含根系土體抗剪強度試驗研究進展

王金霞+楊旸+李亞偉+孫高峰+趙燚柯+段青松

摘要：植物根系固土護坡措施在生物學、生態學、力學等方面發揮著綜合效益，且經濟廉價，是水土保持工程的最佳選擇。含根系土體類似于鋼筋混凝土，可從其抗沖刷能力、抗侵蝕能力、抗剪切能力、滲透能力等方面對植物根系固土能力進行研究。介紹了含根系土體抗剪強度的試驗研究方法，通過分析不同試驗研究的理論依據，結合人們的研究成果，探討了含根系土體抗剪強度試驗研究的可行性和限制性。在今后的研究中，需要從改進試驗裝置以及制樣方法等方面著手，以更加接近實際意義，使研究結果更加可靠。

關鍵詞：根系固土；水土保持；抗剪強度；試驗研究；可行性；限制性

中圖分類號： S157 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2017）18-0036-04

收稿日期：2016-11-04

基金項目：國土資源部公益性行業科研專項經費項目（編號：201511003）。

作者簡介：王金霞（1990—），女，河南鎮平人，碩士研究生，研究方向為土地整治與保持工程。E-mail：1213666414@qq.com。

通信作者：段青松，博士研究生，副教授，主要從事農業水土工程、土地利用工程研究。E-mail：258437886@qq.com。 植物根系深入土壤中，與土壤內的各個物質充分接觸，二者形成有機復合體，這種方式構成了植物根系的固土性[1]。楊亞川等將根系與土壤視為一體，提出了“土壤-根系復合體”的新概念，并將土壤-根系復合體抵抗剪切破壞的極限能力稱為土壤-根系復合體的抗剪強度[2]。植物根系固土的措施，可從多個方面發揮綜合效力。從生物角度來看，植物的莖葉能夠截留雨水，防止雨水濺蝕土壤表層；根系可以增加水分滲透，并對土壤起到固定和支撐的作用；根系在減小地表徑流量、防止地表侵蝕方面發揮著重要作用[1]。從生態角度分析，植物根系在水分子循環中起著橋梁作用：植物根系一方面依靠根壓作用參與植物水分蒸發蒸騰與大氣相連結，一方面與土壤中的水分、可溶性礦質及土壤黏粒、微生物等相關聯，從而發生水分梯度礦質溶液的質流、物質的遷徙和富集現象[3]，從而參與并影響整個生態系統的變化。另外，采取植物根系固土措施見效快，持效時間長，代替不必要的工程措施，經濟廉價[4]，還能提高生物多樣性[5]。植物根系網力學機制模式主要分為根系材料力學、根系網絡串聯作用、根系-土壤有機復合體、根系-土壤生物化學作用等4個層次[1]。較粗的根系的抗拉強度相對較大[6]，較細的根系能夠網絡土壤，抗拉力發揮了抗剪力的作用[7-8]，而土體抗剪能力較弱、抗壓能力較強，故由植物根系與土體共同組成的根-土復合體兼具較強抗壓強度和抗剪強度[9]；含植物根系的土壤具有類似鋼筋混凝土的構造[6]，能夠發揮淺根加筋[10]、深根錨固（一般指喬、灌木類植物）、側根牽引等作用[11-13]，有利于保持水土[14]。由于植物種類不同、根系形態[15]及拉力力學性能各異、植物根系與土壤界面的相互制約效力不同等因素[16]，根系所發揮的加筋[17]、錨固、牽引等效力不盡相同，因此根系表現出的固土能力也會千差萬別。近年來，國內外研究者對根系固土機制的研究[18-23]，主要集中于根-土復合體抗剪性能[24]、抗侵蝕性能、抗沖刷性能[25-26]、根系的抗拉性能[17，27]以及根-土界面摩阻性能[28]等方面。目前，研究含根系土體抗剪能力的方法主要有原位剪切試驗研究、直接剪切試驗研究、三軸壓縮試驗研究以及無側限抗壓強度試驗等。本研究介紹了含根系土體抗剪強度的不同試驗方法及其理論依據，綜合分析不同試驗方法的可行性與限制性，提出了更加接近根-土復合體實際受力條件的研究方法，為以后的研究提供思路和建議。

