草本植物护坡机理及其固土效应试验研究

2014-12-31郑启萍徐得潜

合肥工业大学学报（自然科学版） 2014年2期

郑启萍，徐得潜

（合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥 230009）

0 引言

公路、铁路等基础设施的大规模建设导致了边坡的大量产生，边坡的开挖破坏了原有的植被覆盖层和土体结构，导致坡体稳定性变差以及严重的水土流失现象，因此处理产生的边坡是道路工程建设中不容忽视的问题。以往的边坡多以砌片石及混凝土浇筑等工程防护方法进行处理，采取工程加固措施，对减轻坡面修建初期的不稳定性和侵蚀方面效果很好［1］。但工程防护对生态环境没有改善作用，而且随着时间的推移，工程材料会腐蚀或老化，其护坡效果变差。而植被护坡则与工程护坡相反，初期植被的护坡作用较小，但随着植物的生长繁盛，对减轻坡面不稳定性和侵蚀方面的作用会越来越大，而且植被护坡能够有效改善当地的生态环境。随着人们对植被护坡认识的增加，植被护坡越来越多地应用于边坡防护。

植被护坡最初主要用于河堤的护岸和荒山的治理。17世纪我国已开始将植被护坡应用于保护黄河河岸；1633年，日本采用铺草皮、栽树苗的方法来治理荒坡；20世纪30年代植被护坡技术引入欧洲，并在公路边坡防护和河堤防护上广泛应用。20世纪以来，随着植被护坡的广泛应用，国内外广大学者从各个方面对植被护坡技术展开了研究和探索，主要体现在植物固土护坡机理、根系－土壤相互作用的力学效应、根系抗拉拔力及植被的生态恢复作用等方面。文献［1］指出植被的护坡作用主要表现在植被茎叶的水文效应、主根和粗根的锚固效应和支撑效应、须根的加筋效应3个方面。文献［2］从植物根系的护坡作用和植物地上部分的水文效应分析了植物对边坡稳定性的影响，同时对植被护坡与工程护坡进行了比较，指出植被护坡技术不仅造价低、施工简便，还能持久保持生态景观。文献［3］提出植物根系固土机制模式具有4个层次，即根系网络串联作用、根系材料力学、根系－土壤有机复合体的勃结作用及根系－土壤间生物化学作用。文献［4］从理论上分析了植物根系护坡的力学机理并对根系的抗拉锚固能力进行了试验研究。文献［5］建立了草本植物根土相互作用的力学模型。文献［6］分析了草本植物的护坡机理及草本植物在护坡工程上的应用。以上研究从不同角度分析了植被护坡作用，为植物护坡技术奠定了一定的理论基础。

草本植物是植被护坡工程中最常用的一种材料，本文分析了草本植物的护坡机理，并针对常用的护坡植物——狗牙根草和麦冬草，对其根系固土效果进行了试验研究。

1 草本植物护坡机理

植被护坡是利用植被涵水固土的原理稳定边坡的浅表层，同时改善边坡生态环境的一种技术。草本植物护坡固土作用主要表现为：① 草本植物茎叶的护坡作用；② 草本植物根系的护坡作用。草本植物茎叶能够减弱雨滴溅蚀、抑制径流冲刷、减少水土流失，植物叶片蒸腾和根系吸水能减小土壤孔隙水压力，从而增加边坡稳定性。草本植物根系在土体中错综盘结，使边坡土体在其延伸范围内成为土与根系的复合材料，根系可视为带预应力的三维加筋材料，对土体起到加筋作用，能够显著增加边坡表层土体的稳定性。

1.1 草本植物茎叶的护坡作用

降雨溅蚀是边坡常见的破坏形式之一。降雨溅蚀一般发生在降雨初期，它能够破坏坡面表层土体的结构，使土颗粒分散和飞溅，产生大量泥浆堵塞土壤孔隙，阻止雨水下渗，加速坡面径流的形成。由文献［7］可知，雨滴击溅占薄层水流侵蚀物质总量的70%以上，最高可达95%，雨滴的动能是造成边坡侵蚀的主要能量来源。有植被护坡时，雨滴首先击打在植被的茎叶上，使大雨滴分散为小雨滴，大大降低了雨滴的动能，使雨滴以很小甚至接近于0的速度落到坡面上，极大程度地减弱甚至消除了雨滴击溅对坡面的侵蚀作用，从而推迟并减弱了径流冲刷边坡作用。

