海水入侵地區濱岸生態護坡植被抗剪性能試驗研究

韓 剛，李相然，魏新力，鄧 忠，劉 波，宋海龍

(1.山東正元地質資源勘查有限責任公司，山東 濟南 250101； 2.煙臺大學 土木工程學院，山東 煙臺 264005)

過量開采地下淡水的人為作用和海平面上升氣候干旱等自然因素引起地下淡水環境條件改變，造成濱岸地帶海水通過多孔介質向內陸方向轉移，這種海水入侵式的轉移使河口海岸地區土壤含鹽量增加，有機質減少，生態功能危害嚴重[1]。將生態護坡配套技術應用于治理濱岸地區海水入侵方面的研究較少[2]。植物和植物或工程組成的綜合護坡系統是生態護坡的主要組成部分，其護坡植被根系可形成淺根加筋、深根錨固的加筋效應防止水土流失。植被加筋效應在生態護坡中研究土質、含根量以及土體含水量等方面的影響較少，使得根系和土體相互作用的機理以及根系對土體加固作用的定量化評價研究不夠深入。目前海水入侵地區植被護坡應用還基本停留在定性和經驗的發展階段。

海水入侵地區常用生態護坡植被有草本、灌木和喬木3大類。其中，草本類常用植被有堿蓬、鹽蒿、紫花苜蓿、芨芨草、蘆葦、鹽地堿蓬、掃帚、拂子茅、甘草、角草、羅布麻草本樨等；灌木類常用植被有檉柳、紅砂、紫穗槐、鹽穗木、梭梭、鹽爪爪、白刺、小白果刺、沙棘等；喬木類常用植被有白柳、垂柳、樟子松、胡楊、旱柳、側柏、小青楊、祁連圓柏、臭椿等。土壤中不同植物根系分布不同，根系加固土體能力也不同。根土復合體抗剪特性研究是土體與植物根系的主要研究[3]。目前，對于植物根系提高土壤抗剪切強度的主要研究是灌木植物根系和喬木植物根系的錨固作用和淺根加筋作用[4]。在土體中加入草根形成一種復合材料，將根系和土體宏觀看成根土復合體[5]，土體與草根間會產生將土體的抗壓強度和草根的抗拉強度結合起來的摩擦力，提高土體的強度，減小土體變形，從而起到護坡作用[6]。土壤與根系形成的根土復合體中對根系的定量作用研究，隨著植被護坡的不斷推廣和應用已經成為很迫切的研究課題[7]。因此，探討在提高土壤抗剪強度方面根系作用的大小，為植被固土護坡提供依據，具有重要的理論和實踐意義。

1 生態護坡植被抗剪性能工作原理

檉柳具有地下根系發達、地上部分樹身質量小、風的阻力小等優點，采用操作簡便的直接剪切試驗，對檉柳根系與土壤形成的根土復合體進行抗剪強度研究。其工作原理為：給根土復合體試樣在垂直方向施加一定的垂直應力，然后對在水平方向對試樣緩慢施加剪應力進行剪切。由于施加的剪應力在試驗開始階段較小，試樣處于彈性平衡狀態，會產生較小的變形，當水平方向上的剪應力達到某一限度時，試樣變形過大土樣開始破壞，土樣不能抵抗更大的剪切變形，直到達到新的塑性平衡。此時，破壞時的抗剪強度就是土體抗剪強度。土顆粒之間的黏聚力和摩阻力共同組成土體的抗剪強度[8]，其計算公式如下：

τ=C+σtanφ

(1)

式中，τ為抗剪強度；C為黏聚力；σ為法向應力；φ為內摩擦角。

本文通過室內直接剪切試驗，研究檉柳根系對檉柳種植地裸地土壤抗剪強度的定量影響。由于根土復合體原狀土不方便帶回室內進行快剪試驗，且快剪試驗需要采集較多的試樣，在野外試驗受到時間、環境條件和試驗設備限制的條件下，本次試驗采用制備的擾動土樣進行。

