草灌植物根系对煤系土加固效果研究

2020-10-11郑明新杨继凯

北京交通大学学报 2020年4期

黄钢，郑明新，董旭，彭晶，杨继凯

(1. 华东交通大学土木建筑学院，南昌 330013；2. 黄冈师范学院建筑工程学院，湖北黄冈 438000)

煤系土富含亲水性强的高岭石、绿泥石等次生黏土矿物，是一种风化速度较快、黏结能力差、遇水易膨胀软化、结构易破坏的特殊土，在我国南方山区或丘陵区均有分布[1].煤系土等一些特殊地质边坡，在工程建设过程中遇到的越来越多[2].煤系土边坡在降雨时容易水土流失，容易形成大的冲沟；煤系土边坡遇到季节降雨后极易出现表层滑塌和浅层破坏，给工程建设和运行带来了巨大的威胁[3].因此，研究煤系土边坡水土流失及浅层稳定性非常必要.文献[4]以广州至梧州高速公路沿线煤系土边坡为研究对象，分析了不同含水率条件下煤系土抗剪强度及其影响规律，发现含水率对煤系土黏聚力的敏感度极高.文献[5]通过原位及室内实验研究了广东云浮地区粉状煤系土抗剪强度指标与不同含水率之间的关系，建立了降雨入渗的煤系土裂隙和风化边坡稳定性数学模型.文献[6]借助瞬态非饱和渗流软件分析了降雨入渗条件下含裂隙煤系土边坡稳定性影响.文献[7]利用离散颗粒流对江西省萍乡地区高速公路沿线分布的煤系膨胀土三轴试验进行了数值模拟，从细观角度研究了煤系膨胀土的宏观力学特性和剪切位移场的形成和发展规律.文献[8]通过环境扫描电镜技术分析了煤系土分形维数、孔隙度分布与孔隙率的关系，研究了不同含水率状态下粉状煤系土的微观结构.文献[9]基于弹塑性接触有限元强度折减法研究了煤系土路堑边坡浅层稳定性.文献[10]研究了煤系土土-水特征曲线在干湿循环条件下的变化规律.

近年来，越来越多的煤系土浅层防护采用生态护坡技术，因生态护坡技术具有减少边坡水土流失、成本低、改善环境保护等方面的优势[11-12].江西省南昌至萍乡高速公路沿线分布大量煤系土边坡，并且煤系土边坡浅层采用草灌植被防护，而目前对于植被根系对煤系土边坡浅层稳定性的研究报道较少.因此，本文作者结合昌栗高速沿线煤系土边坡草灌植被防护进行研究，对煤系土浅层草灌根系分布特征参数变化进行定量分析，对不同草灌根系含量对不同含水率煤系土抗剪强度参数和基质吸力的变化规律进行了试验研究.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

昌栗高速K211草灌边坡为两级边坡，坡比为分别为1∶1.25和1∶2.边坡高度约为8 m，土体主要为煤系土，煤系土物理化学指标见表1.该边坡地处赣西地区，属于中亚热带季风性湿润气候.夏季占全年降水量的40%，五月中旬至七月中旬为梅雨季节，地区年平均降水量约1 603 mm，月最大降水量约165 mm.降雨量大且集中，对边坡稳定产生不利影响.为了加强煤系土边坡的浅层稳定性，路堑边坡防护采用人工草灌植被防护形式.

1.2 根系分布

该边坡植被为狗牙根、香根草草本植物和多花木兰的灌木植物混播相结合(见图1)，草本植物一级边坡覆盖率高，二级边坡覆盖率低；灌木植物在边坡两端覆盖率相对很小，中间覆盖率相对较高.根据根系形态的分类[13]，狗牙根和香根草根系分布类型符合M型.根系大多数的根系直径小于2 mm，须根系发达，和土壤结合较好，有利于土壤的加固.多花木兰的根系分布类型符合VH型，主根发达，侧根丰富且大多数直径大于2 mm，有利于边坡的稳定和抗风.

