根系及裂隙角度对基材原位剪切特性的影响

2021-06-25李紫娟夏振尧沈已桐杨悦舒许文年

水土保持通报 2021年2期

李紫娟, 夏振尧,, 张伦, 高峰,沈已桐, 杨悦舒,, 肖海,, 夏栋,, 许文年,

〔1.三峡库区生态环境教育部工程研究中心, 湖北宜昌 443002;2.三峡库区地质灾害教育部重点实验室(三峡大学), 湖北宜昌 443002〕

由于国内工程不断发展与建设，形成了大量裸露的边坡，造成原有的植被破坏，导致严重的水土流失和生态失衡，加剧了自然灾害的形成，给人们的生命财产带来危害。传统护坡加固技术往往采用喷混凝土、浆砌石等护坡结构，这些虽然起到保护边坡水土流失的作用，但不利于生态环境的保护和生态环境的和谐发展[1-2]。植被混凝土是一种生态护坡技术，它既能够加固边坡，又能够与自然环境和谐发展。植被混凝土是将水泥、土、有机质、添加剂、混合植绿种子按特定比例，加一定量的水充分搅拌后形成的混合物[3]。水泥作为胶结材料，能加强植被混凝土拌和物的强度和黏聚性，有机质能增加空隙率，腐烂后能为植物提供各种养分，增加肥力，而添加剂则能改良基材性能，促进植物生长[4-5]。植被混凝土中植物主要通过根系的力学作用(浅根加筋和深根锚固)来加固边坡。

根—土复合体的抗剪强度特性研究目的主要是为了解决根系加固机理。研究表明，根—土复合体的抗剪强度与以下因素密切相关：植物的种类、含根量、土壤的含水率、干密度等[6-10]。蒋希雁等[11]利用常规三轴不固结不排水试验，通过重塑样得出，黏聚力与含水率相关，受含根量影响，并得出根系加筋效应公式。蒋必凤等[12]对草本植物进行直剪试验得出，植物根系能够显著提高抗剪切强度，其黏聚力与含根率成正相关关系，与含水率则相反，但对于内摩擦角的影响较小。以上研究主要针对重塑根—土复合体试样，且试样的尺寸较小，难以真实反映植物根系加固边坡效果。同时岩石边坡常常存在方向各异的裂隙，岩体裂隙里的水分条件要高于其他区域，干旱胁迫条件下会诱导根系的扎入生长[13]，而裂隙角度及根系对岩面基材剪切特性影响关注较少。因此，本文选用常用护坡植物狗牙根、多花木兰和植被混凝土基材所形成的根—基材复合体为对象，以无植物基材试样为空白对照，设置6种不同的裂隙角度，对试样养护90 d后，进行原位剪切试验，探讨多花木兰、狗牙根根系对植被混凝土抗剪切强度的影响，以期为水土保持与生态修复提供一定的参考。

1 试验设计

1.1 试验区状况

宜昌市位于湖北省西南部，属亚热带季风性湿润气候。四季分明，水热同季，寒旱同季。多年平均降水量1 215.6 mm，平均气温16.9 ℃。境内地貌类型多样，地势起伏大，水系发育充分，形成黄壤、黄棕壤和棕壤、红壤4个地带性土类以及紫色土、石灰(岩)土、潮土、(山地)草甸土和水稻土5个非地带性土类[14]。全市植被良好，森林资源居全省第2位，覆盖率为48.5%，生物种类呈多样性。

1.2 试验材料

选取低矮草本植物狗牙根和直立灌木植物多花木兰，这两种都是生态护坡中常用的物种。狗牙根具有发达的根茎和葡匐茎，繁殖力强，抗旱。多花木兰属于豆科多年生落叶灌木，分枝多，耐旱，根系发达，固土力强。试验土为黄棕壤，取自宜昌市区，土壤采回后迅速风干，去除杂质后过2 mm筛待用。土粒相对密度2.65，干筛后1.0～2.0 mm含量占21.34%，0.074～1.0 mm占70.39%，<0.074 mm占8.27%。根据《水电工程陡边坡植被混凝土生态修复技术规范(NB/T35082-2016)》配置植被混凝土基材，黄棕壤土样与水泥、棕树锯末、添加剂混合比例为100∶8∶6∶4，水泥采用P.C 32.5复合硅酸盐水泥。

1.3 试验方案

样地种植时间为2018年8月，试验时间为2018年11月，植物生长期为90 d。本试验采用混凝土试块代替岩体，为保证岩隙布置形式，在混凝土试块上预留大小相同、但不同倾斜程度的3行3列裂隙，裂隙角度设置成与剪切垂直方向为15°，30°，45°，60°，75°和90°的6种角度(图1)。两种植物在6种裂隙角度下共12个处理试样，对应6个无植物基材对照试样，重复3组，共54个试样。

