寒旱環(huán)境植物根系增強(qiáng)邊坡土體抗剪強(qiáng)度試驗研究

趙玉嬌, 胡夏嵩,2, 劉昌義, 竇增寧, 李國榮

(1.青海大學(xué) 地質(zhì)工程系, 西寧 810016; 2.中國科學(xué)院 青海鹽湖研究所, 西寧 810008)

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寒旱環(huán)境植物根系增強(qiáng)邊坡土體抗剪強(qiáng)度試驗研究

趙玉嬌1, 胡夏嵩1,2, 劉昌義1, 竇增寧1, 李國榮1

(1.青海大學(xué) 地質(zhì)工程系, 西寧 810016; 2.中國科學(xué)院 青海鹽湖研究所, 西寧 810008)

研究以地處西寧盆地的青海大學(xué)自建試驗區(qū)作為研究區(qū)。采用草本、灌木植物單一種植和混合種植的方式，對種植植物邊坡及未種植植物的素土邊坡在A層(坡面地表0 cm)、B層(坡面以下20 cm)深度處的根—土復(fù)合體試樣進(jìn)行直接剪切試驗，探討了單一種植和混合種植兩種種植方式下邊坡土體抗剪強(qiáng)度的變化特征。結(jié)果表明：(1) 單一種植的草本邊坡在A層處根—土復(fù)合試樣的粘聚力值分別為24.09，22.81 kPa，均顯著大于灌木邊坡A層深度處根—土復(fù)合體試樣的粘聚力值19.03，17.91 kPa，且相對于素土試樣的粘聚力值，草本根—土復(fù)合體試樣的粘聚力值的增加幅度依次為104.67%，93.80%，灌木根—土復(fù)合體試樣粘聚力值的增加幅度依次為61.68%，52.17%，顯然，草本根—土復(fù)合體的粘聚力值增長幅度大于灌木植物；(2) 隨邊坡土體深度的增加，單一種植方式下草本邊坡根—土復(fù)合體試樣粘聚力值呈遞減趨勢，即粘聚力值依次由24.09，22.81 kPa遞減至19.06，21.02 kPa，這在一定程度反映出草本對邊坡淺層土體抗剪強(qiáng)度的增強(qiáng)作用相對較為顯著；(3) 2種草本和灌木混合種植方式下根系對邊坡土體抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)值，均大于相應(yīng)位置處2種草本和灌木單一種植方式下的貢獻(xiàn)值，即混合種植條件下復(fù)合體的粘聚力值較單一種植時的增加幅度為0.13%～42.83%。該研究成果為定量評價邊坡不同種植方式下植物根系增強(qiáng)邊坡土體抗剪強(qiáng)度提供了理論依據(jù)，同時為進(jìn)一步探討植物根系增強(qiáng)邊坡土體抗剪強(qiáng)機(jī)理具有一定理論價值和實(shí)際意義。

寒旱環(huán)境; 根—土復(fù)合體; 抗剪強(qiáng)度; 直剪試驗

隨著社會經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，基礎(chǔ)工程建設(shè)的不斷增加，各類不合理的工程開挖，在一定程度上造成了水土流失、滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象的發(fā)生，會不同程度地影響到社會經(jīng)濟(jì)建設(shè)與環(huán)境保護(hù)之間的和諧發(fā)展[1]。近年來，隨著植物護(hù)坡理論和應(yīng)用技術(shù)的廣泛推廣，國內(nèi)外諸多學(xué)者開展了植物根系增強(qiáng)土體抗剪強(qiáng)度和提高邊坡穩(wěn)定性領(lǐng)域的系統(tǒng)研究工作[2-10]。陸桂紅等[11]認(rèn)為植物根系多分布在邊坡淺層土體中，適應(yīng)性強(qiáng)，對邊坡土體穩(wěn)定、坡面生態(tài)恢復(fù)、坡面淺層水土保持等方面起到顯著作用。楊悅舒等[12]通過對多花木藍(lán)(IndigoferaamblyathaM.C.Wang et C.L. Min)根—土復(fù)合體進(jìn)行了直剪試驗，認(rèn)為含根量為0.1～0.8 g時試樣的抗剪強(qiáng)度均大于無根系試樣，說明根系能顯著地增加土體的抗剪強(qiáng)度。栗岳洲等[13-15]通過對海韭菜(LeymussecalinusTzvel)、賴草(LeymuspaboanusClaus)、毛穗賴草(CarexenervisC.A. Mey)、無脈苔草(TriglochinmaritimaLinn)4種鹽生植物的根—土復(fù)合體試樣在不同含根量梯度下的直剪試驗，認(rèn)為根系增強(qiáng)土體抗剪強(qiáng)度存在最優(yōu)含根量，即根—土復(fù)合體試樣中的含根量處于最優(yōu)含根量時，4種植物根—土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度存在相對最大值。劉治興等[16]以安徽安慶岳西境內(nèi)岳武高速公路岳西第一標(biāo)段公路邊坡為研究對象，采用自制的直剪試驗儀對不含根系素土及種植有紫穗槐(AmorphafruticosaL)、胡枝子(LespedezabicolorTurcz)、馬棘(Indigoferapseudotinctoria)、紫花苜蓿(MedicagosativaL)植物的纖維毯、植生袋、拱形框格梁、六棱空心磚邊坡的根—土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度進(jìn)行原位試驗測定，認(rèn)為不同生長期植物根系均能顯著增加邊坡淺層土體的抗剪強(qiáng)度，指出根系增強(qiáng)土體的強(qiáng)度值大小與植物生長時間之間呈正相關(guān)關(guān)系。Katuwal等[17]通過對種植黑麥草(LoliumperenneL.)的土體進(jìn)行降雨試驗，并用便攜式葉片測試儀(pocket vane tester)對降雨試驗后的根—土復(fù)合體進(jìn)行抗剪強(qiáng)度測試，認(rèn)為根—土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度與根密度之間存在正相關(guān)關(guān)系。

