海水入侵地区滨岸生态护坡植被抗剪性能试验研究

韩 刚，李相然，魏新力，邓 忠，刘 波，宋海龙

(1.山东正元地质资源勘查有限责任公司，山东 济南 250101； 2.烟台大学 土木工程学院，山东 烟台 264005)

过量开采地下淡水的人为作用和海平面上升气候干旱等自然因素引起地下淡水环境条件改变，造成滨岸地带海水通过多孔介质向内陆方向转移，这种海水入侵式的转移使河口海岸地区土壤含盐量增加，有机质减少，生态功能危害严重[1]。将生态护坡配套技术应用于治理滨岸地区海水入侵方面的研究较少[2]。植物和植物或工程组成的综合护坡系统是生态护坡的主要组成部分，其护坡植被根系可形成浅根加筋、深根锚固的加筋效应防止水土流失。植被加筋效应在生态护坡中研究土质、含根量以及土体含水量等方面的影响较少，使得根系和土体相互作用的机理以及根系对土体加固作用的定量化评价研究不够深入。目前海水入侵地区植被护坡应用还基本停留在定性和经验的发展阶段。

海水入侵地区常用生态护坡植被有草本、灌木和乔木3大类。其中，草本类常用植被有碱蓬、盐蒿、紫花苜蓿、芨芨草、芦苇、盐地碱蓬、扫帚、拂子茅、甘草、角草、罗布麻草本樨等；灌木类常用植被有柽柳、红砂、紫穗槐、盐穗木、梭梭、盐爪爪、白刺、小白果刺、沙棘等；乔木类常用植被有白柳、垂柳、樟子松、胡杨、旱柳、侧柏、小青杨、祁连圆柏、臭椿等。土壤中不同植物根系分布不同，根系加固土体能力也不同。根土复合体抗剪特性研究是土体与植物根系的主要研究[3]。目前，对于植物根系提高土壤抗剪切强度的主要研究是灌木植物根系和乔木植物根系的锚固作用和浅根加筋作用[4]。在土体中加入草根形成一种复合材料，将根系和土体宏观看成根土复合体[5]，土体与草根间会产生将土体的抗压强度和草根的抗拉强度结合起来的摩擦力，提高土体的强度，减小土体变形，从而起到护坡作用[6]。土壤与根系形成的根土复合体中对根系的定量作用研究，随着植被护坡的不断推广和应用已经成为很迫切的研究课题[7]。因此，探讨在提高土壤抗剪强度方面根系作用的大小，为植被固土护坡提供依据，具有重要的理论和实践意义。

1 生态护坡植被抗剪性能工作原理

柽柳具有地下根系发达、地上部分树身质量小、风的阻力小等优点，采用操作简便的直接剪切试验，对柽柳根系与土壤形成的根土复合体进行抗剪强度研究。其工作原理为：给根土复合体试样在垂直方向施加一定的垂直应力，然后对在水平方向对试样缓慢施加剪应力进行剪切。由于施加的剪应力在试验开始阶段较小，试样处于弹性平衡状态，会产生较小的变形，当水平方向上的剪应力达到某一限度时，试样变形过大土样开始破坏，土样不能抵抗更大的剪切变形，直到达到新的塑性平衡。此时，破坏时的抗剪强度就是土体抗剪强度。土颗粒之间的黏聚力和摩阻力共同组成土体的抗剪强度[8]，其计算公式如下：

τ=C+σtanφ

(1)

式中，τ为抗剪强度；C为黏聚力；σ为法向应力；φ为内摩擦角。

本文通过室内直接剪切试验，研究柽柳根系对柽柳种植地裸地土壤抗剪强度的定量影响。由于根土复合体原状土不方便带回室内进行快剪试验，且快剪试验需要采集较多的试样，在野外试验受到时间、环境条件和试验设备限制的条件下，本次试验采用制备的扰动土样进行。

2 试样采取与制备

在距离标准株柽柳50 cm处开挖1个长100 cm、宽50 cm、深100 cm的长方体坑槽，在靠近柽柳根系一侧的坑槽壁处按照每30 cm选取1个横截面，在选取的3个横截面处分别用横截面积为30 cm2、高2 cm的环刀切取无柽柳根系的原状砂质粉土试样。选取砂质粉土均匀试样、无裂缝等具有代表性的土样，此原状砂质粉土作为无根系分布的直剪试验试样。同时，在选取的3个横截面处每层再取3个重复土样，用来测定土样的干密度和含水量[9]。经过土样基本物理力学性质试验，选用的砂质粉土指标：密度2.0 g/cm3；含水率19.0%；液限24.1%；塑限15.2%；换算孔隙比为0.62；内摩擦角33.09°；黏聚力2.7 kPa。试验用土依照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)[10]扰动土样的制备程序来进行处理：首先，将土样放入烘箱在恒温110 ℃条件下烘干8 h，将烘干后的土样取出放到橡皮板上，用木碾碾散过2 mm筛；其次，取适量过筛后的烘干土，将土样铺到不吸水的铁盘内，按照设计含水量计算所需加水量，喷洒计算加水量并将水和土充分拌合均匀。其中，喷洒所需加水量计算公式：

