不同根系分布模式下的土坡抗剪性能研究

石浩廷　谢春燕　李雪尔　吴达科

摘要：以香根草根系及其所在土壤构成的根一土复合体为研究对象，通过室内直剪试验，探讨不同含水率和垂直压力条件下，不同根系分布方式对复合体抗剪性能的影响。结果表明：根系数量和径级相同时，在土壤天然含水率和2-3 m土层压力下，当所有根系均垂直于剪切面时，根系分布越集中，对根一土复合体抗剪强度的提升越明显;当根系以不同的空间角度均匀分布时，根一土复合体抗剪强度相对于素土的增长率大小顺序为根系全部垂直的分布方式（Mb）<根系全部呈45。倾斜的分布方式（Mb）<根系一半倾斜45。一半垂直的分布方式（Mc）。在天然含水率條件下，随着垂直压力的增大，根一土复合体的抗剪强度增长率呈现先减小后增大的趋势;随着含水率增大，土体内摩擦角先增大后减小，黏聚力总体呈减小趋势。

关键词：边坡稳定：根一土复合体;抗剪强度;香根草

中图分类号：S157.1

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn. 1000- 1379.2019. 04.016

我国幅员辽阔，但有近2/3的国土面积被山区占据。随着我国经济快速增长，各种工程建设项目进入了高峰期，在公路、铁路等基础设施建设的过程中，不可避免地开挖大量边坡，破坏原有的地质平衡，极易造成山体滑坡、泥石流等地质灾害，给生命财产带来巨大损失。传统的工程边坡防护结构生态性较差，难以保证工程材料与边坡岩体在高降雨强度、易风化区域的相容性，工程结构很容易被架空[1].从而导致滑坡。与之相比，利用植被的生态护坡方式维护时间更长、覆盖面积更广，更适合用于天然边坡的防护[2]。

植被护坡的机理主要体现在根系的作用：①水文方面，根系可以通过蒸腾作用降低孔隙水压力，减轻泥土质量[3-4].从而在一定程度上加强了边坡的稳定性：②生物方面，根系分泌物及其衍生微生物可以在一定程度上增强周围土体的稳定性[5-8]：③物理方面，根系可对土体起到锚固加筋作用，这是根系提高土体稳定性的主要机理。植物护坡能够提高边坡的抗剪强度，从而起到边坡防护和加固的作用。言志信等[9]较为系统地研究了草本植物根系对岩质边坡的加固机理，提出了基于刚性和柔性假设的两种摩擦型根一岩相互作用的力学模型，得出了植物边坡抗剪强度增长可引起边坡安全稳定系数增大的结论。关于植物根系提高土体的受剪性能，前人已经作了大量的研究。MurielleGHESTEM等[10]将蓖麻、麻疯树和中华磨坊漆树3种护坡植物种植于大型剪切箱中自然生长10个月后进行直剪试验，并与休耕土进行对照，发现含根土的抗剪强度和变形能力显著优于不含根土壤：肖宏彬等[11]研究了在不同含水率及不同根系含量下植物根系对复合体抗剪强度的影响规律：胡敏等[12]研究了沙地柏根不同径级、不同布置方式对根一土复合体抗剪性能的影响：M. Genet等[13-19]研究表明虽然根系抗拉强度和刚度是影响土体剪切的主要因素，但是根密度和空间分布状况可能比根的机械性能对土体强度影响更大。

现有研究主要集中于根系数量、抗拉强度和根径对根一土复合体抗剪强度的影响，而根系分布方式对土体强度影响的研究还较少。目前主要以根面积比（RAR）作为根密度指标，它是指所有发挥作用的根在剪切面上的截面积之和与其相交的土体截面积之比。在试验中笔者发现，根面积比相同但根系的分布状况不同的根系对土体产生的影响也有差异。基于此，笔者对不同根系的空间分布方式在不同的含水率和垂直压力条件下对土体稳定性的影响进行研究，探讨不同根系分布方式与根一土复合体抗剪强度的对应关系，以期为生态护坡方案选择提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 采样

香根草是目前国内外常见的草本护坡植物，有“神奇牧草”之称。所选用的试样为一年龄香根草根系，采样时间为2017年6月。在样地内选取10株生长状况良好的植株，测量其冠幅和高度，分别计算其平均值，然后从中选取3株与平均值相近的植株挖掘其根系，取样时尽量保持根系的完整性，并保留部分土壤以保持根系的活力。

所选土壤为四川省广元地区北纬32°25′48″、东经105°49′48″常见的紫色黏土，取自香根草栽种地附近的平坦开阔地段，按照土层深度0～20、20 - 40、40 - 60cm取样，每层取3个土样。根系和土样取出后立即用保鲜膜包裹，放人硬质塑料箱带回实验室。测得的土样基本物理性质见表1。

