多花木蓝根-土复合体抗剪强度试验研究

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(1.三峡大学 土木与建筑学院，湖北 宜昌 443002； 2.三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心，湖北 宜昌 443002;3.宜昌润都建设工程有限公司，湖北 宜昌 443413)

1 植被根系锚固作用机理及其含量试验

土工建设常伴随大量的开挖，开挖破坏了原有的植被，造成了大量裸露土坡和岩石边坡，导致严重的水土流失和生态环境失衡，加剧恶劣生态系统的退化，而利用植物与土体的相互作用(根系锚固作用)对边坡表层进行防护、加固，使之既能满足设计对边坡表层稳定的要求，又能恢复被破坏的自然生态环境[1]。

随着植物生长和繁殖，根系不断延伸，植被根系提高了岩土强度，增大岩土层的滑移与运动阻力，提高边坡的稳定性，从而达到了永久恢复植被和维护坡面稳定的目的[2]。植物根系可以加固疏松的土壤，保护深层的土壤，尤其适用于浅层松散边坡的防治，而土体中根系含量对边坡表层稳定性具有极大的影响，因此，如何通过模拟试验来找到土体中最佳的根系含量，从而最大程度地提高边坡稳定性，具有十分重要的意义。

本文选用常用护坡植物多花木蓝和三峡库区常见的紫色土重塑所形成的根-土复合体为研究对象，设置了60 cm3含根量为0.0，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8 g共9个梯度对多花木蓝根-土复合体进行了室内直剪试验，探讨了不同含根量(本文均指60 cm3体积中的含根量)对土体抗剪强度的影响，对三峡库区紫色土稳定性维持以及库区边坡生态修复工程提供了一定的参考。

2 试验设计

2.1 试验材料

试验对象为多花木蓝(IndigoferaamblyathaM.C.WangetC.L.Min)，取自三峡大学北门保卫处边坡生态防护工程。多花木蓝为直立灌木，属豆科木蓝植物，生长于山坡草地、灌丛中、水旁、路旁。株高一般为0.8～2 m，少分枝，适应性强，不择土壤。根系发达，支根须根多，且密集于土壤表层。具有良好的水土保持功能，是边坡恢复的常用物种。采取整株挖掘法挖掘出根系，选取长势相同的20株进行观察测量，多花木蓝根系为水平根系，且每根水平主根上都有少量直径<1 mm的毛根。根系数量在2～5根，根系直径范围为0.6～5.8 mm，主要分布在0～40 cm的土体浅层内。

试验选择三峡库区常见的紫色土为试验土壤，土壤取自三峡库区王家桥小流域，该流域位于三峡库区库首，地处湖北省宜昌市秭归县水田坝乡王家桥村，为良斗河的一条支流，经纬度坐标为31°12′N～31°15′N，110°40′E～110°43′E。土壤采自荒坡地表层30 cm，土壤类型为石灰性紫色土，土壤容重为1.3 g/cm3。取紫色土样100 g进行筛分试验，其中，砂粒(0.05～2 mm)含量占77.97%，粉粒(0.002～0.05 mm)占20.74%，黏粒(<0.002 mm)占1.29%。

2.2 试验设计

本试验选用内径为6.18 cm、高度为2 cm、容积为60 cm3的环刀，把每60 cm3土中根的质量定义为含根量[3]。称500 g土，利用击实仪进行轻型击实25次，通过控制容积为60 cm3环刀内的根系质量来保证试样的一致性。在挖取的多花木蓝完整植株上选取直径为0.6～1.6 mm的根系，统一剪成高度为2 cm/段。采用BS224S型分析天平称量每一段根系的质量，将根系质量之和为预定含根量的若干数量根系分为一组，共4组，保证每一组的根系数量一致。在试样制作过程中，称取500 g试样，保证含水率为11.17%不发生变化。先铺0.5 cm厚的土样，利用轻型击实仪击实5次，再将已经进行分组的根系均匀地置入已经击实的土层中，保证根系在试样中垂直且分布均匀，分2次填入土壤至填满环刀，再击实20次，尽量保证所有试样所受的击实功相同。各组试样的总质量和根系、土壤质量见表1。

表1 不同含根量试样的根系分布密度

2.3 直剪试验

直剪试验采用采用南京土壤仪器厂生产的DSJ-2电动四联等应变直剪仪。4个剪切盒的量力环率定系数分别为C1=5.71 N/0.01mm，C2=5.66 N/0.01mm，C3=5.76 N/0.01mm，C4=5.68 N/0.01mm。剪切时分别用100，200，300，400 kPa的4种法向应力对4组试样进行直接剪切试验。

根据手轮转数和测微表读数计算每组土样在4个不同垂直压力下的剪应力，公式为

(1)

