尖萼金絲桃根系對邊坡土體抗剪強度的影響

薛海龍， 唐 彪， 張競元， 沈彥會， 許建新， 王 瑩

(深圳市鐵漢生態環境股份有限公司， 廣東 深圳 518040)

植物固土主要通過根系的加筋和錨固作用來實現，根土復合體在外力作用下，其變形小于素土[1]。加筋理論模型認為，植物根系的彈性模量要遠遠高于土體，植物根系與土體相互作用時，會在根系與土壤接觸界而產生摩擦阻力，這不僅限制了根系周圍土體的變形，而且使根系周圍的土體受到壓縮而增大土體的內聚力，提高了土體的強度從而起到固持土體的作用，因此根土界面的摩擦特性是根系固土機制研究的關鍵之一[2-3]。根系與土壤的摩擦特性研究，目前常借鑒土壤與其他材料的界面摩擦特性研究方法，如采用直剪試驗研究喬木與灌木根系與土體界面摩擦特性，采用拉拔試驗模擬加筋材料被拔出的特性[4]。植物根系的抗拉拔力是表征植物根土摩擦特征的一個重要參數。當土體遭受破壞產生滑動面時，根系將所承受的荷載向土體深層傳遞及周圍擴散，降低根土復合體的應力水平，改善土體變形性能[5-6]。王帥[7]研究了狗牙根、百喜草根系特征對邊坡抗剪性能影響，胡敏等[8]研究了沙地柏根系布根方式和根徑對其根土復合體抗剪性能影響，周濤等[9]探討了狗牙根、三葉草根系數量對根土復合體抗剪強度影響，李為萍等[10]和楊苑君[11]研究了白樺等植物根土復合體抗剪性能與根系分布之間的相互作用，蔣必鳳[12]分析了含根率和含水率對土體抗剪強度和有效黏聚力的影響，上述研究均得到了相類似的結論，即根系的加入能夠有效增強土體抗剪性能，且與根系的拉拔特性顯著相關。

本文擬基于前人研究，應用土力學原理，以2年生尖萼金絲桃(Hypericumacmosepalum)根系及其組成的根土復合體為研究對象，分別進行單根拉拔試驗和根土復合體剪切試驗，深入研究根系單根抗拉拔強度對邊坡土體抗剪強度的影響，定量分析評價其根系對邊坡土體抗剪強度的增強作用以及根系的抗拉強度與黏聚力之間的關系，以期為定量評價植物根系增強邊坡土體抗剪強度提供試驗數據支撐，為進一步深入探討植物根系增強邊坡土體抗剪強度機理提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

尖萼金絲桃(Hypericumacmosepalum)為藤黃科直立半常綠灌木，高0.6～2 m，多生于海拔900～3 000 m的山坡上，路旁、灌叢、林間空地以及荒地上較常見，具有抗寒、耐旱、耐貧瘠、根系發達、適應性強的特點，能固定土壤，增加土體通透性，有效截留降水，防止水土流失，是一種優秀的水土保持及邊坡修復植物。

選取貴州省六盤水市水城縣自然巖質邊坡，在相同邊坡環境下，根據五點采樣法，選取長勢較好、分枝數4～6枝、株高90～110 cm,冠幅60～80 cm的10株尖萼金絲桃，采取整株挖掘法，保證根系完整，將其挖出后置于靜水中洗去根系表面土壤，然后自然晾干，觀察根系分布特征可知，表現為主根系(定根)與須根系(不定根)相結合的分布模式，根系整體呈現出近“傘狀”，根莖范圍集中于0～5.0 mm，根系相互纏繞形成具有一定張力的根系網絡，將根際土壤固結為一個整體。根系冠幅大，平均達到30 cm×30 cm，覆蓋面廣，固土保水效力好，深扎的主根與四周分散的側根使其水分和養分的吸收更有利。其中5株開展根系拉拔試驗，同時采集樣地內土壤帶回，烘干后粉碎過2 mm篩，開展根土復合體剪切試驗。

1.2 單根拉拔試驗設計

采用游標卡尺測量根系直徑，按下述2個徑級(0～3.0 mm和3.0～5.0 mm)分開，每個徑級隨機選取5個根系，每個根系再選取3個平行試樣，分別截取長為10 cm的較直莖段，兩端用錨具固定，采用拉力儀器測量拉拔位移及抗拉拔力，根系徑級處于0～3.0 mm范圍內的，采用艾德堡HP-50N數顯式根系拉拔力計(量程0～50 N，精度0.001)，徑級處于3.0～5.5 mm范圍內的，采用艾德堡HP-1KN指針式根系拉拔力計(量程0～1 kN，精度0.01)。

