根系含量對土壤抗剪強度的影響

黃　鋼，彭　晶，肖衡林

(1.黃岡師范學院 建筑學院，湖北 黃岡 438000； 2.湖北工業大學，湖北 武漢 430068)

根系含量對土壤抗剪強度的影響

黃鋼1，彭晶1，肖衡林2

(1.黃岡師范學院 建筑學院，湖北 黃岡 438000； 2.湖北工業大學，湖北 武漢 430068)

[關鍵詞]根系含量；生態護坡；原狀土；無根擾動土；含水量；直剪試驗

[摘要]為了深入研究根系對土壤的“加筋”作用，即充分了解植物根系對邊坡土體抗剪強度的影響，通過直剪試驗研究了安山口、八毛地、瓷器山和高嶺山頭等4處邊坡的原狀土和無根擾動土的剪應力-剪切位移關系，探討了不同平均含根量的土體抗剪強度。結果表明：平均含根量為0.945%的安山口、1.154%的八毛地、1.326%的瓷器山及1.173%的高嶺山頭等4處原狀土的黏聚力明顯比對應的無根擾動土大，黏聚力增幅分別為5.05%、17.10%、36.93%和33.42%，內摩擦角提高并不明顯；隨著含根量的增加，土體的黏聚力增大，抗剪強度增大；草灌混合植物根系與草本植物根系相比能更有效地提高土壤的抗剪強度。

隨著我國經濟的持久高速增長，基礎設施建設迅猛發展，高等級公路、鐵路里程不斷增加，出現了大量的邊坡工程。生態護坡技術是一種新型的護坡方法，與傳統的護坡方法相比更強調人與自然的和諧發展[1]。我國從20世紀90年代開始進行了大量生態護坡的研究，這些研究主要集中在根系的固土作用等方面，主要表現在對土壤抗剪強度的提高上[2]。Waldron 等通過室內直剪試驗得出，土的抗剪強度隨根(或纖維)數量的增加呈增大趨勢[3-5]；張飛等[6]和吳景海等[7]研究了根系密度對土壤抗剪強度的影響，結果都發現土壤中根系密度越大，土壤抗剪強度越高，兩者成正相關；陳昌富等[8]和劉秀萍等[9]通過試驗比較了有根系土壤與無根系土壤的抗剪強度，結果都表明根-土復合體可以明顯提高土體的抗剪強度。

現有的研究工作多為定性的研究，這些研究缺少對根-土復合體抗剪強度的量化分析，很多時候不能滿足工程設計的需要[10]。而關于根系對土壤“加筋”作用的量化研究很少。胡其志等[11]對早期草本植物單一含根量和抗剪強度的關系進行了研究，但是沒有進行草灌混合植物含根量的抗剪強度研究。

本研究選擇青鄭高速公路安山口、八毛地、瓷器山、高嶺山頭等4處坡面上含植物根系的原狀土為研究對象，對原狀土和無根擾動土分別進行室內直剪試驗，以研究根系的“加筋”作用。

1直剪試驗

1.1原狀土直剪試驗

原狀土取樣地點選在武漢至咸寧的青鄭高速公路不同路段。該高速公路生態護坡于2006～2008年陸續施工完畢，植物生長已有4～6年，生長較好，植被覆蓋率較高。在沿線選取植物生長良好的安山口(該處為香附子坡地)、八毛地(該處為白茅草坡地)、瓷器山(該處為白三葉+白茅草混合地)和高嶺山頭(該處為多花木蘭+豬殃殃+婆婆納+薺菜混合坡地)4個地段用規格為200 cm3的環刀進行取樣，每個地點取樣3組。為了方便取樣，先割除地上莖葉部分，然后采用環刀取若干樣品，最后密封、編號并保存。

試驗前，測量4個地段的原狀土試樣平均含水量和平均密度。然后，采用直剪儀對原狀土試樣進行直剪試驗。試驗后，測量它們的平均含根量(質量比)，結果見表1。

表1　平均含根量的測量結果

1.2無根擾動土直剪試驗

為了使原狀土和無根擾動土兩者有可比性，在制樣時，保證了兩者含水量與密度的接近，原狀土與擾動土試樣含水量與密度對比見表2和表3。

表2　原狀土和無根擾動土平均含水量對比　%

表3　原狀土和無根擾動土平均密度對比　g/cm3

由表2和表3可知，直剪試驗的原狀土與無根擾動土的含水量和密度差別極小，可以認為4個地段原狀土試樣和無根擾動土試樣的直剪試驗條件(含水量、密度)相同。

在制備好了試樣后，進行編號，然后采用直剪儀對原狀土和無根擾動土試樣進行直剪試驗。

2試驗結果及分析

4個地段試樣的剪切位移和剪應力關系曲線如圖1所示(由于篇幅所限，且3組試樣的試驗結果相近，因此圖1僅繪出各地段的典型試樣的試驗結果)。其中垂直壓力P1=100 kPa，P2=200 kPa，P3=300 kPa，P4=400 kPa。如圖1所示，剪應力-剪切位移曲線的增長隨著垂直壓力的增大而變快。在一定的垂直壓力下，剪應力隨著剪切位移的增大而增大，達到一定剪切位移時剪應力達到峰值。剪應力-剪切位移曲線初始段近似線性；隨著剪切位移的增大，剪應力-剪切位移曲線切線斜率慢慢減??；當剪切位移達到一定程度時，剪應力達到最大值，土體破壞。

