根系及裂隙角度對基材原位剪切特性的影響

李紫娟, 夏振堯,, 張 倫, 高 峰,沈已桐, 楊悅舒,, 肖 海,, 夏 棟,, 許文年,

〔1.三峽庫區生態環境教育部工程研究中心, 湖北 宜昌 443002;2.三峽庫區地質災害教育部重點實驗室(三峽大學), 湖北 宜昌 443002〕

由于國內工程不斷發展與建設，形成了大量裸露的邊坡，造成原有的植被破壞，導致嚴重的水土流失和生態失衡，加劇了自然災害的形成，給人們的生命財產帶來危害。傳統護坡加固技術往往采用噴混凝土、漿砌石等護坡結構，這些雖然起到保護邊坡水土流失的作用，但不利于生態環境的保護和生態環境的和諧發展[1-2]。植被混凝土是一種生態護坡技術，它既能夠加固邊坡，又能夠與自然環境和諧發展。植被混凝土是將水泥、土、有機質、添加劑、混合植綠種子按特定比例，加一定量的水充分攪拌后形成的混合物[3]。水泥作為膠結材料，能加強植被混凝土拌和物的強度和黏聚性，有機質能增加空隙率，腐爛后能為植物提供各種養分，增加肥力，而添加劑則能改良基材性能，促進植物生長[4-5]。植被混凝土中植物主要通過根系的力學作用(淺根加筋和深根錨固)來加固邊坡。

根—土復合體的抗剪強度特性研究目的主要是為了解決根系加固機理。研究表明，根—土復合體的抗剪強度與以下因素密切相關：植物的種類、含根量、土壤的含水率、干密度等[6-10]。蔣希雁等[11]利用常規三軸不固結不排水試驗，通過重塑樣得出，黏聚力與含水率相關，受含根量影響，并得出根系加筋效應公式。蔣必鳳等[12]對草本植物進行直剪試驗得出，植物根系能夠顯著提高抗剪切強度，其黏聚力與含根率成正相關關系，與含水率則相反，但對于內摩擦角的影響較小。以上研究主要針對重塑根—土復合體試樣，且試樣的尺寸較小，難以真實反映植物根系加固邊坡效果。同時巖石邊坡常常存在方向各異的裂隙，巖體裂隙里的水分條件要高于其他區域，干旱脅迫條件下會誘導根系的扎入生長[13]，而裂隙角度及根系對巖面基材剪切特性影響關注較少。因此，本文選用常用護坡植物狗牙根、多花木蘭和植被混凝土基材所形成的根—基材復合體為對象，以無植物基材試樣為空白對照，設置6種不同的裂隙角度，對試樣養護90 d后，進行原位剪切試驗，探討多花木蘭、狗牙根根系對植被混凝土抗剪切強度的影響，以期為水土保持與生態修復提供一定的參考。

1 試驗設計

1.1 試驗區狀況

宜昌市位于湖北省西南部，屬亞熱帶季風性濕潤氣候。四季分明，水熱同季，寒旱同季。多年平均降水量1 215.6 mm，平均氣溫16.9 ℃。境內地貌類型多樣，地勢起伏大，水系發育充分，形成黃壤、黃棕壤和棕壤、紅壤4個地帶性土類以及紫色土、石灰(巖)土、潮土、(山地)草甸土和水稻土5個非地帶性土類[14]。全市植被良好，森林資源居全省第2位，覆蓋率為48.5%，生物種類呈多樣性。

1.2 試驗材料

選取低矮草本植物狗牙根和直立灌木植物多花木蘭，這兩種都是生態護坡中常用的物種。狗牙根具有發達的根莖和葡匐莖，繁殖力強，抗旱。多花木蘭屬于豆科多年生落葉灌木，分枝多，耐旱，根系發達，固土力強。試驗土為黃棕壤，取自宜昌市區，土壤采回后迅速風干，去除雜質后過2 mm篩待用。土粒相對密度2.65，干篩后1.0～2.0 mm含量占21.34%，0.074～1.0 mm占70.39%，<0.074 mm占8.27%。根據《水電工程陡邊坡植被混凝土生態修復技術規范(NB/T35082-2016)》配置植被混凝土基材，黃棕壤土樣與水泥、棕樹鋸末、添加劑混合比例為100∶8∶6∶4，水泥采用P.C 32.5復合硅酸鹽水泥。

