干濕交替下苜蓿根系對黃土抗剪力學(xué)性能影響

展 鵬, 張超波, 張 強(qiáng), 馮瀟慧, 丁 陽, 蔣 靜

(太原理工大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院, 太原 030024)

黃土區(qū)土地以丘陵山地為主[1],存在農(nóng)業(yè)單一經(jīng)營、廣種薄收、粗放耕作等問題,同時,亂墾濫挖現(xiàn)象較為嚴(yán)重,形成了“越墾越窮,越窮越墾”的惡性循環(huán)。目前,黃土區(qū)水土流失存在面積廣,強(qiáng)度大,速度快的特點(diǎn),造成部分區(qū)域千溝萬壑、光山禿嶺的景象[2]。水土保持措施主要有植物措施、工程措施以及植物與工程相結(jié)合措施。植物措施是目前提高邊坡穩(wěn)定性,防治水土流失最基礎(chǔ)、高效的辦法[3],不僅施工便利、造價成本低,而且具有生態(tài)調(diào)節(jié)作用及綠化觀賞價值。

植物保持水土的作用主要分為水文效應(yīng)與力學(xué)效應(yīng)。植物通過地上莖葉部分削弱雨水沖刷,地下根系部分通過自身抗拉力以及根土間的摩擦錨固作用,與土體緊密粘結(jié),對土體進(jìn)行加筋,使其抗剪性能得以提升,地上地下作用相結(jié)合,可提高邊坡整體穩(wěn)定性[4]。植物根系在固土護(hù)坡方面的作用已得到許多學(xué)者的關(guān)注與認(rèn)可[5]。根系力學(xué)固土作用是其提升土體剪切強(qiáng)度,實(shí)現(xiàn)水土保持作用最主要的原因[6]。然而,黃土具有孔隙大、遇水易濕陷等性質(zhì),使得黃土內(nèi)部結(jié)構(gòu)易發(fā)生破壞[7]。在降雨、蒸發(fā)和地下水位的升降作用下,黃土?xí)幱诟蓾窠惶鏍顟B(tài)。干濕交替影響土壤滲透性和抗剪性能[8]。已有學(xué)者在干濕交替對土體抗剪特性影響方面進(jìn)行了初步探究[9-11]。Mao等[12]通過量化干濕交替前后壓實(shí)黃土的物理及力學(xué)特性發(fā)現(xiàn),土體經(jīng)歷一定干濕交替次數(shù)后,其孔隙增加、孔隙比升高、干密度及抗剪強(qiáng)度有所下降。付理想等[13]通過分析對比原狀黃土與重塑黃土在干濕交替條件下其滲透特性變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)兩種狀態(tài)的黃土在干濕交替作用下其孔隙結(jié)構(gòu)均發(fā)生變化,土體滲透特性也隨之改變。劉宏泰等[14]選擇重塑黃土進(jìn)行室內(nèi)三軸壓縮試驗(yàn),研究發(fā)現(xiàn)重塑黃土抗剪強(qiáng)度、黏聚力、內(nèi)摩擦角在經(jīng)歷首次干濕交替作用后降幅最大,且均與干濕交替次數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。但是,目前缺乏干濕交替循環(huán)狀態(tài)下根系對土體抗剪力學(xué)效應(yīng)影響規(guī)律的研究。

植物根系固土的力學(xué)效應(yīng)受多種因素影響,分析量化根系對土體力學(xué)性能影響是植物護(hù)坡方向研究的重點(diǎn)難點(diǎn)。Wu等[15]基于庫倫理論建立了最初的根系固土力學(xué)模型;隨后Pollen等[16]把根系斷裂視為一個動態(tài)過程,并基于此建立纖維素模型;在此基礎(chǔ)上Schwarz等[17]考慮根系拉伸應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系發(fā)展了纖維增強(qiáng)模型;此外還有以土體剪切位移為基礎(chǔ)建立的強(qiáng)度模型[18]以及考慮根-土界面粘結(jié)效應(yīng)的根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度極限估算模型[19]。這些模型對根系和土體相互作用機(jī)理進(jìn)行了深入探究,但由于模型參數(shù)的復(fù)雜性,其應(yīng)用在工程實(shí)踐及數(shù)值計算中難以實(shí)現(xiàn),因此Wu模型仍是當(dāng)前適用性最廣的根系固土模型,但在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)對Wu模型中參數(shù)進(jìn)行修正[20-22]。

