黃土區(qū)紫花苜蓿根系對土體抗剪性能的影響

周 霞， 魏 楊， 李東嶸， 蔣 靜， 張超波

(太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，030024，太原)

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城鎮(zhèn)建設(shè)的不斷優(yōu)化，交通基礎(chǔ)建設(shè)的不斷擴(kuò)大，人們在基礎(chǔ)工程建設(shè)中加劇了對邊坡的破壞，誘發(fā)了一系列新的地質(zhì)災(zāi)害[1]。邊坡的不合理改造和開挖造成了地表植被破壞，加劇水土流失，同時(shí)對地質(zhì)構(gòu)造較弱和在坡度較大的地方，還會造成不同程度的山體滑坡和崩塌，給人們的生活帶來嚴(yán)重危害；因此，加快邊坡植被恢復(fù)，提高邊坡穩(wěn)定性，減少水土流失，是現(xiàn)階段急需解決的問題。常見的水土保持措施有工程措施和植物措施[2]。工程措施指的是以保持土體穩(wěn)定和截排水的建筑工程防護(hù)措施，如梯田、護(hù)坡、截水溝；植物措施指的是通過保護(hù)和合理利用水土資源，采用林草植被措施進(jìn)行綠化，減少地表土壤侵蝕的一種防護(hù)措施。植物措施已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到邊坡固土，提高淺層邊坡穩(wěn)定性。植物措施根土護(hù)坡的原理是通過利用植物根系與土壤相互纏繞以增加土壤間的固結(jié)力，改變土壤之間結(jié)構(gòu)，形成根土復(fù)合體，提高邊坡穩(wěn)定性和抗沖刷性[3]。采用這些措施使水土流失得到一定的改善，但很多地區(qū)出現(xiàn)土壤含水量低、土壤干層，造成植被衰敗或退化的新現(xiàn)象，且在林地比灌草地表現(xiàn)得更明顯；因此，灌草成為化解水資源-生態(tài)環(huán)境矛盾，進(jìn)行水土流失防治的優(yōu)先選擇。很多學(xué)者通過研究認(rèn)為根土間相互作用能提高土體的抗剪強(qiáng)度[4-9]，這些研究中較多地關(guān)注植物類型為喬木[10-11]、寒旱環(huán)境灌草植物[12-13]，對黃土區(qū)草本根系與土體抗剪性能關(guān)系研究較為缺乏。筆者對黃土區(qū)草本根系-土復(fù)合體進(jìn)行原位剪切試驗(yàn)，研究不同深度、不同土壤含水量下根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度和剪切位移之間的關(guān)系，并分析剪切深度對根土復(fù)合體抗剪性能的影響，研究結(jié)果對于研究不同深度下根土間力學(xué)摩擦關(guān)系和提高邊坡穩(wěn)定性具有重要意義，可為邊坡固土和水土保持提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)太原位于E 111°30′～113°09′，N 37°27′～38°25′。最高海拔為2 670 m，最低海拔為760 m，地區(qū)地貌形態(tài)復(fù)雜多樣，大部分地處黃土高原，有豐富的粉沙質(zhì)土壤，即黃土，該土體疏散，易被水沖刷，抗沖散力差；太原年均降雨量約為456 mm，四季降雨不均，多集中在7、8月份，占全年降雨量的60%，雨季降水量多，強(qiáng)度大，易形成大雨和暴雨，這些因素造成了水土流失。紫花苜蓿(Medicagosativa)枝葉茂盛，根系發(fā)達(dá)，根系主要集中在深度0～30 cm土壤中，在該范圍內(nèi)的須根占總量的一半以上[14]，能提高土體的抗沖刷能力[15]。紫花苜蓿地表部分能攔蓄和緩解地表徑流對土壤的沖刷，須根多，能與周圍土體緊密纏繞，固土能力強(qiáng)，在黃土高原地區(qū)具有顯著的水土保持效果[16]。

2 材料與方法

2.1 剪切試樣制作

試驗(yàn)在太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)大廳開展，剪切試驗(yàn)采用填裝試樣，試驗(yàn)箱尺寸為50 cm×50 cm×50 cm(長×寬×高)；土樣取自太原市附近黃土，為保持各試樣土體密度、均勻性等相關(guān)參數(shù)相同，并與自然環(huán)境接近，采取分層取樣、分層填裝壓實(shí)，每個試樣分5層，每層10 cm，試驗(yàn)區(qū)土樣參數(shù)如表1所示。

