宿迁市道路边坡主要乔木刺槐根系固土力学特性研究

何新原，吴胜坤，罗东志，蔡丹丹

（1.苏交科集团检测认证有限公司，江苏 南京 210000；2.江苏宿迁交通工程建设有限公司，江苏 宿迁 223800；3.宿迁市高速铁路建设发展有限公司，江苏 宿迁 223800）

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于江苏省北部的宿迁市，地理坐标范围为33° 8′～ 34° 25′ N，117° 56′～ 119°10′E，总体呈西北高、东南低的格局，最高点海拔高度为71.2m，最低点海拔高度为2.8m。研究区属于暖温带季风气候区，年均气温14.2℃，年均降水量910mm，年均日照总时数2291h。无霜期较长，平均为211d，初霜期一般在10月下旬，降雪初日一般在12月中旬初，积温5189℃，全年作物生长期为310.5d。受季风影响，年际间变化不大，但降水分布不均，易形成春旱、夏涝、秋冬干天气。

1.2 根系形态指标测定

选取3株4年生刺槐采用整株挖掘法进行挖掘，根据刺槐根系的生长规律，挖掘深度为60cm，从表土向下每隔10cm分层采集根样，去除根系表面上附着的杂质和土壤颗粒，取样后装入写有编号的自封袋中并放入装有干冰的保温箱内，然后对其根系表面进行冲洗，去除表面浮土与杂物。之后，对根部长段、根部表面积、重量、体积等与固土性能密切相关的参数进行测量。而对于一些常规手段难以准确测量的参数，可以利用高精度扫描设备对其根系进行扫描测量，并采用WinRHIZO 2009a系统进行根系形态学指标的分析。

1.3 根系抗拉强度测定

在测定根系抗拉强度时，首先要对试样进行选取标记。因为太细小的根表面积、体积过小，且容易折断，所以在挑选时只将直径大于0.3mm的刺槐单根作为实验对象。之后，根系直径每多出0.1mm就分为一级，每级至少选取30个实验根进行拉伸实验。除了实验根直径，对于其长度也有一定要求。长度要为70mm，且是要从根系中端进行截取。每隔15mm对实验根进行1次标记，每根标记5处，之后利用游标卡尺测量标记处的根系直径并记录下来，要注意的是，为降低测量误差，在对标记处进行测量时要注意正交方向上量取2次。对测量得出的根系直径求得平均值，记作D。准备工作完成后，使用YG(B)026H-250型织物强力机（精度为0.01，最大拉力量程2500N）开始拉伸试验。将选取测量完毕的实验根竖直放于强力机上，上下夹具固定后启动强力机。将拉伸速率设置为500mm/min，直至实验根被拉断。根系在由开始拉伸到拉断的过程中，拉伸传感器配合计算机每隔0.01s记录1次拉力大小与拉伸量变化并自动生成变化曲线。之后根据如下公式得出抗拉强度与根系直径之间的关系。

式中：P为抗拉强度，MPa；F为抗拉力，N；D为根系断裂处直径，mm。

1.4 刺槐根土复合体抗剪强度测定

在对根土复合体进行抗剪强度测定时，需要用到原位剪切试验装置ZJ型四联应变控制式直剪仪，如图1所示。

图1 ZJ型四联应变控制式直剪仪

该设备可以模拟并自动采集植物在根土复合体原位剪切时受到的水平拉力、剪切力，同时，直剪仪会将采集到的拉力与位移以动态关系曲线的形式展示出来。需要注意的是，直剪仪在运行时，滑轨与剪切盒之间会存在滑动摩擦力，对实验结果有一定干扰，需要利用以下公式进行排除：

式中：Fj为剪切力，N；Ft为剪切装置施加的拉力，N；Ff为剪切装置运行产生的滑动摩擦力，N。

求得素土和根-土复合体剪切面处的剪切力后，根系抗剪强度公式如下：

式中：T为抗剪强度，kPa；Fj为剪切力，N；A为剪切面积，cm2。

1.5 数据处理与分析

研究所得试验数据均采用Excel数据处理软件、SAS9.0和SPSS22.0数据分析软件进行处理。

2 结果与分析

2.1 根系形态参数

对道路边坡刺槐根系分布的调查表明，刺槐属于水平根系植物，根系主要分布于10～40cm土层范围内，没有垂直向下生长的主根。其中，根径范围在5～10mm的根系在全部根系中占比最大，约占52%，根径范围在1～2mm的根系占比次之，约占33%。同时，根系的数量并没有随着其直径的增加而增加，符合毛细根与细根生长过程中的差异性。根系形态参数如根生物量、根长、根体积和根数量是反映植物地下部分生长的重要指标，是根系生长发育的最直接体现。