式中：τ为垂直压力下的剪应力；c为量力环率定系数；R为量力环量表读数(0.01 mm)；A为剪切盒的截面积。

3 试验结果与分析

3.1 含根量对土体抗剪强度的影响分析

设置了60 cm3含根量为0.0，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8 g共9个梯度，对多花木蓝根-土复合体进行了直剪试验，其抗剪强度试验结果见表2。

表2 多花木蓝根-土复合体室内直剪试验数据

由表2可以看出：在100 kPa的法向应力下，多花木蓝根-土复合体在含根量为0.4 g时抗剪强度最大，值为104.68 kPa，其最小值为72.80 kPa；在200 kPa的法向应力下，其在含根量为0.5 g时抗剪强度最大，值为167.72 kPa，其最小值为116.41 kPa；在300 kPa的法向应力下，其在含根量为0.5 g时抗剪强度最大，值为215.36 kPa，其最小值为155.80 kPa；在400 kPa的法向应力下，其在含根量为0.4 g时抗剪强度最大，值为251.16 kPa，其最小值为195.48 kPa。而当试样不含根系时，其在100，200，300，400 kPa的法向应力下，抗剪强度分别为72.80，116.41，155.80，195.48 kPa，均小于试样中含根量为0.1～0.8 g所测得的抗剪强度，这说明由于根系的添加，增大了土体的抗剪强度。

图1 不同法向应力作用下的含根量与抗剪强度的关系

由图1可以看出，在法向应力不变的情况下，根-土复合体的抗剪强度随着试样中含根量的增加而呈现先增大后减小的趋势。在100 kPa的法向应力下，抗剪强度最大值和次最大值分别出现在含根量为0.4，0.3 g；在200 kPa的法向应力下，抗剪强度最大值和次最大值分别出现在含根量为0.5，0.4 g；在300 kPa的法向应力下，抗剪强度最大值和次最大值分别出现在含根量为0.5，0.3 g；在400 kPa的法向应力下，抗剪强度最大值和次最大值分别出现在含根量为0.4，0.5 g。可以推测在0.3～0.5 g区间内的存在某一最优值，使得多花木蓝根-土复合体的抗剪强度出现最大值。

表3 不同含根量试样抗剪强度回归模型

由图2可以看出，对同一含根量的试样来说，其抗剪强度随着法向应力的增大而增加。图中曲线均呈现上升趋势且与纵轴截距增大，这说明随着含根量的增加，土体的c，φ值较无根系试样都出现了不同程度的增加。

图2 不同含根量下的法向应力与抗剪强度的关系

3.2 含根量对土体内摩擦角及黏聚力的影响分析

将表1中多花木蓝根-土复合体试验数据用Excel进行了拟合分析，得到表3中不同含根量试样抗剪强度的回归模型，计算得到不同含根量试样的c，φ值，见表3。

从表3中可以看出，当含根量为0.1 g时内摩擦角最大，其值为为26.95°；当含根量为0.0 g时内摩擦角最小，其值为22.17°。不同含根量梯度的内摩擦角平均值为25.10°，比较可知不同含根量试样的土壤内摩擦角变化不大，说明植物根系对土壤内摩擦角的影响很小。其原因是，当复合体受剪力作用时, 不仅产生土粒与土粒之间的摩擦作用, 同时还产生土粒与根系之间的摩擦作用, 这对复合体来讲, 都属于内摩擦, 故φ值可理解为土壤-根系复合体的综合摩擦角，虽然根的总数目增多, 但是根系与土粒间的接触面积增加并不多, 故φ值变化不大[4]。

图3 不同含根量对应的黏聚力

从图3中可以看出，随着含根量的增加，土壤黏聚力的变化趋势为先增大后减小。取含根量为0.0 g的试样作为基础值，不同含根量梯度的试样黏聚力较该基础值出现了不同程度的增加；当含根量为0.4 g时增幅最大，黏聚力为59.00 kPa，增幅达到了77.34%；当含根量为0.1 g时增幅最小，黏聚力为35.84 kPa，增幅为7.72%。试样含根量分别为0.0，0.4，0.8 g时， 黏聚力数值从33.27 kPa增加到59.00 kPa，后又减少到38.07 kPa，呈现先增大后减小的趋势，且含根系试样黏聚力数值大于无根系试样。

c值不仅包括土粒与土粒之间的黏聚力, 同时还包括土粒与根系之间的黏聚力, 以及由土粒的剪应力传递给根系而引起的根系抗剪力或锚固力。当锚固力大于根系抗剪力时，以根系抗剪力为主, 反之以锚固力为主, 故c值可理解为土壤-根系复合体的黏聚力与根系的抗剪力或锚固力之和[4]。当试样含根量较小时，随着试样中含根量的增加, 根系的锚固力逐渐增大, 即c值明显增加；而由于是人为掺加的根系，当试样含根量大于最优含根量时，根土之间并没有很好的接触，使得土粒与根系之间的黏聚力, 根系与土壤之间的锚固力等都相应减小，进而导致c值减小。