1.1.2 抑制径流冲刷、减少水土流失

地表径流能够带走已被滴溅分离的土粒，造成边坡水土流失。地表径流集中是坡面土体冲蚀的主要动力，土体冲蚀的强弱取决于径流流速及径流所具有的能量大小。抑制地表径流主要是通过草本植被实现的，草本植物分蘖多、丛状生长，它在固结土颗粒防止冲蚀的同时，能够有效地分散、减弱径流，而且还能阻截径流、改变径流形态，使径流在草丛间迂回流动，由直流变为绕流，降低径流冲刷能力，从而使土体冲蚀减弱。草本植被的根茎连接处形成天然的微型拦土栅［8］，当水流夹带的土颗粒粒径大于拦土栅的孔隙时土粒被挡住，后来的土粒又有一部分会被前面的土粒挡住而沉积下来，因此根茎连接处能够拦阻部分土颗粒，起到减少水土流失作用。

1.1.3 植物蒸腾降低土壤含水量

土壤中的一部分水是通过根系吸水再由植物的蒸腾作用散发到大气中的。通过根系的吸水作用和植物茎叶的蒸腾作用，渗进土体内的雨水可以被消耗掉一部分，降低了土体的含水量，从而降低了土体的孔隙水压力，使土体黏聚力增加，提高土体的抗剪强度，使边坡稳定性得以提高。与种植了植被的土体相比，因裸地中无根系吸水作用和植被蒸腾作用，下渗入土壤中的水分将大部分聚集在土壤中。因此，裸地土壤中的含水量增加，土体的孔隙水压力增大，土体黏聚力减小，土体的抗剪强度降低，使得土体很容易发生剪切破坏。由此可见，植物的根系吸水作用和茎叶蒸腾作用对减少土壤的含水量、提高边坡土体的稳定性起到了重要的作用。

1.2 草本植物根系的护坡作用

滑坡是边坡破坏的常见形式之一，导致滑坡的因素很多，但其根本原因在于土体内部某个滑动面上的剪应力达到其抗剪强度，使土体稳定平衡遭到破坏。由草本植物根系的分布特点可知，根系在土体中的分布呈网状、纵横交错，随着深度的增加含根量逐渐减少。根系盘结范围内的土体可看作由土和根系组成的根土复合材料，根系看成一种柔性加筋材料，而根土复合体看作加筋土。因此可按加筋土原理来分析含根土体的受力状态，即把土中的根分布看作加筋材料的分布，根系对土体起到加筋增强作用，从而使得根土复合体的抗剪强度明显提高，达到加固边坡的目的。

2 根土复合体抗剪强度试验研究

根系使土体抗剪强度的增加与根系的分布状态、根系质量分数、根系强度以及土壤性质等因素有关。对于直径在1mm左右的草须根来说，土中的根量起决定性的作用［9］。本文以根系质量分数为主要影响因素，推求狗牙根根系和麦冬草根系对土体抗剪强度提高的影响。

1)顶板锚索规格为直径22 mm的1×19股高强度低松弛钢绞线，破断载荷580 kN，延伸率不低于7%，长度5.3 m，间排距为1 100 mm×1 000 mm；构件为高强度拱形托板，规格300 mm×300 mm×16 mm，初始张拉力不低于300 kN。

2.1 试验材料及装置

本文采用应变控制式直剪仪进行室内剪切试验，选用合肥工业大学校园内多年生草本植物狗牙根和麦冬草为材料。选取校园内植草较密的草皮，去掉土层上面茎叶，挖取大块带根土若干，剔除大颗粒砾石、碎石，测其含水率和密度，统计根系分布情况。将大块带根土敲碎，取出土中根系洗净晾干，称其质量，测其直径。经统计发现，麦冬草根系在土中质量分数为0.40%～2.10%，狗牙根根系在土中的质量分数为0.24%～1.60%。2种草直径为0.6～1.2mm的根系均占其总数量80%以上，因本试验不考虑根系直径对抗剪强度的影响，所以复合土体试样中掺杂根系的直径均为0.6～1.2mm。试验测得带根土的湿密度为1.89g／cm3，土壤含水率为18.76%。