2 試樣采取與制備

在距離標準株檉柳50 cm處開挖1個長100 cm、寬50 cm、深100 cm的長方體坑槽，在靠近檉柳根系一側的坑槽壁處按照每30 cm選取1個橫截面，在選取的3個橫截面處分別用橫截面積為30 cm2、高2 cm的環刀切取無檉柳根系的原狀砂質粉土試樣。選取砂質粉土均勻試樣、無裂縫等具有代表性的土樣，此原狀砂質粉土作為無根系分布的直剪試驗試樣。同時，在選取的3個橫截面處每層再取3個重復土樣，用來測定土樣的干密度和含水量[9]。經過土樣基本物理力學性質試驗，選用的砂質粉土指標：密度2.0 g/cm3；含水率19.0%；液限24.1%；塑限15.2%；換算孔隙比為0.62；內摩擦角33.09°；黏聚力2.7 kPa。試驗用土依照《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)[10]擾動土樣的制備程序來進行處理：首先，將土樣放入烘箱在恒溫110 ℃條件下烘干8 h，將烘干后的土樣取出放到橡皮板上，用木碾碾散過2 mm篩；其次，取適量過篩后的烘干土，將土樣鋪到不吸水的鐵盤內，按照設計含水量計算所需加水量，噴灑計算加水量并將水和土充分拌合均勻。其中，噴灑所需加水量計算公式：

(2)

式中，mw為土樣所需加水量；m為天然土樣質量；w0為天然含水率；w′為土樣所要求含水率。

使用野外采集的天然土樣，按照測定的天然土樣含水量制備素土和加檉柳根系的根土復合體。制備素土試樣根據《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)進行；制備根土復合體試樣，在考慮環刀的規格和自然狀態下，根據檉柳根系的密度條件進行布設。由于在自然狀態不同檉柳植被根系密度不同，并且考慮到環刀規格和試樣制備的效果，故在每個環刀內只布設4條檉柳根系進行試驗研究，根系長設計長度與環刀高度相同。直剪試驗過程和試樣制備均以《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)[10]為依據。試樣制備情況見表1。

表1 試樣制備情況

3 試驗儀器及方法

研究使用DJY-4L型四聯等應變控制式電動直剪儀對素土和根土復合體進行快剪試驗，采用的快剪試驗是測定土樣預定剪切面上抗剪強度最簡單的方法，試樣規格為高度2.0 cm、直徑6.18 cm，截面積30 cm2(圖1)。

圖1 根土復合體抗剪強度試驗

快剪試驗是在對試樣施加豎向壓力后，在水平方向立即以0.8 mm/min的剪切速率快速施加水平剪力使試樣剪切破壞。每轉動0.20 mm記錄測力計讀數，直到試樣剪切損壞為止。一般以剪切位移達到4 mm時為剪切破壞標準，剪切破壞用時3～5 min，快剪試驗近似模擬“不排水剪切”過程，試驗過程中，各組試樣進行快剪試驗，每組試驗剪切分別采用50、100、150、200 kPa的4個垂直壓力做4個荷載的試樣[11]，得到不同垂直壓力下的剪應力。根據試驗結果，通過線性回歸擬合，推算出每組土樣的內摩擦角和黏聚力C值[12]。根土復合體在剪應力作用下發生剪切變形時，不僅土粒與土粒間會產生摩擦作用，且土粒與根系之間也會產生，所以內摩擦角值實質是代表根土復合體的內摩擦角。