1 原位剪切試驗研究

原位剪切試驗過程是首先以根系中心點為中心，沿中心周圍開挖出矩形槽，將根系作用的土體同根系作用以外的土體分離，然后將預制的模子套在根系作用的土體上，最后對模子施加水平推力，那么，模子底邊所在的平面即為土體的剪切面，水平推力同模子底面的面積的比值，即為含根系土體的抗剪強度。以同樣的方法計算出素土的抗剪強度，然后將含根系土體的抗剪強度同素土的抗剪強度進行對照，得出根系固土能力。其計算公式如下：

τ=FA。

（1）

式中：τ為土體抗剪強度，kPa；F為作用于模子的水平推力，kN；A為模子的底面面積，m2。

人們利用原位剪切試驗對植物根系固土能力做了大量的研究，得出了一系列的結論。趙麗兵等通過對黃土高原丘陵溝壑區山西省河曲縣磚窯溝流域內4種有代表性的草本植物進行野外剪切測試和模型預測，證實和量化了草本植物根系增強土壤抗剪切強度的作用[29]。周云艷等通過對南望山山腳下樟樹的4個含根土樣和素土樣在現場進行原位剪切試驗，對比素土樣和4個含根土樣的強度值、位移值，分析評價植物根系的固土護坡效應[30]。王斌等應用自行設計改進的剪切箱，原位測定了不同深度（10 cm，20 cm）分蘗期香根草根系固土，認為香根草具有一定的固土能力，并且根系入土越深，植物固土能力越強[31]。朱錦奇等采用大盒直剪試驗與物理模型，對重慶縉云山地區6種常見植物馬尾松、香樟、廣東山胡椒、四川大頭茶、白毛新木姜子、四川山礬根系的增強抗剪強度進行對比，利用Wu模型對6種植物的根系固土效能進行模型計算，結果表明，不同的植物根系類型對增強抗剪強度值的影響非常顯著[32]。

原位剪切試驗在根系原生長環境中進行，沒有因重塑而破壞根和土的構造，保留根、土之間的構造關系，使試驗結果更具實際意義；在相同環境下的素土和含根系土體受外界環境的影響接近相同，唯一的差別在于有無根系，幾乎可以認為抗剪強度的變化只跟根系有關，突出根系的固土能力。無論是素土還是含根系土體，都使用同一個模子，保證剪切破壞面在同一厚度，避免剪切厚度不同，使剪切面土體的構造、密實度等存在差異，使變量增加，從而不能確定根系就是固土能力提升的影響因素。endprint

然而，這種試驗方法也存在一定的缺陷：模子圈套的范圍有限，其范圍以外的根系由于被挖斷，不能檢測到其對固土能力的貢獻，從而有可能使根系固土能力的檢測結果偏小；含根系土體達到素土土體的破壞狀態后，隨著剪力的增加影響抗剪強度繼續提升的因素除了根系以外，還有土體的作用（比如摩擦力），而在計算中全部歸功于根系，將其固土能力擴大化；抗剪強度以模子的底面面積為基準，忽略了剪切過程中剪切面積的變化，使抗剪強度小于實際情況，且素土破壞面的面積大于含根系土體的破壞面面積，使根系的固土能力進一步減小。由于不同的學者針對不同植物、不同環境條件所采用的裝置及參數不盡相同，從而使得試驗結果間的可對比性和參考性不顯著[33]。

2 直接剪切試驗

直接剪切試驗通過應變控制式直剪儀，采用4個試樣，分別在不同的垂直壓力P下，施加水平剪切力進行剪切，求得破壞時的剪應力τ。然后根據庫侖定律確定土的抗剪強度參數：黏聚力c和內摩擦角τ。

