生態邊坡植被對土體抗剪強度的影響研究

張海洋

摘 要：【目的】工程建設中產生大量的裸坡，需要對邊坡進行植被恢復。探究植被對邊坡土體的力學性質的影響，可為邊坡穩定性評價提供參考。【方法】對研究區的根系和土體進行不同比例的混合，并進行直剪試驗。【結果】結果表明：隨著含水量的增加，土體的黏聚力呈現降低的趨勢，根系能夠明顯增加土體的黏聚力，土體的內摩擦角也會有一定的提高，提高幅度小于黏聚力增加幅度。【結論】植被能夠增強土體抗剪強度，生態護坡對邊坡防護具有重要意義。

關鍵詞：人工邊坡；植被效應；根-土復合體；抗剪強度

中圖分類號：TU43? ? ? 文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1003-5168（2024）05-0104-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.05.022

Study on the Influence of Vegetation on Soil Shear Strength of

Ecological Slope

ZHANG Haiyang

（Henan sitong building services Co.， Ltd.， Luoyang? 471000， China）

Abstract： [Purposes] A large number of bare slopes are produced in engineering construction， so it is inevitable to carry out vegetation restoration on the slope， and explore the influence of vegetation on the mechanical properties of the slope soil. The research results will provide reference for the evaluation of slope stability. [Methods] Direct shear test was carried out on the mixture of root and soil in different proportions in the study area. [Findings] The results showed that with the increase of water content， the cohesiveness of soil showed a decreasing trend， the root system could obviously increase the cohesiveness of soil， and the internal friction Angle of soil also increased to a certain extent， and the increase range was smaller than the increase range of cohesiveness. [Conclusions] Vegetation can enhance the shear strength of soil， and ecological slope protection is of great significance for slope protection.

Keywords： artificial slope; vegetation effect; root-soil complex; shear strength

0 引言

近年來人類工程活動增多，尤其是道路工程開挖產生了大量的人工邊坡。邊坡土體作為一種重塑土，土壤結構遭受破壞，缺乏固結，在降雨等侵蝕動力作用下極易發生水土流失和邊坡失穩［1］。在過去的研究中主要采用工程措施對邊坡進行加固，但工程措施造價高，容易造成資源浪費，尤其當混凝土老化后產生大量的廢渣會破壞原有土體成分。隨著人類環境意識的增強，生態工程逐漸被應用到邊坡防護中，植被不僅可以綠化環境，其根系與土體相互作用形成根土復合體，能夠大大提高土體的抗剪強度［2-3］。植被的存在能夠改善周圍生態環境，增強邊坡土體穩定性。力學加固作用是根系增強土體強度的主要方面，根系固土護坡力學效應可分為加筋和錨固兩個方面。植物力學加固的作用表現為根系延伸至土體內部，與土體黏接在一起，共同承擔載荷，提高土體的抗剪強度。植物根系力學特性指標與根系結構形態指標是定量描述植物根系固持土能力和增強土體強度、提高邊坡穩定性能力的重要參數［4-5］。

近年來，相關學者采用不同的測定方法，開展了根土復合體抗剪強度與根系分布特征關系的研究。李建興等［6］研究表明隨著根長密度、根表面積密度的增大，土壤內摩擦角φ呈顯著的對數增長，土壤黏聚力c呈顯著的線性增長。Li等［7］采用 COMSOL Multiphysics 研究了植物根系產生的附加黏聚力對邊坡穩定性的影響。張鋒等［8］通過常規三軸固結不排水試驗，研究植物根系在一定含水量和含根量條件下對抗剪強度的影響。格日樂等［9］采用直剪儀對3種植物重塑的根-土復合體及素土進行室內剪切試驗，指出隨著土壤含水率的增加，根-土復合體抗剪強度及黏聚力均呈現先增大后減少的趨勢。朱錦奇等［10］研究表明根系可以同時提高土壤的黏聚力和內摩擦角，根系對土壤的加固效果隨土壤含水率的升高而大幅度降低。本研究主要采用人工制備不同含水量和含根量的環刀樣，通過控制變量法定量研究含水量和含根量對土體性質的影響，研究內容對邊坡治理具有重要意義。

1 試驗材料與方法

本研究選取工程中邊坡填土為研究對象，探究根系對土體強度的影響。在試驗過程中首先對土體進行簡單的粗篩，去除土體中的根系及礫石，再經烘箱烘干、碾碎后通過干篩法測量土體顆粒級配。為探究土體中不同含水量和含根量對土體抗剪強度的影響，分別設置6%、9%、12%、15%和18%共計5個梯度的含水量。根系梯度設置6 mg·cm-3、12 mg·cm-3、18 mg·cm-3和無根土進行對照試驗。

根系為多種草本根系混合，直徑為0.2～5 mm不等。在野外取樣后，簡單去除表層土壤后用保鮮膜包裹，避免根系脫水失去活性，在室內把根系在水中進行浸泡2 h，完全去除表層的土顆粒，用吸水毛巾去除表層的多余水分。含根量的設置采用根土質量比，即根系質量與土體質量的比值作為根-土復合體試樣中含根量的確定方法。將根系與各梯度含水量的土體充分均勻混合后制作環刀樣，控制各試驗中土體密度相等，為1.3 g/cm3 ， 密度設置參考取樣地土體平均密度，制樣后進行直剪試驗。