4 試驗結果與分析

(1)不同含根量對根土復合體抗剪強度的影響。根據試驗設計，當土樣的含水率為19.4%時，檉柳根系隨著質量變化的快剪試驗數據結果如圖2—圖5所示。

圖4 不同含根量對應的內摩擦角

圖5 相同含根量在不同法向應力下的剪應力

由圖2、圖5可知，在法向應力相同的情況下，隨著檉柳根系質量的增加根土復合體的剪應力先增加后減小，存在檉柳根系質量的臨界含根量即峰值0.6 g/60 cm3。分析原因可知：當檉柳根系含量較小時，根系深入土體形成根土復合體，通過增大相互之間的接觸面積充分發揮相互之間的摩擦作用，同時，根土復合體使土體的抗剪能力與根系的抗剪能力共同作用，約束土體在橫向和軸向的變形，并且隨著含根量的增大抗剪強度也增大，直到根土復合體達到臨界含根量，此時抗剪強度達到一個峰值；當根土復合體的含根量超過臨界含根量時，過量的自身相互交錯根系深入土體，不能保證每個根系與土體充分接觸，兩者無法充分接觸，就不能夠充分發揮每根根系的加筋作用，相互錯動的根系使橫向約束變形能力下降，φ值和C值減弱，抗剪強度降低。并且從圖5曲線的右端可以看出，剪應力呈上升趨勢，曲線在縱軸截距也不斷減小，這說明隨著含根量的增加，土體的黏聚力C值有著不同程度降低[13]。

由圖3、圖4可知，當含根量在0.0 g/60 cm3～0.6 g/60 cm3～1.0 g/60 cm3變化時，C值的變化明顯(2.7 kPa～47.6 kPa～30.0 kPa)，先增加后減小，且在黏聚力方面無根系土體均小于含根系土體；φ值的變化基本上保持不變，維持在33.09°～25.95°～27.94°，即30.0°左右。

(2)土體不同含水量對根土復合體抗剪強度的影響。通過分析不同含根量對根土復合體抗剪強度的影響，選取最佳含根量0.6 g/60 cm3，以含水量19.4%為中心、含水量3%左右作為間距，相應地制備5組不同含水量的試樣進行試驗。對每組試樣中的4個試樣測定含水量，取其平均值作為該組試樣的含水量。含水量與對應的直剪試驗數據結果如圖6—圖9所示。

圖6 不同含水量在相同法向應力下的剪應力

圖7 相同含水量在不同法向應力下的剪應力

由圖6—圖9可知，隨著土體含水量的增加，根土復合體的剪應力和黏聚力先增加后減小，變化明顯，而根土復合體的內摩擦角變化不明顯，維持在30.0°左右。這是因為當土體含水量比最優含水量19.4%大或小時，在同一擊實次數(25次)條件下，隨土體含水量接近最優含水量，土中孔隙率變小，密實度增大，土顆粒相互之間的鑲嵌能力增大，土體抵抗變形的能力增強；同時，土體與根系之間的接觸表面積也增大，使土體與根系能夠充分接觸，根土復合體的黏聚力C值增大，抗剪強度增加。因此，在土體最優含水量的附近進行河道植物護坡防護壓實和路堤植物邊坡工程，可提高植物護坡穩定性[14]。

圖8 含根量0.6 g/60 cm3在不同含水量下的黏聚力

圖9 含根量0.6 g/60 cm3在不同含水量下的內摩擦角

(3)土體中檉柳根系不同徑級對根土復合體抗剪強度的影響。通過分析土體不同含水量對根土復合體抗剪強度的影響，控制含水量為19.4%，選取根系徑級分別為0.8、1.2、1.5、2.4、3.5、4.0、5.0 mm的檉柳，研究檉柳根系徑級的變化對根土復合體抗剪強度的影響。直剪試驗數據結果如圖10—圖13所示。由圖10—圖13可知，在法向應力相同條件下，檉柳根系的加入可提高土體的抗剪強度，而且隨著豎向壓力的增大，抗剪強度提高的幅度更大。一般來說，土壤根系固土包括根系本身固土能力和土壤與根系形成復合有機整體2個方面，即根系的存在能將周圍土顆粒凝聚在一起，同時周圍的土顆粒可以將根系層層包住，將根系錨固在土壤中，產生顯著的加筋作用，增加土體的黏聚力，提高土體的抗剪強度。同時，從圖10可看出，隨著根系徑級的增大，根土復合體的抗剪強度也提高；但是，當根系徑級超過某一極限時，根系則會對土體的抗剪性能產生負面影響，即降低土體的抗剪強度、影響根系自身的生長和發育[15]。