種植植物為黃土區(qū)水土保持先鋒草本物種紫花苜蓿，屬多年生草本，根粗壯，能深入土層，根莖發(fā)達(dá)。種植方式采用分行穴種，株距10 cm，種植16株。在自然環(huán)境條件下生長5個月后，地上部分株高約為25 cm，地下部分根長為10～30 cm，地上部分試樣含水量為63.19%，地下部分試樣含水量51.10%。

剪切盒尺寸為20 cm×20 cm×10 cm(長×寬×高)，剪切根系為4株，每株含根量為5～6根左右，剪切根系占總體根系25%，剪切土體面積總占土體的16%。剪切試驗(yàn)采取分層剪切，剪切深度10 cm、20 cm和30 cm，深度20 cm和30 cm的試樣上方承壓相應(yīng)的土體重量，根據(jù)實(shí)際含水量的條件，控制3個含水量范圍進(jìn)行剪試驗(yàn)，3種剪切深度下共9個處理試樣，對應(yīng)3種裸地試樣，重復(fù)2組，共24個試樣。

表1 土壤物理性質(zhì)參數(shù)表Tab.1 Soil physical properties parameter list

2.2 剪切試驗(yàn)裝置

用于試驗(yàn)的自制原位直剪儀器如圖1所示，主要由框架、直剪盒、千斤頂、液壓泵、位移傳感器、壓力傳感器、記錄儀等部分組成。其中，剪切盒尺寸為20 cm×20 cm×10 cm(長×寬×高)，剪切面積為0.04 m2。位移傳感器最大剪切位移為100 mm，精度為0.1%。壓力傳感器最大荷載為3 kN，精度為0.1%。采用液壓千斤頂勻速加載，加載速度為3 mm/s。

圖1 剪切試驗(yàn)裝置Fig.1 Device for shear tests

2.3 剪切試驗(yàn)步驟

剪切試驗(yàn)過程分為以下6步：1)整平場地，割除植物地上部分，在容器中央放置尺寸為20 cm×20 cm×10 cm(長×寬×高)的剪切盒，挖除和修整剪切盒周圍土體；2)安裝、檢查原位剪切儀器，將拉力傳感器和位移傳感器調(diào)整好位置并歸零；3)使用SS-TRS402土壤水分測定儀測定試樣剪切土層的土壤含水量；4)試驗(yàn)分3層剪切：0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm，啟動液壓千斤頂，勻速對剪切盒施加水平推力，即開始剪切土樣試驗(yàn)；5)記錄數(shù)據(jù)，觀察記錄儀上實(shí)時(shí)曲線，當(dāng)荷載達(dá)到峰值后，隨著剪切位移的增加，荷載減小直至達(dá)到平穩(wěn)，說明土樣處于完全破壞狀態(tài)，停止試驗(yàn)；6)移除儀器，詳細(xì)統(tǒng)計(jì)和記錄剪切破壞土樣特征及剪切面處根系分布與破壞情況。

2.4 數(shù)據(jù)分析

抗剪強(qiáng)度反映了植物根系抵抗剪切滑動的能力，試樣剪切破壞時(shí)的抗剪強(qiáng)度計(jì)算式為

(1)

式中：F為水平推力，N；A為剪切截面積，mm2，τ為抗剪強(qiáng)度，kPa。抗剪強(qiáng)度增量計(jì)算式為

Δτ=τ-τ素土。

(2)

抗剪強(qiáng)度增幅計(jì)算式為

(3)