2.2 根系抗拉特性

根系的平均直径为6.61±1.89mm(平均值±标准误差)，抗拉试验测得样品的抗拉强度为7.57～78.6MPa。植物根系直径在0.5～6mm范围时，随着单根直径的增加，其极限抗拉强度也不断加强，并在α=0.01时存在最为明显的正相关关系，且以幂函数规律递增。单根极限抗拉力均值为316.28N，而单根极限抗拉强度随直径的增大而减小，直径在0.3～0.5mm的细根具有较大的极限抗拉强度且以对数函数递减，单根极限抗拉强度与直径的复相关系数小于0.5。当直径在0.5～6mm时，单根极限抗拉强度均值为（35.47±16.17）MPa（平均值±标准误差），当直径在代表根径级0.5～1.5mm时，单根极限抗拉强度均值为55.46MPa，平均极限抗拉强度亦随着径级的增加呈减小的趋势，这在ANSYS进行模拟分析时得到了验证，该区域内此次测试的刺槐根系的平均抗拉强度为32.61MPa，能产生显著的加筋作用。在一些研究其他种类植物根系抗拉特性时，植物细根与毛根也具有较强的抗拉强度[3]。通过翻阅已有的研究，笔者发现当毛根直径在1mm以下时，对固化土壤、增强土壤抗冲性能有十分明显的作用[4]。随着根系直径的增加，拉力峰值也不断上升，且其变化趋势具有显著的幂函数规律。而抗拉强度的变化分布则较为离散，随着直接的增加有一定下降的迹象。

2.3 根土复合体抗剪特性

首先测得试验用土的含水量为10.86%，密度为1.53g/cm3。在选取刺槐根系时，对于根系所处土层也应有所规定。此次研究中，所取样本均来自10～40cm深度的土层，该层次是土体固持作用最为明显的密集分布层，可以通过土力学相关公式求得此层中根系的自重应力约为6.25kPa（40cm深度）。再根据具体的实验要求，确定其余两级压力为50kPa与100kPa。

实验时，以土工相关规范为准，设定剪切速率为0.08mm/min。一组实验中需要做4个荷载，单个荷载中又需要做3个平行与3个重复的抗剪强度值，并取平均值作为对应荷载下的剪应力。之后再根据实验数据求得黏聚力与内摩擦角，分别用C与φ表示。需要注意的是，土粒与土粒、土粒与根系之间都存在摩擦力，故内摩擦角的实质是复合体的内摩擦角。素土和刺槐根-土复合体抗剪强度与垂直荷载的关系如图2所示。

图2 素土和刺槐根-土复合体抗剪强度与垂直荷载的关系

根据图2可得出，由素土与刺槐构成的根-土复合体，其抗剪强度的变化与垂直荷载的变化呈线性正相关，其中素土的正相关系数为0.9900，而土-根复合体的相关系数为0.9985，这说明利用直线回归法拟合抗剪强度的效果更好，这与库伦强度公式的内容τ=c+σtanφ是相吻合的。因而，可以利用摩尔-库伦强度破坏准则对根-土复合界面的黏聚力、内摩擦角、摩擦系数进行推断。通过实验结果计算得出，抗剪强度值素土为15.6kPa，刺槐的根-土复合体为36.2kPa。植物根系具有固持土体的作用，其机制之一是根系的存在改变了土的力学性能，提高了土体的抗剪强度，故植物固土主要通过根系固土来实现[5-6]。

3 结束语

研究表明刺槐根系在土壤中可以形成具有一定抗剪强度的“生物桩”，刺槐根-土界面与土-土界面的剪切特性相似，均符合摩尔-库伦理论，且根-土结合面抵抗位移的能力大于土-土界面。刺槐根系具有较高的抗拉强度，能够对土体产生有效的约束和加固作用，提高土体的抗剪切强度，有效增强坡面的稳定性和抗侵蚀能力。由此可以得出，刺槐根系的力学特性与形态结构特征的结合是具有优良护坡能力的，且结合宿迁市当地气候特点，得出刺槐是道路边坡防护水土保持树种的理想选择。