1.2 试验设计

剪切试验前，把土样烘干，过2 mm筛，然后配置含水率为16. 46%、18. 46%、22.46%，干密度为1.71 g/cm的土样备用。用精度为0.02 mm的游标卡尺分别测量根的上、中、下3处直径，测量差值应小于0.1 mm，取直径为0.6-0.8 mm、长度为3 cm的香根草根备用。结合自然状态下的根系分布密度，每个含根土样中布设10根草根。根一土复合体分为两类：一类是所有的根系均垂直但不均匀分布（复合体M，为10根草根集中分布于土样中心，M2为2组×5根，M，为5组x2根），另一类是根系按不同空间角度均匀分布（复合体Ma为所有草根均垂直分布，Mb为所有草根均倾斜45。分布，Mc为5根草根垂直分布、5根倾斜45。分布）。

采用ZJ型应变控制式直剪仪，以剪切速率0.8mm/min对不同根系分布方式的根一土复合体进行快剪试验，研究不同应力水平和土壤含水率及根系分布方式下的根一土复合体的抗剪强度变化规律。每组试验设置4个荷载，每个荷载重复3次，按土工试验规范进行，取3个重复试样破坏时最大剪应力的均值作为该荷载下的抗剪强度，绘出抗剪强度与垂直荷载的关系曲线，进而得出黏聚力和内摩擦角。

1.3 直剪试验

香根草根系一般长2-3 m，最长可达6 rri[20]。根据土力学自重应力公式，采样地2-3 m的土层自重应力为40.4 - 60.6 kPa，取垂直应力为50 kPa，按照土工试验规范，另取100、150、200 kPa 3级应力进行试验。所有试样剪切前放人直剪仪中，在300 kPa荷载下预压2h，以减小根土之间接触不紧密所造成的误差，然后分别在所设计的50、100、150、200 kPa荷载下进行快剪试验。

2 结果与分析

2.1 根系分布方式对根一土复合体抗剪性能的影响

利用重塑土进行直剪试验时，选择垂直压力为50kPa，3种根系垂直但不均匀分布和3种根系以不同空间角度均匀分布的根一土复合体，土壤含水率为18.46%，土壤干密度为1.71 g/cm，根系直径为0.6-0.8 mm，分布数目为10根，剪切速率为0.8 mm/min。

图1为不同根系分布方式的根一土复合体相对于素土的抗剪强度增长率，可以看出，在50 kPa对应的中浅层土压力下，根系均垂直分布的根一土复合体相对于素土抗剪强度的增长率大小顺序为M1（30.95%）>M2（ 25.0%）>M3（18.65%），呈现出根系越分散，根一土复合体相对于素土抗剪性能增长率越低的规律。根系以不同空间角度均匀分布的根一土复合体相对于素土抗剪强度的增长率大小顺序为Ma（ 23.81%）>Mb（ 15.08%）>Ma（ 7.54%）。原因是垂直于剪切面分布的根系主要通过提供拉力来提高复合体的抗剪强度，而相对于剪切面呈不同角度分布的根系，相当于在土体中形成一张交织的受力网，不仅在复合体受剪时提供拉力，而且将根系周围的细土粒裹缚在一起，增加土壤颗粒的凝聚力，使根一土复合体具有更好的整体性。

2.2 垂直压力对不同根系分布方式的根一土复合体抗剪性能的影响

不同根系分布方式的根一土复合体相对于素土的抗剪强度增长率随垂直压力的变化见图2。从图2（a）可以看出，根系均垂直不均匀布设的M1、M2、M3的抗剪强度相对素土均有所增大，抗剪强度增长率大小顺序为M1>M2>M3。从图2（b）可以看出，根系按不同空间角度均匀分布的抗剪强度增长率大小顺序为Mc>Mb>Ma，且在垂直压力为150 kPa时抗剪强度增长率均为负值。在设计的压力梯度下，6种含根土相对于素土抗剪强度的增长率随垂直压力的增大均呈先减小后增大但不超过前期最大值的趋势，在垂直压力为150 kPa时增长率最小。宋维峰等[21]采用数值分析方法，模拟了油松根系和黄土的相互作用也得出了相似的结论，表明根系在浅层土压力下提高土的抗剪强度作用比较明显，固土护坡效果好。

根系在土体中的分布类似于钢筋在混凝土中的加筋，但根系在土中受力时会与土体发生相对滑移，故在局部区域内，根系垂直分散分布可能会降低土体的整体性和抗剪强度。在土体中以不同空间角度分布的根系，在受力时交织成网，更易对土体形成裹缚作用，提高其抗剪切性能。根系对土体的加筋作用随垂直压力增大呈先减小后增大趋势，原因可能是一定的压力使土体与根系的黏结力加强，随着压力增大，根系与土粒间的作用力小于土粒与土粒间的作用力，从而导致根系的加筋效果削弱：随着垂直压力进一步增大，土粒发生滑移并在更稳定的位置上重新平衡，与根系形成的复合体整体性增强。