1.3 试验材料选取

本试验选取生长3年草灌植被的根-土复合体，测定抗剪度强指标.取样方法：边坡上根据草灌根系多少选4个取样地(草灌根系较少、较多、非常多、无草灌)，在样地上选取含狗牙根、香根草和多花木兰植物原状土，割除样地里狗牙根、香根草和多花木兰3种植物地上茎叶部分.选取在15 cm×15 cm范围内根含量分别为1根系(含1株多花木兰和较少的草本狗牙根与香根草)、2根系(含2株多花木兰和较多草本狗牙根、香根草)和3根系(含3株灌木多花木兰和非常多草本狗牙根、香根草)与无根系(草灌植被根系为0根)的原状煤系土.

在15 cm×15 cm范围内距坡面0～10、10～20、20～30、30～40 cm处采用原状土取样钎采集根系样品，每层3个样品.利用根系样本来测量根系分布特征参数.通过原状土取样钎收集根样，放入直径0.25 mm的土壤筛中，用水冲洗，然后放入样品储存袋中.使用WinRHIZO(Pro.2004c)根系分析软件扫描根长、根表面积、平均直径和根体积.最后将根置于一个包膜中，在105 ℃下干燥48 h，以获得根生物量.根分布特征参数根据Fu等[14]研究得到根长密度RLD(根总长度/原状土取样钎体积)、根重量密度RWD(根总重量/原状土取样钎体积)和根表面积密度RSAD(根总表面积/原状土取样钎体积)3个参数.

挖取15 cm×15 cm ×5 cm煤系土试样.煤系土天然含水率在5%～11%之间，雨后含水率在 13%～20%之间，故按照 GB/T 50123-1999《土工试验规程》[15]要求设计制作含水率w为5.5%、8.5%、11.5%、14.5%、17.5%、20.5%的6组试样.先将测定原状土含水率，试样的含水率调整至设计含水率，按测定含水率和原状土计算蒸馏水用量，试样共制备 24组，每组 3个试样.将制备好的试样静置2 h后，采用STJY-5土工合成材料直剪仪完成直剪试验，见图2.

基质吸力的测定设备采用日本PF土壤水分特征曲线仪，型号为DIK-3403，基质吸力测量范围为0～1 500 kPa.加压设备为自动调压器和空气压缩.本试验利用轴平移技术来控制基质吸力，气压分阶段施加，平衡后得到由基质吸力和含水率组成的数据点，最后根据实测数据绘制脱湿状态下的土-水特征曲线.

2 试验结果与分析

2.1 植物根分布特征

3种植物根系分布特征参数在不同深度的变化见图3.

3种含根量的分布总体上随着煤系土体深度的增加而减少.由图3(a)可知，在深度为0～40 cm土层范围内，平均根长密度最大的是3根系为1.02 cm/cm3，其次是2根系为0.55 cm/cm3，最小的是1根系为0.35 cm/cm3.3根系、2根系的平均根长密度分别是1根系的1.56、2.88倍.1根系在0～40 cm土层的的总根长密度占所有土层的总根长密度的89.19%，2根系占比75.12%，3根系占比56.13%.由图3(b)可知， 3根系重量密度为0.45 g/cm3，在深度为0～40 cm土层范围内分别是2根系(0.21 g/cm3)、1根系(0.10 g/cm3)的2.05、4.45倍.由图3(c)可见，土体表层(0～10 cm)的明显大于其他土层.根表面密度明显随着煤系土深度的增加而减少.在深度为0～40 cm土层范围内，3根系平均根表面密度(0.13 cm2/cm3)分别为2根系(0.07 cm2/cm3)、1根系(0.04 cm2/cm3)的1.75、3.16倍.基于以上的分析可以看出，根分布特征随着煤系土根含量的增大而增大.

根据Hamid 等[16]提出的非饱和土的抗剪强度公式，即

τf=c′+(σ-ua)tanφ′+

(1)

式中：τf为非饱和土的抗剪强度；c′和φ′为有效应力强度参数；σ为正应力；μa为孔隙气压力；μw为孔隙水压力；σ-ua为净法向应力；ua-uw为基质吸力；θ、θr、θs分别为土体的当前含水率、剩余含水率、饱和含水率.

由式(1)可知，非饱和土的抗剪强度与强度参数c′与φ′、基质吸力ua-uw和含水率有关.所以，下面将研究不同含水率条件下植被根系对边坡土体抗剪强度参数和基质吸力的影响.

