根系分布方式对根-土复合体抗剪强度的影响

陈终达，肖宏彬，张春晓，李珍玉，曾娟娟，何 彬，谢佳佑

（中南林业科技大学 土木工程与力学学院，湖南 长沙 410004）

根系分布方式对根-土复合体抗剪强度的影响

陈终达，肖宏彬，张春晓，李珍玉，曾娟娟，何 彬，谢佳佑

（中南林业科技大学 土木工程与力学学院，湖南 长沙 410004）

通过对香根草根-土复合体的室内直剪试验，探讨了根系直径和分布方式对根-土复合体抗剪强度的影响。研究发现，在其它条件相同的情况下，垂直加斜交等量布根时，复合体的抗剪强度最高；垂直加水平等量布根时，其抗剪强度最低；其它布根方式时，其抗剪强度介于上述二者之间。研究表明，根系分布方式对根-土复合体的粘聚力的影响是非常明显的，而对其内摩擦角的影响却并不明显。同时，在相同根系数量和布根方式条件下，随着根系直径的增大根-土复合体的抗剪强度及内摩擦角先增大后减小。当根系直径达到某一值时，根-土复合体的抗剪强度达到最大值。研究结果对进一步探索生态护坡工程中根-土复合体的抗剪强度形成机理具有重要的理论意义，也为生态护坡工程的强度和边坡稳定分析提供了理论依据。

香根草；根-土复合体；抗剪强度；布根方式；根系直径

随着生态护坡技术的不断发展，植物根系固土护坡的作用越来越得到学术界和工程界的重视[1]。尤其是近二十年来我国基础设施建设迅速发展，出现了大量的裸露边坡，传统的刚性护坡方式不仅造价高而且还破坏了原有的生态环境，而采用生态护坡方式不仅可以达到传统护坡的效果，还能有效地恢复和改善生态环境[2-3]，并且造价相对较低，其经济和环保优势日益凸显[4-6]。生态护坡主要指采用植被护坡为主并辅之以工程技术的护坡形式。而植被加固坡体的主要机理是利用植物的根系穿插在土壤中形成对土体类似“加筋”和“锚固”的作用，从而达到加固边坡的目的。国内外许多学者对植物根系固土护坡的机理展开了诸多研究，也取得了长足的进展。密西根大学Donald H. Gray[7]教授指出植物根系固土护坡作用的原理主要表现为根系对边坡土体的加筋作用和根系的锚固作用；Diti Hengchaovanich[8]研究了不同种植物根系对土壤的作用后，发现由于不同的植物根系在土壤中互相交错和穿插，能够显著的提高土壤的抗剪强度。草本植物根系的密度较大，根系数量众多，分布比较密集，所以有草本植物根系存在的根土复合体的抗剪强度相比于有木本植物根系存在的根土复合体的抗剪强度来说要高得多。Rboert R[9]等学者通过试验发现，植物根系的作用和植物对土壤饱和度指标的改变对边坡起到很强的加固作用。另外，植物根系具有很强的吸收水分的能力，可以将比较松散的土体锚固成一个整体，从而提高了边坡抗滑动破坏的能力。

香根草因其具有发达的根系以及对环境的适应性强等方面的显著优势，被广泛认为是一种理想的护坡植物。现有研究更多地关注了根系数量和根系强度对土强度的增强作用，而对根系分布方式的影响未引起足够的关注。诸多研究表明：根系在土体中的存在能够有效地提高土体的抗剪强度，但更深入地研究根系在土体中的不同分布方式对土体抗剪强度的影响规律，尚未见有更多的文献报道。因此，很有必要针对香根草根系的分布方式对土体抗剪强度影响，特别是对土的粘聚力和内摩擦角的影响规律开展相关研究。本研究在已有研究的基础上，拟对上述问题开展相关试验探索。

1 试验材料、设备及方法

1.1 采 样

试验中参照工程常用的边坡比例设计模型箱，在模型箱内按不同密度和坡比种植香根草。经多年野外自然生长后，从试验箱中分别取出部分根系和土体作为试验样品，如图1所示。测得土样的含水率及天然密度，并通过液限塑限联合测定法和轻型击实试验分别得到土壤的液限、塑限、最大干密度及最优含水率，如表1所示。

