植物根系加筋土剪切试验研究综述

王元战，张智凯，马殿光，刘旭菲

（1.天津大学 建筑工程学院天津市港口与海洋工程重点实验室，天津300072；2.交通运输部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456）

近年我国有大量的基础设施工程投入建设。在铁路、公路、水电、航道、港口等工程建设中，经常要开挖大量的边坡，如何保持边坡稳定及防治水土流失现象的发生，并维护生态系统的平衡，成为了工程重点关注的对象。植被护坡作为一种利用植被涵水固土的原理稳定岩土边坡同时美化生态环境的一种新技术，在边坡治理工程中得到了广泛的应用［1］。植物根系对土体强度的加强作用可分为深根的锚固作用以及浅根的加筋作用。而对于浅根的加筋作用，国内外学者将含有植物浅根的土体视为加筋土，根据加筋土的强度理论［2］并结合剪切试验对其进行研究。所谓加筋土就是土中埋没抗拉强度比较高的材料而形成的一种复合体，其基本原理为土与加筋材料之间存在着似摩擦作用，此作用限制了土的变形，从而提高土体的抗剪强度［2］。然而与土工材料加筋土相比，植物根系加筋土中根系的空间分布更为复杂，存在着很强的“局部突变性”。根系中的极细根（d＜1 mm）可通过对于土壤的挤压和缠绕，提高土壤团粒数量，改善土壤结构稳定性，增强土壤的抗剪能力及提高土壤的渗透性［3］。

植物根系加筋土的上述特点，增加了其剪切试验的难度。如何在试验中较好地还原植物根系对于土体抗剪强度的增强作用，如何选取合适的剪切试验方法，研究出其强度的变化规律，现阶段仍有异议，许多工作仍需继续深入研究。本文结合国内外对于植物根系加筋土剪切试验的成果，对上述试验的试验方法、试验工况及试验结果进行综述。

1 剪切试验

植物根系在土体中通过其缠绕、穿插、挤压等作用，增强了土体抵抗剪切破坏的能力，因此研究植物根系加筋土的抗剪强度，对于揭示根系对于土体的加强作用有着十分重要的意义。剪切试验作为研究土体抗剪强度指标的有效方法，受到国内外学者的广泛采用，进行了大量关于植被根系加筋土的试验研究。

剪切试验一般可以分为［4］：直接剪切试验、三轴剪切试验、无侧限抗压强度试验及十字板剪切试验等四类，对于植被根系加筋土一般采用直接剪切试验及三轴剪切试验进行研究。

1.1 直接剪切试验［4-5］

直接剪切试验通常是从地基中某个位置取出土样，制成4 个试样，用几个不同的垂直压力p 作用于试样上，然后施加剪切力，测得剪应力与位移的关系曲线，从曲线上找出试样的极限剪应力τo作为该垂直压力下的抗剪强度。通过抗剪强度确定强度包线，即可求出抗剪强度参数：粘聚力c 和内摩擦角φ。直接剪切试验仪器结构如图1 所示，试样受力如图2 所示。

直接剪切试验可分为：快剪（Q）、固结快剪（CQ）及慢剪（S）等3 种试验方法。

图1 应变控制式直剪仪结构示意图Fig.1 Sketch of strain-controlled direct shear apparatus

图2 直接剪切试验试样受力示意图Fig.2 Sketch of test sample under stress in direct shear test

（1）快剪试验（Q）：在试样上施加垂直压力后，立即施加水平剪切力。

（2）固结快剪试验（CQ）：在试样上施加垂直力后，待排水固结稳定后，施加水平剪切力。

（3）慢剪试验（S）：在试样上施加垂直压力和水平剪切力的过程中均应使试样排水固结。

1.2 三轴剪切试验［4-5］

三轴剪切试验的目的是根据Mohr-Coulomb 破坏准则确定土体强度参数，常规方法为：取3～4 个圆柱体试样，分别在其四周施加不同的恒定周围压力（即小主应力）σ3，随后逐渐增加轴向压力（即大主应力）σ1直至破坏为止。根据破坏时的大主应力与小主应力分别绘制莫尔圆，莫尔圆的切线就是剪应力与法向应力的关系曲线，通常以近似直线表示，其在纵轴上的截距为粘聚力c，倾角为内摩擦角φ（图3）。

三轴剪切试验根据排水条件不同，可分为不固结不排水试验（UU）、固结不排水试验（CU）及固结排水试验（CD）。

（1）不固结不排水试验（UU）：施加周围压力和增加轴向压力直至破坏过程中均不允许试样排水，可测得总抗剪强度参数cu和φu。

（2）固结不排水试验（CU）：试样先在某一周围压力作用下排水固结，然后在保持不排水的情况下增加轴向压力直至破坏，可测得总抗剪强度参数cu、φu或有效抗剪强度参数c′、φ′和孔隙压力系数。