图1 混凝土试块裂隙角度分布示意图

试验方案主要分为以下5个步骤： ①首先对试验场地进行整理，将已制备好的尺寸30 cm×30 cm×10 cm的混凝土试块放入已挖好的沟槽中，相邻试块横向间隔10 cm，纵向间隔20 cm； ②在混凝土试块上安装30 cm×30 cm×10 cm的模具以进行土壤基材装填； ③按照《水电工程陡边坡植被混凝土生态修复技术规范(NB/T35082-2016)》，对基材进行分层装填。先按照设定的干密度1.35 g/cm3，称取一定质量的基材土，在基层铺设8 cm厚度的植被混凝土，再将剩余的基材土与种子均匀混合，然后在面层平铺2 cm厚度，进行压实并拆除模具； ④最后在横向和纵向间隔的土体上插上木桩，作为标识。 ⑤期间进行撒水养护，并开展杂草清除和病虫害防治工作。因为植物都在相同的气候和自然环境下生长，所以土体的含水率基本保持一致。植物养护90 d后，进行根—基材复合剪切试验。

1.4 试验装置

本试验使用自制原位直剪仪进行试验，试验装置如图2所示。主要由机架、剪切盒、千斤顶、液压泵、数显游标卡尺，数显式推拉力计、压力传感器等部分组成。其中，剪切盒尺寸为30 cm×30 cm，并分为上下剪切盒，最大剪切位移为100 mm。进行试验时，固定在上剪切盒上的压力传感器受千斤顶作用，使上剪切盒向前推动，对试样进行剪切，并将实时推力和位移数据传递给推拉力计和游标卡尺。具体试验步骤为： ①安装原位直剪仪，对游标卡尺和推拉力计进行复位置零； ②按照标识将试样周围的土铲除，并对试样进行适当削切，保证试样的规整性，使土体与直剪盒尺寸一致； ③将试样放置在直剪盒内，调整拍摄设备支架位置，保证试验过程中能完整清晰地记录数据的变化； ④打开电源开关，控制千斤顶匀速的对试样进行剪切，当剪切位移达到最大量程时关闭电源，停止剪切； ⑤试验结束后，拆除仪器，并对试验场地清洁打扫。

图2 原位直剪仪剪切试验装置及现场剪切过程

1.5 试验数据处理

根据录制的影像，用播放器对视频每秒进行截图，读取图片中的位移数据和推拉力计数据。按照公式(1)计算抗剪强度，绘制试样抗剪强度位移曲线。

(1)

式中：Ft为在t时刻作用在剪切盒上的剪切应力(kN);τt为试样在t时刻的抗剪强度(kPa);A为试样的剪切面积A=0.09 (m2)。剪切破坏过程中，抗剪强度—位移曲线过程线顶点所对应的值即为该试样的抗剪强度。

采用Excel处理数据并绘制相应图表，利用SPSS 22.0统计分析软件对数据进行差异显著性检验(LSD法)，以p<0.05作为显著性差异水平。

2 结果与分析

2.1 根-基材复合体剪切破坏过程

根—基材复合体的剪切破坏过程呈现典型的软化特性(图3)，这与周跃等[15]有根土体达到一定位移量时，剪切应力接近零有所区别，本试验存在残余变形阶段，此时土体仍具有一定的抗剪强度，但随着剪切位移的递增，变化幅度较小。这可能与植物种类有关，多花木兰和狗牙根根系发达，根系分布范围更广。剪切初始阶段，随着剪切位移的增加，抗剪强度增长迅速，曲线呈线性增加，根系开始受力，发生弹性变形。随后速率减小，随着剪切位移的增加，逐渐达到峰值，根系网络被破坏，植物根系被拔出或者断裂。当位移继续增大时，由于未剪断的根系对剪切面上下土体的连接作用，抗剪强度—位移曲线下降相对较为平缓，随后趋于稳定。无植物的空白样，其抗剪强度在受剪后即刻便达到峰值，随后迅速下降，在一定范围内浮动，此时试样沿着破坏面发生滑移摩擦。