為了進(jìn)一步深入研究植物根系對邊坡土體抗剪強(qiáng)度的增強(qiáng)作用，本項試驗通過對自建試驗區(qū)2種灌木植物、2種草本植物采用單一種植方式以及2種草本和2種灌木植物混合種植的方式，分別對根—土復(fù)合體試樣進(jìn)行直剪試驗，得出單一種植與混合種植2種條件下根—復(fù)合體試樣的粘聚力值，且分析2種條件下對邊坡土體抗剪強(qiáng)度的影響，對比分析邊坡不同深度處根—復(fù)合體試樣粘聚力值的變化規(guī)律。該研究成果可為定量評價植物增強(qiáng)邊坡土體抗剪強(qiáng)度提供理論依據(jù)，且為進(jìn)一步探討植物根系增強(qiáng)土體抗剪強(qiáng)度機(jī)理具有一定的理論價值和實(shí)際意義。

1　試驗區(qū)自然概況

試驗區(qū)位于青藏高原東北部的西寧盆地，地處青藏高原河湟谷地，屬祁連山系，其地理坐標(biāo)為東經(jīng)101°49′、北緯36°34′，區(qū)內(nèi)海拔為2 261 m[18]。區(qū)內(nèi)年平均氣溫為7.6℃，最高氣溫34.6℃，最低氣溫零下18.9℃，年均日照時數(shù)為1 939.7 h，年平均降水量為380 mm，蒸發(fā)量為1 363.6 mm，且降水主要集中在每年的6—9月份，屬高原半干旱大陸性氣候[19]。

本項研究自建的青海大學(xué)試驗區(qū)面積約為22 m×4 m(長×寬)，坡度為30°，屬于人工堆積邊坡。選取適宜當(dāng)?shù)貧夂驐l件下生長的2種草本和2種灌木植物作為供試種，其中草本為細(xì)莖冰草(AgropyrontrachycaulumLinn. Gaertn.)、垂穗披堿草(ElymusnutansGriseb.)，灌木為檸條錦雞兒(CaraganakorshinskiiKom.)和霸王(ZygophyllumxanthoxylonBunge Maxim.)。按試驗種植方案試驗區(qū)共劃分為12個試驗小區(qū)，其中10個種植植物小區(qū)面積為2 m×2 m，2個未種植植物的對照區(qū)面積為1 m×2 m，草本植物采用撒播方式種植，播種量為6 g/m2，灌木采用穴播，株距為5 cm，每穴3～5粒。試驗種植方案如圖1所示，植物種植和生長情況如圖2，圖3所示。

2　試驗材料與方法

2.1試驗材料

本次試驗選擇生長期為150 d的霸王、檸條錦雞兒、細(xì)莖冰草、垂穗披堿草4種植物的根—土復(fù)合體，以及未種植植物的素土復(fù)合體作為研究對象。即以霸王根—土復(fù)合體試樣、檸條錦雞兒根—土復(fù)合體試樣、細(xì)莖冰草根—土復(fù)合體試樣、垂穗披堿草根—土復(fù)合體試樣；霸王+細(xì)莖冰草根—土復(fù)合體試樣、霸王+垂穗披堿草根—土復(fù)合體試樣、檸條+細(xì)莖冰草根—土復(fù)合體試樣、檸條+垂穗披堿草根—土復(fù)合體試樣、未種植植物裸坡復(fù)合體試樣作為研究對象。

注:① A小區(qū)代表種植霸王邊坡，B小區(qū)代表種植細(xì)莖冰草邊坡，C小區(qū)代表種植白刺邊坡，D小區(qū)代表種植垂穗披堿草邊坡，E小區(qū)代表種植檸條錦雞兒邊坡，F(xiàn)小區(qū)代表種植芨芨草邊坡，G代表未種植植物的對照組裸坡；② A+B小區(qū)代表霸王與細(xì)莖冰草混合種植的邊坡，A+D小區(qū)代表霸王與垂穗披堿草混合種植的邊坡，E+B小區(qū)代表檸條與細(xì)莖冰草混合種植的邊坡，E+D小區(qū)代表霸王與垂穗披堿草混合種植的邊坡。

圖1試驗區(qū)草本和灌木植物種植方案示意圖

圖2試驗區(qū)種植植物情況

圖3試驗區(qū)植物生長情況

2.2取樣方法

為分析試驗區(qū)種植植物邊坡不同深度位置處根系的淺層加筋、深部錨固作用，本項試驗中制取邊坡不同深度位置處的根—土復(fù)合體原狀直剪試樣，即依據(jù)根系在邊坡土體中實(shí)際生長情況，將取樣深度分為坡面以下的A層、B層等2層分別制取試樣，即A層為地表0 cm位置處，B層為地表以下20 cm位置處。在制取直剪試樣的同時亦相應(yīng)地制取A層、B層2個位置處的含水率試樣，每層含水率值采用烘干法測得；在每組直剪試驗前需分別對環(huán)刀試樣稱重，以計算得出邊坡A層、B層2個位置的土體天然密度。