由試驗數據根據庫倫公式計算得出各地段的土樣抗剪強度的平均指標，見表4。如表1和表4所示，安山口處，在平均含根量為0.945%的情況下，原狀土試樣的平均黏聚力比無根擾動土試樣的大0.958 kPa，增大了5.05%，說明由香附子根系和土壤組成的根-土復合體黏聚力增大，即根系提高了土壤的黏聚力。這說明植物根系將其周圍的土粒凝聚在一起，使土壤的凝聚力增大，同時根系又被其周圍土粒層層包裹，而被錨固在土壤之中。其中的黏聚力值不僅包括土粒與土粒之間的凝聚力，同時還包括土粒與根系之間的凝聚力，以及由土粒的剪應力傳遞給根系而引起的根系抗剪力或錨固力。原狀土試樣的平均內摩擦角比無根擾動土試樣的僅增大0.06°，說明由香附子根系和土壤組成的根-土復合體內摩擦角沒有明顯增大，即根系對土壤摩擦作用的增強可以忽略不計。同樣，八毛地、瓷器山和高嶺山頭的植物根系也能提高土壤的黏聚力。綜上，植物根系能提高土壤的黏聚力，從而提高土壤的抗剪強度，對土壤內摩擦角提高并不明顯。

圖1　不同地段處原狀土和無根擾動土的

土樣名稱黏聚力原狀土(kPa)無根土(kPa)絕對增量(kPa)相對增量(%)內摩擦角原狀土(o)無根土(o)絕對增量(o)相對增量(%)安山口19.93118.9730.9585.056.136.070.060.98八毛地4.4693.8140.65517.1710.4410.210.131.24瓷器山15.40111.2474.15436.938.167.960.202.45高嶺山頭20.24015.1705.07033.427.837.780.050.65

同時，由表1和表4可知，平均含根量最小的安山口試樣的黏聚力相對增量最小，平均含根量最大的瓷器山試樣的黏聚力相對增量最大。這說明含根量增加，根系所占體積增大，根系的錨固力顯著增大，土壤黏聚力明顯增加，從而提高了土壤的抗剪強度。

八毛地處種植白茅草，屬于草本植物；高嶺山頭處主要種植多花木蘭和豬殃殃、婆婆納、薺菜，其中多花木蘭屬于灌木，豬殃殃、婆婆納和薺菜屬于草本植物，此地段為草灌結合種植地段。由表1和表4可知，平均含根量幾乎相同的高嶺山頭試樣的黏聚力提高值明顯大于八毛地試樣，說明草灌結合植物根系相對于草本植物根系更能提高土壤的黏聚力。這可能是草灌結合的植物根系直徑較大，抗拉強度增強，從而使根系的錨固作用增強，黏聚力增大，因而更能提高植物的抗剪強度。

3結論

(1)土體中植物根系的存在能提高土壤的黏聚力，從而提高土體的抗剪強度。平均含根量為0.945%的安山口、1.154%的八毛地、1.326%的瓷器山和1.173%的高嶺山頭等4處原狀土的黏聚力明顯比無根擾動土大，黏聚力增幅分別為5.05%、17.17%、36.93%和33.42%。

(2)隨著含根量的增加，土壤的黏聚力增大，抗剪強度越大。

(3)草灌混合植物根系比草本植物根系能更有效地提高土壤的抗剪強度。

[參考文獻]

[1] 張光明.公路邊坡生態防護的探討[J].陜西:交通職業技術學院學報,2010(3):11-18.

[2] 張興玲,胡夏嵩.植物根系固土護坡力學機理研究現狀與進展[J].人民黃河,2009(6):88-90.

[3] Waldron L J,Dakessian S.Soil reinforcement by roots,calculation of increased soil shear resistance from root properties[J]. Soil Science,1981,132(6):427-435.

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[6] 張飛,陳靜曦,陳向波.邊坡生態防護中表層含根系土抗剪試驗研究[J].土工基礎,2005,19(3):25-27.

[7] 吳景海,王德群,王玲娟.土工合成材料加筋的試驗研究[J].土木工程學報,2002,35(6):93-99.

[8] 陳昌富,劉懷星,李亞軍.草根加筋土的護坡機理及強度準則試驗研究[J].中南公路工程,2006(2):14-17.

[9] 劉秀萍,陳麗華,宋維峰.林木根系與黃土復合體的抗剪強度試驗研究[J].北京林業大學學報,2006(5):67-72.

[10] 肖本林,羅壽龍.根系植物護坡機理及試驗研究[J].湖南大學學報,2011,38(5):19-23.

[11] 胡其志,周政,肖本林，等.生態護坡中土壤含根量與抗剪強度關系試驗研究[J].土工基礎,2010,24(5):85-87.

(責任編輯徐素霞)

[基金項目]教育部重點項目(2010133)；國家自然科學基金項目(51178166)

[中圖分類號]S157；TU432

[文獻標識碼]A

[文章編號]1000-0941(2016)05-0042-03

[作者簡介]黃鋼(1987—)，男，江西九江市人，助教，主要從事建筑結構、環境巖土工程等方面的教學和科研工作；肖衡林(1977—)，男，湖南衡陽市人，副教授，博士，主要從事環境巖土工程、光纖傳感技術在巖土工程中的應用及地下工程等方面的教學和科研工作。

[收稿日期]2015-05-30