3 結(jié)果與分析

3.1 根土復(fù)合體剪切破壞過程

選取剪切深度20 cm試樣研究根土復(fù)合體剪切破壞過程，剪切根系數(shù)為4株，土壤含水量約為27.15%。由圖2試樣應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線圖可知，裸地試樣和根土復(fù)合體試樣剪切破壞過程均經(jīng)歷3個階段：彈性變形階段(OA和OA′階段)、塑性變形階段(AB和A′B′階段)和完全破壞階段(BC和B′C′階段)。OA階段，隨著荷載逐漸增加，剪切位移增加量較小，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系近似直線，土壤受剪產(chǎn)生的剪應(yīng)力開始轉(zhuǎn)移給根系，使得根系發(fā)生彈性變形，該階段為試樣彈性變形階段；AB階段，隨著荷載逐漸增大，剪切位移逐漸增大，根系承擔(dān)的剪應(yīng)力也逐漸增大，根系和土壤之間產(chǎn)生相互錯動趨勢，接近根系自身抗拉強(qiáng)度或根土界面摩擦力，該階段為試樣塑性變形階段。在塑性變形階段，AB段斜率比A′B′段大，顯示根土復(fù)合體試樣的剪切力明顯大于裸地試樣，土體發(fā)生滑動趨勢時(shí)，土壤和根系都會發(fā)生不同程度的變形。由于二者的變形存在一定的差異，所以土壤和根系之間會發(fā)生錯動或有相互錯動趨勢，而土壤和根系之間的錯動會受到土壤摩擦阻力的抵抗，使得土壤中的部分剪應(yīng)力轉(zhuǎn)移給植物根系，根系受拉，形成彈塑性變形，說明根系的存在顯著提高了土體抗剪能力[17-18]。在破壞階段，BC段斜率大于接近水平B′C′段斜率，裸地試樣在B′點(diǎn)幾乎達(dá)到完全破壞；剪切力從B點(diǎn)增大到C點(diǎn)超出土壤抗剪能力，根系最終拔出或斷裂，根土復(fù)合體在C點(diǎn)發(fā)生完全破壞。

圖2 試樣剪切應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.2 Shear stress strain curve of samples

3.2 苜蓿根土復(fù)合體的增強(qiáng)效應(yīng)

剪切試樣包括裸地試樣W0：W01含水量21.9%和剪切深度S1(0～10 cm)、W02含水量24.1%和剪切深度S2(10～20 cm)、W03含水量32.9%和剪切深度S3(20～30 cm)。剪切深度S1(0～10 cm)，根土復(fù)合體試樣W1有：W11試樣含水量19.0%、W12試樣含水量27.8%和W13試樣含水量32.4%。剪切深度S2(10～20 cm)，根土復(fù)合體試樣W2有：W21試樣含水量23.5%、W22試樣含水量27.3%和W23試樣含水量31.3%。剪切深度S3(20～30 cm)，根土復(fù)合體W3有：W31試樣含水量30.2%、W32試樣含水量32.5%和W33試樣含水量36.9%。

由圖3可知，坐標(biāo)X軸為土壤含水量，Y軸為極限抗剪強(qiáng)度和剪切位移，同一土層中，苜蓿根系對土體極限抗剪強(qiáng)度和剪切位移的增強(qiáng)值隨土壤含水量增加而降低。圖3(a)剪切深度S1時(shí)，苜蓿根土復(fù)合體試樣W11、W12和W13極限抗剪強(qiáng)度比裸地試樣W01分別增加了89.41%、63.68%和49.61%，剪切位移比裸地試樣W01分別增加了55.33%、50.90%和41.70%。圖3(b)剪切深度S2時(shí)，試樣W21、W22和W23極限抗剪強(qiáng)度比試樣W02分別增加了73.23%、60.25%和43.10%，剪切位移比裸地試樣W02分別增加了33.25%、29.94%和28.21%。圖3(c)剪切深度S3時(shí)，W31、W32和W33試樣極限抗剪強(qiáng)度比W03試樣分別增加了36.29%、25.79%和11.38%。裸地試樣在剪切位移約為40～50 mm時(shí)抗剪強(qiáng)度達(dá)到峰值，而根土復(fù)合體在剪切位移約為60～70 mm時(shí)達(dá)到峰值，表明剪切時(shí)根系的存在增加了土體剪切變形能力，這對于提高邊坡穩(wěn)定性具有重要意義。總體而言，苜蓿根系不僅能增強(qiáng)土體抗剪強(qiáng)度，而且能提高土體剪切變形能力，但土壤含水量對苜蓿根系的這種增強(qiáng)效應(yīng)產(chǎn)生負(fù)面影響。

3.3 不同深度的苜蓿根土復(fù)合體抗剪性能

從圖4(a)中可以看出，坐標(biāo)X軸為剪切深度，Y軸為極限抗剪強(qiáng)度增幅，苜蓿根系對土體極限抗剪強(qiáng)度的平均增幅隨剪切深度增加而逐漸減小，剪切深度S2、S3中極限抗剪強(qiáng)度平均增幅比剪切深度S1中增幅分別減少8.70%和43.08%。圖4(b)中可以看出：坐標(biāo)X軸為剪切深度，Y軸為剪切位移增幅，苜蓿根系對土體剪切位移的平均增幅也隨剪切深度增加而逐漸減小，剪切深度S2、S3中剪切位移平均增幅比剪切深度S1中剪切位移平均增幅分別減少18.71%和40.59%。因此，苜蓿根系對土壤限抗剪強(qiáng)度和剪切位移的整體增強(qiáng)效果隨土壤剪切深度增加而減小。

