植物根系对低液限粉质黏土边坡浅层土体抗剪强度影响的试验研究*

刘益良　刘晓立　付　旭　李宗杰　马腾飞

(北华航天工业学院建筑工程系　廊坊　065000)



植物根系对低液限粉质黏土边坡浅层土体抗剪强度影响的试验研究*

刘益良刘晓立付旭李宗杰马腾飞

(北华航天工业学院建筑工程系廊坊065000)

随着生态平衡和环保日益得到公众的认同和重视，工程边坡的生态修复与防护技术得到发达国家的重视，生态防护成为边坡灾害防治和水土流失控制的首选方案，代表着边坡防护的发展方向。本文采用等应变直剪仪对两种种植在低液限粉质黏土边坡上的抗旱耐瘠植物的根-土复合土体及素土进行室内剪切试验，探讨不同根系密度和含水量对抗剪强度的影响，结果表明：随着垂直压力的增加，土体抗剪强度随之增加； 根系能显著增加土体抵抗剪切破坏能力，其中沙打旺提高土体抗剪强度的效果较锦鸡儿明显； 随着根系密度的增加，抗剪强度随之增加； 随着土体的含水率增加，根-土复合体抵抗剪切能力先增加后减小； 植物根系对土体的内摩擦角影响不大，但对黏聚力影响较大，根-土复合土体抵抗剪切破坏的能力主要由黏聚力的提高决定。本文研究成果对华北地区低液限粉质黏土公路边坡生态防护技术及采煤矿区环境生态治理工程中的植物选择和配置，均具有重要的意义。

锦鸡儿沙打旺黏聚力内摩擦角

0　引　言

随着我国高速公路、铁路等基础设施的大量建设，工程边坡的生态修复与防护需求越来越多(胡其志等， 2011)。生态防护主要是用活的植物或者用植物和非生命的材料相结合的方式以稳定坡面和防止侵蚀。植物的根系可以降雨截流、削弱溅蚀、减小孔隙水压力、增加土体的抗剪强度、有效地防止边坡水土流失和土壤侵蚀，从而大幅提高边坡的稳定性和抗冲刷能力(杨秀丽， 2005)。由强度相对较高的根系与强度相对较低的土体组成根-土复合体，其力学性质是决定生态边坡稳定性的重要因素。

目前，国内外学者主要针对黄土地区浅根系草本植物和一些深根系的护坡乔木如何提高土体抗剪强度来开展研究工作，如刘国彬等(1996)对黄土地区草地根系的力学特性进行研究，周跃等(2000)对生长在云南地区的松树对土壤的增强作用进行研究，程洪等(2002)对草本植物的固土原理进行试验研究。而我国在这方面的研究主要集中在南方及西北地区，如胡其志等(2010)对湖北地区土壤中含根量与抗剪强度的关系进行研究，胡文利等(2011)对内蒙古自治区内不同含水率条件下，根-土复合体的抗剪强度试验研究。对于华北半湿润-半干旱地区灌木根系稳固土体方面的研究鲜见报道。目前，研究根-土复合体的抗剪强度方面的主要方法有原状土剪切、原位剪切以及制备扰动土样。如黄晓乐等(2010)采用环刀取原状土样进行直接剪切试验，此方法不能考虑根系密度对结果的影响。胡夏嵩等(2009)探讨了灌木植物对土体力学效应的影响，将植物种植在PVC管内进行取样，该方法也无法控制根系密度。目前应用较广的是制取根-土复合体扰动试样进行试验，采集根系并分层放置或穿插于土试样中，Gray et al.(1983)，Gray et al.(1995)，姚喜军等(2008)，格日乐等(2014)均是采用该方法制备试样。该方法可以根据试验需要，控制土样的含根量和含水率。因此，本文在河北省廊坊市区域内选择一条典型高速公路的边坡，并人工种植多年生的常见灌木植物锦鸡儿和草本植物沙打旺，待植物根系发育后，在现场采集根-土复合体土样，运至实验室后测定土体的物理力学性质，制备不同根系密度和含水率的试样，通过直接剪切试验测定试样的抗剪强度，拟合抗剪强度方程、计算土样黏聚力和内摩擦角，研究锦鸡儿、沙打旺两种植物根系对低液限粉质黏土边坡土体抗剪强度的影响。采用扰动土样试验，可以准确地控制试样的根系密度和含水率，便于进行量化对比分析。