1.3 試驗方案

樣地種植時間為2018年8月，試驗時間為2018年11月，植物生長期為90 d。本試驗采用混凝土試塊代替巖體，為保證巖隙布置形式，在混凝土試塊上預留大小相同、但不同傾斜程度的3行3列裂隙，裂隙角度設置成與剪切垂直方向為15°，30°，45°，60°，75°和90°的6種角度(圖1)。兩種植物在6種裂隙角度下共12個處理試樣，對應6個無植物基材對照試樣，重復3組，共54個試樣。

圖1 混凝土試塊裂隙角度分布示意圖

試驗方案主要分為以下5個步驟： ①首先對試驗場地進行整理，將已制備好的尺寸30 cm×30 cm×10 cm的混凝土試塊放入已挖好的溝槽中，相鄰試塊橫向間隔10 cm，縱向間隔20 cm； ②在混凝土試塊上安裝30 cm×30 cm×10 cm的模具以進行土壤基材裝填； ③按照《水電工程陡邊坡植被混凝土生態修復技術規范(NB/T35082-2016)》，對基材進行分層裝填。先按照設定的干密度1.35 g/cm3，稱取一定質量的基材土，在基層鋪設8 cm厚度的植被混凝土，再將剩余的基材土與種子均勻混合，然后在面層平鋪2 cm厚度，進行壓實并拆除模具； ④最后在橫向和縱向間隔的土體上插上木樁，作為標識。 ⑤期間進行撒水養護，并開展雜草清除和病蟲害防治工作。因為植物都在相同的氣候和自然環境下生長，所以土體的含水率基本保持一致。植物養護90 d后，進行根—基材復合剪切試驗。

1.4 試驗裝置

本試驗使用自制原位直剪儀進行試驗，試驗裝置如圖2所示。主要由機架、剪切盒、千斤頂、液壓泵、數顯游標卡尺，數顯式推拉力計、壓力傳感器等部分組成。其中，剪切盒尺寸為30 cm×30 cm，并分為上下剪切盒，最大剪切位移為100 mm。進行試驗時，固定在上剪切盒上的壓力傳感器受千斤頂作用，使上剪切盒向前推動，對試樣進行剪切，并將實時推力和位移數據傳遞給推拉力計和游標卡尺。具體試驗步驟為： ①安裝原位直剪儀，對游標卡尺和推拉力計進行復位置零； ②按照標識將試樣周圍的土鏟除，并對試樣進行適當削切，保證試樣的規整性，使土體與直剪盒尺寸一致； ③將試樣放置在直剪盒內，調整拍攝設備支架位置，保證試驗過程中能完整清晰地記錄數據的變化； ④打開電源開關，控制千斤頂勻速的對試樣進行剪切，當剪切位移達到最大量程時關閉電源，停止剪切； ⑤試驗結束后，拆除儀器，并對試驗場地清潔打掃。

圖2 原位直剪儀剪切試驗裝置及現場剪切過程

1.5 試驗數據處理

根據錄制的影像，用播放器對視頻每秒進行截圖，讀取圖片中的位移數據和推拉力計數據。按照公式(1)計算抗剪強度，繪制試樣抗剪強度位移曲線。

(1)

式中：Ft為在t時刻作用在剪切盒上的剪切應力(kN);τt為試樣在t時刻的抗剪強度(kPa);A為試樣的剪切面積A=0.09 (m2)。剪切破壞過程中，抗剪強度—位移曲線過程線頂點所對應的值即為該試樣的抗剪強度。