2.3試驗方法

為了測得區(qū)內(nèi)8種植物邊坡以及未種植植物的素土邊坡的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，對試驗區(qū)取回的8種根—土復(fù)合體試樣以及素土試樣進(jìn)行直剪試驗。試驗采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的ZJ型應(yīng)變控制直剪儀，以0.8 mm/min的剪切速率進(jìn)行剪切至試樣剪損，試樣在3～5 min內(nèi)即被剪破。直剪試驗結(jié)束后，統(tǒng)計環(huán)刀內(nèi)植物根系根徑、根數(shù)等根系生長量指標(biāo)。本項試驗在確定根系數(shù)量時，由于試驗區(qū)生長期為150 d的灌木植物根系數(shù)量相對較少，故采用數(shù)根方法來確定單位體積內(nèi)的根系數(shù)量，相比較于灌木植物，草本植物根系數(shù)量相對較多，故在統(tǒng)計草本根系數(shù)量時采用估算法。其具體方法為：首先將從根—土復(fù)合體試樣中清洗出的草本根系用濾紙將表面殘留的水去除并稱重，然后隨機(jī)選取并測得其中10根草本根系質(zhì)量，得到每根的平均根質(zhì)量，最后用總根質(zhì)量除以平均根質(zhì)量，得到含根量，其具體計算方法為：

N=10Mtal/M10

(1)

式中：N表示根系的總數(shù)量(個)；Mtal表示所統(tǒng)計根系的總鮮質(zhì)量(g)；M10表示每10根根系鮮質(zhì)量(g)。

3　結(jié)果與分析

3.1植物根系特征分析

通過對試驗區(qū)單一種植植物邊坡和混合種植植物邊坡的根—土復(fù)合體試樣進(jìn)行室內(nèi)直剪試驗，并在試驗結(jié)束后采用清水對試樣中的根系進(jìn)行清洗，得到不同種植邊坡根—土復(fù)合體試樣中所包含的根系，并對所得到的根系進(jìn)行根徑、根數(shù)、根面積比RAR等根系生長量的統(tǒng)計。統(tǒng)計結(jié)果表明，生長期為150 d的單一種植和混合種植2種條件下根系生長量指標(biāo)差異相對較小，故僅以4種單一種植邊坡的植物根系生長量情況進(jìn)行分析。

試驗區(qū)草本和灌木根系生長量指標(biāo)統(tǒng)計結(jié)果如表1所示，由該表可知，邊坡坡面以下A層位置處2種灌木根系的平均根徑依次為1.67，2.21 mm，根系數(shù)量均為5根，根面積比RAR依次為0.467%，0.668%；B層位置處2種灌木根系的平均根徑依次為1.41，1.08 mm，根系數(shù)量依次為4根、2根，根面積比RAR依次為0.181%，0.062%。可以看出，隨著邊坡土體深度增加，2種灌木根系的平均根徑、根系數(shù)量、根面積比RAR(即根系在單位面積內(nèi)的含量)均有一定程度的降低，平均根徑分別降低了0.26，1.13 mm，根系數(shù)量分別降低了1根、3根，根面積比RAR分別降低了0.29%，0.61%，其中在A層位置處霸王的平均根徑、根面積比RAR均較檸條錦雞兒大，而根系數(shù)量與檸條錦雞兒相同；其在B層位置處的平均根徑、根系數(shù)量、根面積比RAR均較檸條錦雞兒小，這主要?dú)w因于霸王根系屬淺根主直根型灌木，即主根粗壯不發(fā)達(dá)，側(cè)根發(fā)達(dá)，且大部分側(cè)根呈水平走向，與主根成90°角[20]，而檸條錦雞兒根系發(fā)達(dá)，為主直根型，主根明顯，屬于主側(cè)根均衡發(fā)育型灌木[20]，故隨著邊坡土體深度增加，霸王根面積比RAR降低幅度較檸條錦雞兒相對較為明顯。由于草本植物根型為須狀根系，其90%的根系分布在邊坡表層以下0—20 cm的淺層土壤內(nèi)[21]，由該表可知，邊坡坡面以下A層位置處2種草本根系的平均根徑依次為0.22，0.18 mm，根系總鮮質(zhì)量依次為1.112，0.788 g，根系數(shù)量依次為210根、175根，根面積比RAR依次為0.275%，0.142%；B層位置處2種草本根系的平均根徑依次為0.19，0.18 mm，根系總鮮質(zhì)量依次為0.039，0.174 g，根系數(shù)量依次為22根、45根，根面積比RAR依次為0.022%，0.036%。可以看出隨著邊坡土體深度的增加，2種草本根系在坡面以下B層位置處的平均根徑較A層基本保持不變，而根系總鮮質(zhì)量、根系數(shù)量、根面積比RAR均較A層均有明顯的降低，即根系總鮮質(zhì)量分別降低了1.073，0.614 g，根系數(shù)量分別降低了188根、130根，根面積比RAR分別降低了0.25%，0.11%，其中垂穗披堿草在A層處的平均根徑、根系鮮質(zhì)量、根系數(shù)量、根面積比RAR均較細(xì)莖冰草小，而在B層深度處，2種草本的根系生長量基本相同。

表1　試驗區(qū)草本和灌木植物根系生長量指標(biāo)統(tǒng)計結(jié)果

注:① 表中根面積比(RAR)=環(huán)刀中根系面積/環(huán)刀面積，其中環(huán)刀面積為30 cm2；② 草本根系數(shù)量的計算方法見式(1)；③“—”表示該項未統(tǒng)計。