3.3 讨 论

Wu等[5]在野外及室内实验的基础上，发现(sinθ+ cosθ·tanφ)对θ，φ的通常变化范围(40°≤θ≤70°,20°≤φ≤40°)不敏感,其值基本保持在1.0～1.3范围内，穿过剪切面上的所有根系对土体抗剪强度的增量通常简写为

ΔS=1.2TR(AR/AS) 。

(2)

式中：TR为剪切面所有发挥作用的根系平均抗拉强度；AR为剪切面所有发挥作用的根系截面积之和；AS为土体截面积；AR/AS为根系截面积与土体截面积之比,称为根面积比(Root Area Ratio, RAR)。从简化的Wu-Waldron模型可以看出，根系产生的土体抗剪强度增量与根系的平均抗拉强度和根面积比成正比。

在多花木蓝根-土复合体抗剪强度试验中，对于根系含量比较小的情况，根系平均分布于试样土体之中，根系与土体之间能够充分接触，随着含根量的增加，根系与土体接触的总表面积增加，从而增大了根系和土体之间的摩擦力，即使上式中AR/AS增大，进而增加了抗剪强度。而本实验结果表明，含根量在0.3～0.5 g区间内存在某一使得抗剪强度最大的最优含根量值，当含根量大于该最优值时，抗剪强度出现了不同程度的减小。其原因是由于根系含量较大且相互交错，部分根系并没有与土颗粒充分紧密接触，不能充分形成根系和土颗粒的复合体。在试样剪切的过程中，部分根系之间出现了相互错动从而减小了c，φ值，因此，当含根量大于最优含根量时，并不是每段根系和土颗粒之间都充分接触并发挥了摩阻作用，即式(2)中AR反而减小，导致抗剪强度值出现了不同程度的减少。

4 结 论

(1) 采用直线回归拟合土体的抗剪强度效果良好，与库伦强度公式τ=c+σtanφ吻合，即多花木蓝根-土复合体服从摩尔-库伦强度破坏准则，且土壤内摩擦角变化不大。含根量为0.1～0.8 g试样的抗剪强度均大于无根系试样，说明由于根系的加入，增加了土体的抗剪切强度。

(2) 在法向应力不变的情况下，根-土复合体的抗剪强度随着试样中含根量的增加先增大后减小。含根量在0.3～0.5 g区间内存在某一最优值，使得多花木蓝根-土复合体的抗剪强度出现最大值。当含根量大于最优含根量时，由于根系之间相互交错，使得AR(剪切面所有发挥作用的根系截面积之和)减小，进而导致抗剪强度的变小。

(3) 植物通过根系在土体中穿插、缠绕、网络等作用，有效地提高了土壤的抗侵蚀性能。本文仅选择了理想的垂直布置方式进行了室内控制剪切试验，具有一定的局限性。因此，后期应结合三峡库区紫色土的物理力学特性、根系的分布结构及力学特性，通过野外调查和开展原位试验来研究植物根系对三峡库区紫色土的加固效应和机制，更好地利用植被对三峡库区紫色土进行防护。

参考文献：

[1] 毛伶俐. 生态护坡中的植被根系的力学分析[D].武汉: 武汉理工大学，2007. (MAO Ling-li. Mechanics Analysis of Vegetation Root in Ecological Slope Protection[D]. Wuhan: Wuhan University of Technology, 2007. (in Chinese))

[2] 高 强,汪在芹,李 珍. 岩土坡面植被恢复及护坡技术研究[J]. 长江科学院院报，2005,22(2):25-28.(GAO Qiang, WANG Zai-qin, LI Zhen. Research on Vegetation Restoration and Slope Protection Technology in Slope of Rock Mass[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute,2005, 22(2): 25-28.(in Chinese))

[3] 钟亮根. 紫穗槐在赣南红层路基边坡防护应用的试验研究[D].南昌: 华东交通大学，2009.(ZHONG Liang-gen. Experimental Study on Application of Amorpha Fruticosa in Red Embankment Slope Protection in Gannan[D]. Nanchang: East China Jiaotong University, 2009.(in Chinese))

[4] 杨亚川,莫永京,王芝芳,等. 土壤-草本植被根系复合体抗水蚀强度与抗剪强度的试验研究[J]. 中国农业大学学报，1996,1(2):31-38.(YANG Ya-chuan, MO Yong-jing, WANG Zhi-fang,etal. Experimental Study on Anti-water Erosion and Shear Strength of Soil-Root Composite[J]. Journal of China Agricultural University,1996, 1(2):31-38.(in Chinese))

[5] WU T H, MCOMBER R M,ERB R T,etal.Study of Soil-Root Interaction[J]. Journal of Geotechnical Engineering, 1988,114(12):1351-1375.