采用Excel處理數據并繪制相應圖表，利用SPSS 22.0統計分析軟件對數據進行差異顯著性檢驗(LSD法)，以p<0.05作為顯著性差異水平。

2 結果與分析

2.1 根-基材復合體剪切破壞過程

根—基材復合體的剪切破壞過程呈現典型的軟化特性(圖3)，這與周躍等[15]有根土體達到一定位移量時，剪切應力接近零有所區別，本試驗存在殘余變形階段，此時土體仍具有一定的抗剪強度，但隨著剪切位移的遞增，變化幅度較小。這可能與植物種類有關，多花木蘭和狗牙根根系發達，根系分布范圍更廣。剪切初始階段，隨著剪切位移的增加，抗剪強度增長迅速，曲線呈線性增加，根系開始受力，發生彈性變形。隨后速率減小，隨著剪切位移的增加，逐漸達到峰值，根系網絡被破壞，植物根系被拔出或者斷裂。當位移繼續增大時，由于未剪斷的根系對剪切面上下土體的連接作用，抗剪強度—位移曲線下降相對較為平緩，隨后趨于穩定。無植物的空白樣，其抗剪強度在受剪后即刻便達到峰值，隨后迅速下降，在一定范圍內浮動，此時試樣沿著破壞面發生滑移摩擦。

注：圖中誤差線以標準誤表示。下同。

2.2 不同植物根系對植被混凝土抗剪切強度的影響

多花木蘭、狗牙根根—基材復合體的抗剪強度—位移曲線明顯高于空白樣，抗剪強度顯著提高(圖3)。同一裂隙條件下，極限抗剪強度表現為：多花木蘭>狗牙根>空白樣(圖4)。兩種植物基材試樣極限抗剪強度無明顯性差異，但均與無植物基材試樣結果存在顯著性差異(p<0.05)。狗牙根和多花木蘭根—基材復合體平均極限抗剪強度分別為13.58～17.75 kPa，14.71～18.66 kPa，空白樣平均極限抗剪強度為10.15～10.90 kPa，抗剪強度增量為3.44～7.91 kPa。在植物生長過程中，多花木蘭根系可以穿過基材伸入更深處的巖隙中，增加土體的遷移阻力，而狗牙根根系數量多，直徑小，易在土中形成網狀結構，因此根—基材復合體抗剪強度相較于空白樣明顯增加。狗牙根根系為須根系，根系數量明顯多于多花木蘭根系的數量，而多花木蘭為直根系，根系直徑較大，根系直徑越大，單根抗拉力就越大[16]，提供的抗剪切力也越大，因此多花木蘭增強植被混凝土抗剪強度效果更佳。

注：不同字母表示不同試樣種類間差異達顯著水平(p<0.05)。下同。

空白樣在8～11 mm時出現峰值位移，含根試樣該位移為20～36 mm，位移增量12～27 mm，平均增幅為120.33%～319.32%。同一裂隙條件下，含根土體和空白樣峰值位移存在顯著性差異(p<0.05)。含根土體的峰值位移相較空白樣有明顯延后，這與Comino[17]根—土復合體剪切位移增量為93%～1544%的結論相似。植物根系在土體中相互纏繞，構成根系網絡，將土壤束縛形成具有一定強度的整體[18]。受剪時，土壤和根系之間會發生錯動或有相互錯動的趨勢，為了抵抗剪切變形，根系被伸長，根內產生拉力，根—基材界面的摩擦作用和根系的抗拉作用在剪切過程中逐步轉化為根—基材復合體的抗剪能力，延緩了基材變形破壞發生的位移[19]。而空白樣一旦發生位移就意味著剪切能力的全部發揮，土壤顆粒之問的黏結作用被破壞，抗剪能力達到最大[20]。

