三種護坡植物根－土復合體抗剪強度比較

廖晶晶，羅緒強，羅光杰，魏華煒

（1.貴州師范學院 地理與旅游學院，貴州 貴陽550018；2.白云區環境監測站，貴州 貴陽550014）

生態護坡實質上是用活的植物或者用植物和非生命的材料相結合的方式以穩定坡面和防止侵蝕。植物根系的存在提高了邊坡土體的黏聚強度、根系與土體之間的摩擦力，從而提高邊坡土體的抗剪強度，而植物對邊坡土體的穩固主要是通過淺層根系的加筋作用、深層垂直根系的錨固作用和水平根系的牽引作用來實現的［1］。國內外一些學者對植物根系的加筋作用進行了研究。Reubens等［2］通過研究得出了根系面積與根系所貢獻的抗剪強度呈正比例關系。Van Beek等［3－5］通過有限差分法、極限平衡法、有限元法評價了植物根系對邊坡土體的加強作用。劉秀萍等［6］通過三軸試驗，得出根—土復合體在含水量相同的情況下，隨根徑增大，復合體的強度提高率增大；垂直根和復合根的根—土復合體明顯提高土體的強度，水平根的根—土復合體對于提高土體強度不太明顯。陳昌富等［7］采用室內試驗方法研究了草根加筋土護坡加筋原理，試驗結果表明，其加筋機理可以用準黏聚力原理來解釋，并提出了加筋黏性土的準黏聚力計算方法。黃曉樂等［8］對草本植物進行樣地種植和室內直剪試驗，證實和量化了草本植物根系增強土壤抗剪切強度的作用。護坡植物是控制土壤侵蝕的最積極因素之一，利用植物根系對土壤結構的強化，以及對邊坡生態系統的改善等作用，能使邊坡穩定和控制水土流失，同時，能確保邊坡植物的水平和垂直結構合理，生態系統演替有序和景觀優美。上述研究都是分別考慮以草本根—土復合體、灌木根—土復合體或林木根—土復合體狀況下根系對土體強度的增強作用，而不同護坡植物根—土復合體抗剪強度的對比研究鮮有報道。隨著植被護坡的不斷推廣應用，根—土復合體抗剪強度、黏聚力及內摩擦角值與含根量之間的變化差異在選擇護坡植物中顯得越來越重要，各類植物根—土復合體對增強土體抗剪強度作用效果等方面的研究已成為很迫切的課題。

本文通過在3種不同植物根系下素土、根—土復合體的抗剪強度試驗，對比分析根—土復合體抗剪強度、黏聚力及內摩擦角值與含根量之間的變化差異。目的是分析不同根含量、不同物種根系分別對抗剪強度的影響，以評價其護坡力學強度增強效應。這項研究將有助于為試驗區和相似地區開展邊坡淺層護坡、水土流失等地質災害的防治提供理論依據。

1 研究區概況

研究區位于貴州省中部的福泉市和甕安縣境內的甕福磷礦山，海拔1 170m，坡度20°～55°，排棄的巖土混合物由粉粒、粉砂粒及碎石組成，結構松散。區內屬亞熱帶季風濕潤氣候，年均溫度15℃左右，年積溫5 490℃，無霜期270d。年均降水量1 135.1mm，光、熱、水同季，土壤類型以石灰土最多，黃壤次之，水稻土和紫色土較少［9］。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

試驗采用的土樣取自甕福磷礦山試驗區，土質類型為粉土。試驗選用的植物為灌木紫穗槐和胡枝子及草本植物狗牙根，生長期為1a。紫穗槐喜干冷氣候，耐寒耐旱，在沙地、鹽堿地和貧薄土壤上均能生長，可在荒山、沙荒、鹽堿地、濕地、河岸、公路、鐵路兩旁栽植，有防風固沙、保持水土的作用。胡枝子為中性樹種，性喜溫暖干燥的氣候條件，是很好的綠化材料，還是荒山、荒地的最好綠化樹種［10］。狗牙根屬禾本科草本植物，具根莖，喜溫暖濕潤氣候，極耐熱和抗旱，覆蓋性好，蔓延速度快，耐踐踏，再生力強［11］。

