草本植物根系对土体加筋的效应1)

蒋必凤 王海飙 李淑敏

(三亚学院，三亚，572000) (东北林业大学) (三亚学院)



草本植物根系对土体加筋的效应1)

蒋必凤 王海飙 李淑敏

(三亚学院，三亚，572000) (东北林业大学) (三亚学院)

通过从野外直接挖取地毯草、弯叶画眉草、牛筋草根系，与海南地区红黏土随机混合制作成重塑加筋土复合体，分析不同含水率、不同含根率下，不同植物对土体的加筋效应。试验表明：植物根系能显著提高土体的抗剪强度，随着土体含根率的提高，根系土体的抗剪强度值越大；重塑根系土体的抗剪强度值随着土体含水率的降低而增加；重塑加筋土体的黏聚力随含根率增加而增加，随含水率的提高而降低；重塑加筋土体的内摩擦角有一定程度的提高，但是变化较小；弯叶画眉草重塑土体的加筋效果较好。

草本植物；加筋土；含根率；抗剪强度

Herbaceous plant; Reinforced soil; Root ratio; Shear strength

在铁路、公路、水电、航道、港口等工程建设中，经常要开挖大量的边坡，如何保持边坡稳定及防治水土流失现象的发生，并维护生态系统的平衡，成为工程重点关注的对象[1]。边坡生态防护是指单独用植物或者植物与土木工程和非生命的植物材料相结合的固坡措施。该技术利用工程防护深层加固和植物浅层固坡的特点，减少坡面水土流失，提高坡面稳定性，同时达到一定的景观和生态效应，作为一种有效兼顾生态环境及边坡治理的护坡技术，在工程实践中得到了广泛的推广和应用。护坡植被包括乔木、灌木、草本植物、藤本植物等，由于草本植物生长迅速、抗冲刷性能强、护坡效果显著、方法简便，在护坡工程中得到了高度重视，国内外许多的学者在根系力学特性、抗冲刷性能、护坡植被引种试验等方面展开了大量的研究和实际应用。

草本植物根系就如同纤维一样，对边坡土体具有一定的加筋效应。不同的学者在含根量、含水率、植物不同生长期、坡度等方面对植物根系的加筋固土作用进行了相关的研究。郑启萍等[2]利用狗牙根和麦冬草进行直剪试验，分析根系含量对抗剪强度的影响，得出根系含量越大，提高土体抗剪强度的效果越好。胡其志等[3]对狗牙根的根土复合体进行直剪试验，证明了抗剪强度随着含根量的增加而增大，但含根量存在最佳区间。刘小燕等[4]对狗牙根的根土复合体进行直剪试验，也得出植物根系可以显著增强土体的抗剪强度，且随着含水率的增加而降低，而随着含根量的增加而增强的结论；还得出了当含根量达到0.3%及以上时增幅有所减缓，认为存在最优含根量区间；当含水率为25%时，土体加筋效果最显著。王元战等[5]用室内三轴试验方法研究了原状和重塑草根加筋土的强度特性，对于重塑草根加筋土，存在最优含根量，使其强度最高，重塑草根加筋土的含根量是原状土的4～6倍时，二者土体破坏的主应力差值基本相等。

不同植物种类护坡机理一样，但各地的植物种类、土质条件、降水量等不同，生态护坡具有地域性的特点。目前国内外相关学者的研究主要结合各地方特点进行实例研究，对含根率、含水率还不能有统一的标准。本项目结合海南省地域特点，分析不同含水率、含根率以及不同植物根系对土体的加筋作用，对海南省生态护坡技术的应用提供参考。

1 试验材料与方法

海南省位于中国最南端，属于热带地区，常年高温多雨，植被资源非常丰富，对生态护坡技术的应用占据一定的优势。本课题研究选用海南地区常见的草本植物地毯草、牛筋草、弯叶画眉草为实验材料，这3种植物根系非常发达、适应能力强、对土壤的要求不高，在贫瘠之地和道路两旁长势良好，不需要精心养护，生命力顽强，生态适应性较适合作为护坡植被。本试验从野外直接挖取地毯草、牛筋草、弯叶画眉草的根系，装入盒内，带回实验室，保证植物根系的新鲜。试验采用的土质为海南地区常见的红黏土，从野外挖取一定量的黏土，对土样用烘箱烘干，然后碾碎待用。

