宿遷市道路邊坡主要喬木刺槐根系固土力學特性研究

何新原，吳勝坤，羅東志，蔡丹丹

（1.蘇交科集團檢測認證有限公司，江蘇 南京 210000；2.江蘇宿遷交通工程建設有限公司，江蘇 宿遷 223800；3.宿遷市高速鐵路建設發(fā)展有限公司，江蘇 宿遷 223800）

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江蘇省北部的宿遷市，地理坐標范圍為33° 8′～ 34° 25′ N，117° 56′～ 119°10′E，總體呈西北高、東南低的格局，最高點海拔高度為71.2m，最低點海拔高度為2.8m。研究區(qū)屬于暖溫帶季風氣候區(qū)，年均氣溫14.2℃，年均降水量910mm，年均日照總時數(shù)2291h。無霜期較長，平均為211d，初霜期一般在10月下旬，降雪初日一般在12月中旬初，積溫5189℃，全年作物生長期為310.5d。受季風影響，年際間變化不大，但降水分布不均，易形成春旱、夏澇、秋冬干天氣。

1.2 根系形態(tài)指標測定

選取3株4年生刺槐采用整株挖掘法進行挖掘，根據(jù)刺槐根系的生長規(guī)律，挖掘深度為60cm，從表土向下每隔10cm分層采集根樣，去除根系表面上附著的雜質和土壤顆粒，取樣后裝入寫有編號的自封袋中并放入裝有干冰的保溫箱內(nèi)，然后對其根系表面進行沖洗，去除表面浮土與雜物。之后，對根部長段、根部表面積、重量、體積等與固土性能密切相關的參數(shù)進行測量。而對于一些常規(guī)手段難以準確測量的參數(shù)，可以利用高精度掃描設備對其根系進行掃描測量，并采用WinRHIZO 2009a系統(tǒng)進行根系形態(tài)學指標的分析。

1.3 根系抗拉強度測定

在測定根系抗拉強度時，首先要對試樣進行選取標記。因為太細小的根表面積、體積過小，且容易折斷，所以在挑選時只將直徑大于0.3mm的刺槐單根作為實驗對象。之后，根系直徑每多出0.1mm就分為一級，每級至少選取30個實驗根進行拉伸實驗。除了實驗根直徑，對于其長度也有一定要求。長度要為70mm，且是要從根系中端進行截取。每隔15mm對實驗根進行1次標記，每根標記5處，之后利用游標卡尺測量標記處的根系直徑并記錄下來，要注意的是，為降低測量誤差，在對標記處進行測量時要注意正交方向上量取2次。對測量得出的根系直徑求得平均值，記作D。準備工作完成后，使用YG(B)026H-250型織物強力機（精度為0.01，最大拉力量程2500N）開始拉伸試驗。將選取測量完畢的實驗根豎直放于強力機上，上下夾具固定后啟動強力機。將拉伸速率設置為500mm/min，直至實驗根被拉斷。根系在由開始拉伸到拉斷的過程中，拉伸傳感器配合計算機每隔0.01s記錄1次拉力大小與拉伸量變化并自動生成變化曲線。之后根據(jù)如下公式得出抗拉強度與根系直徑之間的關系。

式中：P為抗拉強度，MPa；F為抗拉力，N；D為根系斷裂處直徑，mm。

1.4 刺槐根土復合體抗剪強度測定

在對根土復合體進行抗剪強度測定時，需要用到原位剪切試驗裝置ZJ型四聯(lián)應變控制式直剪儀，如圖1所示。

圖1 ZJ型四聯(lián)應變控制式直剪儀

該設備可以模擬并自動采集植物在根土復合體原位剪切時受到的水平拉力、剪切力，同時，直剪儀會將采集到的拉力與位移以動態(tài)關系曲線的形式展示出來。需要注意的是，直剪儀在運行時，滑軌與剪切盒之間會存在滑動摩擦力，對實驗結果有一定干擾，需要利用以下公式進行排除：

式中：Fj為剪切力，N；Ft為剪切裝置施加的拉力，N；Ff為剪切裝置運行產(chǎn)生的滑動摩擦力，N。

求得素土和根-土復合體剪切面處的剪切力后，根系抗剪強度公式如下：

式中：T為抗剪強度，kPa；Fj為剪切力，N；A為剪切面積，cm2。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

研究所得試驗數(shù)據(jù)均采用Excel數(shù)據(jù)處理軟件、SAS9.0和SPSS22.0數(shù)據(jù)分析軟件進行處理。

2 結果與分析

2.1 根系形態(tài)參數(shù)

對道路邊坡刺槐根系分布的調查表明，刺槐屬于水平根系植物，根系主要分布于10～40cm土層范圍內(nèi)，沒有垂直向下生長的主根。其中，根徑范圍在5～10mm的根系在全部根系中占比最大，約占52%，根徑范圍在1～2mm的根系占比次之，約占33%。同時，根系的數(shù)量并沒有隨著其直徑的增加而增加，符合毛細根與細根生長過程中的差異性。根系形態(tài)參數(shù)如根生物量、根長、根體積和根數(shù)量是反映植物地下部分生長的重要指標，是根系生長發(fā)育的最直接體現(xiàn)。