針對以上情況,本試驗(yàn)以黃土區(qū)典型草本植物苜蓿根系為研究對象,采用室內(nèi)直剪試驗(yàn),研究干濕交替條件下根系對黃土抗剪力學(xué)性能的影響,分析抗剪特性與干濕交替作用、根系尺寸、土體容重與土體含水率等影響因素的關(guān)系,并結(jié)合Wu模型評估根系對土體抗剪特性的增強(qiáng)作用,研究結(jié)果對干濕交替下根土間受力關(guān)系和邊坡穩(wěn)定性研究及評估具有重要意義,可為處于干濕交替狀態(tài)下的黃土區(qū)生態(tài)建設(shè)和工程建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)太原市位于山西省中部地區(qū)及晉中盆地北部地區(qū),平均海拔約800 m,地理坐標(biāo)為北緯37°27′—38°25′,東經(jīng)111°30′—113°09′。太原市為暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候。夏季濕熱多雨,冬季干冷漫長,春季升溫急劇,秋季降溫迅速,春秋兩季短暫多風(fēng),干濕季節(jié)分明。年平均氣溫9.5℃,1月平均-6.5℃,7月平均21.5℃。降雨主要集中在7—9月,年平均降水量約為470 mm。

1.2 樣品采集與制備

1.2.1 根系采集 在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)選取生長周期3個月,長勢良好的苜蓿植株。采用水沖法開挖苜蓿根系并進(jìn)行根系形態(tài)調(diào)查。利用中晶ScanMaker i800 plus掃描儀和LA-S系列植物根系分析儀(杭州萬深檢測科技有限公司),掃描根系形態(tài),得出根系直徑、根系長度等數(shù)據(jù)。將采集的苜蓿根系冷藏于-4℃的冰箱內(nèi)以保證根系的鮮活性與完整性,便于后期室內(nèi)直剪試驗(yàn)、單根拉伸試驗(yàn)以及單根拉拔試驗(yàn)的進(jìn)行。

1.2.2 土樣采集 試驗(yàn)所用土樣取自山西省太原市。用容積為100 cm3(底面積20 cm2,高度5 cm)的環(huán)刀按品字形分布采集距表面20 cm左右深度處的原狀土壤,挖取足量原狀土壤,密封帶回室內(nèi)風(fēng)干并碾碎,過2 mm篩待用,風(fēng)干后的土樣一部分用于直剪試驗(yàn),另一部分用于測定土壤理化基本性質(zhì)。經(jīng)測定土樣類型為砂質(zhì)壤土。

1.2.3 重塑土的制備 選取完整無損的根系修剪成所需長度備用;將土樣分層裝入試驗(yàn)盒內(nèi),當(dāng)土樣壓至第二層后放置根系,共填4～5層(根據(jù)設(shè)計的試驗(yàn)水平控制試樣容重與含水率),并用試驗(yàn)機(jī)以50 mm/min速度壓實(shí),每層之間進(jìn)行拋毛;為了使根系與土體更好地粘結(jié),將試樣靜置24 h后進(jìn)行試驗(yàn)。

1.3 室內(nèi)直剪試驗(yàn)

干濕交替下室內(nèi)直剪試驗(yàn)主要研究根系尺寸(根徑和根長)、土體容重及土壤含水率等因素在干濕交替下對含根土體抗剪特性的影響。根據(jù)以往研究顯示,根系尺寸、容重對土壤抗剪強(qiáng)度均為單調(diào)影響[23-25],因此本試驗(yàn)在363個樣本數(shù)的基礎(chǔ)上,設(shè)置根系直徑3個水平:小于0.5 mm,0.5～1.0 mm,大于1.0 mm,分別編組D1,D2,D3;根系長度3個水平:40,60,80 mm,分別編組L1,L2,L3;土體容重3個水平:γ1,γ2,γ3(1.2,1.3,1.4 g/cm3)(研究區(qū)野外實(shí)測土體容重范圍為1.15～1.4 g/cm3);土體含水率設(shè)定采用含水率飽和度(含水率飽和度是指通過試驗(yàn)測量出各容重土體飽和質(zhì)量含水率,以此含水率飽和度為100%,根據(jù)土體容重選取飽和度按8%階梯遞減變化控制水平的變化量),控制4個水平ω1,ω2,ω3,ω4(24%,32%,40%,48%)。根據(jù)以往研究顯示,干濕交替一次對土體抗剪強(qiáng)度影響最大[8,14,26],且本試驗(yàn)為突出干濕交替條件下各因素對黃土抗剪強(qiáng)度影響,因此本試驗(yàn)設(shè)置干濕交替次兩個水平:0次、1次。