2.2 剪应力-剪位移关系

无根和3根系试样的剪应力与剪位移关系曲线见图4.由图4可知，试样剪应力随着剪位移的增加而增加，剪应力与剪位移关系曲线显示出非线性关系. 随着剪应力的增加，试样应变软化增量迅速增加.含水率w越大，剪切强度越小.说明随着含水率的增加，试样从“变硬”到“变软”的变化趋势.含水率对煤系土强度产生明显的影响.含有3根系与无根系试样的剪应力与剪位移关系曲线相比，含有3根系试样达到最大抗剪强度时的应变和残余抗剪强度明显大于无根系的.说明草灌植被根系加大了原状煤系土的强度，这主要是因为草灌植被根系自身具有较高的强度，需要较大的剪切力来剪断根系.同时植被根系与煤系土颗粒之间存在较大的摩擦力.

无根和3根系试样的抗剪强度与垂直压力关系曲线见图5.由图5可见，抗剪强度与垂直压力相关系数都在0.95以上.随着含水率的增大，抗剪强度呈现先增大后减小的规律，峰值对应的含水率为11.5%.同时，当含水率从14.5%增加到17.5%时，抗剪强度显著减小，说明存在界限含水率，使抗剪强度明显降低.

2.3 不同含水率根系煤系土的抗剪强度参数变化规律研究

为了研究含水率变化对植被根系煤系土抗剪强度参数变化规律，通过对24组共72个试样进行直剪试验，测得样本不同含水率和根含量影响下的抗剪强度参数，实验结果见图6.

由图6(a)可知，所有试样的黏聚力表现出明显一致的变化趋势.含根煤系土黏聚力随着含水率的增大总体呈减小趋势，但变化趋势具有阶段性.当含水率从5.5%增加到15.5%时(靠近在最优含水率时)，曲线梯度较为平缓，黏聚力缓慢减少；当含水率从15%增加到20.5%时，曲线梯度较大，黏聚力显著降低.平缓曲线梯度对应的平均黏聚力(25.01～36.49 kPa)是较陡曲线梯度时平均黏聚力(9.11～14.39 kPa)的2.49～2.59倍.说明存在一个界限含水率，即煤系土强度具有软化特性.这可能是由于土的含水率增加到界限含水率后，煤系土颗粒间的胶结物将开始被溶蚀，颗粒胶结作用逐渐丧失.同时在含水率一定时，黏聚力随着根含量的增加而增大，平均黏聚力由大到小依次为3、2、1、无根系，值分别为29.12、25.43、23.04、19.17 kPa.相对在无根平均黏聚力，3根系平均黏聚力提高了1.47倍，2根系提高了1.29倍, 1根系提高了1.16倍.从图6(b)可见，内摩擦角对含水率和根含量的响应效果不明显，摩擦角不随含水率和根含量的变化而变化，而是集中在一定范围内波动.

2.4 草灌植被根系对土壤基质吸力变化影响

非饱和土力学理论认为，基质吸力是研究非饱和状态土体的抗剪强度的核心，在煤系土浅层边坡，忽略土壤基质吸力变化的影响，会低估边坡浅层稳定性.通过对试验土样，采用轴平移技术分别测得不同根含量煤系土的基质吸力与饱和度，得到的土-水特征关系曲线见图7.

由图7可知，不同根含率的煤系土的土-水曲线呈倒S形，在不同的基质吸力段表现出不同的特性.在吸力小于进气压力值，根-土复合体处于饱和状态，含水率随基质吸力的增大变化很小.当吸力大于进气压力值且小于残余饱和度所对应的吸力值，根-土复合体进入快速失水状态.在吸力大于残余饱和度对应的吸力值，根-土复合体含水率随基质吸力的增大无明显变化，煤系土的含水率不随吸力的增加而变化.

进气值随着根含量增加而减小，而残余饱和度对应的吸力随着根含量增加而增大.这种现象存在主要原因可以从根-土复合体的微观结构来看，根系纤维细胞能改变土壤物理特性，促进土壤从松散结构向团粒结构转变，团粒结构之间形成大孔隙，从而土体的吸力减少，排水较快；植物根系纤维细胞对土壤的作用，增加了土壤的微生物活性，有机物分解形成了亲水性矿物成分，从而残余饱和度较大.