本研究對生長期為150 d的細(xì)莖冰草、垂穗披堿草、檸條錦雞兒、霸王4種植物進(jìn)行根系生長量的統(tǒng)計。統(tǒng)計結(jié)果表明，生長期為150 d的2種草本根系的平均根徑為0.18～0.22 mm，且由于草本植物根型為須狀根系，其大部分的根系分布在邊坡表面以下0～20 cm的淺層土體內(nèi)；2種灌木根系的平均根徑為1.08～2.21 mm，且隨邊坡土體深度增加，2種灌木根系的平均根徑、根系數(shù)量、根面積比RAR均有一定程度的降低。

與本研究結(jié)果相類似的相關(guān)研究成果主要表現(xiàn)在：盧海靜等[22]對生長期為1 a的垂穗披堿草(Elymusdahuricus)與芨芨草(Achnatherumsplendens)的根系生長量進(jìn)行了統(tǒng)計，結(jié)果表明2種草本的平均根徑為0.25～0.31 mm。喬娜[23]對生長期為16個月的檸條錦雞兒(Caraganakorshinskii)與霸王(Zygophyllumxanthoxylon)根系生長量特征進(jìn)行了統(tǒng)計，結(jié)果表明檸條錦雞兒根系長度為0.5～1.0 m，根徑為3.0～6.5 mm，霸王根系長度為0.4～0.8 m，根徑為4.0～8.0 mm。上述根系生長量結(jié)果均略大于本項研究中所得結(jié)果，其主要原因在于本項研究所采用的供試種的生長期相對較短所致；類似的研究還表現(xiàn)在：黃曉樂[24]通過對生長期為0.5 a，1 a，1.5 a的紫花苜蓿(Medicagosativa)、狗牙根(Cynodondactylon)根系生長量進(jìn)行了統(tǒng)計，結(jié)果表明，2種草本生長期為0.5 a時，其平均根長為12～15 cm；生長期為1 a時，平均根長為17～20 cm；生長期為1.5 a時，平均根長為21～22 cm。李建興等[25]通過對生長期為6個月的香根草(Vetiveriazizanioides)、百喜草(Paspalumnotatum)、紫花苜蓿(Medicagosativa)、狗牙根(Cynodondactylon)4種草本根系進(jìn)行根系生長量的統(tǒng)計，指出這4種草本根系集中分布地表以下0～10 cm深度范圍內(nèi)，且隨著土層深度的增加，4種草本根系生長量指標(biāo)均表現(xiàn)為遞減趨勢。綜合以上研究結(jié)果可知，草本根系多集中分布于淺層邊坡且根系生長量指標(biāo)隨土體深度增加而降低。

3.2單一種植草本邊坡根—土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度分析

通過對區(qū)內(nèi)邊坡地表以下的兩個深度處，細(xì)莖冰草根—土復(fù)合體試樣、垂穗披堿草根—土復(fù)合體試樣、素土試樣進(jìn)行室內(nèi)直剪試驗，分別得到不同深度處試樣的粘聚力c值和內(nèi)摩擦角φ值，試驗結(jié)果如表2所示。由表2可知，對于A層，細(xì)莖冰草根—土復(fù)合體試樣、垂穗披堿草根—土復(fù)合體試樣的粘聚力值分別為24.09，22.81 kPa，較素土試樣的粘聚力值分別高出12.32，11.04 kPa，粘聚力值的增加幅度依次為104.67%，93.80%。對于B層，細(xì)莖冰草根—土復(fù)合體試樣、垂穗披堿草根—土復(fù)合體試樣的粘聚力值分別為19.06，21.02 kPa，較素土試樣的粘聚力值分別高出4.69，6.65 kPa，粘聚力值的增加幅度依次為32.64%，46.28%。由此可知，2種單一種植植物邊坡在A層、B層根—土復(fù)合體試樣的粘聚力均高于相應(yīng)位置處素土試樣的粘聚力，顯著地體現(xiàn)了草本植物根系對淺層邊坡土體的加筋作用。通過對比可知相同植物種在邊坡A層、B層根—土復(fù)合體試樣的粘聚力值，表現(xiàn)出A層根—土復(fù)合體試樣的粘聚力值均高于B層根—土復(fù)合體試樣的粘聚力值，以細(xì)莖冰草邊坡為例，其在A層根—土復(fù)合體試樣的粘聚力值為24.09 kPa，根面積比RAR為0.275%，而在B層根—土復(fù)合體試樣的粘聚力值為19.06 kPa，根面積比RAR為0.022%。這主要?dú)w因于，2種草本植物根面積比RAR隨土體深度增加呈明顯的降低趨勢，即根—土復(fù)合體試樣粘聚力值隨根面積比RAR增加呈增長的趨勢。

表2　試驗區(qū)2種草本根—土復(fù)合體試樣的直剪試驗結(jié)果

本項研究通過對2種草本根—土體復(fù)合體試樣進(jìn)行室內(nèi)直剪試驗，結(jié)果表明，草本根—土復(fù)合體的粘聚力值均大于未種植植物素土的粘聚力值，且粘聚力值的增長值為4.69～12.32 kPa，粘聚力的增加幅度為32.64%～104.67%，說明草本根系能顯著地增強(qiáng)邊坡土體的抗剪強(qiáng)度，且草本根系對土體抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)值與根面積比RAR有關(guān)，即根系對土體抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)值隨根面積RAR的增大而增大。