本試驗(yàn)干濕交替過程是通過浸泡增濕,烘箱減濕的方法來實(shí)現(xiàn)。將試樣浸泡至飽和含水率,時間為3～4 h,此過程為一次增濕過程;將吸水飽和的試樣放入托盤內(nèi),置于設(shè)定溫度為40℃烘箱內(nèi),烘干至初始含水率狀態(tài),時間為6～10 h,此為一次減濕過程。至此,完成一次干濕交替過程。將完成干濕交替的試樣垂直放入直剪儀,然后將垂直應(yīng)力分別為0,0.75,1.5,2.25 kPa所對應(yīng)的砝碼放于土體頂部,進(jìn)行有附加應(yīng)力的剪切試驗(yàn)。啟動電推桿使其以3 mm/s的速度勻速推動剪切盒至土體發(fā)生完全剪切破壞,剪切盒上部與下部完全分離視為剪切過程結(jié)束,并記錄其抗剪強(qiáng)度數(shù)據(jù)。

土抗剪強(qiáng)度是指土體抵抗剪切破壞的極限強(qiáng)度[27]。其抗剪強(qiáng)度計算公式為:

(1)

式中:τ為含根土體或素土抗剪強(qiáng)度(kPa);F為水平推力(N);A為剪切截面積(mm2)。

1.4 Wu模型

本文以Wu模型為理論依據(jù),按下式計算苜蓿根土復(fù)合體的根系附加黏聚力值(Cr):

(2)

通過對比根系抗拉強(qiáng)度與抗拔強(qiáng)度,探討其合理性,再與試驗(yàn)實(shí)測根系附加黏聚力值對比,提出Wu模型優(yōu)化建議。

1.5 單根拉伸試驗(yàn)

室內(nèi)單根拉伸試驗(yàn)研究最大抗拉力和極限抗拉強(qiáng)度與直徑的變化規(guī)律,試驗(yàn)得出的平均抗拉強(qiáng)度用于根系固土模型預(yù)測。試驗(yàn)中對苜蓿根系采用50 mm/min勻速加載速率,標(biāo)距設(shè)定50 mm。選取優(yōu)良根樣,除去須根,選取長度均為10 cm的根系試樣。測量單根直徑。使用SH-20艾德堡數(shù)顯式推拉力計(量程為20 N,分度值為0.01 N,精度±0.5%)并調(diào)整電動立式單柱測試機(jī)至設(shè)定標(biāo)距,固定根系。進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。選取正常拉斷數(shù)據(jù)記錄其抗拉力。

1.6 單根拉拔試驗(yàn)

室內(nèi)單根拉拔試驗(yàn)研究根系直徑與抗拔強(qiáng)度特性關(guān)系。選取長度為10 cm、根徑均勻的根系,設(shè)定土體容重1.3 g/cm3,土體含水率32%,試樣根徑為范圍0.31～0.73 mm。試驗(yàn)所得苜蓿抗拔強(qiáng)度用于Wu模型估算根系附加黏聚力中。測量單根直徑,將其埋入土體。制備完成的含根土體試樣靜置3 h以保證根系與土體更好地粘結(jié)。使用SH-20艾德堡數(shù)顯式推拉力計以50 mm/min的恒定加載速度進(jìn)行拉拔試驗(yàn),測得其最大抗拔力。