2.2 根系抗拉特性

根系的平均直徑為6.61±1.89mm(平均值±標準誤差)，抗拉試驗測得樣品的抗拉強度為7.57～78.6MPa。植物根系直徑在0.5～6mm范圍時，隨著單根直徑的增加，其極限抗拉強度也不斷加強，并在α=0.01時存在最為明顯的正相關關系，且以冪函數(shù)規(guī)律遞增。單根極限抗拉力均值為316.28N，而單根極限抗拉強度隨直徑的增大而減小，直徑在0.3～0.5mm的細根具有較大的極限抗拉強度且以對數(shù)函數(shù)遞減，單根極限抗拉強度與直徑的復相關系數(shù)小于0.5。當直徑在0.5～6mm時，單根極限抗拉強度均值為（35.47±16.17）MPa（平均值±標準誤差），當直徑在代表根徑級0.5～1.5mm時，單根極限抗拉強度均值為55.46MPa，平均極限抗拉強度亦隨著徑級的增加呈減小的趨勢，這在ANSYS進行模擬分析時得到了驗證，該區(qū)域內(nèi)此次測試的刺槐根系的平均抗拉強度為32.61MPa，能產(chǎn)生顯著的加筋作用。在一些研究其他種類植物根系抗拉特性時，植物細根與毛根也具有較強的抗拉強度[3]。通過翻閱已有的研究，筆者發(fā)現(xiàn)當毛根直徑在1mm以下時，對固化土壤、增強土壤抗沖性能有十分明顯的作用[4]。隨著根系直徑的增加，拉力峰值也不斷上升，且其變化趨勢具有顯著的冪函數(shù)規(guī)律。而抗拉強度的變化分布則較為離散，隨著直接的增加有一定下降的跡象。

2.3 根土復合體抗剪特性

首先測得試驗用土的含水量為10.86%，密度為1.53g/cm3。在選取刺槐根系時，對于根系所處土層也應有所規(guī)定。此次研究中，所取樣本均來自10～40cm深度的土層，該層次是土體固持作用最為明顯的密集分布層，可以通過土力學相關公式求得此層中根系的自重應力約為6.25kPa（40cm深度）。再根據(jù)具體的實驗要求，確定其余兩級壓力為50kPa與100kPa。

實驗時，以土工相關規(guī)范為準，設定剪切速率為0.08mm/min。一組實驗中需要做4個荷載，單個荷載中又需要做3個平行與3個重復的抗剪強度值，并取平均值作為對應荷載下的剪應力。之后再根據(jù)實驗數(shù)據(jù)求得黏聚力與內(nèi)摩擦角，分別用C與φ表示。需要注意的是，土粒與土粒、土粒與根系之間都存在摩擦力，故內(nèi)摩擦角的實質是復合體的內(nèi)摩擦角。素土和刺槐根-土復合體抗剪強度與垂直荷載的關系如圖2所示。

圖2 素土和刺槐根-土復合體抗剪強度與垂直荷載的關系

根據(jù)圖2可得出，由素土與刺槐構成的根-土復合體，其抗剪強度的變化與垂直荷載的變化呈線性正相關，其中素土的正相關系數(shù)為0.9900，而土-根復合體的相關系數(shù)為0.9985，這說明利用直線回歸法擬合抗剪強度的效果更好，這與庫倫強度公式的內(nèi)容τ=c+σtanφ是相吻合的。因而，可以利用摩爾-庫倫強度破壞準則對根-土復合界面的黏聚力、內(nèi)摩擦角、摩擦系數(shù)進行推斷。通過實驗結果計算得出，抗剪強度值素土為15.6kPa，刺槐的根-土復合體為36.2kPa。植物根系具有固持土體的作用，其機制之一是根系的存在改變了土的力學性能，提高了土體的抗剪強度，故植物固土主要通過根系固土來實現(xiàn)[5-6]。

3 結束語

研究表明刺槐根系在土壤中可以形成具有一定抗剪強度的“生物樁”，刺槐根-土界面與土-土界面的剪切特性相似，均符合摩爾-庫倫理論，且根-土結合面抵抗位移的能力大于土-土界面。刺槐根系具有較高的抗拉強度，能夠對土體產(chǎn)生有效的約束和加固作用，提高土體的抗剪切強度，有效增強坡面的穩(wěn)定性和抗侵蝕能力。由此可以得出，刺槐根系的力學特性與形態(tài)結構特征的結合是具有優(yōu)良護坡能力的，且結合宿遷市當?shù)貧夂蛱攸c，得出刺槐是道路邊坡防護水土保持樹種的理想選擇。