1　研究区概况

研究区位于河北省中东部廊坊市境内，研究区中心地理坐标为E116°33′，N39°22′，属于暖温带半湿润-半干旱大陆季风气候，年平均降雨量540mm，降水季节分布不均，多集中在夏季， 6～8月 3个月的降水量一般可达全年总降水量的70%～80%。年平均气温11.5℃，年平均无霜期为183d左右，年平均风速多为1.5～2.5m。光热资源充足，雨热同季，有利于植物生长。但同时干热风、雷雨、冰雹、大风、连阴雨、寒潮等灾害性天气，常给植物生长造成不利影响。土质大部分为低液限粉质黏土，土壤贫瘠、养分缺乏。

2　试验材料与方法

2.1试验植物生长状况

选取的研究区样地为新建高速公路某典型边坡，试验前将锦鸡儿和沙打旺单独栽培在两个边坡样地内，开展绿化试验。播种日期为2014年8月17日，取样时间为2014年10月16日，生长期为两个月，期间共浇水7次，取样时测得锦鸡儿和沙打旺的植株样地覆盖度分别为72%和77%，植株平均高度分别为180mm和142mm。锦鸡儿主根发达，主根平均长170mm，根径为2mm左右，侧根较细，侧根根径均小于0.5mm； 沙打旺根系较锦鸡儿稍发达，主根平均长130mm，根茎3～4mm，粗根侧面有较多细根，细根根茎均小于1mm。锦鸡儿和沙打旺的根系分布形态(图1)。

图1　锦鸡儿和沙打旺的根系分布形态Fig. 1　Root distribution of Caragana microphylla Lam. and Astragalus adsurgens Palla.锦鸡儿根系； b.沙打旺根系

2.2土壤材料

试验区土质大部分为低液限粉质黏土，土壤贫瘠、养分缺乏。由于生长期为两个月的两种植根系分布在距坡面30cm范围内，故选取坡面30cm范围内土壤进行所有试验。通过密度试验、含水率试验、液塑限试验等，测得试验区土壤的主要物理性能指标(表1)。

表1　土壤的物理性质指标Table 1　Index of physical properties of soil

密度/g·cm-3含水率ω/%液限WL/%塑限WP/%弹性模量E0/MPa泊松比μ1.7913.424.510.81.920.3

2.3试验设计

为了研究植物根系密度和土壤含水率对边坡土体的抗剪强度的影响，采用室内直接剪切试验对研究区土体在不同含根数量和含水率条件下进行试验研究。本文先通过土体的物理试验，测定试验区边坡的天然含水率等物理力学指标。在天然含水率的条件下，通过采用分别控制根径和根系数量的方法制备试样并进行直接剪切试验。然后在相同含根量条件下，制备不同含水率的试样并试验。对试验结果进行分析，结合试验结果与两种植物的根系形态，分析根-土复合土体微观结构及不同植物对土体抗剪强度和内摩擦角和黏聚力的影响机理。

2.4直接剪切试验原理

直剪试验具有操作简便、试样制备方便、可以确定穿过剪切面的根系数量等优点。本试验直剪设备为南京土壤厂生产的ZJ-1型等应变直剪仪，主要由推动座部分、剪切盒部分、杠杆加压部分和直剪仪测定部分组成(蒋必凤， 2008)。直剪试验方法为快剪，其原理是利用杠杆加压部分通过透水石对试件进行加载(可选择50kPa﹑100kPa﹑200kPa﹑300kPa﹑400kPa 不同荷载)、然后通过推动座部分推动下剪切盒，使试件在上、下剪切盒之间产生剪切变形，直到试件破坏，通过百分表读数计算剪应力值，试件剪切破坏时的剪应力值称为试件的抗剪强度。

2.5试样制备

根据两种植物根系的分布形态，锦鸡儿选取2mm主根和0.5mm侧根，沙打旺选取3～4mm主根和1mm侧根，将草根均剪成长度为2cm小段，吸干草根表面水分备用。土样制备按照《公路土工试验规程》JTG E40-2007进行(交通部公路科学研究院， 2007)，取地表以下30cm范围内带根土层为研究对象，由试验测得天然含水率13.4%。将土中根系去除，放在橡皮板上用木碾碾散，过2mm筛后放入烘箱中干燥，用喷雾器喷洒相应水量，制备含水率为9.4%、13.4%、17.4%和21.4%的土，然后装入密封容器内润湿24h备用。采用环刀，制备含水率为13.4%的素土土样4个。分别制备4组含水率为13.4%含有锦鸡儿根和沙打旺根的土样，根系垂直布置，每组制备4个试样，根系布置数量(表2、表3)。

