植物根-土复合体原位剪切试验研究现状及其进展

卢海静，王 磊，翟国良，胡夏嵩，2，余芹芹，乔 娜，李国荣

(1.青海大学地质工程系，青海西宁 810016;2.中国科学院青海盐湖研究所，青海西宁 810008)

近年来，随着城市化进程的加快，在基础设施建设中相当数量的混凝土浆砌块石护坡被广泛应用，而这类边坡所形成的灰色景观及其与环境之间的不协调性等也逐渐显现出来。利用植被护坡能起到改善生态环境、减少边坡水土流失、涵养水源等工程护坡措施所不具备的作用。为了科学有效地保护生态环境，实现基础设施建设与生态环境之间的可持续发展，采用植物方法加固边坡被国内外学者所重视且已逐渐成为一种发展趋势［1-2］。植物根系具有加筋、锚固土体、提高土体抗剪强度的作用，这一观点得到了国内外学者的普遍认可［3］。为了有效利用植被增强边坡土体的稳定性，充分发挥植被涵水固土、改善环境的效应，诸多学者在植物根系增强土体抗剪强度以及提高边坡稳定性的贡献评价方面采用了多种方法，这些方法包括根-土复合体快速直剪试验、三轴剪切试验及现场原位剪切试验等。本文在介绍这些评价方法的基础上，进一步系统地论述了根-土复合体的结构、性能及植物根系在增强边坡土体稳定性方面的贡献，同时对根-土复合体原位剪切试验及其发展趋势做了进一步的探讨。

1 根-土复合体理论

植被增强边坡稳定性的贡献已得到国内外学者的肯定和证实，尤其是植被浅层根系的加筋作用及深根的锚固作用在加固边坡土体过程中所起到的积极作用［4-7］。Waldron［8-9］认为，植物根纤维提高土体抗剪强度主要是通过根-土接触面的摩擦力将土体中的剪应力转换为根的拉应力来实现的，根系起到了加筋的作用，从而达到增强边坡土体抗剪强度的效果。赵方莹等(2009年)［10］认为根系在增强边坡土体稳定性方面，主要是通过根系的加筋、锚固等作用实现提高土体黏聚力及根系与土体间的摩擦力，增强边坡土体摩擦强度，进而达到增强土体的抗剪强度和提高边坡稳定性的作用。Niu等(2008年)［11］研究林木根系增强土体稳定性时，指出林木根系与土体之间的静摩擦力是决定根系提高土体抗剪强度增量的主要因素。黄圣瑞等(2009年)［12］认为根系能够提高土体强度的根本原因在于土体与根系的相对位置在变形前和变形后存在显著差异，因而它们在共同变形过程中存在相互错动趋势，这种错动被根系与土体之间存在的摩擦阻力所抵抗，从而达到稳定边坡土体的效果。冀晓东等(2009年)［13］研究了根系的直径、布置方式和土壤含水量等因素对根系增强土体强度的影响，通过三轴试验，认为根系的存在显著提高了根系与土壤构成的根-土复合体的强度，即从机理上讲，林木根系对土壤的增强作用是由于根-土界面摩擦力的作用把土体中的剪应力转换成根的受拉作用而产生的，即通过根的抗拉作用使得土体抗剪强度增加，进而增强了土体的稳定性。

Gray等(1983年)［14］在研究根系增强根-土复合体强度时，将含根系的土体视为一种特殊的复合材料，认为根系如同复合材料中的纤维对土体起到了加固作用，即根系将土体束缚在根系分布范围之内，在土体遭到破坏时会受到来自根系的阻抗作用，从而达到增强土体稳定性的目的。杨亚川等(1996年)［15］首次提出了土壤-根系复合体的概念，即将根系与土壤视为一体，简称复合体，并指出当复合体的体积和含水量一定时，抗剪强度指标黏聚力与含根量呈正相关，而内摩擦角与含根量关系不大。周云艳等(2010年)［16］在研究根-土复合材料中根系的贡献时，将土体视为基体相材料，根系视为增强相材料，在荷载作用下根系起到纤维的作用，使根-土复合体呈现“塑性”特征，从而起到增强作用。