與本研究結(jié)果相類似的相關(guān)研究成果主要表現(xiàn)在：王華[26]通過對高羊茅(Festucaelata)、狗牙根(Cynodondactylon)、早熟禾(Poaannua)、黑麥草(Loliumperenne)4種草本根—土復(fù)合體進(jìn)行直剪試驗，結(jié)果表明，4種草本根—土復(fù)合體的粘聚力值依次為17.31，14.57，18.54，19.24 kPa，均大于素土試樣的粘聚力值13.50 kPa。李建興等[27]通過對香根草(Vetiveriazizanioides)、百喜草(Paspalumnotatum)、紫花苜蓿、狗牙根(Cynodondactylon)4種草本根—土復(fù)合體進(jìn)行直剪試驗，認(rèn)為根—土復(fù)合體粘聚力值較素土粘聚力值相比，增加幅度依次為121.11%，113.94%，47.61%，12.54%。類似研究還表現(xiàn)在，鄭啟萍等[4]通過對含根量為0.5%，1.0%的狗牙根(Cynodondactylon)根—土復(fù)合體、麥冬草(Ophiopogogonjaponicus)根—土復(fù)合體進(jìn)行直剪試驗，結(jié)果表明，含根量為0.5%，1.0%的狗牙根根—土復(fù)合體的粘聚力值依次為29.77，35.30 kPa，麥冬草根—土復(fù)合體的粘聚力值依次為26.48，30.97 kPa，故認(rèn)為2種草本根系能顯著提高土體抗剪強(qiáng)度，且含根量愈大固土效果愈好。黃曉樂等[28]通過對狗牙根、紫花苜蓿等2種草本根—土復(fù)合體進(jìn)行直剪試驗，結(jié)果表明，草本根—土復(fù)合體的粘聚力值較基材空白樣(植被混凝土)相比，增長值為1.35～11.81 kPa，增加幅度為14.8%～129.4%，該結(jié)果與本研究中所得結(jié)果存在一定程度的差異，主要?dú)w因于所采用的植物供試種類型的不同，即上述試驗采用的供試種為狗牙根根—土復(fù)合體、紫花苜蓿根—土復(fù)合體、植被混凝土，而本項研究主要以細(xì)莖冰草根—土復(fù)合體、垂穗披堿草根—土復(fù)合體、素土復(fù)合體為試驗供試種類型。由以上試驗結(jié)果可知，草本根系的存在能顯著提高淺層邊坡土體的抗剪強(qiáng)度，且貢獻(xiàn)值隨根系含量在一定范圍內(nèi)的增大而呈增大趨勢。

3.3單一種植灌木根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度分析

通過對邊坡地表以下兩個深度處的檸條錦雞兒根—土復(fù)合體試樣、霸王根—土復(fù)合體試樣進(jìn)行室內(nèi)直剪試驗，分別得到了不同深度的試樣粘聚力c值和內(nèi)摩擦角φ值，試驗結(jié)果如表3所示。由表3可知，對于A層，檸條錦雞兒根—土復(fù)合體試樣、霸王根—土復(fù)合體試樣的粘聚力值分別為19.03，17.91 kPa，較素土試樣的粘聚力值分別高出7.26，6.14 kPa，粘聚力值的增加幅度依次為61.68%，52.17%。對于B層，檸條錦雞兒根—土復(fù)合體試樣、霸王根—土復(fù)合體試樣的粘聚力值分別為21.26，18.47 kPa，較素土試樣的粘聚力值分別高出6.89，4.10 kPa，粘聚力值的增加幅度依次為47.95%，28.53%。由表3還可知，2種灌木根系對邊坡土體抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)值(即為相同位置處根—土復(fù)合體試樣粘聚力值與素土試樣粘聚力值之差)依次由7.26，6.14 kPa降低至6.89，4.1 kPa，即體現(xiàn)出根系對邊坡土體抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)值隨著土層深度的增加而呈遞減趨勢，這主要?dú)w因于隨著土層深度的增加土體中灌木植物根面積比RAR有所降低，即分別由A層處的0.467%，0.668%降低至B層處的0.181%，0.062%。

表3　試驗區(qū)2種灌木根-土復(fù)合體的直剪試驗結(jié)果

本項研究得出試驗區(qū)2種灌木根—土復(fù)合體粘聚力值較素土高4.10～7.26 kPa，粘聚力的增加幅度為28.53%～61.68%，其中檸條錦雞兒根系增強(qiáng)土體抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)大于霸王根系。

與本項研究結(jié)果相類似的相關(guān)研究成果主要表現(xiàn)在：李國榮等[29]對檸條錦雞兒(Caraganakorshinskii)、四翅濱藜(Atriplexcanescens)、霸王(Zygophyllumxanthoxylon)及白刺(Nitrariatangutorum)根—土復(fù)合體試樣進(jìn)行了三軸試驗，結(jié)果表明，4種灌木根—土復(fù)合體試樣的粘聚力值依次為13.51，9.09，3.62，4.34 kPa，較素土試樣的粘聚力值依次高10.56，6.14，0.67，1.39 kPa。姚喜軍等[30]通過對檸條(Caraganamicrophylla)根—土復(fù)合體與沙地柏(Sabinavalgaris)根—土復(fù)合體進(jìn)行直剪試驗，亦發(fā)現(xiàn)2種植物根—土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度均大于素土，且粘聚力值增加幅度為31.6%～46.23%。類似研究還表現(xiàn)在，廖晶晶等[31]以紫穗槐(Amorphafruticosa)、胡枝子根系為研究對象，通過對2種灌木的根—土復(fù)合體進(jìn)行室內(nèi)直剪試驗，分析比較了含根量分別為0.1 g/60 cm3，0.3 g/60 cm3，0.5 g/60 cm3，0.7 g/60 cm3，1.0 g/60 cm3的5種條件下，根—土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度特征。結(jié)果表明，在一定含根量范圍內(nèi)，2種灌木根—土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度隨著含根量的增加而增大，即認(rèn)為根系對提高土體抗剪強(qiáng)度的作用存在最佳含根量。本項研究尚未開展不同含根量的根—土復(fù)合體試樣抗剪強(qiáng)度試驗，有關(guān)根系增強(qiáng)土體抗剪強(qiáng)度的最佳含根量探討，將在后續(xù)試驗中做進(jìn)一步完善。