表2　锦鸡儿根-土复合体试样中的根系分布Table2　The distribution of Caragana microphylla Lam. roots in sample soil

组号根 数总根数2mm主根0.5mm侧根锦1112锦2224锦3336锦4448

表3　沙打旺根-土复合体试样中的根系分布Table3　The distribution of Astragalus adsurgens Pall. roots in sample soil

组号根 数总根数3～4mm主根1mm侧根沙1112沙2224沙3336沙4448

另外制备含水率为9.4%、13.4%、17.4%和21.4%的素土、4根锦鸡儿主根和侧根、4根沙打旺主根和侧根的试样，组号记为素土9.4、素土13.4、素土17.4、素土21.4、锦9.4、锦13.4、锦17.4、锦21.4、沙9.4、沙13.4、沙17.4、沙21.4，每组做4个试样，其中锦13.4、沙13.4、素土13.4条件分别与锦4、沙4和素土土样相同，故锦13.4、沙13.4、素土13.4实验数据采用锦4、沙4和素土实验数据。

3　试验结果与分析

3.1根系密度对抗剪强度的影响

根据室内直接剪切试验，测得含水率为13.4%条件下，不同含根量的锦鸡儿根-土复合体和沙打旺根-土复合体以及没有根系的素土在各垂直压力下的抗剪强度(表4)。

表4　锦鸡儿、沙打旺的根-土复合体及素土 在不同垂直压力下的抗剪强度(kPa)Table4　Shear strength of pure soil and the roots-soil composite system of Caragana microphylla Lam. and Astragalus adsurgens Pall. by different vertical pressure(kPa)

组号根数50kPa100kPa200kPa400kPa锦1219.7250.56113.37191.12锦2425.7653.27126.88214.01锦3630.2165.19139.92237.71锦4837.6873.46153.12262.51沙1236.2552.95142.78228.48沙2443.4161.85151.53250.74沙3648.5071.07159.48273.80沙4857.4079.82169.18300.35素土016.3047.70102.95175.70

把表4中土样的不同垂直压力和对应的抗剪强度做成XY散点图，分别将两种植物不同含根量土样和素土的各个强度数据用不同的数据标记显示在图中，通过拟合线性趋势线，可得到各土样的抗剪强度拟合直线和方程(图2，图3)。根据拟合直线在纵轴上的截距和直线的倾角，可得到每种情况下的黏聚力和内摩擦角(表5)。

图 2　13.4%含水率条件下不同含根量锦鸡儿根-土复合体土样抗剪强度拟合直线Fig. 2　The shear strength fitting line of soil with different Caragana microphylla Lam.root under 13.4% moisture

图3　13.4%含水率条件下不同含根量沙打旺根-土复合体土样抗剪强度拟合直线Fig. 3　The shear strength fitting line of soil with different Astragalus adsurgens Pall. root under 13.4% moisture

表5　13.4%含水率条件锦鸡儿、沙打旺的根-土复合体 及素土的黏聚力和内摩擦角Table5　The cohesion and internal friction angle of soil under 13.4% moisture

组号锦1锦2锦3锦4沙1沙2沙3沙4素土黏聚力c/kPa2.663.67.6411.468.8912.6314.8418.471.64内摩擦角φ/(°)25.8728.3730.5432.6629.5131.3433.3035.3724.13

试验结果表明：

(1)垂直压力提高土体抗剪强度。从图2、图3 中可以看出，随着垂直压力的增大，各种土体的抵抗剪切破坏能力随之增大，通过数据拟合表明，土体的抗剪强度与垂直压力是线性正相关。

(2)锦鸡儿、沙打旺根系提高土体抗剪强度。从图2、图3 中可以看出，在相同垂直压力条件下，所有含有植物根系土样的抗剪强度均大于素土的抗剪强度。另外，由表4可知，在相同垂直压力条件下，沙打旺根-土复合体抗剪强度均大于具有相同含根数量的锦鸡儿根-土复合体的抗剪强度。说明植物根系可以提高土体抵抗剪切破坏的能力，其中沙打旺根系提高土体抗剪强度的效果最明显，锦鸡儿次之。