在制作土样时，将3种植物根系分别剪成20 mm，与土体随机混合，模拟根系三维生长规律，制作成内径为61.8 mm，厚度为20 mm的重塑加筋土试样。本试验含根率(根的质量/干土的质量)采用0、0.5%、1%、1.5%；含水率分别为10%、15%、18%；垂直压力分别采用50、75、100、150 kPa。采用应变控制式直剪仪，按照土工试验标准[6]，进行直接剪切试验。

2 结果与分析

2.1 3种植物含根土体抗剪强度值

根据抗剪强度试验，得出3种植物含根土体在不同垂直压力、不同含水率、不同含根率情况下的抗剪强度值如表1所示。

表1 3种植物含根土体在不同条件下的抗剪强度

由表1可知，垂直压力50 kPa、含水率为10%、含根率为0.5%时，牛筋草、弯叶画眉草和地毯草的重塑加筋土体抗剪强度值分别为43.70、54.00、53.31 kPa，均超过了不含根土体(32.4 kPa)，抗剪强度值分别增加了34.88%、66.67%、64.54%；含根率为1%时，3种植物根系的重塑加筋土体抗剪强度值为56.97、66.64、62.67 kPa，抗剪强度值分别增加了75.83%、105.68%、93.42%；含根率为1.5%时，3种植物根系的重塑加筋土体抗剪强度值为64.74、74.06、72.35 kPa，抗剪强度值分别增加了99.8%、128.58%、123.31%。因此，当含水率不变，随着含根率的增加，抗剪强度值增加，且含根率越大，抗剪强度值越大；当含水率增加时，抗剪强度值减小；抗剪强度值随垂直压力的增加而增大。

在不同含水率、不同含根率、不同垂直压力下，3种植物根系的重塑加筋土体的抗剪强度值均超过了不含根土体，且随着垂直压力增大而增大，说明3种植物根系对土体均有一定的加筋效应，在一定程度上增强了土体的抗滑移的能力。

在同一含水率、同一含根率和同一垂直压力下，弯叶画眉草的抗剪强度值最大，增长百分比也是最大的；其次为地毯草；最后的是牛筋草。当含水率为18%、含根率1%～1.5%时，地毯草的抗剪强度值超过了弯叶画眉草，由于地毯草根系较为粗壮、抗拉能力较强，在含水率较大时，粗壮的根系提高了土体的抗剪强度值。

随着含根率增加，抗剪强度值增加，随着含水率增加，抗剪强度值减小。垂直压力不同，含根土体的抗剪强度值与不含根土体抗剪强度值增长的百分比是不同的。在垂直压力为50 kPa时，抗剪强度值增长的百分比最大，随着垂直压力增加，抗剪强度值增加的百分比减小。当垂直压力较大时，土样被压实程度较大，土体本身的抗剪强度将增大，而根系所起的作用将减小，因此，本文选择在相对较小的垂直压力下进行抗剪强度试验，从而更加准确的反映了根系的加筋作用。

2.2 3种植物含根土体的抗剪强度曲线

根据库伦强度理论，黏性土体的抗剪强度，采用线性拟合的方法，绘制出3种植物在不同含水率、不同含根率下的抗剪强度曲线，如图1～图3所示。

图1 牛筋草土体的抗剪强度曲线

图2 弯叶画眉草土体的抗剪强度曲线

图3 地毯草土体的抗剪强度曲线

影响土体抗剪强度的两个重要参数是土体的黏聚力和内摩擦角，本试验通过excel对数据进行分析，得出了不同含水率和不同含根率的植物含根土体的黏聚力和内摩擦角的正切值，如图1～3图中的表达式。