邊坡地表以下的A層位置處，2種單一種植草本邊坡根—土復(fù)合體試樣的粘聚力值，較素土試樣分別高出12.32，11.04 kPa，粘聚力值的增加幅度依次為104.67%，93.80%；2種單一種植灌木邊坡根—土復(fù)合體試樣的粘聚力值，較素土試樣分別高出7.26，6.14 kPa，粘聚力值的增加幅度依次為61.68%，52.17%，如表4所示。可以看出，4種植物根系對邊坡土體抗剪強(qiáng)度的增強(qiáng)作用由大至小依次為細(xì)莖冰草、垂穗披堿草、檸條錦雞兒、霸王，反映出單一種植草本較單一種植灌木對邊坡淺層土體抗剪強(qiáng)度的增強(qiáng)作用相對更為明顯，這主要?dú)w因于草本根系多為須根型且集中于坡面以下0—20 cm的土體內(nèi)，即在坡面以下A層深度范圍內(nèi)草本的根系數(shù)量較多，起到了明顯的加筋作用。對于B層而言，2種單一種植草本邊坡根—土復(fù)合體試樣的粘聚力值，較素土試樣分別高出4.69，6.65 kPa，粘聚力值的增加幅度依次為32.64%，46.28%；2種單一種植灌木邊坡根—土復(fù)合體試樣較素土試樣的粘聚力值分別高出6.89，4.10 kPa，粘聚力值的增加幅度依次為47.95%，28.53%，如表4所示。對比A，B層深度處4種植物根—土復(fù)合體較素土試樣粘聚力值的增加幅度可知，隨邊坡土體深度增加，4種植物根—土復(fù)合體的粘聚力值較素土試樣的粘聚力值的增加幅度均有所下降，且2種草本的下降幅度較2種灌木要大，下降幅度由大至小依次為72.03%，47.52%，23.64%，13.73%，其對應(yīng)的植物分別為細(xì)莖冰草、垂穗披堿草、霸王、檸條錦雞兒，這體現(xiàn)了主直根型灌木根系對深層邊坡土體的錨固作用。

3.4混合種植邊坡根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度分析

通過對區(qū)內(nèi)邊坡2個深度處的檸條錦雞兒+垂穗披堿草根—土復(fù)合體試樣、檸條錦雞兒+細(xì)莖冰草根—土復(fù)合體試樣，霸王+垂穗披堿草根—土復(fù)合體試樣、霸王+細(xì)莖冰草根—土復(fù)合體試樣進(jìn)行室內(nèi)直剪試驗，分別得到不同深度的試樣粘聚力c值和內(nèi)摩擦角φ值，試驗結(jié)果如表5所示。由表5，表6可知，混合種植類型與未種植植物的素土相比，具有顯著的增強(qiáng)作用，同時，隨著邊坡土體深度增加，檸條錦雞兒+細(xì)莖冰草、霸王+細(xì)莖冰草、檸條錦雞兒+垂穗披堿草、霸王+垂穗披堿草4種混合種植根系對素土的貢獻(xiàn)的有所降低，即由A層的14.05，13.81，11.36，11.07 kPa依次降低至B層處的9.43，11.38，7.35，7.43 kPa，分別降低了4.62，2.43，4.01，3.64 kPa；此外，4種混合種植邊坡土體的粘聚力值較未種植植物素土邊坡的粘聚力值增加幅度亦有所降低，即由邊坡地表以下A層的119.37%，117.33%，96.52%，94.05%依次降低至B層處的65.62%，79.19%，51.15%，51.70%，其降低幅度分別為53.75%，38.14%，45.37%，42.35%；類似地，單一種植的草本在邊坡A層對素土的貢獻(xiàn)為12.32，11.04 kPa，B層對素土的貢獻(xiàn)為4.69，6.65 kPa，分別降低了7.63，4.39 kPa，粘聚力增長幅度由A層的104.67%，93.80%降低至B層處的32.64%，46.27%，分別降低了72.03%，47.53%，反映出混合植物種植的降低幅度明顯低于相應(yīng)草本單一種植條件下的降低幅度。這是因為混合種植條件下，邊坡B層深度處的2種灌木根面積比RAR相對草本要高，2種草本根面積比RAR趨近于零，表明此時邊坡土體中仍有一定數(shù)量灌木根系的存在，而草本根系含量相對較低，即表現(xiàn)為隨著邊坡土體深度的增加草本根系對土體抗剪強(qiáng)度的增強(qiáng)作用逐漸降低，灌木根系對土體的錨固作用逐漸體現(xiàn)。