1.2 试验设计

针对不同根系分布方式的根-土复合体进行直剪试验，测定在不同应力水平、不同根系直径、不同根系数量和不同的根系分布方式条等件下，根-土复合体的强度变化规律。试验中所采用的设备是南京土壤仪器厂生产的ZJ型应变控制式四联直剪仪，如图2所示。

图2 四联直剪仪Fig. 2 Quadruplet direct shear apparatus

试验前将土样烘干，过2 mm分样筛。然后配置含水率为21.5%的土样备用。用精度为0.02 mm的游标卡尺测量根的直径。根据所测得的根系直径将0～2.0 mm的根系以每增0.5 mm为一级分为4级。并取根系长度与环刀高度相等，即垂直布时，取试样用根长为2 cm。其它布根形式根据需要取不同长度根样。含每级根径的根-土复合体按不同布根方式制备4组共16个试验土样，用于在不同荷载条件下的直剪试验。

1.3 试样的制备

取不同根系直径级别的香根草根系，根系来源如图2所示，每个试样垂直布置6条根系。制作土样时，先取制备好的扰动土120 g分两层击实，每层土为环刀高度的1/2。每击实一层后，用调土刀将层面划毛。击锤每次从最高点自由下落，每层锤击15次，以保证所有试样所受到的击实能量相同，击实度一致。土样按规范标准击实成型后，将直径为0.5 mm长度为2 mm的6根香根草根系均匀插入土体中，得到根土复合体土饼。水平布根时，将香根草根系平铺在环刀中间位置，制做过程如图3所示。

图3 根土复合体试样Fig. 3 Root-soil composite samples

1.4 直剪试验

为尽量减少因根土接触不牢而对复合土体抗剪强度的影响，在将根土复合体试样装入直剪仪后，以试验中的最大荷载300 kPa预压土样30 min。然后再按试验要求在竖向荷载分别为50、100、200和300 kPa的条件下进行快剪试验。根据根土复合体试样达到破坏时的最大剪应力可以得到每组试样在各级竖向荷载所对应的抗剪强度值。剪切后的土样如图4所示。

图4 剪切后的根-土复合体试样Fig. 4 Root-soil samples after shear failured

2 试验结果及分析

2.1 不同香根草根系分布方式对复合体抗剪强度的影响

通过对无根素土和4种根径各4组不同根系分布方式的土样进行不同垂直荷载作用下的直剪试验，得到了不同的根-土复合体的抗剪强度，如表2所示。

表2 根土复合体抗剪强度Table 2 Shear strengths of root-soil composite

表2分别反映了无根素土、不同直径根系垂直布置6根、斜交50°布置6根、垂直和水平各布置3根、垂直和斜交50°各布置3根5种布根方式下香根草根土复合体的抗剪强度。从表2中可以发现，根土复合体的抗剪强度均高于无根素土的抗剪强度。同时，在同一竖向荷载作用下，且根系数量及直径均相同时，不同的布根方式对复合土体的抗剪强度影响是不同的。其结果是：垂直和斜交50°各布置3根时，复合体的抗剪强度最高；斜交50°布置6根时，其抗剪强度次之；垂直布置6根时，其抗剪强度又其次之；垂直和水平各布置3根时，其抗剪强度最低。

上述结果再次说明根系在土壤中存在能有效地提高土的抗剪强度。但根系在土壤中的分布方式不同，对提高土体抗剪强度的作用也是完全不同的。因此，研究根-土复合体的抗剪强度，不但要考虑根系直径和根系数量的影响，更应该考虑植物根系在土体中的实际分布形态。

2.2 不同香根草根系径级对根-土复合体抗剪强度的影响

将表2中不同根系分布方式以及不同竖向荷载作用下，试样中的根系径级以及对应试样的抗剪强度用Origin软件进行拟合分析，得到不同香根草根系径级与土体抗剪强度关系的拟合曲线，如图5～图8所示。

图5 抗剪强度与根径的关系 (θ=90 °)Fig. 5 Relationship between shear strengths and root diameters (θ=90 °)

图6 抗剪强度与根径的关系 (θ=50 °)Fig. 6 Relationship between shear strengths and root diameters (θ=50 °)