(3)随着根-土复合体试样中含根量的增加，抗剪强度随之增加。

(4)锦鸡儿、沙打旺根系对土体黏聚力c和内摩擦角φ的影响。由表5可知，随着土样中根系数量的增加，土体黏聚力c和内摩擦角φ均增加。锦鸡儿、沙打旺根-土复合体与素土的内摩擦角φ值相差较小，但均高于素土，且沙打旺根-土复合体的内摩擦角φ值均高于具有相同含根数量的锦鸡儿根-土复合体的内摩擦角。同时从表3可以看出，含根土样的有效黏聚力c值明显高于素土的c值，对于具有相同含根量的土样，沙打旺根-土复合体的有效黏聚力均大于锦鸡儿根-土复合体。含有8棵锦鸡儿根系的土样黏聚力是素土黏聚力的7倍，含有8棵沙打旺根系的土样黏聚力是素土黏聚力的11倍。由此可见，植物根系可以提高土体的有效黏聚力，其中沙打旺提高最大，锦鸡儿次之。植物根系对土体的内摩擦角影响不大，而对黏聚力影响较大。

表6　不同含水率条件锦鸡儿、沙打旺的根-土复合体及素土的黏聚力和内摩擦角Table6　The cohesion and internal friction angle of soil under different moistures

组号锦9.4锦13.4锦17.4锦21.4沙9.4沙13.4沙17.4沙21.4素土9.4素土13.4素土17.4素土21.4黏聚力c/kPa9.111.469.583.2813.4118.4731.8814.412.811.641.011.45内摩擦角φ/(°)28.932.6628.4125.6432.9435.3737.7431.5123.6524.1319.9515.43

3.2含水率对抗剪强度的影响

由直接剪切试验，测得含有8棵根系的锦鸡儿根-土复合体、沙打旺根-土复合体以及无根素土在不同含水率、不同垂直压力下的抗剪强度(图4、图5)。不同土样在不同含水率条件下的黏聚力c(kPa)和内摩擦角φ(°)(表6)。

图4　50kPa和100kPa条件下不同含水率土样的抗剪强度Fig. 4　The shear strength of soil with different moisture under 50kPa and 100kPa

图5　200kPa和400kPa条件下不同含水率土样的抗剪强度Fig. 5　The shear strength of soil with different moisture under 200kPa and 400kPa

试验结果表明：

(1)在相同垂直压力和含水率条件下，锦鸡儿根-土复合体的抗剪强度最大，其次是沙打旺根-土复合体的，素土的抗剪强度最小。说明锦鸡儿和沙打旺根系可提高土体抗剪强度，且锦鸡儿优于沙打旺。

(2)随着含水率的增加，锦鸡儿和沙打旺根-土复合体的抵抗剪切破坏的能力先增加后减小，锦鸡儿根-土复合体在含水率为13.4%时达到峰值，沙打旺根-土复合体在含水率为17.4%时达到峰值； 素土抗剪强度在含水率小于13.4%时变化不大，大于13.4%时，抗剪强度迅速下降。

(3)由表6可知，随着含水率的增加两种植物根-土复合体的黏聚力和内摩擦角均是先增加后减少，锦鸡儿根-土复合体的黏聚力和内摩擦在13.4%时最大，沙打旺在17.45%时最大。素土的黏聚力和内摩擦角没有明显变化规律。

4　根-土复合土体微观结构与影响机理研究

4.1根-土复合土体微观结构研究

由以上试验可知，在相同试验条件下，锦鸡儿和沙打旺根系对土体抗剪强度影响不同。沙打旺根-土复合体的黏聚力c、内摩擦角φ和抗剪强度均大于锦鸡儿。由图1 可知，沙打旺较密的根系分布形态、较粗的根茎，对于提高根-土复合体抗剪强度均有积极的影响。试验后的根-土复合体试样内的主根系均未被剪断，故根系增加了土壤摩阻力，使内摩擦角增加。沙打旺为草本植物，其根系发达，在土壤中基本形成了三维网络结构，故草本沙打旺根-土复合体黏聚力比灌木锦鸡儿根-土复合体黏聚力大。

4.2根系影响机理研究

目前，国内外在生态护坡研究中普遍认为，植物护坡的作用主要体现在3个方面：主根的锚固作用、根系的加筋作用、降低坡体孔隙水压力。本文试验植物生长期为两个月，主根长不足30cm，故没有起到锚固作用。两种植物的根系在土中盘根错节，相互交织成网状，与浅层土体形成根-土复合材料。根系可视为带预应力的三维加筋材料，使土体强度提高。植物通过蒸腾作用，吸收边坡内水分，降低了边坡的孔隙水压力，从而提高边坡的抗剪强度。