2.2 试验方案

因为麦冬草根系在土中的质量分数为0.40%～2.10%，狗牙根根系在土中的质量分数为0.24%～1.60%，故每种草的根系与土壤复合体根据含根量不同分为2组，各组试样含根量分别控制在0.5%、1.0%，每组4个试样，另外用不含根系的素土制作4个试样，试样分别编号。对这5组试样分别在100、200、300、400kPa的垂直压力下进行室内直接剪切试验，得到其在不同剪应力下的剪切位移，算出试样抗剪强度，并绘制抗剪强度与垂直压力关系曲线。

2.3 试样制作

由于采用室内直剪仪进行试验，其剪切盒高度为2cm，直径为6.1cm，且挖取的大块带根土中含有较大直径的砾石，所以本实验采用重塑土进行制样。试样的高度为2cm，直径为6.1cm，试样的密度和含水率取校园内草皮下带根土的湿密度和土壤含水率，即试样密度为1.89g／cm3，含水率为18.76%。

将去除根系的土烘干粉碎，过0.5mm筛，测量过筛后的土壤含水率为2.86%。称取一定量的过筛土壤，将土壤平铺在不吸水的盘内，用喷雾器喷洒预计的加水量，喷洒所需的加水量为：

其中，mw为土样所需加水质量；m为风干含水率时的土样质量；w0为风干含水率；w1为土样所要求的含水率。

将加过水的土拌匀并放入密封袋中浸润24h，使其充分混合均匀，得到含水率为18.76%的土体，用来制作试样。在每个试样中，因为根系质量分数较低，根的质量很小，因此各试样总质量之间的差别是很小的，可以忽略不计，故每个试样的总质量（根与湿土的总质量）为试样湿密度乘以体积，即为110g，根据试样含根比即可分别计算出每个试样中土体和根系的质量。

制作试样时，首先把根洗干净晾干表面水分，选择直径为0.6～1.2mm的根系剪成2cm长。用天平称取所需质量根系均匀掺入一定质量土壤中，然后将制作好的土样放入模具中在一定压力下进行加压密实，以使试样的湿密度能达到1.89g／cm3。经过加压密实的试样即可进行剪切。

2.4 试验数据及结果分析

分别将素土、2种含麦冬根根土复合体、2种含狗牙根根土复合体在100、200、300、400kPa的垂直压力下对应的抗剪强度值进行拟合，绘出抗剪强度与垂直应力间的关系，如图1、图2所示。

图1 加麦冬根系复合土体的垂直压力与抗剪强度关系

由图1、图2可以看出，在根土复合体的含根量、密度和含水率一定时，复合土体抗剪强度与垂直压力的关系类似于素土，呈线性关系，随着垂直压力增大，复合土体抗剪强度随之线性增大，说明根土复合体的抗剪强度也符合库仑定律τ＝c＋σtanψ。在相同的含水率和湿密度条件下，含根土体的抗剪强度大于素土的抗剪强度，添加根系后土体抗剪强度提高4.29～15.34kPa，增幅为9.6%～30.9%；含根系土的黏聚力大于素土，增量为4.26～13.08kPa，增幅为19.2%～58.9%；内摩擦角的增量为 0.01°～0.13°，增幅为0.1%～1.5%。

图2 加狗牙根根系混合土体的垂直压力与抗剪强度关系

每组试样的内摩擦角ψ和黏聚力c及其与素土相比的增量，见表1所列。

表1 素土及各种不同含根量的根土复合体的参数

从表1可以看出，当土壤的含水量、湿密度一定时，随着含根量的增加，复合土体的黏聚力明显增加。素土的黏聚力为22.22kPa，含0.5%麦冬根系的复合土体黏聚力为26.48kPa，增量为4.26kPa；含0.5%狗牙根根系的复合土体黏聚力为29.77kPa，增量为7.55kPa；含1.0%狗牙根根系的复合土体黏聚力为35.30kPa，增量为13.08kPa。由以上数据可看出，对同一种根系，含根量越大，根土复合土体的抗剪强度的增量越大；比较含麦冬根系和含狗牙根根系的复合土体抗剪强度相比于素土抗剪强度的增量可知，含根系种类是根土复合土体抗剪强度增量的一个影响因素，在含根量相同时，狗牙根的固土效果更好。