2 結果分析

通過干篩法可知（如圖1所示），土壤最大土粒直徑不超過40 mm，1～10 mm土粒含量最多，占總質量的45.64%，粒徑小于0.5 mm土壤占總質量的22.39%，研究區土體為級配良好的砂土。通過干篩法可知，土壤中含有大量的團聚體，在碾碎過程中很難使團聚體中的土粒完全分離，導致土壤顆粒粒徑偏大。

對裸土烘干后配置相應含水量的環刀，并進行直剪試驗，垂直壓力梯度設置為50 kPa、100 kPa、150 kPa和200 kPa，試驗結果如圖2所示，抗剪強度指標見表1。土壤含水量對土體抗剪強度影響較大且規律明顯，隨著含水量的增加，土體抗剪強度呈現下降的趨勢。土體黏聚力和內摩擦角也呈現不同程度的變化規律：隨著含水量的增加，土體黏聚力呈現下降的趨勢，相較于含水量為6%的土體，含水量為9%、12%、15%和18%的土體黏聚力分別降到6%含水量土體的92.95%、91.33%、79.13%和78.59%；當含水量增加到12%以上時，土體黏聚力降低最為明顯；隨著含水量的增加，土體內摩擦角也呈現出降低的趨勢，但幅度不明顯。

含根量為6 mg·cm-3土體直剪試驗結果如圖3所示，抗剪強度指標見表2。根系對土體強度具有一定的增強作用，根系與土體相互作用形成根土復合體，對土體的強度具有促進作用。相較于裸土，根系含量為6mg·cm-3土體在不同含水量條件下均有提高，尤其表現在黏聚力上，含水量為6%、9%、12%、15%、18%的土體黏聚力分別為裸土的1.22、1.18、1.08、1.30、1.21倍，內摩擦角也有一定的提高，提高幅度為裸土的1.06～1.12倍。

為探究根系含量對土體強度的提高，繼續對含根量為12 mg·cm- 3土體在各含水量梯度下進行直剪試驗，試驗結果如圖4所示，抗剪強度指標見表3。相較于裸土，含根量為12 mg·cm- 3的土體黏聚力在不同含水量條件下分別為裸土的1.38、1.25、1.30、1.47、1.28倍，內摩擦角為裸土的1.07～1.29倍。

相較于裸土，含根量為18 mg·cm- 3的土體黏聚力在不同含水量條件下分別為裸土的1.30～1.61倍（見表4），內摩擦角為裸土的1.18～1.40倍，黏聚力增加幅度有所降低，如在含水量為6%的土體中，隨著根系含量的增加，土體黏聚力反而略微降低（如圖5所示）。本研究認為根系增強土體是存在最優含根量的。當含根量較小時，隨著含根量增大，土體強度得到提高，而當含根量繼續增大時，土體強度反而出現降低的趨勢。分析認為根系過多時會影響土體之間的黏結作用，導致土體密度會降低，最終導致土體強度降低。

3 討論

根據已有的根系固土力學模型，主要認為根系能夠增強土體的表觀黏聚力，這也與本研究結論相一致。根土復合體中存在最優含根量，使得根系加固土體效果最為明顯。除此之外，根系增強土體抗剪強度還與根系的種類、不同根系的抗拉強度有關。根系的空間分布也對土體強度具有重要的影響，這也是今后的研究內容。本試驗采用的重塑土和人工加入根系的方法，得出的土體抗剪強度偏小，重塑土破壞了土體結構，且根系具有活性，能夠分泌物質使得土體膠結程度更好。在野外條件下，根系會滲透延伸到土體中，形成空間網狀結構，對土體的增強效果更為明顯。因此，實際情況下，植被根系對土體的抗剪強度提高更為明顯。格日樂［9］、何偉鵬等［5］的研究表明黏聚力隨含根量先增加后減少，而本次研究黏聚力隨含根量的增加黏聚力逐漸增大，但增加速度也呈降低的趨勢，整體研究規律也與已有研究結論呈現一致性。

4 結論

①研究區土壤最大土粒直徑不超過40 mm，1～10 mm土粒含量最多，占總質量的45.64%，粒徑小于0.5 mm土壤占總質量的22.39%，土體為級配良好的砂土。

②對于不含根系的裸土，隨著含水量的增加土體黏聚力呈現下降的趨勢，當含水量增加到12%以上時，土體黏聚力降低最為明顯，隨著含水量的增加，土體內摩擦角也呈現降低趨勢。

③根土相互作用形成根土復合體對土體強度有明顯的提高作用，對提高邊坡穩定性具有重要的作用。含根量為6 mg·cm- 3的土體黏聚力為裸土1.2倍。

④隨著含根量的增加，土體黏聚力均呈增加趨勢，當含根量增加到12 mg·cm-3以上時增加幅度逐漸減小。根土復合體存在最優含根量使得土體強度最高。

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