注：图中误差线以标准误表示。下同。

2.2 不同植物根系对植被混凝土抗剪切强度的影响

多花木兰、狗牙根根—基材复合体的抗剪强度—位移曲线明显高于空白样，抗剪强度显著提高(图3)。同一裂隙条件下，极限抗剪强度表现为：多花木兰>狗牙根>空白样(图4)。两种植物基材试样极限抗剪强度无明显性差异，但均与无植物基材试样结果存在显著性差异(p<0.05)。狗牙根和多花木兰根—基材复合体平均极限抗剪强度分别为13.58～17.75 kPa，14.71～18.66 kPa，空白样平均极限抗剪强度为10.15～10.90 kPa，抗剪强度增量为3.44～7.91 kPa。在植物生长过程中，多花木兰根系可以穿过基材伸入更深处的岩隙中，增加土体的迁移阻力，而狗牙根根系数量多，直径小，易在土中形成网状结构，因此根—基材复合体抗剪强度相较于空白样明显增加。狗牙根根系为须根系，根系数量明显多于多花木兰根系的数量，而多花木兰为直根系，根系直径较大，根系直径越大，单根抗拉力就越大[16]，提供的抗剪切力也越大，因此多花木兰增强植被混凝土抗剪强度效果更佳。

注：不同字母表示不同试样种类间差异达显著水平(p<0.05)。下同。

空白样在8～11 mm时出现峰值位移，含根试样该位移为20～36 mm，位移增量12～27 mm，平均增幅为120.33%～319.32%。同一裂隙条件下，含根土体和空白样峰值位移存在显著性差异(p<0.05)。含根土体的峰值位移相较空白样有明显延后，这与Comino[17]根—土复合体剪切位移增量为93%～1544%的结论相似。植物根系在土体中相互缠绕，构成根系网络，将土壤束缚形成具有一定强度的整体[18]。受剪时，土壤和根系之间会发生错动或有相互错动的趋势，为了抵抗剪切变形，根系被伸长，根内产生拉力，根—基材界面的摩擦作用和根系的抗拉作用在剪切过程中逐步转化为根—基材复合体的抗剪能力，延缓了基材变形破坏发生的位移[19]。而空白样一旦发生位移就意味着剪切能力的全部发挥，土壤颗粒之问的黏结作用被破坏，抗剪能力达到最大[20]。

2.3 根系在不同裂隙分布对植被混凝土剪切应力的影响

多花木兰和狗牙根根系基材极限剪切应力随着裂隙角度的增加呈先增加后减小的趋势(图5)。有根基材极限剪切应力在不同裂隙角度间存在显著性差异(p<0.05)，而对于无根基材不存在显著性差异(p>0.05)，这表明裂隙角度对于含根基材极限剪切应力具有明显影响。在角度为60°时，两者的极限剪切应力平均增幅达到最大值，角度90°时平均增幅最小。狗牙根根—基材复合体极限剪切应力增幅为33.87%～65.18%，多花木兰根—基材复合体极限剪切应力增幅为44.94%～73.65%。裂隙角度15°，30°，45°，75°，90°中狗牙根和多花木兰平均极限剪切应力增幅相比60°时增幅分别减小了24.27%，18.21%，12.23%，24.56%，31.31%；26.33%，18.65%，9.89%，20.33%，28.71%。可见岩面裂隙角度对极限剪切应力的影响是不可忽略的。有根基材的残余剪切应力则在一定的区域里波动，裂隙角度影响不明显，狗牙根—基材复合体残余剪切应力在不同裂隙角度间存在显著性差异(p<0.05)，而对于多花木兰和无根基材复合体在不同裂隙角度间不存在显著性差异(p>0.05)，残余剪切应力在一定的区域里波动。具体表现为狗牙根根—基材复合体残余剪切应力在0.5～0.7 kN范围内波动，多花木兰根—基材复合体残余剪切应力在0.6～0.7 kN之间。受根系加筋的影响，有根基材的残余剪切应力曲线总是高于较空白样有一定的增幅，狗牙根根—基材复合体和多花木兰根—基材复合体残余剪切应力平均增幅分别为4.21%～35.94%，26.65%～55.84%。

图5 不同植物不同布置情况下的极限剪切应力与残余剪切应力变化

进行生态修复时，为了保持基材在岩体上的稳定性，除了在施工时采取一定的工程措施，防止基材的脱落、滑落等问题，不断生长的植物根系还能穿过基材扎入到岩体的裂隙中，产生锚固作用，使根—基材复合体与岩体间的作用力增强，增强保持基材的稳定。植物对岩隙形态结构具有适应性，岩体的裂隙分布形式不同，根系扎入到岩体中后对基材的稳定性影响存在差异。冀晓东等[21]通过试验得出根系复合布置时对土壤的增强作用最显著，水平布置时最次。王保辉等[22]通过对3种不同根系布置形式(方形、梅花形、环形)的土体进行剪切试验得出，当根—土面积置换率较小时，布置形式对抗剪强度的影响是不同的。且当植物受剪切力时，若植物根系与剪切面成锐角，土体的抗剪强度能最大限度地增强[23]，从而使不同的裂隙分布的根—基材复合体抗剪强度存在差异。