表4　試驗區(qū)4種單一種植根—土復(fù)合體試樣結(jié)果對比

注:① 表中粘聚力增長值指的是單一種植根—土復(fù)合體試樣粘聚力值較素土試樣粘聚力值高出的值，其具體計算方法為：種植植物邊坡復(fù)合體試樣粘聚力值—不含根系素土試樣粘聚力值；② 粘聚力增加幅度指的是單一種植復(fù)合體試樣粘聚力值較素土試樣粘聚力值提高的幅度，其具體計算方法為：復(fù)合體試樣粘聚力增長值/不含根系素土試樣的粘聚力值×100%。

表5　試驗區(qū)4種混合種植根-土復(fù)合體試樣的直剪試驗結(jié)果

表6　試驗區(qū)4種混合種植根-土復(fù)合體試樣與素土試樣直剪試驗結(jié)果對比

注:①表中粘聚力增長值指的是混合種植根—土復(fù)合體試樣粘聚力值較素土試樣粘聚力值高出的值，其具體計算方法為：種植植物邊坡粘聚力值—相應(yīng)位置處素土邊坡粘聚力值；②表中粘聚力增加幅度指的是混合種植根—土復(fù)合體試樣粘聚力值較素土試樣粘聚力值提高的幅度，其具體計算方法為：粘聚力增長值/相應(yīng)位置處素土邊坡試樣的粘聚力值×100%。

3.5單一種植根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度與混合種植物根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度結(jié)果對比

由表7可知，區(qū)內(nèi)4種混合種植的根—土復(fù)合體試樣的粘聚力值均大于相應(yīng)位置處4種單一種植根—土復(fù)合體試樣的粘聚力值。以檸條錦雞兒+細(xì)莖冰草邊坡為例，在坡面以下A層處，檸條錦雞兒+細(xì)莖冰草混合種植根—土復(fù)合體試樣粘聚力值為25.82 kPa，較檸條錦雞兒單一種植根—土復(fù)合體試樣粘聚力值和細(xì)莖冰草單一種植根—土復(fù)合體試樣粘聚力值分別高出6.79，1.73 kPa，粘聚力值的增加幅度依次為35.68%，7.18%；在坡面以下B層處，檸條錦雞兒+細(xì)莖冰草混合種植根—土復(fù)合體試樣粘聚力值為23.80 kPa，較檸條錦雞兒單一種植根—土復(fù)合體試樣粘聚力值和細(xì)莖冰草單一種植根—土復(fù)合體試樣粘聚力值分別高出2.54，4.74 kPa，粘聚力值的增加幅度依次為11.95%，24.87%。類似地，其他3種混合種植的邊坡類型較相應(yīng)的單一種植邊坡，在坡面以下A層處，根—土復(fù)合體試樣粘聚力增長值為0.03～7.67 kPa，粘聚力增加幅度為0.13%～42.83%，如表7所示。由以上對比可知，混合種植條件下的植物根系對邊坡土體抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)值，均大于相應(yīng)位置處相應(yīng)2種植物單一種植條件下的貢獻(xiàn)值，其原因歸因于邊坡土體內(nèi)灌木和草本根系交錯分布，實(shí)現(xiàn)淺層根系和深層根系在土體空間分布的相互補(bǔ)充，在邊坡土體中形成網(wǎng)狀根系結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)出了淺根加筋作用和深根錨固作用的相互彌補(bǔ)作用[32]。

表7　試驗區(qū)單一種植根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度與混合種植物根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度結(jié)果對比

注:① 表中粘聚力增長值指的是混合種植邊坡與相應(yīng)單一種植邊坡粘聚力相比高出的值，其具體計算方法為：混合種植根—土復(fù)合體粘聚力值—相應(yīng)單一種植根—土復(fù)合體粘聚力值；② 粘聚力增加幅度指的是混合種植邊坡與相應(yīng)單一種植邊坡粘聚力相比高出的幅度，其具體計算方法為：粘聚力增長值/相應(yīng)單一種植根—土復(fù)合體試樣的粘聚力值×100%。

本項研究通過對4種單一種植根—土復(fù)合體試樣及4種混合種植根—土復(fù)合體試樣進(jìn)行室內(nèi)直剪試驗，結(jié)果表明：4種混合種植的根—土復(fù)合體試樣的粘聚力值均大于相應(yīng)位置處4種單一種植根—土復(fù)合體試樣的粘聚力值，故認(rèn)為采用草本和灌木混合種植的方式對提高邊坡土體抗剪強(qiáng)度起到相對更為顯著的作用。

與本研究結(jié)果相類似的相關(guān)研究成果主要表現(xiàn)在：肖宏彬等[33]通過對香根草(Vetiveriazizanioides)+小葉女貞(Ligustrumquihoui)根—土復(fù)合體進(jìn)行直剪試驗，探索了在不同含水率及不同含根比的條件下，植物根系對復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律。試驗結(jié)果表明，在總含根量為10.1～15.71 mm2，含根比為16∶4，12∶8的情況下，香根草+小葉女貞根—土復(fù)合體試樣的粘聚力值依次為90.97，88.89 kPa，均高于小葉女貞根—土復(fù)合體的粘聚力值66.61 kPa。余芹芹等[34]通過對芨芨草(Chnatherumsplendens)根—土復(fù)合體、檸條錦雞兒根—土復(fù)合體、檸條錦雞兒+芨芨草根—土復(fù)合體進(jìn)行三軸壓縮試驗，得到3種根—土復(fù)合體的粘聚力值，且粘聚力值由大至小依次為檸條錦雞兒+芨芨草根—土復(fù)合體、芨芨草根—土復(fù)合體、檸條錦雞兒根—土復(fù)合體、素土，增長幅度依次為94.1%，66.6%，39.2%，故認(rèn)為植物根系對邊坡土體具有顯著的加筋作用，同時也指出采用草本與灌木組合種植方式，對試驗區(qū)土體的加筋效果較單一種植草本或灌木植物顯著。