2.2 試樣制備方法

土壤的物理性質對土壤的抗剪切強度影響很大，土壤的抗剪強度與土壤的顆粒組成、土壤容重、土壤含水率等因素密切相關。試驗土樣取自甕福磷礦山試驗區，為了避免表層雜草及其他雜質的影響，取樣時從地表往下5—20cm處取樣，切取原狀土試樣。試驗區土壤的干、濕密度分別為1.498，1.648g／cm3，含水率為11.87%，孔隙率為32.46%，孔隙比為0.459。土壤顆分試驗在室內進行。土樣粒徑分布均勻性差，大顆粒主要集中在＞5mm，巖粒占53.45%，這為室內配置擾動土壤提供參考。

選取直徑為0.2～1.2mm的紫穗槐、胡枝子及狗牙根根系，統一剪成長為環刀高度（2cm）的根段進行室內直剪（快剪）試驗，并確保每個根段垂直通過剪切面。每組試樣設4個重復，分別在4種不同法向應力（100，200，300及400kPa）下進行抗剪強度試驗。具體步驟如下：在含水率為11.87%下，分別進行以含根量為0.1，0.3，0.5，0.7和1.0g／60cm3的試驗，同時與無根土樣進行對比，以分析不同含根量的3種植物（紫穗槐、胡枝子、狗牙根）根系對甕福磷礦山邊坡巖土體抗剪強度的影響。

稱取800g擾動土樣，利用輕型擊實儀將試樣擊實25次，注意保證所有試樣所受的擊實功相同。具體步驟是：先擊5次試樣使試樣初步成型。接著把統一長2cm、含根量為0.1g／60cm3的根系垂直均勻的倒插入環刀面積范圍內，然后再擊實20次，得到根土復合土餅［12］。重復上述步驟制得其他含根量的試樣。轉動手輪，使上盒前端鋼球剛好與量力環接觸；調整量力環中的測微表讀數為零。施加垂直壓力后拔出固定銷，開動秒表；以4～12轉／min勻速旋轉手輪，使試樣在3～5min內剪壞。如量力環中測微表指針不再前進，或者顯著后退，則表示試樣已被剪壞［13］。

3 結果與分析

3.1 不同含根量對抗剪強度的影響

紫穗槐、胡枝子和狗牙根0.2～1.2mm徑級不同含根量的抗剪強度試驗結果如表1所示。

表1 不同含根量、法向應力對紫穗槐、胡枝子和狗牙根根系抗剪強度的影響

由表1可知，在不同法向應力作用下，有根擾動土的抗剪強度均高于無根擾動土的抗剪強度。對3種植物根—土復合體在不同法向應力和不同含根量的條件下進行雙因素方差分析顯示，法向應力、含根量對根—土復合體抗剪強度的影響極顯著（p＜0.01，表2），表明紫穗槐、胡枝子和狗牙根根系的存在提高了土體的抗剪強度。因此，在一定條件下，可以把土壤抗剪強度的增加歸結為植物根系存在的結果［14］。在同一法向應力下，隨著含根量的增大，紫穗槐、胡枝子和狗牙根3種植物根—土復合體的抗剪強度均呈現出先增大后減小的趨勢，并存在峰值。這說明植物根系對提高土體抗剪強度的作用存在最佳含根量區域，這與前人研究結論相一致［12－15］。出現這種現象的原因是：當土中的含根量較少時，根土可充分接觸并發揮摩阻作用，另一方面，根系的深入形成根—土復合體，使根的抗拉及抗剪能力傳入到土的抗剪能力中，進而約束了土體在橫向和軸向的變形，且隨著含根量的增大其抗剪強度也增大，直到達到一個峰值。

表2 3種植物根－土復合體在不同法向應力和不同含根量條件下的雙因素方差分析結果

將表1中3種植物各6組試樣的不同荷載及對應的剪切強度用origin軟件進行擬合分析，得到法向應力與抗剪強度關系的擬合曲線（圖1—3）。根據直剪試驗原理［16］，繪制關系曲線中，直線的傾角（與水平線的夾角）為根—土復合體的內摩擦角φ，根—土復合體的黏聚力c在縱坐標上反映為截距。曲線擬合后試樣的決定系數較高，其中決定系數最小為R2＝9.936 9，最大為R2＝9.997 6，說明用直線回歸擬合土體的抗剪強度效果良好，與庫倫強度公式吻合，得出的結論是［8］：根—土復合體服從莫爾—庫侖強度破壞準則。