图7 抗剪强度与根径的关系 (θ=90 °～0 °)Fig. 7 Relationship between shear strengths and root diameters (θ=90 °～0 °)

图8 抗剪强度与根径的关系 (θ=90 °～50 °)Fig. 8 Relationship between shear strengths and root diameters (θ=90 °～50 °)

由图5～图8可知，在相同根系数量和上述布根方式中，随着根系直径的增大，香根草根土复合体的抗剪强度先增大后减小。当香根草根系直径约为1 mm时，根土复合体的抗剪强度达到最大值。其原因可能是当香根草根系直径超过1 mm时，根土截面比增大，使根系与土壤的胶结能力有所降低所至。根据已有的研究可知，草本植物根系对根-土复合体的抗剪强度的作用主要表现在对粘聚力的增加方面，也即对土体的“加筋”作用。因此，对于根土复合体的抗剪强度存在一个有效根径径问题。根径太大或太小对提高土的抗剪强度的作用均不明显。

2.3 香根草根土复合体抗剪强度分析

以表2中不同根系直径条件下垂直布置6条根系的根-土复合体的抗剪强度为例，将含有直径分别为0.5 mm，1 mm，1.5 mm和2 mm香根草根系的根-土复合体抗剪强度试验结果进行拟合，得到正应力与抗剪强度的关系如表3所示。

表3 正应力与抗剪强度的关系Table 3 Relationship between normal stress and shear strength

根据表3得到的拟合公式，可得到根系直径分别为0.5、1.0、1.5和2.0 mm的香根草根-土复合体抗剪强度随正应力变化的拟合曲线，如图9所示。

从表3和图9可以发现，在各种根径中，垂直布根方式时，香根草根-土复合体抗剪强度的拟合曲线均为直线。再次证明了根-土复合体的抗剪强度仍然符合库仑强度理论，即：

图9 根-土复合体的抗剪强度曲线Fig. 9 Shear strength curves of root-soil composite

这一结论与胡其志等[10]所做的根土复合体的抗剪强度研究成果是相符的。

此外从表3中的各拟合公式也可以发现，公式中的系数项即表示内摩擦角的影响，而常数项则是反映粘聚力的影响。显然，根系直径对内摩擦角和粘聚力的影响是不同的。随着香根草根系直径的增大，复合体的内摩擦角先增大后减小；但随着香根草根系直径的增大，复合体的粘聚力有增有减，关系相对复杂。

2.4 香根草根-土复合体抗剪强度指标分析

对表2中各组试验结果进行拟合并按式（1）进行计算可以得到香根草根土复合体的粘聚力C和内摩擦角φ，计算结果如表4所示。

由表4可以发现，在根系数量和根系直径不变的情况下，香根草根系垂直和斜交等量分布时根-土复合体的粘聚力和内摩擦角均为最大值；而当根系垂直和水平分布等量时根-土复合体的粘聚力和内摩擦角均为最小值。在根系数量不变的情况下，当根系垂直-斜等量交分布时根-土复合体的粘聚力随根径的变化非常明显，但相应的内摩擦角变化趋势并不明显。由此可知，与无根素土相比，无论根系按何种分布方式，香根草根系对提高根-土复合体的抗剪强度均有较大的贡献。并且相同根系数量条件下，不同根系分布方式对提高根-土复合体的粘聚力贡献是不同的，且其影响非常明显；而相同根系数量条件下，根系分布方式对根-土复合体的内摩擦角的影响却不很明显。

表4 抗剪强度指标Table 4 Indexes of shear strength

3 结 论

通过对香根草根-土复合体的一系列试验研究，探讨了在根系数量不变的前提下，不同根径和不同根系分布方式对土体抗剪强度的影响，得到的结论如下。

研究结果表明根系在土体中的存在能有效地提高土体的抗剪强度，但根系在土体中的分布方式不同，对提高土体抗剪强度的作用也是完全不同的。在同一竖向荷载作用下，当根系数量及根径均相同时，垂直和斜交等量布根时，复合体的抗剪强度最高；全部斜交布根时，其抗剪强度次之；全部垂直布根时，其抗剪强度又其次之；垂直和水平等量布根时，其抗剪强度最低。因此，研究根-土复合体的抗剪强度，不但要考虑根系直径和根系数量的影响，更应该考虑植物根系在土体中的空间分布形态。