由图1可知，当土体含水率为10%时，不含根土体的黏聚力为12.721 kPa，而含根率分别为0.5%、1.0%、1.5%时，牛筋草含根土体的黏聚力分别为16.853、23.847、30.766 kPa，黏聚力分别提高了32%、87%、142%，由此可知，少量的根系却能显著提高土体的黏聚力，含根率越大，黏聚力提高也越大。不含根土体的内摩擦角的正切值为0.511，而含根率分别为0.5%、1%、1.5%时，土体的内摩擦角的正切值分别为0.620、0.751、0.753，内摩擦角的正切值分别提高了21%、47%、47%，由此可知，少量的根在一定程度上便能提高了土体的内摩擦角，但是，随着含根率的增加，内摩擦角变化不大。

当土体的含水率为15%时，不含根土体的黏聚力为3.706 kPa，而含根率分别为0.5%、1%、1.5%时，牛筋草含根土体的黏聚力分别为5.017、9.814、17.161 kPa，黏聚力分别提高了35%、165%、363%，由此可知，根系能提高土体的黏聚力，含根率越大，黏聚力提高也越大。不含根土体的内摩擦角的正切值为0.448，而含根率为0.5%、1%、1.5%的土体的内摩擦角的正切值分别为0.561、0.586、0.582，内摩擦角的正切值分别提高了25%、31%、30%，由此可知，牛筋草含根根系能在一定程度上增加内摩擦角，但是内摩擦角的增加随着含根率变化而变化幅度较小。

当土体的含水率为18%时，不含根土体的黏聚力为2.106 kPa，而含根率分别为0.5%、1%、1.5%时，牛筋草含根土体的黏聚力分别为4.243、7.121、11.694 kPa，黏聚力分别提高了101%、238%、455%。由此可知，根系能提高土体的黏聚力，含根率越大，黏聚力提高也越大。不含根土体的内摩擦角的正切值为0.385，而含根率分别为0.5%、1%、1.5%的土体的内摩擦角的正切值分别为0.516、0.569、0.599，内摩擦角的正切值分别提高了34%、48%、56%，同样能得出：牛筋草含根根系能在一定程度上增加内摩擦角，但是内摩擦角的增加随着含根率变化而变化幅度较小。

由图2可知，当土体含水率为10%时，不含根土体的黏聚力为12.721 kPa，而含根率分别为0.5%、1.0%、1.5%时，弯叶画眉草根系土体的黏聚力分别为24.891、35.961、46.301 kPa，黏聚力分别提高了96%、183%、264%，由此可知，少量的弯叶画眉草根系却能显著提高土体的黏聚力值，且随着含根率增加，黏聚力值增加幅度变大。不含根土体的内摩擦角的正切值为0.511，而含根率分别为0.5%、1.0%、1.5%的土体的内摩擦角的正切值分别为0.696、0.701、0.752，内摩擦角的正切值分别提高了36%、37%、47%，由此可知，弯叶画眉草根系在一定程度上能提高了土体的内摩擦角，但随着含根率的增加，内摩擦角变化幅度较小。

当土体的含水率为15%、18%时，弯叶画眉草根系土体的黏聚力和内摩擦角的正切值变化规律和含水率10%的变化规律基本一致。

由图3可知，地毯草含根土体的黏聚力和内摩擦角正切值变化规律和牛筋草、弯叶画眉草的变化规律基本一致。

综上所述，当含水率一定时，牛筋草、弯叶画眉草和地毯草的含根土体的黏聚力，随着含根率增加而增加，内摩擦角也有一定程度增加；但是，内摩擦角增加的幅度较小，且随着含根率增加变化幅度较小。当含水率增加时，3种植物含根土体的黏聚力和内摩擦角的正切值均减小。当含水率较高时，与不含根土体相比，含根土体黏聚力增加的幅度增大，且含根越多，黏聚力增加幅度越大，由此可知，随着土体含水率增加，根系对土体的抗剪切效果更加明显。

3种植物重塑加筋土体，在同一含水率和同一含根率下的黏聚力和内摩擦角正切值均超过了不含根土体。从以上数据可以看出，弯叶画眉草根系土体的黏聚力的最大，其次为地毯草，最后的是牛筋草；而3种植物根系土体内摩擦角的正切值差异较小。