4　結(jié) 論

(1) 8種類型植物邊坡在坡面以下A層處的根—土復(fù)合試樣粘聚力為17.91～25.82 kPa，素土邊坡在A層處的試樣粘聚力為11.77 kPa，即8種類型植物邊坡在坡面以下A層處的根—土復(fù)合試樣粘聚力均大于素土邊坡在A層試樣的粘聚力；坡面以下B層處的根—土復(fù)合試樣粘聚力值為18.47～25.75 kPa，亦均大于素土邊坡在B層深度處試樣的粘聚力值14.37 kPa，說明植物根系能顯著提高邊坡土體的抗剪強(qiáng)度。

(2) 單一種植條件下草本植物邊坡在坡面以下A層處的根—土復(fù)合試樣的粘聚力值分別為24.09，22.81 kPa，均大于單一種植時的灌木植物邊坡在A層處的根—土復(fù)合試樣的粘聚力值19.03，17.91 kPa，說明草本植物根系較灌木植物根系對邊坡表層土體起到相對較強(qiáng)的土體抗剪強(qiáng)度的作用。

(3) 隨著邊坡土體深度增加，4種混合種植根系對素土抗剪強(qiáng)度貢獻(xiàn)的降低幅度分別為53.75%，38.14%，45.37%，42.35%，相比較于單一種植草本根系對素土抗剪強(qiáng)度貢獻(xiàn)的降低幅度72.04%，47.52%要低。即隨著邊坡土體深度增加，草本根系對土體抗剪強(qiáng)度的增強(qiáng)作用呈降低趨勢，相應(yīng)地灌木根系的錨固作用開始逐漸發(fā)揮出來。

(4) 在邊坡表層以下的2個深度處混合種植的根—土復(fù)合體試樣粘聚力值，較2種植物單一種植根—土復(fù)合體試樣的粘聚力值高，說明混合種植根系對邊坡土體抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)均大于相應(yīng)位置處2種單一種植，故采用草本和灌木混合種植的方式對提高邊坡土體抗剪強(qiáng)度起到相對更為顯著的作用。

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Research on Soil Shear Strength Reinforced by Vegetation Roots in Slope of Cold and Arid Environments

ZHAO Yujiao1, HU Xiasong1,2, LIU Changyi1, DOU Zengning1, LI Guorong1

(1.DepartmentofGeologicalEngineering,QinghaiUniversity,Xi′ning,Qinghai810016,China;2.QinghaiInstituteofSaltLakes,ChineseAcademyofSciences,Xi′ning,Qinghai810008,China)

The experimental site of this study is set up in Qinghai University, Xining Basin. We take root-soil composite systems in layer A (0 cm) and layer B (20 cm beneath the ground surface) on the slope with the planted herbs and shrubs by the approach of herbs and shrubs single planting and mixing planting, and from bare slope as shear test samples. And the characteristics of soil shear strength of the slope with herbs and shrubs are analyzed. The results show that: (1) the cohesion forces of root-soil composite systems in layer A of the slope with the 2 herbs are 24.09 kPa and 22.81 kPa, respectively, both of which are higher than the cohesion forces (19.03 kPa, 17.91 kPa) of root-soil composite systems in layer A of the slope with 2 shrubs. Compared with the cohesion force of bare slope, the increased cohesion force amplitudes of root-soil composite systems of herbs are 104.67% and 93.80%, respectively, the increased cohesion force amplitudes of root-soil composite systems of shrubs are 61.68% and 52.17%, respectively, so the increased cohesion force amplitudes of root-soil composite systems of herbs are much higher than shrubs; (2) the cohesion force of root-soil composite systems of the slope with 2 herbs decreased from 24.09 kPa, 22.81 kPa to 19.06 kPa, 21.02 kPa with the increase of soil depth, which reflects the reinforcement by herb root in the shallow layer of the slope is significant; (3) the increased cohesion force of root-soil composite systems of the mixture of 2 herbs and 2 shrubs is higher than that of single plant. The increased cohesion force amplitude of root-soil composite systems of the mixture of 2 herbs and 2 shrubs is 0.13%～42.83%. This study provides theoretical support for quantifying the contribution of vegetation roots to soil shear strength under different planting patterns, and it also has theoretical value and significance in further discussing the mechanism of soil shear strength reinforcement by roots on slope.

cold and arid environments; root-soil composite system; shear strength; shear test

2015-11-20

2015-12-30

國家自然科學(xué)基金項目(41162010，41572306);教育部長江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊發(fā)展計劃資助(IRT13074);長安大學(xué)西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗室開放基金資助(CHD2011SY016)

趙玉嬌(1990—),女,新疆塔城人,碩士研究生,主要從事環(huán)境巖土工程與巖土體工程穩(wěn)定性分析等方面的研究工作。E-mail:ZYJ_314211639@126.com

胡夏嵩(1965—),男,河南開封人,博士,教授，主要從事環(huán)境巖土工程與工程地質(zhì)等領(lǐng)域的教學(xué)和研究工作。E-mail:huxiasong@tsinghua.org.cn

TU411.7

A

1005-3409(2016)04-0212-09