在相同根系数量和相同的布根方式条件下，随着根系直径的增大，香根草根-土复合体的抗剪强度先增大后减小。当香根草根系直径约为1 mm时，根-土复合体的抗剪强度达到最大值。因此，对于根-土复合体的抗剪强度存在一个有效根径问题。根径太大或太小对提高土的抗剪强度的作用均不明显。

通过对根-土复合体的抗剪强度试验结果的拟合，发现含香根草根系的根-土复合体的抗剪强度服从库仑强度定律。但根系直径对内摩擦角和粘聚力的影响是不同的。随着香根草根系直径的增大，复合体的内摩擦角先增大后减小；但随着香根草根系直径的增大，复合体的粘聚力有增有减，关系相对复杂。

研究发现，在相同根系数量条件下，不同根系分布方式对提高根-土复合体的粘聚力的作用是不同的，且其影响非常明显；而在相同根系数量条件下，根系分布方式对根-土复合体的内摩擦角的影响却不是很明显。

上述研究结果对进一步探索生态护坡工程中根-土复合体的抗剪强度形成机理具有重要的理论意义。本试验没有针对不同角度布根方式及不同含水量条件下的根-土复合体抗剪强度的研究。今后应对不同根系布置方位，不同含水量的根-土复合体的抗剪特性进行深入探索。此外，除从力学的角度分析外，还需要从根系分布形态，根强度及弹性模量等其他角度进行研究。

[1] 肖宏彬,赵 亮,李珍玉,等.香根草根系的分布形态及抗拉强度试验研究[J].中南林业科技大学学报, 2014, 34(3): 6-11.

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[3] 徐刚标.中国林木遗传改良研究现状[J]. 经济林研究，2003,21(4): 120-122.

[4] 胡其志,周 政,肖本林,等.生态护坡中土壤含根量与抗剪强度关系试验研究[J].土工基础, 2010, 24(5): 85-87.

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The impact of root distribution methods on the shear strength of root-soil composite

CHEN Zhong-da, XIAO Hong-bin, ZHANG Chun-xiao, LI Zhen-yu, ZENG Juan-juan, HE Bin, XIE Jia-you
(College of Civil Engineering and Mechanics, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

The effects of root diameter and root distribution on the shear strength of vetiver root-soil composites have been studied,through a series of indoor direct shear tests on these composites. When the root numbers of vertical distributed are equal to that of oblique, the study found that the shear strength of composite is the highest, under the same conditions. And when the root numbers of vertical distributed are equal to that of horizontal, the shear strength of composite is the lowest. In any other root distribution mode,the shear strength of the composite is somewhere in between the above two cases. Meanwhile, the study shows that the effect of root distribution on the cohesive force of root-soil composite is very obvious, but the influence of it on the internal friction angle is not obvious. Moreover, with the increase of root diameter, the shear strength and the internal friction angle of this composite are increased first and then are decreased, if the root numbers and the distribution mode are the same. When the root diameter is reached to a certain value, the shear strength of this composite is reached to the maximum. The research results have important theoretical significance for further exploring the mechanism of shear strength of root-soil composite in ecological slope protection engineering, and it also provides a theoretical basis for the strength and slope stability analysis in this field simultaneously.

vetiver grass; root-soil composite; shear strength; root distribution; root diameter

S719

A

1673-923X(2016)08-0130-06

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.08.023

2015-10-27

国家自然科学基金资助项目（31270671）；国家林业局948项目（2012-4-76）；湖南省自然科学基金资助项目（12JJ5015）；湖南省自然科学基金资助项目（11JJ5036）；湖南省外国专家局资助项目（湘财教指[2012]26号）

陈终达，硕士研究生

肖宏彬，教授，博导；E-mail：tfnxhb@sina.com

陈终达，肖宏彬，张春晓，等. 根系分布方式对根-土复合体抗剪强度的影响 [J].中南林业科技大学学报，2016, 36(8):130-135.

[本文编校：文凤鸣]