(2)

式中，mw为土样所需加水量；m为天然土样质量；w0为天然含水率；w′为土样所要求含水率。

使用野外采集的天然土样，按照测定的天然土样含水量制备素土和加柽柳根系的根土复合体。制备素土试样根据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)进行；制备根土复合体试样，在考虑环刀的规格和自然状态下，根据柽柳根系的密度条件进行布设。由于在自然状态不同柽柳植被根系密度不同，并且考虑到环刀规格和试样制备的效果，故在每个环刀内只布设4条柽柳根系进行试验研究，根系长设计长度与环刀高度相同。直剪试验过程和试样制备均以《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)[10]为依据。试样制备情况见表1。

表1 试样制备情况

3 试验仪器及方法

研究使用DJY-4L型四联等应变控制式电动直剪仪对素土和根土复合体进行快剪试验，采用的快剪试验是测定土样预定剪切面上抗剪强度最简单的方法，试样规格为高度2.0 cm、直径6.18 cm，截面积30 cm2(图1)。

图1 根土复合体抗剪强度试验

快剪试验是在对试样施加竖向压力后，在水平方向立即以0.8 mm/min的剪切速率快速施加水平剪力使试样剪切破坏。每转动0.20 mm记录测力计读数，直到试样剪切损坏为止。一般以剪切位移达到4 mm时为剪切破坏标准，剪切破坏用时3～5 min，快剪试验近似模拟“不排水剪切”过程，试验过程中，各组试样进行快剪试验，每组试验剪切分别采用50、100、150、200 kPa的4个垂直压力做4个荷载的试样[11]，得到不同垂直压力下的剪应力。根据试验结果，通过线性回归拟合，推算出每组土样的内摩擦角和黏聚力C值[12]。根土复合体在剪应力作用下发生剪切变形时，不仅土粒与土粒间会产生摩擦作用，且土粒与根系之间也会产生，所以内摩擦角值实质是代表根土复合体的内摩擦角。

4 试验结果与分析

(1)不同含根量对根土复合体抗剪强度的影响。根据试验设计，当土样的含水率为19.4%时，柽柳根系随着质量变化的快剪试验数据结果如图2—图5所示。

图4 不同含根量对应的内摩擦角

图5 相同含根量在不同法向应力下的剪应力

由图2、图5可知，在法向应力相同的情况下，随着柽柳根系质量的增加根土复合体的剪应力先增加后减小，存在柽柳根系质量的临界含根量即峰值0.6 g/60 cm3。分析原因可知：当柽柳根系含量较小时，根系深入土体形成根土复合体，通过增大相互之间的接触面积充分发挥相互之间的摩擦作用，同时，根土复合体使土体的抗剪能力与根系的抗剪能力共同作用，约束土体在横向和轴向的变形，并且随着含根量的增大抗剪强度也增大，直到根土复合体达到临界含根量，此时抗剪强度达到一个峰值；当根土复合体的含根量超过临界含根量时，过量的自身相互交错根系深入土体，不能保证每个根系与土体充分接触，两者无法充分接触，就不能够充分发挥每根根系的加筋作用，相互错动的根系使横向约束变形能力下降，φ值和C值减弱，抗剪强度降低。并且从图5曲线的右端可以看出，剪应力呈上升趋势，曲线在纵轴截距也不断减小，这说明随着含根量的增加，土体的黏聚力C值有着不同程度降低[13]。

由图3、图4可知，当含根量在0.0 g/60 cm3～0.6 g/60 cm3～1.0 g/60 cm3变化时，C值的变化明显(2.7 kPa～47.6 kPa～30.0 kPa)，先增加后减小，且在黏聚力方面无根系土体均小于含根系土体；φ值的变化基本上保持不变，维持在33.09°～25.95°～27.94°，即30.0°左右。

(2)土体不同含水量对根土复合体抗剪强度的影响。通过分析不同含根量对根土复合体抗剪强度的影响，选取最佳含根量0.6 g/60 cm3，以含水量19.4%为中心、含水量3%左右作为间距，相应地制备5组不同含水量的试样进行试验。对每组试样中的4个试样测定含水量，取其平均值作为该组试样的含水量。含水量与对应的直剪试验数据结果如图6—图9所示。