圖1 紫穗槐不同含根量根－土復合體試樣剪切擬合曲線

圖2 胡枝子不同含根量根－土復合體試樣剪切擬合曲線

圖3 狗牙根不同含根量根－土復合體試樣剪切擬合曲線

3.2 不同物種根系對抗剪強度的影響

通過DPS數據處理系統對表1的試驗結果進行統計分析，得到無根系擾動土、紫穗槐、胡枝子及狗牙根根—土復合體黏聚力c，內摩擦角φ值的變化情況（表3）。

表3 紫穗槐、胡枝子、狗牙根根－土復合體c，φ值的變化

由表3可知，3種植物根—土復合體的黏聚力及內摩擦角明顯大于無根擾動土，但3種植物根—土復合體的黏聚力的變化不顯著，而狗牙根根—土復合體內摩擦角φ的變化與無根擾動土內摩擦角φ的變化不顯著，紫穗槐、胡枝子根—土復合體與無根土內摩擦角φ的變化很顯著。這表明3種植物根系的存在能提高土體的黏聚力，進而增強土體的抗剪切強度。原因可以解釋為［17］：根系的彈性模量大于土體的彈性模量，且抗拉強度遠遠大于土體，當土體因剪切發生破壞時，根系和土體相互協調，一起抵抗變形，因此根系的存在能夠增強土體的抗剪強度。平均提高幅度從大到小依次是紫穗槐47.5%，狗牙根39.2%，胡枝子38.9%。

狗牙根根系對土體抗剪強度的增加并不體現在增大土體內摩擦角上，這與紫穗槐和胡枝子有所不同。這種現象可以解釋為：試驗用紫穗槐和胡枝子植物根系大多集中在直徑0.7mm左右，而狗牙根直徑主要集中在0.5mm左右，紫穗槐和胡枝子植物根系直徑普遍大于狗牙根根系直徑。作為木本植物，紫穗槐和胡枝子的根系硬度也遠遠大于狗牙根根系。在土體承受荷載產生變形破壞時，狗牙根根系依靠自身抗拉強度和增加與土顆粒之間的摩擦阻力來抵抗土體變形，起到的是加筋作用［17］，而紫穗槐和胡枝子根系硬度較大，在土體剪切破壞過程中不僅能夠依靠自身抗拉強度和增加土顆粒之間的摩擦阻力來抵抗土體變形外，還能依靠自身硬度大的特性，起到支撐土體的作用。紫穗槐和胡枝子根系與狗牙根根系相比，能獨立承受荷載，不僅能發揮根系抗拉強度，還能發揮其抗壓強度的作用。紫穗槐和胡枝子根系增強土體強度的能力更強，其增加土體抗剪強度不僅表現在黏聚力的增長上，也表現在增大土體內摩擦角上。3種植物根—土復合體內摩擦角平均提高幅度從大到小依次為胡枝子19.3%，紫穗槐16.9%，狗牙根7.2%。

4 結論

（1）根系的存在提高了土體的抗剪強度，根—土復合體的抗剪強度隨著含根量的增加而增大，但當含根量達到一定數值時根—土復合體的強度增加并不明顯，即存在最佳含根量區域。

（2）紫穗槐、胡枝子和狗牙根根根—土復合體較無根擾動土，黏聚力c值和內摩擦角φ值均有增加，c值增加的幅度相對較大，φ值增加的幅度相對較小。黏聚力平均提高幅度從大到小依次是紫穗槐47.5%，狗牙根39.2%，胡枝子38.9%；內摩擦角提高幅度從大到小依次是胡枝子19.3%，紫穗槐16.9%，狗牙根7.2%。

（3）紫穗槐及胡枝子根—土復合體和狗牙根根—土復合體對土壤的抗剪強度影響不同。在工程實踐中，考慮具體條件和要求選擇不同的物種，以達到最佳的治理效果。

通過本試驗研究，闡明了在不同含根量、不同法向應力作用下，有根系存在的根—土復合體抗剪強度明顯高于無根擾動土的抗剪強度，初步總結出不同含根量、不同植物根系對根—土復合體抗剪的影響規律，可為試驗區和相似地區開展邊坡淺層護坡，治理水土流失等地質災害的防治提供理論依據。本試驗沒有對0.2～1.2mm非木質化根和木質化根的根—土復合體抗剪強度進行研究，今后應針對不同徑級根系的根—土復合體抗剪性能的變化規律進行深入研究，為防風固土，防治荒漠化和水土流失提供更科學的理論依據。

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