近年来国内外诸多学者在根-土复合体理论方面进行了深入的试验研究。郝彤琦等(2000年)［17］运用工程力学基本理论和土力学试验方法，分析植物根系在增强松软饱和滩涂土抗剪强度中的作用机制，认为复合体抗剪强度τ与法向正应力σ的关系符合库仑定律，且τ随含根量Mr的增加而提高，即土体抗剪强度随着Mr的增加将会得到提高。Huat等(2005年)［18］以种植在温室中凝灰质页岩渣土和花岗岩渣土上的草本植物刚果臂形草(Brachiaria ruziziensis)和香根草(Vetiveria zizaniodes)作为研究对象，采用经过改进的传统剪切盒对植物根系增强土体抗剪强度进行了研究，认为在饱和土和非饱和土两种条件下，根系纤维的存在均显著增强土体抗剪强度，且随着根系数量的增多及植物生长期的延长，根-土复合体抗剪强度增加相对显著，而随着植物根系生长深度的递增，抗剪强度增量则呈显著减小趋势。郭维俊等(2006年)［19］研究土壤-根系复合体强度时，运用土力学理论和复合材料力学方法分析了土壤-根系复合体的力学特性和力学模型，即在弹性、横观各向同性条件下，得到了表征土壤-根系复合体应力-应变关系的本构方程。研究结果表明:土壤-根系复合体的强度不仅与土壤和根系的材料特性、形态结构、含水率以及根系含量有关，而且与土粒和土粒之间、土粒和根系之间的黏聚力、内摩擦力密切相关。胡其志等(2011年)［20］对含有两种不同根系、不同含根量的根-土复合体进行直接剪切试验，并采用Matlab数据分析软件对试验数据做了不同次数的最小二乘法拟合分析，认为含根土作为一种复合体材料，其强度近似符合库仑定理。结果表明，根-土复合体的抗剪强度随含根量的增加而增大;含根量对内摩擦角的影响与土本身的内摩擦角大小有关，本身内摩擦角小的土体受含根量影响较大，本身内摩擦角大的土体受含根量影响较小;黏聚力则随着含根量的增加而增大。

2 原位剪切试验优势及装置设计

2.1 原位剪切试验优势

根-土复合体原位剪切试验是土体原位测试的一种方法，其原理与野外大剪试验基本相同，是指在野外试验现场，在对试验土样不扰动或基本不扰动的情况下，对试验土体进行剪切试验来测得土体抗剪强度、黏聚力及内摩擦角等物理力学性质指标，从而使得试验结果符合实际情况。

相比较于室内快速直剪试验以及三轴试验，诸多学者探讨了原位剪切试验及其优势。Norris等(1998年)［21］认为，在野外采用原位剪切试验的方法来确定根-土复合体强度相对符合实际情况，所测得的试验数据对于边坡稳定性评价具有实际意义。臧德记等(2009年)［22］采用自主研制的现场和室内两用直剪试验仪对膨胀岩土体原状样和重塑样的剪切破坏形式及剪切面特性等剪切性状进行了对比研究，认为室内重塑样剪切试验难以获得相对准确的膨胀岩土体抗剪强度指标，并建议工程上应尽量开展原位试验。习小山等(2011年)［23］将野外原位大剪试验与室内直剪试验进行对比，结果表明，当剪切试验中制备的土体黏粒含量偏多，即碎石和角粒含量偏少时，其抗剪强度主要取决于土粒间的胶结作用;当剪切试验中制备的土体碎石和角粒含量偏多时，其抗剪强度主要取决于颗粒间的摩擦阻力。试验还得出，在直剪试验中，当0.075 mm粒径以下的土含量大于80%时，试样的曲线拟合度相关系数均＞0.95;而在原位剪切试验中，0.075 mm粒径以下的土含量大于60%时，试样的曲线拟合度相关系数均＞0.95。由此可见，当0.075 mm粒径以下的土含量低于80%时，不宜采用室内直剪试验确定其抗剪强度指标，如黏聚力及内摩擦角等，故采用原位剪切试验所测得的数据相对符合实际情况。

2.2 试验装置设计

国内外诸多学者对野外原位剪切试验装置的设计也做了大量探索性研究，多采用自制的试验装置对被测土样进行原位剪切试验，在剪切盒尺寸设计上不尽相同。Norris等(1998年)［21］在分析总结诸多学者的研究后，认为测定根系增强灰质黏土体抗剪强度时，剪切盒的尺寸设计为150 mm×150 mm×100 mm(长×宽×深)较为合适。毛妍婷等(2009年)［24］通过自制的尺寸分别为300 mm×300 mm×100 mm(长×宽×深)和300 m×300 mm×200 mm(长×宽×深)的两个剪切箱，以狗尾草根-土复合体为试验对象进行对比试验，认为剪切箱尺寸大小是影响剪切试验结果的重要因素之一，因为不同植物生长过程中其根系在土体水平方向和垂直方向上的生长范围是不同的，故剪切箱尺寸若选择得不合适，则其测得的结果就缺乏代表性。Wu等(1998年)［25］选取生长在27°边坡上生长期为6～8年的松树作为试验对象，原位剪切试样根-土复合体尺寸为1 000 mm×1 000 mm×500 mm(长×宽×深)进行原位剪切试验，认为根系对增强土体稳定所发挥出的强度远小于根系的自身强度，即其所发挥出的强度仅为自身强度的30%左右。