1.7 數(shù)據(jù)分析

本文采用SPSS 26軟件進(jìn)行顯著性水平檢驗(yàn)和雙因素方差分析,分析影響黃土抗剪力學(xué)性能指標(biāo)各因素水平的作用差異。通過Excel繪制圖表,圖中標(biāo)注的不同小寫字母代表各因素不同水平下抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的顯著性差異(p<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 干濕交替下土樣直剪試驗(yàn)破壞形態(tài)

未干濕交替與干濕交替一次后,容重1.3 g/cm3素土與含根土試樣,在含水率為32%時完成直剪試驗(yàn)的表觀形態(tài)存在一定差異。未干濕交替素土試樣剪切后,土體完整,表面平整密實(shí),無孔隙裂紋出現(xiàn);干濕交替一次后,素土試樣表面出現(xiàn)碎屑,并產(chǎn)生較小孔隙或裂紋;相同含水率和容重的含根土試樣,未經(jīng)歷干濕交替試樣表面平整密實(shí),無孔隙裂縫;干濕交替一次后,土體表面開始脫落,出現(xiàn)明顯孔隙;與素土相對比,經(jīng)歷干濕交替的根土復(fù)合體形態(tài)完整度明顯優(yōu)于素土,由此可見,干濕交替下,根系具有一定的加筋固土作用。

2.2 干濕交替下含根黃土抗剪力學(xué)性能與根系尺寸的關(guān)系

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),干濕交替及根系尺寸對黃土最大抗剪強(qiáng)度的影響極顯著(p<0.01)(表1)。含根土體最大抗剪強(qiáng)度與根徑、根長成正比,根徑越大、根系越長其抗剪強(qiáng)度越大(圖1)。并且,根徑和干濕交替對抗剪強(qiáng)度的交互影響極顯著(p<0.01),而根長和干濕交替對抗剪強(qiáng)度的交互影響不顯著(p>0.05)。對于不同級別的根徑含根組來說,干濕交替一次后,含根土體抗剪強(qiáng)度顯著低于未干濕交替土體(p<0.01)。D1干濕交替一次后,最大抗剪強(qiáng)度由11.34 kPa減少到9.71 kPa,降幅為14.31%。但D1最大抗剪強(qiáng)度降幅遠(yuǎn)小于D2(25.85%)與D3(26.85%)組含根土體;可以看出,干濕交替作用對含細(xì)根土體的劣化程度較小。由此可以推測,干濕交替下,細(xì)根根系固土效果優(yōu)于中、粗根根系固土效果。干濕交替下,根長對土體抗剪強(qiáng)度也有顯著影響(p<0.01)。不同根長下含根土體最大抗剪強(qiáng)度差異顯著,且根系越長抗剪強(qiáng)度越大。在干濕交替下,L1最大抗剪強(qiáng)度顯著小于L2,L3,說明中長根根系固土效果優(yōu)于短根根系。

圖1 干濕交替下黃土抗剪強(qiáng)度與根系長度(A)和根系直徑(B)的關(guān)系Fig. 1 Relationships between loess shear strength and root length (A) and root diameter (B) under alternate wetting and drying

表1 根系尺寸與抗剪強(qiáng)度方差分析Table 1 Analysis of variance between root size and shear strength

2.3 干濕交替下含根黃土抗剪力學(xué)性能與土壤容重關(guān)系

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),干濕交替和容重對黃土抗剪強(qiáng)度影響極顯著(p<0.01)。并且,干濕交替和容重對土體抗剪強(qiáng)度的交互影響顯著(p<0.05)(表2)。黏聚力、內(nèi)摩擦角和抗剪強(qiáng)度均與容重呈正相關(guān)關(guān)系,土體容重越大,其黏聚力越大,根系附加黏聚力越大,內(nèi)摩擦角和抗剪強(qiáng)度也越大(圖2)。但隨著干濕交替作用的影響,土體黏聚力、內(nèi)摩擦角和抗剪強(qiáng)度又均發(fā)生不同程度的劣化,其主要原因?yàn)橥馏w在增濕過程中,土體顆粒間大小及間距改變及其聯(lián)結(jié)作用被破壞,導(dǎo)致其黏聚力強(qiáng)度劣化,抗剪強(qiáng)度減弱。而干燥減濕過程又使土體基質(zhì)吸力增大,土體經(jīng)歷吸濕膨脹與脫水收縮變形,其孔隙數(shù)量不斷增加,使土體內(nèi)摩擦角在干濕交替作用下整體劣化。但劣化程度遠(yuǎn)小于黏聚力,可見干濕交替作用對抗剪強(qiáng)度的影響主要為影響其黏聚力,而對內(nèi)摩擦角影響較小。且與無根組對比發(fā)現(xiàn),有無干濕交替影響,含根土體的黏聚力、內(nèi)摩擦角和抗剪強(qiáng)度均大于無根土體。說明根系的存在能增強(qiáng)土壤黏聚力,并且增加土體的內(nèi)摩擦角,從而提高邊坡穩(wěn)定性。