通過直接剪切試驗，人們可以對影響植物根系固土能力的不同因素進行研究。毛伶俐、Ali等選取不同含根量土體進行大量室內直剪試驗，結果發現少量根的存在就會提高土層的抗剪強度，從而對邊坡的穩定性產生很大的影響[34-35]。栗岳洲等通過對4種鹽生植物根-土復合體在不同含根量梯度下的直接剪切試驗，認為根系增強土體抗剪強度存在最優含根量[5]。胡文利等以典型的沙地柏群落中選取的土樣與根系作為研究對象，通過實驗室直接剪切試驗方法對比分析在不同含水率下無根系擾動土和有沙地柏根系存在的根土復合土樣的抗剪性能[36]。鞏凡通過土樣的含水量測定試驗和直剪試驗，建立了桉樹林地土壤含水量與抗剪強度指標，并認為土體抗剪強度參數值均隨著土壤含水量的增加而減小[37]。王澤華對制成的幾個試樣進行了直接剪切試驗，認為植物根系的存在對于土壤起著明顯加筋作用，明顯提高了土體的抗剪強度，并且植物根系加筋后的土體仍然符合摩爾-庫侖定律，即τ=c+σtanφ[38]。黃曉樂等分析了狗牙根和紫花苜蓿2種草本植物根系分形特征，并對根-土復合體進行了直接剪切試驗，認為根系對植被混凝土抗剪強度有增強作用，并且根-土復合體抗剪強度的增幅與根系分形特征存在顯著的關系，即根-土復合體抗剪強度增幅隨根系分形維數增加呈現出先增加后減少的趨勢[39]。吳鵬等采用室內剪切試驗方法，對不同根系分布形態的植物根系固土護坡的有關規律進行研究，認為不同的根系分布形態，對根系固土強度和邊坡穩定性的影響不同[40]。李光瑩等對小嵩草、紫花針茅、矮火絨草、二裂委陵菜、細葉亞菊、鹽地風毛菊等6種草本植物的根-土復合體原狀試樣和素土試樣分別進行了直接剪切試驗，并結合植物的單根抗拉力、抗拉強度，評價其固土護坡能力與貢獻[41]。

進行直接剪切試驗時，許多研究者往往重塑素土和含根系土，以控制土體含水量、含根量、根系布置形態等，根據需要研究某個影響因素；當研究某個影響因素時，其作用結果不受其他因素干擾，試驗結果更具可靠性；相同剪切條件下，試樣的破壞面可保持一致，就素土和含根系土體同一高度的破壞面進行比較，方具有可比性。比如朱錦奇等采用大盒直剪試驗與物理模型，控制重塑土的密度、含水率、緊實度等與原狀土相一致，利用Wu模型對幾種植物的根系固土效能進行模型計算，認為不同的植物根系類型對增強抗剪強度值的影響非常顯著[32]。但是，“重塑”破壞了原土體的構造，以及根-土之間相互作用形態，忽略了根系和土體之間的生物化學作用和根系網絡的串聯作用，且其試驗裝置能夠容納的根系直徑和根長有限[42]，使試驗結果偏離了實際意義。也有學者原地采樣，對原狀根-土復合體進行直接剪切試驗，這樣保持了根系和土體的相互作用形態及根系、土壤的原始構造，發揮了根系對土體的生物化學作用及根系網的串聯作用。比如李光瑩等對試驗區不同草本植物的根-土復合體原狀試樣和素土試樣分別進行了直接剪切試驗，對不同根-土復合體的抗剪強度進行了比較，并結合不同植物的單根抗拉力、抗拉強度評價了不同草本植物固土護坡能力與貢獻[41]。但是，對原狀土就地取樣，不能保證不同土體的緊實度、含水量、密度等因素相同，從而不能準確控制單一變量；取樣過程中，同一種復合體選取的位置不同，試驗的結果就有可能出現差異，而且不能保證取樣的土體代表本土體的最強作用指標；無論是直剪試驗還是原位試驗，土樣的受剪面是固定的，它不一定是最薄弱面，且在剪切破壞過程中逐漸變小[43]。

3 三軸壓縮試驗

三軸壓縮試驗時測定土的抗剪強度的一種方法，通常采用3～4個圓柱形試樣，分別在不同的恒定周圍壓力（即小主應力σ3）下，施加軸向壓力（即產生主應力差σ1-σ3），進行剪切，直至破壞，然后根據摩爾-庫侖理論，求得抗剪強度參數。其中，不固結不排水剪試驗（UU）對應于直接剪切試驗的快剪試驗，在實際工程條件中，相當于飽和軟黏土中快速加荷時的應力情況。固結不排水剪試驗（CU）適用的實際工程條件常常是土層在自重或正常荷載下已達到充分固結，然后受到突然加荷作用時所對應的受力情況。