為避免根系在夾具處滑脫，試驗時根系在夾具處增加橡皮墊以增大摩擦。根系拉斷后用游標卡尺測量根斷裂處直徑D。用公式(1)計算根系的抗拉強度P：

(1)

式中：P——抗拉強度(MPa)；T——抗拉拔力(N)；D——斷裂面根系直徑(mm)。

1.3 根土復合體剪切試驗設計

依據采樣區邊坡土層含水率(15.5%)為模擬根系采挖區當時測得的土壤自然含水率，在已篩分土壤中加入適量水，模擬實際濕度環境；根據采挖根系自然生長冠幅(表1)，利用木板制作長寬均為30 cm，高20 cm(邊坡生長的尖萼金絲桃根系，自然土層較薄，根系多分布于0—20 cm土層中)的無蓋木盒5個，把處理后的5株尖萼金絲桃根系分別垂直放入木盒中，盡量保證根系原始形態不變，再分4層(間隔5 cm)分別加入規定質量的土壤并錘擊(力度均勻，錘擊10次，保證5 cm厚度即可)，制備根土復合體試樣，同時制備無根素土的空白對照組樣塊。

表1 金絲梅根系冠幅 cm×cm

試驗設備采用自制的室外直剪儀，設備由上下剪切盒、水平加載系統、液壓系統、控制系統、數據傳感器以及顯示屏6部分組成。上剪切盒與下剪切盒尺寸相同，內部尺寸均為30 cm×30 cm×10 cm(長×寬×高)，壁厚均為1.0 cm。此尺寸遠大于一般的直剪儀(橫斷面面積只有30 cm2，高度只有2 cm)，更適合于根土復合體的直剪。水平剪切由特定測量系統，包括水平位移測量與加載剪切力測量，水平位移通過電子游標卡尺測量，量程為150 mm，精度為 0.01 mm；剪切力通過傳感器測量，結果直接顯示在數顯式拉力計上。水平剪切速率為 0.02～3 mm/min，剪切時間設定為15 min，測力范圍為 0～10 kN。

以剪切強度為縱坐標，對應的剪切應力為橫坐標，繪出τ—σ關系圖，作出線性回歸線，由摩爾—庫侖定律知直線在縱坐標的截距為根土復合體的黏聚力C，直線的傾角為根土復合體的內摩擦角φ。摩爾—庫侖定律，其表達式為公式(2)：

τf=C+σtanφ

(2)

式中：τf——根土復合體抗剪強度(MPa)；C——根土復合體的黏聚力(kPa)；σ——剪切面上的正應力(N)；φ——根土復合體的內摩擦角(°)。

2 結果與分析

2.1 尖萼金絲桃根系分布特征研究

2.1.1 尖萼金絲桃根系數量隨根徑根長的變化 對比5株根系樣本不同根徑、根長根系的數量變化可知(表2)，尖萼金絲桃根系以直徑0～3.0 mm為主，根長5～25 cm不等，根數比率均在80%以上，直徑3.0～5.0 mm根系分布較少，根長10～30 cm不等，根數比率20%以下。

表2 不同根徑、根長根系數量變化

2.1.2 尖萼金絲桃根系抗拉強度指標隨直徑的變化 試驗根系(D<3.0 mm)相對脆弱，在拉拔過程中易在夾具處發生斷裂。在對試驗所得結果進行處理時，若根系在試驗過程中發生滑動或夾斷等情況，則視為數據無效，應剔除。試驗共對30個尖萼金絲桃根系樣本進行了單根拉拔測試，所測得的抗拉試驗結果如表3所示(剔除10個無效數據)。根系的拉伸破壞過程為最初根皮裂開一條縫，隨著力的增加，根皮裂開第二條縫、第三條縫......最后根纖維被拉斷，根系的直徑對其抗拉位移、抗拉拔力、抗拉強度均產生較大影響。

灌木尖萼金絲桃室內單根拉拔試驗結果如圖1所示，表中根系斷裂處直徑、拉拔位移、抗拉拔力、抗拉強度等數據均取平均值，隨著根系直徑的增大，根系拉拔位移和抗拉拔力均整體呈現出直線增長的趨勢，拉拔位移曲線方程：S=13.141D-4.049 6(R2=0.892 6)，抗拉拔力曲線方程：T=6.823 8D+8.382 7(R2=0.911 7)；抗拉強度隨著根系直徑的增大呈現出負向冪函數減小趨勢，曲線方程：P=28.54D-1.519(R2=0.890 5)。