3 植物根系增强土体强度的原位剪切试验

3.1 草本植物

草本植物根系在边坡土体中分布相对较浅，且与坡体浅层土体结合较为紧密，对于浅层土体的加筋作用相对较为显著，根系的存在增加了土体的抗剪强度［26］。宋庆丰等(2010 年)［27］认为含根的边坡土体可视为由土和根系组成的三维的根-土复合材料，根系如同纤维的作用，因此可按加筋土原理来分析边坡土体的应力状态，即把土体中的根系分布视为加筋纤维的分布，根系的加筋作用为土层提供了附加“黏聚力”，它一方面使原土体的抗剪强度增加，另一方面又因为限制了土体的侧向膨胀而使“侧压力”增大，从而在竖向应力不变的情况下使最大的剪应力减小。单炜(2008年)［28］等认为盘结于土体中的植物根系与土体组成三维网状结构体，根系的加筋作用一方面表现为增加了土体的黏聚力，另一方面表现为对土粒的网兜包裹效应。

国内外诸多学者将根-土复合体视为一种加筋土，并对浅根的加筋作用开展了根-土复合体的原位剪切试验。赵丽兵等(2008年)［29］通过对黄土高原丘陵沟壑区山西河曲砖窑沟流域生长的豆科植物草木樨(Melilotus suaveolens)、紫花苜蓿(Medicago sativa)和禾本科植物糜子(Panicum miliaceum)、冰草(Agropyron cristatum)等4种代表性的草本植物进行野外剪切试验和模型预测，设计剪切箱尺寸为400 mm×400 mm×200 mm(长×宽×深)，以证实和量化草本植物根系增强土壤抗剪切强度的作用。试验表明，在0—20 cm土层4种草本植物根系均可显著增加土壤抗剪切强度。同时，采用Wu等建立的根系增大土壤抗剪切强度的力学模型［30］对试验结果进行预测，对比分析了实测结果与模型预测值间的差异，认为根系增大土壤抗剪强度的真实值应介于实测值和预测值之间。言志信等(2010年)［31-32］提出草本植物根系使边坡土体浅层成为土体和根系的复合材料层，且在该层通过根-土摩擦作用和根的抗拉作用，起到了增强根系土层的整体抗剪强度的作用。高鹏等(2011年)［33］以云南主要农作物小麦(品种为云麦47)为例，采用自行设计的200 mm×200 mm×200 mm(长×宽×深)的原位测定剪切箱，分别对分蘖期、抽穗期及成熟期的小麦根系增强土体强度的能力进行了原位剪切测定。测试结果认为，成熟期小麦根系固持土体能力要显著高于其他生育期，且根系与土体的接触面积与根-土复合体之间的作用力呈正相关;原位测定方法可作为评价植物根系固土能力的有效手段。Tobias(1991年)［34］以早熟禾为试验材料进行原位剪切试验，设计剪切盒尺寸为500 mm×500 mm×150 mm(长×宽×深)，试验结果表明:与素土边坡相比，根系增强边坡稳定性的抗剪强度增量在-2% ～55%，即在一定条件下，根系在加固边坡方面起到积极的作用。Lawrence等(1996年)［35］以象草(Pennisetum purpureum)、香茅(Cymbopogon citratus)、菅草(Themeda sp.)、类芦(Neyraudia sp.)、狗尾草(Setaria anceps)、白茅(Imperata sp.)等6种草本植物根系作为试验原料，设计采用尺寸为250 mm×250 mm×100 mm(长×宽×深)的剪切盒进行了原位剪切试验，结果表明，与素土样相比，含根土样抗剪强度增量变化范围为48% ～56%。Comino(2010年)［36］对素土和羊禾(Festuca pratensis)、多年生黑麦草(Lolium perenne)、草地早熟禾(Poa pratensis)等3种草本植物的根-土复合体分别进行原位剪切试验，并将根的性质进行了对比。结果表明，少部分草本根系在剪切过程中被剪断，多数根系并未被拉断，而是呈倾斜状态被拔出;根-土复合体抗剪强度增量变化范围为50% ～325%，而剪切位移增量的变化为93% ～1 544%，同时根-土复合体的剪切破坏时间也有所增加。草本植物的根-土复合体原位剪切试验反映植物的存在对于保持边坡稳定性及减少边坡表层土壤侵蚀起到了积极作用，其方式是通过增强边坡土体抗剪强度及影响土体水文地质条件得以实现的。