人們利用三軸壓縮試驗，對植物根系的加筋效應等方面作了一系列研究。宋維峰等基于加筋理論，采用三軸壓縮試驗的方法，探索林木根系的固土機制，認為在根系分布的不同深度，根系都增強了土體的強度[44]。余芹芹等通過對寒旱環境4種類型試樣即素土、草本-土復合體、灌木-土復合體、灌木-草本-土復合體試樣分別進行三軸壓縮試驗，對比分析這4種試樣的強度及其相應的應力-應變特征，認為植物根系對邊坡土體具有顯著的加筋作用，而草本與灌木植物組合種植的形式對土體的加筋效果較單一種植草本或灌木植物顯著[45]。嵇曉雷運用GDS三軸試驗系統，首次研究了根系在土體中傾斜、水平、垂直、相交、混合5種不同布置方式對根土復合體強度的影響規律，認為不同布置方式對土體強度增強程度不同[46]。周云艷等利用長江科學院研制的CT三軸儀，分別對素土樣和2種含根土樣進行不固結不排水的CT實時三軸剪切試驗，揭露了根系的阻裂作用和橋聯作用，最后得出根系固土的細觀力學機制主要表現為根系對土體的阻裂作用和橋聯作用[47]。曹云生通過三軸試驗，認為根系直徑和圍壓越大、根系布設方式越復雜則根土復合體的抵抗荷載的能力越強[16]。岳栗洲通過三軸試驗研究了粒徑對含根系土體抗剪強度的影響，認為粒徑越小越有利于抗剪能力[48]。endprint

相較于以庫倫定律為理論依據的直接剪切試驗，三軸壓縮試驗以摩爾-庫侖理論為基礎，其理論依據更加充分，關注壓縮過程中試樣的橫向和縱向變化。三軸試驗中的破壞面是真正的最薄弱面，且可以模擬不同排水狀況下剪切應力的變化，區分空隙水壓力和有效應力[43]。但是，一種土體往往需要多個試樣才能得出土體的特征系數，多個特征系數的平均值才能代表土體的特性，最終，需要對大量的試樣進行試驗，工作量過大；試驗中施加的圍壓過大，對實驗設備和條件提出了很高的要求；在水土保持中，土體往往不會受到很大的圍壓，所以采用三軸試驗時，施加的過大的圍壓與實際情況不符，屬于“小題大做”。

4 無側限抗壓強度試驗

無側限抗壓強度試驗是一種特殊的三軸壓縮試驗，同樣以摩爾-庫倫理論為依據，圍壓為0，只要測出試樣的最大主應力，即可確定摩爾應力圓，其頂點的切線即為庫侖直線，該直線在縱軸上的截距即為黏聚力，內摩擦角為0。

對于裸土來說，土層足夠深時，其黏聚力會有所增加[49-50]，但是，Hales等認為土壤抗剪能力和土層深度沒有關系，植物根系作用范圍為淺層土體，根-土復合體承受的圍壓很小，可忽略不計[51]。聶影等、Hu等認為根系提高土體抗剪強度主要是因為根系增強了土體的黏聚力，因此，可以忽略根系對內摩擦角的影響，只著手于對黏聚力增量的研究[52-53]。在無側限抗壓強度試驗中，對土柱施加的圍壓為零，接近根-土復合體的實際受力情況；只需要測出試樣的最大主應力，即可確定摩爾應力圓，進而畫出庫倫曲線，確定黏聚力，符合實際情況，且簡單易行，試樣用量少，工作量小。但是，無側限抗壓強度試驗采用的土柱往往太細，且是重塑土，在一定的根、土含量比例條件下，允許加入的根系太少，很有可能使其他未知因素對試驗結果的影響超出根系的影響，進而得出錯誤的結論。另外，通過試驗測得的抗壓強度常常略低于原狀素土，盡管重塑的含根系土體同原狀土的緊實度、密度、含水量等要素相同，但是由于受到擾動，不能確定抗壓縮性能的降低是因為根系還是因為擾動。比如，周成等對含香根草根系土體進行了無側限抗壓強度試驗，并與純土進行比較，結果顯示有根系土體的抗壓強度略低于純土，對土的無側限抗壓強度幾乎沒有影響，但明顯地改善了土的延展性[54]。

5 未來研究展望

三軸壓縮試驗需要幾種不同的圍壓，且圍壓較大，不符合淺層土體的受力情況，況且試驗量大。無側限抗壓強度試驗簡單，且符合實際情況，但是柱體太細，受擾動后，土體的構造等的改變對土體的影響放大。無側限抗壓強度試驗實際上是特殊的三軸壓縮試驗，因此，可以使用三軸儀的裝置，做無側限試驗，含根系土體可以足夠粗大。為了消除土壤受擾動的影響，可以在試驗之前直接制備較粗的土柱，并根據研究需要種植草本植物，或者改進裝置，加粗試驗土柱，以滿足對灌木等植物根系固土能力的研究。

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