圖10 不同豎向應力下不同根系徑級的抗剪強度曲線

圖11 根系徑級與擾動土的黏聚力的關系曲線

圖12 根系徑級與擾動土的內摩擦角根系曲線

圖13 不同根系徑級下擾動土抗剪強度關系曲線

當土體的含水率、密度和體積一定時，根據圖10、圖11，對比檉柳根系不同徑級對土體抗剪強度的影響，分析內摩擦角φ和黏聚力C的關系曲線可看出，在一定程度上，根土復合體的黏聚力C值隨著根系徑級增大而增大，二者成正相關。C值在根系徑級為3.5 mm時呈最大；當根系徑級大于3.5 mm時，C值逐漸減小。分析其原因，認為是根系與土體之間的結合隨著根系徑級的增大而變弱，造成根土復合體的抗剪強度下降。

通過根系質量變化與根系徑級相對應的質量變化對比可知，內摩擦角φ值的變化和黏聚力C值的變化基本相符，說明存在最優含根量，即在最優含根量以下時，抗剪強度與根系質量呈正相關；但最優含根量以上時，抗剪強度與根系質量呈負相關。

5 結論與建議

5.1 結論

(1)根系與土體形成根土復合體，在一定程度上能夠提高土體的抗剪強度，改善土體的力學特性。較均勻的含根系土體抗剪強度也符合摩爾—庫侖強度曲線，并且根土復合體的黏聚力C值均高于無根系土體的黏聚力C值，內摩擦角φ值變化規律不明顯。

(2)根土復合體的抗剪強度隨含根量的增加而增大，但當根系含量達到一定數值時，超過此數值的根土復合體抗剪強度隨含根量的增加有下降趨勢，即存在最佳含根量。

(3)在最優含水量的條件下，根土復合體的黏聚力和剪應力達到最大值，因此，在土體最優含水量的附近進行河道植物護坡防護壓實和路堤植物邊坡工程，可提高植物護坡穩定性效果。

(4)在一定程度上，根土復合體的抗剪強度隨根系徑級的增大而增大；但當根系徑級達到一定數值時，超過這個數值極限，則隨著徑級的增大其抗剪強度逐漸減小。

(5)通過根系質量變化與根系徑級相對應的質量變化的對比可知，內摩擦角φ值的變化和黏聚力C值的變化基本相符，說明存在最優含根量，即在最優含根量以下時，抗剪強度與根系質量呈正相關；但最優含根量以上時，抗剪強度與根系質量呈負相關。

通過以上試驗的對比，發現檉柳根系的采用不僅對邊坡的表層土具有一定的加固作用，而且檉柳植被可以改善生態環境，有利于生態護坡的穩定。

5.2 建議

(1)將生態護坡植被應用于治理濱岸地區海水入侵，其根土復合體提高土體抗剪強度的研究是綜合性研究，本文只是研究灌木種類檉柳根系對土體抗剪強度的影響，在實際工程應用中，需要各種喬木、灌木和草本綜合混播，其混播情況對根土復合體抗剪強度的影響有待于進一步深入研究。

(2)植物在不同的生長發育階段，其根土復合體存在顯著的時空特征，根與土相互作用的力學特性或根對土的增強作用效果不同，因此，植物不同生長期的根土復合體相互作用力學特性需要深入研究評價，以確定其對加固邊坡的貢獻。

(3)為提高生態護坡技術在治理海水入侵方面的效果，其植物護坡技術除考慮植物本身外，還應考慮影響邊坡穩定性的地形、氣候、地質和水文條件等自然因素。