2.3 根系在不同裂隙分布對植被混凝土剪切應力的影響

多花木蘭和狗牙根根系基材極限剪切應力隨著裂隙角度的增加呈先增加后減小的趨勢(圖5)。有根基材極限剪切應力在不同裂隙角度間存在顯著性差異(p<0.05)，而對于無根基材不存在顯著性差異(p>0.05)，這表明裂隙角度對于含根基材極限剪切應力具有明顯影響。在角度為60°時，兩者的極限剪切應力平均增幅達到最大值，角度90°時平均增幅最小。狗牙根根—基材復合體極限剪切應力增幅為33.87%～65.18%，多花木蘭根—基材復合體極限剪切應力增幅為44.94%～73.65%。裂隙角度15°，30°，45°，75°，90°中狗牙根和多花木蘭平均極限剪切應力增幅相比60°時增幅分別減小了24.27%，18.21%，12.23%，24.56%，31.31%；26.33%，18.65%，9.89%，20.33%，28.71%。可見巖面裂隙角度對極限剪切應力的影響是不可忽略的。有根基材的殘余剪切應力則在一定的區域里波動，裂隙角度影響不明顯，狗牙根—基材復合體殘余剪切應力在不同裂隙角度間存在顯著性差異(p<0.05)，而對于多花木蘭和無根基材復合體在不同裂隙角度間不存在顯著性差異(p>0.05)，殘余剪切應力在一定的區域里波動。具體表現為狗牙根根—基材復合體殘余剪切應力在0.5～0.7 kN范圍內波動，多花木蘭根—基材復合體殘余剪切應力在0.6～0.7 kN之間。受根系加筋的影響，有根基材的殘余剪切應力曲線總是高于較空白樣有一定的增幅，狗牙根根—基材復合體和多花木蘭根—基材復合體殘余剪切應力平均增幅分別為4.21%～35.94%，26.65%～55.84%。

圖5 不同植物不同布置情況下的極限剪切應力與殘余剪切應力變化

進行生態修復時，為了保持基材在巖體上的穩定性，除了在施工時采取一定的工程措施，防止基材的脫落、滑落等問題，不斷生長的植物根系還能穿過基材扎入到巖體的裂隙中，產生錨固作用，使根—基材復合體與巖體間的作用力增強，增強保持基材的穩定。植物對巖隙形態結構具有適應性，巖體的裂隙分布形式不同，根系扎入到巖體中后對基材的穩定性影響存在差異。冀曉東等[21]通過試驗得出根系復合布置時對土壤的增強作用最顯著，水平布置時最次。王保輝等[22]通過對3種不同根系布置形式(方形、梅花形、環形)的土體進行剪切試驗得出，當根—土面積置換率較小時，布置形式對抗剪強度的影響是不同的。且當植物受剪切力時，若植物根系與剪切面成銳角，土體的抗剪強度能最大限度地增強[23]，從而使不同的裂隙分布的根—基材復合體抗剪強度存在差異。

3 結 論

(1) 狗牙根和多花木蘭根—基材復合體的抗剪強度和殘余抗剪強度均明顯大于無根基材，抗剪強度增量為3.44～7.91 kPa。植物根系可顯著提高基材的抗剪能力，多花木蘭根系增強效果更佳。

(2) 根—基材復合體的峰值位移均較空白樣相對滯后，增量為12～27 mm，平均增幅為120.33%～319.32%，試樣能夠承受更大的變形。

(3) 對于同種類型的植物來講，根—基材復合體的抗剪強度隨著裂隙角度的增加呈先增加再逐漸減小的趨勢，在60°時抗剪強度最大，表明不同裂隙的分布方式對提高基材的抗剪強度的作用也是完全不同的，但對于殘余抗剪強度，則在一定范圍內浮動，裂隙分布影響不明顯。

本研究主要關注根系及裂隙角度對基材原位剪切特性影響，僅考慮了有無根系情況，未考慮植物生長階段以及根系具體狀況。因此后續可以對試驗進行優化，更真實的反映野外情況，為水土保持與生態修復提供更科學的理論依據。