圖2 干濕交替下黃土黏聚力、內(nèi)摩擦角、抗剪強(qiáng)度與容重的關(guān)系(A無根組;B含根組)Fig. 2 Relationships between cohesion, internal friction angle, shear strength and soil bulk density of loess under alternate wetting and drying (A. group without root; B. group with root)

表2 容重與抗剪強(qiáng)度方差分析Table 2 Analysis of variance of bulk density and shear strength

未干濕交替時,各容重含根土體黏聚力分別為12.14,14.12,15.48 kPa,無根組黏聚力分別為9.25,10.12,10.84 kPa。含根土體經(jīng)歷干濕交替后,各容重土體黏聚力分別為9.98,10.47,12.33 kPa,顯著低于未干濕交替的土體(p<0.01),但仍大于無根土體黏聚力。未經(jīng)干濕交替的各容重含根土體試樣內(nèi)摩擦角分別為23.75°,24.23°,24.70°,無根組內(nèi)摩擦角為23.27°,23.75°,23.76°,干濕交替一次后,含根土和無根土內(nèi)摩擦角均減小,但下降幅度遠(yuǎn)小于黏聚力,且含根土體內(nèi)摩擦角仍大于無根土體。未干濕交替的各容重含根土體抗剪強(qiáng)度分別為12.64,14.63,15.99 kPa,無根土體抗剪強(qiáng)度為9.77,10.63,11.33 kPa,含根土體抗剪強(qiáng)度顯著大于無根土體。干濕交替一次后,含根土體抗剪強(qiáng)度降低到10.45,10.95,12.83 kPa,無根土體抗剪強(qiáng)度也同樣降低,但含根土體抗剪強(qiáng)度仍大于無根土體。

2.4 干濕交替下含根黃土抗剪力學(xué)性能與土壤含水率關(guān)系

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),干濕交替及含水率對含根土體抗剪強(qiáng)度影響極顯著(p<0.01)。并且,干濕交替和含水率對含根土體抗剪強(qiáng)度的交互影響也極顯著(p<0.01)(表3)。相同干濕交替次數(shù)下,抗剪強(qiáng)度和黏聚力均隨含水率的增加呈先增加后降低的趨勢。試驗(yàn)過程中,抗剪強(qiáng)度和黏聚力在含水率為ω2時達(dá)到最佳;干濕交替后,抗剪強(qiáng)度和黏聚力明顯衰減,不同含水率含根組減幅分別為27.31%,25.85%,24.96%,24.13%,初始含水率飽和度越低,干濕循環(huán)幅度越大,導(dǎo)致干濕交替一次后抗剪強(qiáng)度和黏聚力降幅越大。而內(nèi)摩擦角隨含水率的增加大體呈降低趨勢。并且在相同含水率條件下,未經(jīng)干濕交替作用的含根土體內(nèi)摩擦角顯著大于干濕交替后的含根土體(圖3)。內(nèi)摩擦角在干濕交替作用下明顯劣化,同時飽和度24%和32%間土體內(nèi)摩擦角差異不顯著,32%與40%間也未發(fā)現(xiàn)顯著性差異,但飽和度為48%時根土復(fù)合體內(nèi)摩擦角顯著降低,在飽和度為24%,40%與48%間,發(fā)現(xiàn)顯著性差異。究其原因可能是含水率對內(nèi)摩擦角的影響無確定規(guī)律,不同試驗(yàn)條件、根系條件、土體性狀導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果各異。