（3）固结排水试验（CD）：试样先在某一周围压力作用下排水固结，然后在允许试样充分排水的情况下增加轴向压力直到破坏，可测得有效抗剪强度参数cd、φd和变形参数。

图3 三轴试验中剪应力与法向应力关系Fig.3 Relationship between shear stress and direct stress in triaxial shear test

2 国内外剪切试验研究成果及分析

本文分析研究了国内外学者所做的20 组植被根系加筋土剪切试验，并对它们进行了总结归类：根据试验研究土样的不同，可分为原状植物根系加筋土（简称为原状土）试验及重塑植物根系加筋土（简称为重塑土）试验；根据试验方法的不同，可分为直接剪切试验及三轴剪切试验（图4）。

2.1 原状根系加筋土直接剪切试验

直接剪切试验操作简便，并可改造试验仪器尺寸，以适应各种试样规格的要求，对原状植物根系加筋土的剪切试验也主要以该方法为主。国内外的学者采用该方法针对不同植物，进行了大量原状根系加筋土的试验研究。

图4 植被根系加筋土剪切试验归类图Fig.4 Chart of different types of plant roots-reinforced soil shear test

其中，最早进行原状根系加筋土直接剪切试验的是日本学者Endo 和Tsuruta，他们自制矩形取土器，设计了原状加筋土的现场直接剪切试验方法，于1969 年研究了桤木根系对于土壤强度的贡献［6］。与Endo 和Tsuruta 针对垂直根系设计的方法不同，美国学者Ziemer 提出一种新的直接剪切试验方法，以分析水平根系牵拉作用对土壤强度的影响，于1981 年对扭叶松进行现场试验研究［7］。

室内直接剪切试验研究方面，美国学者Manbeian 自制大型取土器，针对不同植物进行了大量的直接剪切试验研究，对植物根系对于土体强度的贡献进行了比较深入的论述［8］。学者Waldron 则在其对于大麦、紫花苜蓿及黄松等植物根系土的大量室内直接剪切试验研究的基础上，提出了根土相互作用的力学模型［9］。

国内研究方面，杨亚川［10］等于1996 年开展草本植物根系土的室内直接剪切试验，指出复合体抗剪强度τf与正压力σ 的关系符合库伦定律，含根量的增加能有效提高土体的粘聚力c，对内摩擦角φ 影响不大：如含根量由0.75 增大到5 mg/cm3时，内摩擦角φ 仅在21.80°与23.40°内波动，粘聚力c 则由20 kPa 增至60 kPa（w=16%；ρd=1.30 g/cm3）；并指出抗剪强度τf与含水量w 呈负相关。学者侍倩针对狗牙根植物进行了上述试验，同样认为根系加筋土体抗剪强度τf与正压力σ 的关系符合库伦定律，并给出了粘聚力提高的计算公式［11］。

李绍才等则对狗牙根根系土进行了大规模的室内直接剪切试验，分析了垂直压力、含根量、含水量及根系生长的时间尺度等因素对于根系加筋土抗剪强度的影响［12］，所得结论基本与杨亚川等相符，进一步认为粘聚力c 与含根量呈指数增加关系，与含水量w 则呈幂函数减少关系，并针对狗牙根植物，指出播种5 月后，其根系加筋土体抗剪强度基本达到稳定。黄晓乐等［13］则对狗牙根、紫花苜蓿2 种植物根系土开展了上述试验，分析了根系土体抗剪强度随土层深度的变化规律，并与素土强度对比，指出根系土内摩擦角φ 变化不大，粘聚力c 变化显著，狗牙根c 值最大增幅为129.4%，紫花苜蓿c 值最大增幅为77%。

原状根系加筋土的剪切试验可以较好还原实际土壤的结构性特点，体现出植物根系中极细根（d＜1 mm）对于土体团粒的挤压缠绕作用及根系分泌物的生物力作用。但是由于根系在土壤中的空间分布存在较大的随机性，导致其采样、制样过程中无法较好的减少对于根系的扰动，往往会因为扰动过大而导致含根土制样失败。直接剪切试验由于采样后无需制样，可改造试验器具，因而能较好的还原土壤中的根系实际分布，体现出实际根系对于土样抗剪强度的影响。而这正是国内外学者进行原状根系加筋土剪切试验采用直接剪切法的原因所在［6-13］。然而直接剪切试验由于存在着剪切面人为固定、不能有效的控制排水条件以及剪切面积随剪切位移增加而减少等缺点［4］，导致无法对根系—土样在各工况下相互作用及复合体抗剪强度的变化进入更为深入地分析。