2.3 土壤含水率对不同根系分布的根一土复合体抗剪性能的影响

对设计的6种根系分布方式根一土复合体进行土壤含水率为16.46%、18.46%、22.46%的剪切试验。在50 kPa的中层土压力下，不同土壤含水率的根一土复合体抗剪强度见图3。可以看出，当含水率由16.46%增大到22.46%时，根一土复合体M1、M2、M3、Ma的抗剪强度均呈先增大后减小的趋势，含水率为18.46%时抗剪强度均为最大。素土P和根一土复合体Mb、Mc的抗剪强度随含水率增大呈现递减趋势，在含水率为16.460-/0时抗剪强度均为最大。当含水率为16.46%时，抗剪强度最大的是Mc（55.07 kPa），最小的是Ma（44.42 kPa）;当含水率为18.46%时，抗剪强度最大的是M1（56.79 kPa）.最小的是P （43.37 kPa）;当含水率为22.46%时，抗剪强度最大的是Mb（46.64 kPa），最小的是M3（24.78 kPa）。

在100 kPa的中层土压力下，不同土壤含水率的根一土复合体抗剪强度见图4。当含水率由16.46%增大到22.46%时，根一土复合体M1、M2、M3的抗剪强度均呈先增大后减小的趋势，含水率为18.46%时抗剪强度均为最大。当含水率由16. 46%增大到18.46%时，素土P和根一土复合体Ma的抗剪强度变化不明显;含水率由18.46%增大到22.46%时.P和Ma抗剪强度减小。P和Ma的最大抗剪强度分别出现在含水率为16.46%与18.46%时;Mb、Mc的抗剪强度随含水率升高呈递减趋势，最大值出现在含水率为16.46%时。当含水率为16.46%时，抗剪强度最大的是Mc（82.20 kPa），最小的是P （66.34 kPa）;当含水率为18.46%时，抗剪强度最大的是M，（ 81. 99 kPa）.最小的是P（65. 59kPa）;当含水率为22. 46%时，抗剪强度最大的是Mc（ 66.48 kPa）.最小的是M3（40.61 kPa）。

在上述两种压力条件下，当含水率由18.46%增大至22.46%时，复合体M3和Ma的抗剪强度都出现大幅减小的现象，说明在高含水率条件下M3和Ma的根系分布方式不利于土体稳定。在所设定的土壤含水率梯度下，除根一土复合体M3的黏聚力先增大后减小外，其余样本的黏聚力都随含水率的增大而减小（见表2）。在相同的含水率条件下，素土与含根土的黏聚力相差较大，内摩擦角差别不明显。这与大多数学者的试验结果相吻合。当土壤含水率从16.46%增大到22.46%时，素土P和根一土复合体Mb、Mc的内摩擦角先增大后减小，这与倪九派等[2]对重庆地区的中性紫色土进行三轴压缩试验得出的结果相符：随着含水率升高.P、Mb、Mc抗剪強度的变化趋势和黏聚力的变化趋势相同，均呈减小趋势，与Normaniza[23]、格日乐等[24-25]的室内直剪试验结论一致，这说明黏聚力对素土P和复合体Mb、Mc的抗剪性能起主导作用。随着含水率增大，根一土复合体M1、M2、Ma的黏聚力减小，其抗剪强度随内摩擦角的增大先增大后减小。

3 結论

（1）根系数量和径级相同时，在土壤天然含水率和2-3 m的土层压力下，不同根系分布方式对土体的作用效果不同。当所有根系均垂直于剪切面时，根系分布越集中，对根一土复合体抗剪强度的提升越明显。当根系以不同的空间角度均匀分布时，根系一半倾斜45°一半垂直分布的根一土复合体的抗剪强度最大，根系全部呈45°倾斜分布的抗剪强度次之，根系全部垂直的抗剪强度最小。

（2）在天然含水率条件下，根一土复合体的抗剪强度相对于素土抗剪强度的增长率随着垂直压力的增大呈先减小后增大的趋势。在2-3 m土层范围内，根系分布方式对土体抗剪强度的增强作用最明显。在所选压力层级中，垂直压力为150 kPa时，根系对土体抗剪性能的增强作用最差。

（3）在所设定的土壤含水率梯度下，随着含水率增大，土体内摩擦角先增大后减小，黏聚力总体呈减小趋势。在相同的含水率条件下，素土与含根土的黏聚力相差较大，内摩擦角差别不明显。

（4）根一土复合体的抗剪性能不仅受根系在土体中的分布方式影响，还与土壤含水率和垂直压力有关。只有在合理的含水率和压力范围中，根系的分布对土体的抗剪性能才能起到提升作用，且不同的根系分布方式对土体抗剪性能影响较大。

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