圖3 干濕交替下含根黃土黏聚力、內(nèi)摩擦角、抗剪強(qiáng)度與土壤含水率關(guān)系Fig. 3 Relationships between soil moisture content and cohesion, internal friction angle and shear strength of loess with roots under alternate drying-wetting conditions

表3 含水率與抗剪強(qiáng)度方差分析Table 3 Analysis of variance between soil moisture content and soil shear strength

2.5 根黏聚力估算與Wu模型優(yōu)化

室內(nèi)拉伸試驗(yàn)研究苜蓿根系不同根徑范圍內(nèi)根系抗拉力學(xué)特性。試驗(yàn)表明,隨根徑的增加,根系最大抗拉力增加,平均最大抗拉力10.04 N;抗拉強(qiáng)度與根徑呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,平均抗拉強(qiáng)度113.09 MPa(圖4)。抗拉特性與根徑擬合為冪函數(shù)回歸方程為:抗拉力F=28.445D1.1064,R2=0.4181,p<0.05;抗拉強(qiáng)度P=36.217D-0.894,R2=0.3191,p<0.05。

圖4 苜蓿根系抗拉特性、抗拔特性與根系直徑關(guān)系Fig. 4 Relationships between root tensile characteristics, root pullout characteristics and root diameter

室內(nèi)拉拔試驗(yàn)試樣根系平均直徑0.56 mm,所有試樣根系均拔出,無拔斷。抗拔力隨根徑增加而呈冪函數(shù)增加(F=19.324D1.4346,R2=0.94,p<0.05);抗拔強(qiáng)度隨根徑增加而呈冪函數(shù)減小(P=24.604D-0.565,R2=0.72,p<0.05)。平均抗拔力8.61 N,平均抗拔強(qiáng)度35.21 MPa。

在苜蓿根系自身抗拉性能及其抗拔特性研究基礎(chǔ)上,分別采用單根抗拉強(qiáng)度與抗拔強(qiáng)度來計算根系所帶來的固土效果,并與實(shí)際根系增強(qiáng)土體抗剪強(qiáng)度效應(yīng)對比[28]。本試驗(yàn)中測得,容重為1.3 g/cm3,根徑范圍0.5～1.0 mm、未干濕交替根系實(shí)際附加黏聚力僅4.00 kPa。但是,若以在重塑土體條件下的苜蓿根系拉伸試驗(yàn)的結(jié)果〔加權(quán)抗拉強(qiáng)度(Tr)80.96 MPa〕為基礎(chǔ),Wu模型計算公式得到根系理論附加黏聚力為6.09 kPa,對植物根系的固土值高估達(dá)52.25%,而在同樣條件下以單根拉拔試驗(yàn)的結(jié)果〔加權(quán)抗拔強(qiáng)度(Tp)34.00 MPa〕為基礎(chǔ),Wu模型理論根系附加黏聚力為5.56 kPa,固土效果與實(shí)際值相差39%,優(yōu)化后模型擬合準(zhǔn)確度提升了13.25%。彌補(bǔ)了目前Wu模型僅基于土體剪切破壞時根系的拉伸斷裂破壞進(jìn)行考慮,未考慮根系拔出等破壞方式的缺陷。但由于本研究需控制根系尺寸以及土體含水率等以及試驗(yàn)條件的局限,采用重塑土進(jìn)行根系埋置的研究方法,無法完全模擬真實(shí)條件下根系與土體之間的粘結(jié)效應(yīng)。因此,針對植物生長過程的固土效應(yīng)仍需探索與研究。而且對于Wu模型的優(yōu)化,應(yīng)該充分考慮土體性質(zhì)等其他因素以及它們之間的相互作用,才能更好地提高其模擬精確度。

3 討 論

土體抗剪強(qiáng)度主要與土體類型、粒徑級配、容重、含水率等有關(guān)因素相關(guān)[29];而含根土體中植物根系所附加的抗剪強(qiáng)度,則主要與根系類型、根面積比、根長密度、根系拉伸特性等有關(guān)[30]。由此可見,影響根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的因素眾多,余冬梅等[23]通過灰色關(guān)聯(lián)法評價后發(fā)現(xiàn),與含水率、根重密度、根長密度相比,容重對其影響程度最大。干濕交替作用會影響土體結(jié)構(gòu)、對其容重等也有一定影響,二者效應(yīng)交互,導(dǎo)致其抗剪強(qiáng)度變化。