目前国内外对于原状根系加筋土的直接剪切试验进行了大量的研究，建立较为完善的根土相互作用模型［9］，并取得了较为统一的试验结论：

（1）植物根系的存在对于土壤起着明显加筋作用，能有效提高土壤的抗剪强度［6-13］。

（2）含根量能有效提高土体粘聚力c，对内摩擦角φ 影响却不大［10-13］。

（3）根系加筋土的抗剪强度τf与正压力σ 的关系符合库伦定律［10-13］。

（4）根系加筋土的抗剪强度随含根量的增加而增大，随含水量的增加而降低［10，12-13］。

2.2 原状根系加筋土三轴剪切试验

三轴剪切试验与直接剪切试验相比有着能控制试样排水条件、受力状态明确、可有效控制大小主应力，剪切面不固定、准确地确定土体孔隙压力及体积变化等优点，是突破原状根系加筋土直接剪切试验缺点的有效试验方法。然而对于原状根系加筋土，其采样、制样存在着较大的困难，目前尚未形成统一的认识。国内外学者目前对于原状根系加筋土的三轴剪切试验开展较少，比较有代表性的是杨璞、岑章志等采用室内三轴剪切试验分析了清华大学校后北山植被根系土的剪切破坏模式，指出原状含根土由于土壤颗粒的不均匀，根系排布的不规则以及土质松紧度不一致，导致其轴向变形程度差异较大［14］。

原状根系加筋土的三轴剪切试验可分析多种工况下实际根系的存在对于土体强度的影响规律，然而由于目前研究工作开展较少，未能取得较为完善的研究成果。针对合理的采样、制样方法，目前尚未形成统一的认识，是约束该试验有效开展的瓶颈所在。

2.3 重塑根系加筋土三轴剪切试验

为了突破原状根系加筋土三轴试验的瓶颈，许多学者采用制备重塑土的方法，制成重塑根系加筋土试样，以进行三轴剪切试验。重塑土试验虽然无法还原出实际土壤结构性及实际根系分布缠绕对于土体强度的影响，但可以有效的控制土样中的含根量、含水量、根系分布方式以及根系直径、长度等因素，因而可以有效地分析上述因素对土样的抗剪强度的影响。

吴昊、林贤长等［15］采集林木须根，分4 层重塑，须根在层内均匀分布，制成了重塑根系加筋土，进行三轴固结不排水剪试验（CU）。试验工况如表1 所示，试验围压分别为100 kPa、200 kPa、300 kPa。根系加筋土样粘聚力、内摩擦角在各工况组合下试验数据如表2、表3 所示，相同含水量、不同加筋含量与粘聚力关系图5 所示。

根据试验结果（表2、表3），吴昊等指出加筋量对于土样内摩擦角φ 影响不大，但能有效提高土样的粘聚力c，这个结论也是与原状根系加筋土直接剪切试验结论是一致的。同时指出（图5），存在最优含水率（19%），使相同工况下土样强度最高。

陈昌富［16］等则采集狗尾草草根制成重塑土，进行三轴不固结不排水试验（UU）。试样分4 层重塑，根系分布形式为层间均匀分布，加筋数量取为9 种：0 g/层、0.2 g/层、0.4 g/层、0.5 g/层、0.6 g/层、0.8 g/层、1.0 g/层、1.2 g/层、1.4 g/层、1.5 g/层，试验围压分别为40 kPa、70 kPa、100 kPa、130 kPa，试验结果如表4 所示。试验结果指出，对于抗剪强度指标，与素土相比草根加筋土的内摩擦角变化较小，但粘聚力增长较大。这个结论与吴昊、林贤长等是一致的，并指出存在最优加筋量（0.8 g/层），使试样在围压相同的工况下，抗剪强度最高。

表1 试验工况表Tab.1 Test condition

表2 土样粘聚力cTab.2 Cohesion force of soil sample kPa

表3 土样内摩擦角φTab.3 Internal friction angle of soil sample （°）

刘秀萍、陈丽华等［17］收集刺槐须根，制成重塑土样，进行了三轴不固结不排水剪切试验（UU）。根系在试样中分为3 种分布方式（图6），试验工况如表5 所示，根土复合体的抗剪强度指标如表6 所示。试验结果指出：重塑根系加筋土体的抗剪强度τf与正压力σ 关系符合Mohr-Coulomb 抗剪强度理论。3 种分布中复合根的强度最高，垂直根系次之，水平根系最差。当含水率一定时，3 种分布方式的根系加筋土随须根直径增加，抗剪强度增大，内摩擦角φ 及粘聚力c 也同时增大（表6），说明根系固土护坡的能力随根径的增大而提高。

图5 不同含水量条件下粘聚力与加筋含量关系Fig.5 Relationship between cohesive force and amount of reinforcement under different moisture content

国外学者在重塑根系加筋土的三轴试验研究方面投入了大量的精力，所取得的规律性成果也与原状根系加筋土直接剪切试验的结论一致［15-17］，在直接剪切试验的基础上，针对含根量、含水量、根系分布方式以及根系直径、长度等因素对于土体强度的影响，取得了较为统一的认识：