土水特征曲线的拟合采用Gardner模型[17]函数，即

(2)

式中：Se为根土的饱和度；Sr、Sn分别为煤系土的残余饱和度、最大饱和度；a为与进气值有关的参数；n为拟合参数；ψ为压力水头.

拟合的土-水特征曲线参数见表2.由表2可见，相关系数都在0.91以上.

表2 土-水特征曲线拟合参数

非饱和土的渗透特性是土中孔隙水和孔隙气两种流体的运动规律.目前对非饱和土的渗透系数一般利用土-水特征曲线，引入土-水特征参数得到.本文根据Gardner的渗透模型，得到含根煤系土渗透系数与基质吸力的关系式

kw=awkws/[aw+bwcw(ua-uw)]

(3)

式中：kw、kws分别为非饱和土的渗透系数、饱和土的渗透系数；aw、bw、cw为土体系数，分别取1 000、0.258、1.7.

渗透系数与基质吸力关系曲线见图8.由图8可见，4种试样的渗透系数和基质吸力曲线形态上具有很好的相似性，当基质吸力小于进气压力值时，所有试样的渗透系数接近于饱和渗透系数；当基质吸力大于进气压力值时，土的渗透系数随着基质吸力的增加而减少.含根煤系土的渗透系数小于无根煤系土.渗透系数随着根含量的增加而增大，且具有阶段性.当基质吸力小于1 kPa时，曲线梯度较小，渗透系数变化较小，但不同根含煤系土的渗透系数的差距较小；当基质吸力大于1 kPa时，曲线梯度较大，具有明显的线性关系.

3 讨论

1)草灌植物根系对煤系土加固作用.

干湿循环导致的浅层破坏是煤系土的环境问题之一，影响着边坡稳定和昌栗高速的正常通行.由于南方春夏暴雨频繁，在暴雨过程中煤系土坡面出现侵蚀和巨大的土壤流失.大量的研究证实，植物根系具有减少径流和土壤流失的潜力.通过本文研究结果可知，草本植物狗牙根和香根草细根(d<2 mm)根系与灌木植物多花木兰粗根(d≥2mm)可以增加煤系土黏聚力.这是由于根径越大，根系越深，根土界面摩擦力就越大，进而对土壤的摩擦锚固作用就越强[18].草本植物狗牙根须根(d<1 mm)还可以阻止土壤颗粒的分散，提高土壤的抗侵蚀性，从而保证煤系土边坡的稳定性.在浅层，由于植被的潜在蒸腾作用和错综盘结的根系力学作用,提高了煤系土边坡的耐冲性和抗侵蚀性.

2)草灌植物根系对煤系土抗剪强度的增强作用.

文献[19]研究发现，降雨入渗使煤系土的含水率显著增加，土粒间的黏结性降低，从而降低了黏聚力，这也是煤系土边坡在降雨条件下易发生滑坡的原因之一.本文得到含根系煤系土边坡黏聚力大于无根边坡，从而根系增加了煤系土土体的抗剪强度，该研究成果与文献[20]的研究结论一致.本文所测定的含根煤系土的黏聚力比无根黏聚力的增加了16%～47%，小于文献[21]研究的根系对土壤的黏聚力增加值.造成不同的原因可能是煤系土和寒冷冻土的不同土壤类型、气候状况对草灌植物根系固土效果的影响所致.笔者发现草灌根系土体的黏聚力随着根含量的增加而增大，与文献[11]中植被的抗剪强度的研究结论一致.分析原因，可能与土和植物的种类、土壤含水等水文条件不同有关.

3)煤系土壤渗透性随着草灌植物根系变化的特性.

煤系土边坡在降雨作用下稳定的影响取决于土坡的渗透系数.研究发现草灌植物根系能增大土体渗透性能，在降雨条件下，根系对边坡土体影响与文献[22-23]的研究结果一致，根系在土体中生长使土体疏松，从而使得土体渗透系数增大.草、灌植物根系对土体渗透系数的提高作用均存在显著差异，说明根系提高土体的土体渗透系数因植物种类而异.其中，土壤渗透系数随着根含量的增加而增大.推测的原因可能是由于根系错综盘结、纵横交错贯穿于煤系土土体中，同时具有团聚构造和团粒结构，增大了边坡土体的孔隙率，这需要结合植物根系微观结构做进一步分析.