3.2 木本植物

木本植物根系分布特征为主直根系较为发达，扎入土层相对较深。木本植物深层根系对边坡土体稳定作用的增强主要是通过根系的锚固作用实现的［37-39］。Wu(1988年)［40］采用自行设计的原位剪切试验装置测试了铁杉(Hemlock spruce)、阿拉斯加雪松(Alaska cedar)及银槭(Acer saccharinum)等3种乔木的根-土复合体抗剪强度，并对其影响因素进行了分析，认为原位剪切试验中根系对根-土复合体的加强作用受根系的抗拉特性、根与剪切面的夹角及根系在土中的形态等因素影响。周云艳等(2010年)［41］应用自制的剪切盒设计尺寸为600 mm×500 mm×200 mm(长×宽×深)的剪切设备，对樟树(Cinnamomum camphora)的根-土复合体及素土进行了原位剪切试验以研究根系固土护坡的效应及作用原理，认为根系的存在提高了土体的峰值强度和残余强度，测得的4个含根土样的抗剪强度和残余强度均较素土试样有所增强，其抗剪强度增加的幅度分别为35%、55%、64%、78%，残余强度增加的幅度分别为50%、62.8%、71.6%、77.8%，说明根系的存在显著提高了边坡土体的强度;同时，在一定的变化范围内，根系剪切断面上总根长、根面积比与土体抗剪强度的增量均呈正相关。Fan等(2009年)［42］以带刺的田菁(Sesbania cannabina)根系作为材料，设计剪切盒尺寸为300 mm×300 mm×200 mm(长×宽×深)，采用原位剪切试验的方法，就土体含水量对根-土复合体剪切破坏面形态的影响进行了研究，并在被剪复合体中加入塑料纤维以观察剪切面处根系的变化形态。结果认为，随着根面积比从0.001增大到0.006，剪切位移破坏面的宽度从最初的3.5～6.0 cm增加到9 cm，即当根面积比达到一定的变化范围时，剪切位移面宽度随着根面积比的增大而增大。Rai等(2010年)［43］在进行原位剪切试验时，采用自制的两个尺寸分别为300 mm×300 mm×150 mm(长×宽×深)、1 500 mm×1 500 mm ×750 mm(长 ×宽 ×深)的原位剪切试验仪，对生长半年至3年之间不同生长期0—2 m不同深度的希沙姆树根-土复合体进行了原位剪切试验，结果认为随着其生长时间的增加，根系增强土体黏聚力的程度由初始半年生长期的21.2 kPa增加到3年生长期的80.1 kPa;随着根系生长深度的增加，根-土复合体黏聚力则由坡体表面的84.9 kPa下降至2 m深处的31.2 kPa，呈下降趋势。

4 展望

(1)有关植物根-土复合体的野外原位剪切试验的研究多限于对坡体表层土体进行抗剪强度试验，且相对室内试验现场边坡原位剪切试验的研究较少，如对相同坡度条件下不同植物在坡体不同深度的根系增强土体抗剪强度的贡献有待于深入研究。

(2)植物根系固土效果与植物属种类型、根系在边坡土体中的分布、生长期、根-土间胶结作用以及根-土间摩擦力等因素相关，因此在评价植物根-土复合体增强边坡稳定性贡献过程中，其原位剪切试验需要将植物根系与边坡土体自身特征如土体含水量、密度等物理特性结合起来分析和评价。

(3)随着植物根系在边坡中生长深度的增加，根-土复合体中根径、根密度、土体物理特性等均随之变化，根系与土体之间的摩擦力及根系自身抗拉力和抗剪力的大小也将发生改变。因此，需进一步深入开展对坡体不同深度条件下根-土摩擦力及根系抗拉力与抗剪力的固土效应评价，通过对不同深度条件下根-土复合体进行原位剪切试验来分析随深度不同摩擦力、根系抗拉力及抗剪力的变化规律，探讨不同边坡深度条件下植物根系在增强土体稳定性过程中起主要作用的因素。

(4)对野外原位剪切试验装置的设计，不同的学者针对不同植物、不同环境条件所采用的装置参数有所不同，如剪切盒尺寸大小等。由于装置设计参数存在不同，从而使得不同学者通过试验所得到的试验数据之间存在一定的差异，且彼此间的可对比性和参考性不显著。因此，为使野外原位剪切试验所得的试验结果之间具有可比性和普遍参考价值，原位剪切试验装置中的一些对试验结果会产生一定影响的构件，如剪切盒尺寸的设计等，如何做到尽可能有效地减小试验结果的差异性需进一步深入研究。

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