（1）在含根量、根系空间分布相同的条件下，存在最优含水量使土样抗剪强度最高［15］；

（2）在含水量、根系空间分布相同的条件下，存在最优含根量使土样抗剪强度最高［16］；

（3）在含水量、含根量相同的条件下，存在最佳根系分布方式使土样抗剪强度最高，并且根系直径的增大能有效提高土样的抗剪强度［17］。

表4 抗剪强度指标的比较Tab.4 Comparison of shear strength indexes

2.4 重塑根系加筋土直接剪切试验

直接剪切试验由于其试验方法的简便及试样制备上的灵活性，许多学者采用该方法进行重塑根系加筋土的剪切试验研究（毛伶俐，2007；石明强，2007；钟亮根，2008；胡其志，2010；杜振东，2010；胡文利，2011），所分析的试验工况及控制变量则与重塑根系加筋土的三轴剪切试验基本相同，试验结果也基本相似。由于篇幅所限，本文则不一一介绍。

图6 三轴试验根系分布方式Fig.6 Root arrangement for triaxial test

3 问题与展望

本文针对植物根系加筋土剪切试验，根据试验土样及方法的不同，分为原状根系加筋土直接剪切试验、原状根系加筋土三轴剪切试验、重塑根系加筋土三轴剪切试验以及重塑加筋土直接剪切试验等四类。虽然国内外学者开展了大量的上述试验，但仍存在研究不足的地方：

（1）原状根系加筋土直接剪切试验。国内外学者针对土体强度，采用该方法已开展了大量的试验，并取得了较为完善的研究成果。然而根系加筋土在植物各个生长期内抗剪强度的变化规律研究较少，此外，对于根系穿过表面滑动层深入稳定层后，对于边坡稳定的提高的研究工作也开展较少，未取得较为完整的认识。

（2）原状根系加筋土三轴剪切试验。纵观国内外这方面报道，我们发现采用该方法进行根系加筋土剪切试验研究的较少，亦未取得完整的试验成果。究其原因，目前未有有效的采样、制样方法是制约该试验开展的瓶颈所在。为了减少采样过程中对于植被根系的破坏，可将植物种植在规定尺寸的取土盒内，以便采样。此外，可采用大尺寸的三轴试样标准（如直径101 mm 试样），以减少制样扰动。

由于三轴剪切试验有着其特殊的优点，开展原状根系加筋土三轴试验可对实际根系—土体的相互作用进行更为深入的分析。

表5 试验工况表Tab.5 Test condition

表6 根土复合体的抗剪强度指标Tab.6 Index of shear strength of root-loess composite

（3）重塑根系加筋土三轴剪切试验。国内外开展上述试验分析的复合体强度影响因素多为试样含根量、含水量、试验围压、根系空间分布形式以及根系直径、长度等因素，所针对工程实际也多为公路边坡、铁路边坡。对于与库区、航道边坡稳定息息相关的渗透压力（边坡发生稳定渗流）、循环荷载（船行波作用）对于植物根系加筋土强度的影响研究开展较少，并未取得能指导工程实践的研究成果。

此外，重塑根系加筋土与天然情况下原状根系加筋土之间的关系还有待深入研究，而开展这方面的研究对于指导工程实践有着极大的意义。

（4）重塑根系加筋土直接剪切试验。对于重塑根系加筋土的直接剪切试验，其研究工况多与三轴剪切试验相同，目前所取得成果也基本类似。在后续的试验研究中应发挥直接剪切试验的优点，进行大试样的试验研究，以对含根量、根系分布形式、直径、长度等因素对于土体抗剪强度的影响在更大参数范围内进行研究。

4 结语

本文根据植物根系加筋土剪切试验土样及方法的不同，将上述试验分为原状根系加筋土直接剪切试验、原状根系加筋土三轴剪切试验、重塑根系加筋土三轴剪切试验以及重塑加筋土直接剪切试验等四类，分别介绍了各自的试验方法、试验工况及试验结果。

综合目前所取得的成果，原状根系加筋土方面的后续研究可重点开展植被各个生长期内原状土直接剪切试验，同时提出合理的根系土的采样、制样方法，以开展原状根系加筋土的三轴试验，解决工程实践的需求，并可与同工况下的重塑根系土三轴试验进行对比，对重塑根系土与天然情况下原状根系土之间的关系进行深入的研究。重塑根系加筋土方面可重点开展重塑根系土在渗透压力、循环荷载工况下的三轴试验研究，以对水库、航道的植被护坡治理提供理论支持。并可开展重塑根系土在含根量、根系直径、长度、分布方式等工况下的大参数范围直接剪切试验，以对土体强度的变化规律进行更全面的分析。

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