4 討論

根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度是評價(jià)根系邊坡固土的重要指標(biāo)，抗剪強(qiáng)度值越大，越有利于邊坡穩(wěn)定。本研究中，對不同深度苜蓿根土復(fù)合體剪切發(fā)現(xiàn)，剪切深度越大，極限抗剪強(qiáng)度增幅和剪切位移越小。這與格日樂等[19]研究結(jié)果相似，即剪切深度為30 cm時(shí)，根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度和剪切位移相比裸地對照試樣無明顯提升，而在剪切深度10 cm和20 cm下苜蓿根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度隨土壤含水量的增大而減小。主要原因可能有2點(diǎn)：一是由于植株生長周期短，植株根系深入30 cm土壤深度的較少，因而根系增強(qiáng)效果較弱；二是本研究中隨著剪切深度增大，土壤含水量逐漸增加，根系固土能力被削弱[20]，一定量的水分能使土粒和水分之間形成水膜，將土壤和根系形成良好的連接體，增強(qiáng)土壤和根系的固土能力。但過量的水分促使土壤體積增大，黏聚力降低，使得根土復(fù)合體的抗剪能力下降[19]。這表明根系能提高土體抗剪強(qiáng)度且對于淺層土體影響明顯。

W01：Sample without roots while soil moisture content 21.9% at shear depth S1 0-10 cm. W11：Sample with roots while soil moisture content 19.0% at shear depth S1 0-10 cm. W12：Sample with roots while soil moisture content 27.8% at shear depth S1 0-10 cm. W13：Sample with roots while soil moisture content 32.4% at shear depth S1 0-10 cm. W02：Sample without roots while soil moisture content 24.1% at shear depth S2 10-20 cm. W21：Sample with roots while soil moisture content 23.5% at shear depth S2 10-20 cm. W22：Sample with roots while soil moisture content 27.3% at shear depth S2 10-20 cm. W23：Sample with roots while soil moisture content 31.3% at shear depth S2 10-20 cm. W03：Sample without roots while soil moisture content 32.9% at shear depth S3 20-30 cm . W31：Sample with roots while soil moisture content 30.2% at shear depth S3 20-30 cm. W32：Sample with roots while soil moisture content 32.5% at shear depth S3 20-30 cm. W33：Sample with roots while soil moisture content 36.9% at shear depth S3 20-30 cm.圖3 不同含水量下根土復(fù)合體試樣Fig.3 Samples with roots under different moisture content

W1：Sample with roots at shear depth 0-10 cm. W2：Sample with roots at shear depth 10-20 cm. W3：Sample with roots at shear depth 20-30 cm. S1：Shear depth 0-10 cm. S2：Shear depth 10-20 cm. S3：Shear depth 20-30 cm.圖4 不同剪切深度下W1、W2和W3根土復(fù)合體試樣Fig.4 W1, W2and W3samples with roots under different shear depth

5 結(jié)論

通過對不同土壤含水量、不同土層深度下苜蓿根系-黃土復(fù)合體開展直剪實(shí)驗(yàn)，研究了苜蓿根系對土壤的作用，得到以下結(jié)論：

1)相比裸地試樣，苜蓿根系能增強(qiáng)土體的抗剪性能；當(dāng)土壤含水量為18.97%時(shí)，根土復(fù)合體試樣抗剪強(qiáng)度為10.02 kPa，剪切位移為70.55 mm，與裸地試樣相比，抗剪強(qiáng)度最大增幅為89.41%，剪切位移增加約25 mm。

2)苜蓿根系對土體抗剪性能的增強(qiáng)效應(yīng)隨土壤含水量增加而降低。剪切深度30 cm下，土壤含水量達(dá)到30%左右時(shí)，根系的固土增強(qiáng)效應(yīng)非常有限。

3)苜蓿根系對土體抗剪性能的增強(qiáng)效應(yīng)隨土體剪切深度增加而減小，根系對淺表層土體抗剪強(qiáng)度的增強(qiáng)作用更為顯著。