当土样含水率相同时，随着土样中根系数量的增加，根系的外表面积随之增加，即根系与土壤的接触面积增大，因此根-土间摩阻力的增加使试样的横向约束力及轴向应力增加，因此黏聚力明显增大。

土壤中含水率增加，使孔隙水压力增加，土颗粒间的有效应力减小，从而使土体的抗剪强度降低。根系可使土体抗剪强度增加，当含水率不大时，根系增强作用呈上升趋势，但随着含水率增加强度降低。但相同含水率条件下，根-土复合体抗剪强度大于素土。当含水率低于适宜值时，根系的存在可增加根-土间摩擦力，当含水率高于适宜值时，过多的水使根-土间的有效应力减小，界面摩擦力减小，因此呈下降的趋势。

5　结　论

(1)随着垂直压力的增加，土体抗剪强度随之增加。锦鸡儿、沙打旺的根-土复合体符合库仑定律。

(2)在相同生长条件下，锦鸡儿、沙打旺根系可提高土体抵抗剪切破坏的能力，其中沙打旺根系提高土体抗剪强度的能力高于锦鸡儿根系。

(3)随着根-土复合体试样中根系密度的增加，抗剪强度随之增加。

(4)植物根系对土体的内摩擦角影响不大，但对黏聚力影响较大。其中沙打旺根系提高黏聚力最大，锦鸡儿次之。因此，可以认为根-土复合土体抵抗剪切破坏的能力主要由黏聚力的提高决定。

(5)随着含水率的增加，素土抗剪强度逐渐下降，根-土复合体抵抗剪切破坏的能力先增加后减小，锦鸡儿根-土复合体的含水率适宜值为13.4%，沙打旺根-土复合体的含水率适宜值为17.4%。

本次试验基于在边坡上种植灌木和草本植物，测定一定生长期的植物根-土复合体抗剪强度并与素土相比较，同时考虑了含根量和含水率对抗剪强度的影响，对工程边坡生态防护植物种植密度和土壤含水量控制具有指导意义。试验采用扰动土进行试验，对于边坡原位试验及几种不同的物种混播等生态护坡技术的研究还有待于进一步完善和改进。

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EXPERIMENTAL STUDY ON INFLUENCE OF PLANT ROOTS TO SHEAR STRENGTH OF LOW LIQUID LIMIT SILTY CLAY AT SHALLOW DEPTH OF SLOPE

LIU YiliangLIU XiaoliFU XuLI ZongjieMA Tengfei

(DepartmentofArchitecturalEngineering，NorthChinaInstituteofAerospaceEngineering，Langfang065000)

As ecological balance and environmental protection have been increasingly recognized and valued， many developed countries have paid attentions to the ecological restoration and protection technology of slope engineering. Such technology has become the preferred solution for disaster prevention and erosion control and represented the development direction of slope protection. The shear strength of pure soil and the roots-soil composite system of two vegetation species are tested in laboratory. The two species are Astragalus adsurgens Pall. and Caragana microphylla Lam. and are planted in slope composing silty clays with low liquid limit. They are endurable to drought and barren resistance. This paper investigates the effects of different root density and moisture content on shear strength. The results show that the shear strength of the root-soil composite system increases linearly with increasing vertical pressure. Root can increase soil shear strength. The root of Astragalus adsurgens Pall. has the most noticeable effect， which is followed by Caragana microphylla Lam.As the root density increases， the shear strength increases. But， the shear strength of root soil-composite increases firstly and then decreases as the moisture increases. Plant root has little effect on the internal friction angle， while it has larger effect on the cohesion. So the increase of cohesion can greatly improve root-soil composite shear strength. The results of this test have great significance to the ecological protection technology of the slope composing silty clays with low liquid limit and ecological management of mining area in the way of plant selection and configuration．

Caragana microphylla Lam.， Astragalus adsurgens Pall.， Cohesion， Internal friction angle

10.13544/j.cnki.jeg.2016.03.007

2015-04-21;

2015-09-17.

河北省交通运输厅科技项目(2013-1-50)，廊坊市科技计划项目(2015013008)，北华航天工业学院科研基金项目(KY-2015-01)资助.

刘益良(1987-)，男，硕士，助教，主要从事城市与工程防灾减灾，GIS研究与应用方面的研究工作. Email: liuyiliang1987@163.com

TU411.7, P642

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