本試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)根土復(fù)合體在干濕交替作用下,吸水膨脹脫水收縮變形,土體顆粒大小及間距改變,聯(lián)結(jié)作用被破壞,導(dǎo)致其表面變得粗糙、松散、易脫落,并出現(xiàn)不均勻裂隙。且隨著干濕交替作用的影響,土體黏聚力,內(nèi)摩擦角和抗剪強(qiáng)度均發(fā)生不同程度的劣化,這與曾召田等[26]的研究結(jié)果一致;干濕交替下,根系尺寸顯著影響根土復(fù)合體抗剪特性,根長越長、根徑越大,其抗剪強(qiáng)度越大。且在干濕交替作用下,細(xì)長根根系固土效果優(yōu)于粗短根根系固土效果。這與楊路等[24]的研究結(jié)果一致;這主要是因?yàn)榧?xì)根與土壤顆粒更能充分接觸,在剪切時可以產(chǎn)生更大的摩擦力,并且細(xì)根也具有更強(qiáng)的柔韌性[25]。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),含水率與干濕交替作用顯著影響含根土體抗剪特性。相同干濕交替次數(shù)下,抗剪強(qiáng)度隨含水率的增加,呈先增加再降低趨勢;初始含水率越低,干濕循環(huán)幅度越大,導(dǎo)致干濕交替后黏聚力和抗剪強(qiáng)度降幅越大,這與甘鳳玲等[31]的研究結(jié)果一致。但含水率波動對含根土體內(nèi)摩擦角影響無確定規(guī)律。

為進(jìn)一步研究植物根系在干濕交替作用下對土壤抗剪性能影響,以及對Wu模型的改進(jìn)展開更深入的研究,在未來的研究中需進(jìn)一步探究不同干濕交替次數(shù)對黃土抗剪強(qiáng)度的影響,不同種類植物根系含根原狀土體在干濕交替下根系的力學(xué)性能規(guī)律,并且在Wu模型的基礎(chǔ)上,探尋出適用于不同破壞條件下的根系固土模型。并且需考慮到植物的種植方法、種植密度以及不同植物的選擇等方面對根系固土效率的影響。

4 結(jié) 論

(1) 根土復(fù)合體在干濕交替作用下,表面變得粗糙、松散、易脫落,并出現(xiàn)不均勻裂隙。經(jīng)歷干濕交替后,根土復(fù)合體黏聚力、內(nèi)摩擦角均降低,土體最大抗剪強(qiáng)度也隨之減小。

(2) 干濕交替下,根系尺寸、土體容重、土壤含水率均對根土復(fù)合體抗剪特性有顯著影響。干濕交替下,根長越長、根徑越大,其抗剪強(qiáng)度越大;在一定范圍內(nèi),根土復(fù)合體極限抗剪強(qiáng)度、黏聚力、內(nèi)摩擦角與土體容重呈正相關(guān)關(guān)系;含水率與干濕交替作用均顯著影響含根土體抗剪特性,相同干濕交替條件下,抗剪強(qiáng)度隨含水率的增加,呈先增加再降低趨勢;相同含水率水平下,進(jìn)行干濕交替土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)顯著低于未進(jìn)行干濕交替的,且初始含水率飽和度越低,干濕循環(huán)幅度越大,干濕交替后黏聚力降幅越大。

(3) 根系理論附加黏聚力為6.09 kPa或5.56 kPa,與實(shí)測根系附加黏聚力4.00 kPa相比,Wu模型估算結(jié)果與實(shí)際值相差甚遠(yuǎn)。原因?yàn)槌烁底陨硇再|(zhì)(根系尺寸、生物成分等)對根系固土效率有重要影響外,土體本身的性質(zhì)如容重、含水率以及干濕交替作用等也緊密影響著含根土體的抗剪強(qiáng)度。而Wu模型僅考慮了根系本身的影響因素(根面積比、根系抗拉強(qiáng)度),而實(shí)際上根土相互作用為一個復(fù)雜的動態(tài)過程,該模型并未考慮全面。