圖1 尖萼金絲桃單根拉拔試驗結果表3 根系抗拉強度指標隨直徑的變化

樣本直徑Davg/mm拉拔位移Savg/mm抗拉拔力Tavg/N抗拉強度Pavg/MPa10.72 8.40 12.308 6 30.402 9 20.95 7.72 16.671 7 23.532 2 31.02 9.65 12.345 7 15.027 8 41.15 10.26 13.901 2 13.346 1 51.59 12.97 19.647 6 9.954 6 61.97 12.12 15.493 8 5.085 8 72.46 22.40 23.781 4 5.006 1 82.48 24.22 22.623 5 4.685 8 92.94 28.10 24.657 7 3.634 0 102.97 35.47 25.599 4 3.697 0 113.00 30.13 31.192 0 4.415 0 123.26 32.99 29.845 7 3.570 9 133.48 46.72 28.575 3 3.005 8 143.50 33.16 28.392 5 2.952 6 153.71 37.86 38.602 6 3.572 7 163.74 47.97 31.551 2 2.878 1 173.99 38.22 32.127 2 2.570 7 184.01 52.22 34.527 1 2.735 3 194.47 43.28 35.862 0 2.282 3 204.52 60.47 37.503 0 2.338 4

通過拉拔試驗得到尖萼金絲桃根系單根抗拉強度與根系直徑的關系式(3)—(4)，直徑范圍0 mm

P=17.902D-1.451(0 mm

R2=0.967 6

(3)

P=15.317D-1.253(3.0 mm

R2=0.958 5

(4)

由表4中Pearson相關性分析可得，根系拉拔位移、抗拉拔力均與根系直徑存在正相關關系，其中拉拔位移與根系直徑顯著正相關(0.584*)；抗拉拔力與根系直徑存在極顯著正相關關系(0.795**)，抗拉強度與根系直徑存在極顯著負相關關系(-0.810**)；拉拔位移與抗拉拔力呈現極顯著正相關關系(0.730**)，與抗拉強度呈現極顯著負相關關系(-0.862**)；抗拉拔力與抗拉強度呈現極顯著負相關關系(-0.839**)。

表4 根系直徑與拉拔位移、抗拉拔力、抗拉強度Pearson相關性

注：*表示在 0.05 水平(雙側)上顯著相關；**表示在0 .01 水平(雙側)上顯著相關。

2.2 根系抗拉強度與根土復合體黏聚力C值之間的關系

不同根徑根系組合的抗拉強度表現出較大差異，對比剪切試驗結果(表5)，抗拉強度越大的根系組合組成的根土復合體黏聚力越大，其較于無根素土的增長率也相對越大，故可以認為根土復合體試樣的黏聚力值與植物根系總的抗拉強度呈正相關關系。綜上可知，植物根系總抗拉強度對根土復合體試樣黏聚力值存在較大程度的影響，即主要表現在根土復合體黏聚力值隨植物根系總抗拉強度的增大總體上呈現不斷增大的趨勢，對比根系直徑分布特征也可得到，小根徑根系越多，總抗拉強度相對越大，而且比具有同樣根面積比率的粗根系具有較大的表面積，與土體的摩擦力較大，抵抗拉脫的能力強，而根系提高土體黏聚力通過增大根土接觸面摩擦力實現。

表5 根系抗拉強度與根土復合體黏聚力C值之間的關系

注：總抗拉強度=單根平均抗拉強度×根系數量；黏聚力增長率=(根土復合體黏聚力值-無根素土黏聚力值)/無根素土黏聚力值；表中“—”表示不存在相關試驗數據。

2.3 無根素土與根土復合體黏聚力C值之間的關系

通過對無根素土和根土復合體剪切試驗，結果如表6所示。保證土體密度(1.67 g/cm3)以及含水率(15.5%)不變的情況下，5組根土復合體的黏聚力依次為53.7，67.1，74.7，89.2，66.0 kPa，相對于無根素土黏聚力(45.8 kPa)均有不同程度的增長，增長率分別達到了17.25%，46.51%，63.10%，94.76%，44.11%，表明根系的加入增加了土壤顆粒間的連結強度，對邊坡土體黏聚力C值起到顯著的增強作用，在一定程度上提高了邊坡土體的穩定性。

