五節芒和胡枝子的固土護坡力學特性研究

周潔昕 郭俊英 何云核

摘要 [目的]分析植物根系在土壤中的力學性質，證明植物能提高坡面的穩定性。[方法]以胡枝子、五節芒為研究對象，測定植物根系的抗拉強度。[結果]根系的存在確實對土體抗剪強度有所提高;當根系的總長度恒定時，根系粗細是影響抗拉拔力的主要因素。[結論]植物根系可以提高土體的抗剪強度和抗拉拔能力，增強邊坡的穩定性。

關鍵詞 植物護坡;根土復合體;抗剪;拉拔

中圖分類號 U418.5+2文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2019）04-0215-04

Abstract [Objective]The mechanical properties of plant roots were analyzed in the soil， demonstrating that plants can improve the stability of the slope.[Method]Taking Miscanthus floridulus， Lespedeza bicolor as test object，pullout strength ?of ?plant ?root ?was determined.[Result]The presence of roots did improve the shear strength of the soil. When the total length of the root system was constant， the root thickness was the main factor affecting the pullout resistance.[Conclusion]Plant roots can improve the shear strength and pullout resistance of the soil and enhance the stability of the slope.

Key words Plant slope protection;Rootsoil composite;Shear experiment;Pullout test

隨著改革開放，中國國民經濟迅速發展，各地大興土木，加大對公路、鐵路及水利等基礎設施的建設。這些活動不可避免地進行筑堤或開山，造成邊坡失穩被破壞，誘發水土流失、泥石流、山體滑坡等，成為影響人們生命財產安全的主要因素之一。傳統的工程護坡包括抹面、勾縫、砌石護坡或設置擋墻等，這些措施不但前期花費高，而且會隨著時間發生風化、老化等，后期維修費用較高[1]。隨著邊坡生態防護的作用越來越被專家肯定，除少數不穩定或者條件嚴苛的邊坡仍采用工程護坡，傳統護坡方式逐漸被植物護坡取代[2-3]。邊坡生態防護技術是利用根系涵水固土的原理穩定土坡淺表層，美化和恢復生態環境的新技術。它涉及許多學科，如巖土工程、植物學、生態學、土壤力學等[4-5]。它沒有像傳統工程措施那樣的標準化計算方法。此外，土壤類型、植物種類、生長階段、氣候等自然條件也會對植物的護坡效果產生影響，導致植物根系固土能力的測量產生困難[6]。目前邊坡生態防護技術的應用還有許多地方可以深入研究，尤其對它的力學機理研究是非常有必要的。

經實地調查，總結出常見的固土護坡植被中鹽扶木和五節芒為優勢種，紫藤、忍冬、葛藤、野菊、酸模、野燕麥、紫穗槐等為伴生種;馬棘和胡枝子為優勢種，構樹、紅葉野桐、苦苣菜、一年蓬、鵝觀草、紫花苜蓿、酢漿草、千里光、白花敗醬、截葉鐵掃帚等為伴生種;小蠟、高羊茅、刺槐和紫穗槐為優勢種，五節芒、一年蓬、苦麥草、截葉鐵掃帚、榔榆、迷糊菜、黃鶴菜、竊衣等為伴生種，我們從中選取五節芒和胡枝子進行試驗，以為植物護坡應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選取浙江農林大學校園植被恢復邊坡中的草本植物五節芒和木本植物胡枝子作為試驗材料（圖1、2、3、4）。五節芒是禾本科芒屬多年生常綠草本植物，具發達根狀莖，是生活中最常見的野外群生禾本科植物;它的根系盤根錯節，十分龐大，有很強的保持水土能力，且再生力也很強，是一種優秀的水土保持及綠化護坡植物。胡枝子是豆科胡枝子屬直立灌木，生于海拔150～1 000 m的山坡、路邊、森林邊緣、灌木和混交林間。枝葉繁茂，根系發達，側根多，能有效保持水土，減少地表徑流，改善土壤結構。采取整株挖掘法，于2018年6月挖取五節芒和胡枝子的試驗植株，選擇3株生長良好、具有代表性的植株，取出后及時帶回實驗室，挑選生長正常、無病蟲害和完整根皮的新鮮根系。根據統計結果，在該試驗中選取的五節芒根系平均有97%的側根分布在地表15 cm以內，胡枝子根系平均有75%的側根分布于地表25 cm以內。

1.2 試驗方法

五節芒的試驗方法：利用取土器挖取完整的原狀土（圖5），用60 cm3環刀進行切割，將土樣填滿環刀。為了分析含根量的變化對根土復合體抗剪強度的影響，分別對取出的完整土體取0～2、2～4、4～6 cm深度的根土復合體試樣進行剪切試驗。同時，對素土也進行剪切試驗來證明根土復合體的抗剪強度比素土強。用應變控制式直接剪切儀對土樣進行剪切試驗計算得到剪應力。計算公式如下：

以上擬合結果的相關系數R2均大于0.86，可知擬合均較好，表明黏聚力和含根量的變化關系以及內摩擦角和含根量的變化關系。根土復合體的黏聚力和內摩擦角都大于素土，黏聚力的增加特別明顯。因此，根密度與邊坡的穩定性密切相關，根密度增加，邊坡穩定性增加。

試驗表明，垂直應力影響剪切強度，垂直應力和試樣的抗剪強度呈線性關系。隨著垂直應力的增加，抗剪強度呈線性增加;根系含量影響土體的剪切強度，根土復合體的的抗剪強度隨著根系的增加而增強;根對土體內摩擦角的影響相對小，對黏聚力影響較大;根密度能夠影響邊坡的穩定性。

2.2 根系拉拔試驗結果 在該試驗中，分別進行20組單根從圖9和圖10可以看出，胡枝子根徑的最大抗拉力隨根系直徑的增大而增大，而最大抗拉強度隨胡枝子根系直徑的增大而減小。朱清科等[10]指出在拉拔試驗中，根系變形會從彈性形變到塑性形變，當植物根徑增大到一定程度時，其抗拉拔力會有明顯的躍遷，但在該試驗中，植物根的最大抗拉拔力沒有顯示明顯的躍遷，這是因為試驗植物根徑尚未達到轉變的極限值。采用線性回歸方程擬合胡枝子的最大抗拉拔力與根徑之間的關系，比較冪函數和線性函數的相關系數，發現用冪函數方程其擬合度更高[11]，因此，根系的最大抗拉拔力與直徑之間存在著非線性冪函數關系。

3 結論與展望

試驗結果表明，根土復合體的抗剪強度與剪切面上的法向壓力成正比，其抗剪強度符合庫侖定律，τ=c+σtanφ;隨著根土復合體中含根量的增加，其黏聚力C值明顯增加，而內摩擦角增加值較小，根系對土體抗剪強度的增加主要體現在黏聚力的增加，與Waldron的修正式相符合;根系的最大抗拉拔力隨根徑的增加而增大且呈現非線性冪函數關系，而最大抗拉強度隨植物根系直徑的增大而減小。

生態護坡技術與傳統的工程技術防護方法相比有諸多優點，在此領域開展相關研究，不但具有重要的理論價值，更具有一定的經濟、環境和生態效益。植物護坡技術是一門綜合性學科，在這一領域仍有許多問題值得繼續開展更深入的研究，其力學作用機理還有待進一步探索。另外，在實際的坡面綠化中，更多采用多種植物結合的復合植物系統，不同植物根系可能對固土效果具有互補作用[7，12]。因此，研究植物復合根系的固土機理也是未來的發展趨勢。希望今后在生態護坡技術理論研究和實際工程應用上，有進一步的發現和研究。

參考文獻

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