密實度對主應力差的影響都較大，相對密實度每增加5%，主應力差的峰值都明顯提高，含水率較小時，該種現象表現得就越加明顯。

分別將圖1b與圖1c的試驗結果及圖1d與圖1e的試驗結果進行對比可知，植物根系加筋后，主應力差明顯提高，特別是含水率在14%附近表現的更加明顯。當含水率為14%，相對密實度為75%、80%、85%，植物根系加筋后主應力差分別提高10%、15%、20%左右。

圖1 不同含水率及相對密實度下根系土與無根系土主應力差與軸向應變的關系曲線

3 含水率和相對密實度對根系土黏聚力的影響

圖2和圖3分別為不同密實狀態下無根系土和根系土黏聚力隨含水率變化曲線，由曲線變化特征可知，無論土體含根與否，黏聚力首先隨含水率的增加而增大，當含水率在14%左右時，黏聚力達到峰值;含水率大于14%后，黏聚力隨含水率的增加而減小。

圖2 不同密實狀態下無根系土黏聚力隨含水率變化關系曲線

圖3 不同密實狀態下根系土黏聚力隨含水率變化關系曲線

相對密實度也是影響黏聚力的主要因素，隨著土體相對密實度的增加，黏聚力明顯提高，特別是含水率較小時表現得更加明顯。

將根系復合土與無根系土測得的黏聚力進行對比可知，當土體相對密實度較大時，植物根系能明顯提高土體黏聚力，相對密實度為75%時影響較小，相對密實度為85%時影響較大。

4 含水率和相對密實度對根系土內摩擦角的影響

圖4和圖5分別為不同密實狀態下無根系土和根系土摩擦角隨含水率變化曲線，由曲線變化特征可知，無論是無根系土還是根系土，總體上，內摩擦角隨含水率的增加而減小，含水率越大，內摩擦角減小得越快，主要原因為含水率越大時，土體越接近于飽和狀態，孔隙當中水的潤滑作用就越強。

圖4 不同密實狀態下無根系土摩擦角隨含水率變化關系曲線

圖5 不同密實狀態下根系土摩擦角隨含水率變化曲線

對比圖4和圖5可知，植物根系能有效提高根系復合土的內摩擦角，特別是含水率較小和相對密實度較大時這種效果更加明顯，含水率越大，植物根系對內摩擦角影響越小。

5 結論

三軸試驗結果表明：土樣中加入植物纖維后，主應力差明顯提高，特別是含水率在14%附近表現得更加明顯;土體越密實，含植物根系土體主應力差提高得越明顯。

無論是否有植物根系，土體黏聚力首先隨含水率的增加而增大，當含水率在14%左右時，黏聚力達到峰值;含水率大于14%后，黏聚力隨含水率的增加而減小。土體越密實，植物根系對黏聚力的提高越有利。

無論是無根系土還是根系土，總體上，內摩擦角隨含水率的增加而減小，含水率越大，內摩擦角減小得越快。植物根系能有效提高根系復合土的內摩擦角，特別是含水率較小和相對密實度較大時這種效果更加明顯，含水率越大，植物根系對內摩擦影響越小。

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