3 结论与讨论

本文选择了海南常见的牛筋草、弯叶画眉草和地毯草的根系，对重塑根系土体在不同含水率、不同含根率情况下进行加筋效应分析。

3种植物的根系均能显著提高土体的抗剪强度，且抗剪强度随着含根率增加而增加，随着含水率的增加而降低。在含水率为10%和15%时，弯叶画眉草的抗剪强度值最大，增长百分比也是最大的，其次为地毯草，最后的是牛筋草。当含水率为18%，地毯草的抗剪强度最大，依次为弯叶画眉草和牛筋草。当含水率较高时，粗壮根系本身的抗拉能力对土体抗剪强度起着一定的影响，从而导致抗剪强度增加。

当垂直压力较大时，土样被压实程度较大，土体本身的抗剪强度将增大，而根系所起的作用将减小。在垂直压力为50 kPa时，抗剪强度值增长的百分比最大，随着垂直压力增加，抗剪强度值增加的百分比减小。

3种植物重塑加筋土体的黏聚力和内摩擦角正切值均超过了不含根土体。弯叶画眉草根系土体的黏聚力的最大，其次为地毯草，最后的是牛筋草，但3种植物根系土体内摩擦角的正切值差异较小。

当含水率一定时，3种植物含根土体的黏聚力随着含根率增加而增加，内摩擦角也有一定程度增加，但是增加的幅度较小，且随着含根率增加变化幅度较小。当含水率增加时，3种植物含根土体的黏聚力和内摩擦角的正切值均减小。但含水率较高时，含根土体与不含根土体相比，黏聚力增加的幅度增大且含根越多黏聚力增加幅度越大，即当土体含水率较高，根系对土体的抗剪切效果更加明显。

本文选用的弯叶画眉草属于丛生，须根发达，但直径较小，而地毯草具有匍匐枝，根系直径稍粗且韧性较好，为直根系，有主根，根数量较少，两种植物根系对土体的加筋效果均较好，在实际应用中可以考虑将两种植物进行混播，更好地提高土体抗剪强度。牛筋草秆丛生，须系也非常发达，直径较粗，在实际应用中，为提高对根系土体的抗剪强度，也可以和地毯草混合播种。

[1] 王元战，张智凯，马殿光，等.植物根系加筋土剪切试验研究综述[J].水道港口，2012，33(4)：330-336.

[2] 郑启萍，徐得潜.草本植物护坡机理及其固土效应试验研究[J].合肥工业大学学报(自然科学版)，2014，37(2)：225-228.

[3] 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.

[4] 刘小燕，桂勇，罗嗣海,等.植物根系固土护坡抗剪强度试验研究[J].江西理工大学学报，2013，34(3)：32-37.

[5] 王元战，刘旭菲，张智凯,等.含根量对原状与重塑草根加筋土强度影响的试验研究[J].岩土工程学报，2015，37(8)：1405-1410.

[6] 国家质量技术监督局,中华人民共和国建设部.土工实验方法标准:GB∕T 50123-1999[S].北京：中国计划出版社，1999：110-115.

蒋必凤，女，1984年3月生，三亚学院管理学院，讲师。E-mail：273370118@qq.com。

2017年3月15日。

Q944.54；S156

Reinforcing Effect of Herbaceous Root System on Soil//Jiang Bifeng(Sanya University, Sanya 572000, P. R. China); Wang Haibiao(Northeast Forest University); Li Shumin(Sanya University)//Journal of Northeast Forestry University，2017,45(7)：51-54，68.

1)海南省教育厅高等学校科学研究项目(hnky2015-53)。

责任编辑：王广建。

Through directly digging the roots ofAxonopuscompressus(Sw.) Beauv.,EragrostiscurvulaandEleusineindica(L.) Gaertn from the wild, which would be mixed with red clay in Hainan area and made into remodeling reinforced soil complex, we analyzed the reinforcing effect of different species with different water ratio and different root ratio. The plant roots can significantly improve the soil shear strength, and the soil shear strength is larger when root ratio is increasing. The shear strength of the remolded reinforced soil increases with the decreasing of the water ratio. The cohesive force value of the remolded reinforced soil is larger when root ratio is increasing, and decreasing when the water ratio is increasing. The internal friction angle of remolded reinforced soil is improved in certain extent, but the changing is small. The reinforcing effect of remolded soil withEragrostiscurvulais better.