對于5組根土復合體黏聚力差異，根1，根2以及根3，根4兩兩的根土面積比差異較小，但黏聚力差異較明顯，表明黏聚力除了受到根土面積比的影響，還與根系的分布有關，復合體試樣中根系的分布形式不同、單根與剪切面的夾角不同也較大程度上對黏聚力產生影響，對比5組根土復合體的黏聚力可得，黏聚力、黏聚力增長率均與根土面積比、根土體積比均存在正相關關系，直徑較小(0～3.0 mm)的根系越多，其黏聚力越大，與土體夾角趨近于90°的根系越多，黏聚力越大。根土復合體內摩擦角相對于無根素土也表現出一定程度的增大，但變化幅度較于黏聚力均不顯著。

表6 無根素土與根土復合體黏聚力變化結果

注：根土面積比=根系在剪切面處的面積/剪切面面積；根土體積比=根系總體積/根土復合體總體積。

3 討 論

3.1 根系直徑對根系抗拉強度指標的影響

灌木尖萼金絲桃室內單根拉拔試驗結果表明，隨著根系直徑的增大，根系拉拔位移和抗拉拔力均整體呈現出直線增長的趨勢，抗拉強度隨著根系直徑的增大呈現出負向冪函數減小趨勢，原因是隨著植物根系的生長，根徑增大，根表面積增大，木質部越來越發達，大量木質素積累，使得根系質地則越堅硬，抗拉拔力不斷增長，但隨著根徑的增大，根系質地的改變，其彈性形變性能減弱，抗拉強度越來越小，容易被拉斷；萬娟[13]對狗牙根和多花木藍根系開展單根拉拔試驗，結果表明多花木藍根系平均拉拔位移和抗拉拔力均大于狗牙根，但抗拉強度狗牙根相對較大；Murielle G[14]對蓖麻和麻風樹根系進行拉拔試驗，結果表明根系直徑大，抗拉拔力就大，但容易拉斷，抗拉強度小。類似的還有趙玉嬌等[15]，張翔宇等[16]對植物根系拉拔試驗的研究，結論基本一致。

3.2 根系抗拉強度與根土復合體黏聚力的關系

不同根徑根系組合的抗拉強度表現出較大差異，對比剪切試驗結果，抗拉強度越大的根系組合組成的根土復合體黏聚力越大，其較于無根素土的增長率也相對越大，格日樂等[17]研究中也有相同結論，其中對檸條、揚柴、草木犀等灌木根系進行單根拉拔試驗，并對其組成的根土復合體進行剪切試驗，結果表明隨著根系極限抗拉強度的減小，根土復合體黏聚力增長率也降低。鄧佳[18]對香草根、百喜草、狗牙根3 種草本根系也開展了單根拉拔及根土復合體剪切試驗，結果為平均抗拉強度大的根系組成的根土復合體黏聚力大。類似的研究還表現在：劉福全[19]對沙柳、沙地柏、白沙嵩3 種灌木根系及根土復合體研究，李云鵬等[20]對馬尾松和四川大頭茶的研究，結果都表明了抗拉強度越大，相對的根土復合體黏聚力越大，抗剪強度越大。綜上可知，植物根系抗拉強度對根土復合體試樣黏聚力值存在較大程度的影響，即主要表現在根土復合體黏聚力值隨植物根系抗拉強度的增大總體上呈現增大的趨勢。

4 結 論

(1) 灌木尖萼金絲桃室內單根拉拔試驗結果表明，隨著根系直徑的增大，根系拉拔位移和抗拉拔力均整體呈現出直線增長的趨勢，拉拔位移和抗拉拔力曲線方程R2均高于0.89；抗拉強度隨著根系直徑的增大呈現出負向冪函數減小趨勢，曲線方程R2高于0.89，根系在直徑范圍0 mm

(2) 根系拉拔位移、抗拉拔力均與根系直徑存在正相關關系，抗拉強度與根系直徑存在極顯著負相關關系；拉拔位移與抗拉拔力呈現極顯著正相關關系，與抗拉強度呈現極顯著負相關關系；抗拉拔力與抗拉強度呈現極顯著負相關關系。

(3) 不同根徑根系組合的抗拉強度表現出較大差異，對比剪切試驗結果，抗拉強度越大的根系組合組成的根土復合體黏聚力越大，其較于無根素土的增長率也相對越大，根土復合體試樣的黏聚力值與植物根系總的抗拉強度呈正相關關系，根土復合體黏聚力、黏聚力增長率均與根土面積積比、根土體積比均存在正相關關系。其相較于無根素土黏聚力均有不同程度的增長，增長率達到了17.25%～94.76%，根系的加入對邊坡土體內摩擦角的影響不顯著，對黏聚力C值起到顯著增強作用，在一定程度上提高了邊坡土體的穩定性。