图6 不同含水量在相同法向应力下的剪应力

图7 相同含水量在不同法向应力下的剪应力

由图6—图9可知，随着土体含水量的增加，根土复合体的剪应力和黏聚力先增加后减小，变化明显，而根土复合体的内摩擦角变化不明显，维持在30.0°左右。这是因为当土体含水量比最优含水量19.4%大或小时，在同一击实次数(25次)条件下，随土体含水量接近最优含水量，土中孔隙率变小，密实度增大，土颗粒相互之间的镶嵌能力增大，土体抵抗变形的能力增强；同时，土体与根系之间的接触表面积也增大，使土体与根系能够充分接触，根土复合体的黏聚力C值增大，抗剪强度增加。因此，在土体最优含水量的附近进行河道植物护坡防护压实和路堤植物边坡工程，可提高植物护坡稳定性[14]。

图8 含根量0.6 g/60 cm3在不同含水量下的黏聚力

图9 含根量0.6 g/60 cm3在不同含水量下的内摩擦角

(3)土体中柽柳根系不同径级对根土复合体抗剪强度的影响。通过分析土体不同含水量对根土复合体抗剪强度的影响，控制含水量为19.4%，选取根系径级分别为0.8、1.2、1.5、2.4、3.5、4.0、5.0 mm的柽柳，研究柽柳根系径级的变化对根土复合体抗剪强度的影响。直剪试验数据结果如图10—图13所示。由图10—图13可知，在法向应力相同条件下，柽柳根系的加入可提高土体的抗剪强度，而且随着竖向压力的增大，抗剪强度提高的幅度更大。一般来说，土壤根系固土包括根系本身固土能力和土壤与根系形成复合有机整体2个方面，即根系的存在能将周围土颗粒凝聚在一起，同时周围的土颗粒可以将根系层层包住，将根系锚固在土壤中，产生显著的加筋作用，增加土体的黏聚力，提高土体的抗剪强度。同时，从图10可看出，随着根系径级的增大，根土复合体的抗剪强度也提高；但是，当根系径级超过某一极限时，根系则会对土体的抗剪性能产生负面影响，即降低土体的抗剪强度、影响根系自身的生长和发育[15]。

图10 不同竖向应力下不同根系径级的抗剪强度曲线

图11 根系径级与扰动土的黏聚力的关系曲线

图12 根系径级与扰动土的内摩擦角根系曲线

图13 不同根系径级下扰动土抗剪强度关系曲线

当土体的含水率、密度和体积一定时，根据图10、图11，对比柽柳根系不同径级对土体抗剪强度的影响，分析内摩擦角φ和黏聚力C的关系曲线可看出，在一定程度上，根土复合体的黏聚力C值随着根系径级增大而增大，二者成正相关。C值在根系径级为3.5 mm时呈最大；当根系径级大于3.5 mm时，C值逐渐减小。分析其原因，认为是根系与土体之间的结合随着根系径级的增大而变弱，造成根土复合体的抗剪强度下降。

通过根系质量变化与根系径级相对应的质量变化对比可知，内摩擦角φ值的变化和黏聚力C值的变化基本相符，说明存在最优含根量，即在最优含根量以下时，抗剪强度与根系质量呈正相关；但最优含根量以上时，抗剪强度与根系质量呈负相关。

5 结论与建议

5.1 结论

(1)根系与土体形成根土复合体，在一定程度上能够提高土体的抗剪强度，改善土体的力学特性。较均匀的含根系土体抗剪强度也符合摩尔—库仑强度曲线，并且根土复合体的黏聚力C值均高于无根系土体的黏聚力C值，内摩擦角φ值变化规律不明显。

(2)根土复合体的抗剪强度随含根量的增加而增大，但当根系含量达到一定数值时，超过此数值的根土复合体抗剪强度随含根量的增加有下降趋势，即存在最佳含根量。

(3)在最优含水量的条件下，根土复合体的黏聚力和剪应力达到最大值，因此，在土体最优含水量的附近进行河道植物护坡防护压实和路堤植物边坡工程，可提高植物护坡稳定性效果。

(4)在一定程度上，根土复合体的抗剪强度随根系径级的增大而增大；但当根系径级达到一定数值时，超过这个数值极限，则随着径级的增大其抗剪强度逐渐减小。

(5)通过根系质量变化与根系径级相对应的质量变化的对比可知，内摩擦角φ值的变化和黏聚力C值的变化基本相符，说明存在最优含根量，即在最优含根量以下时，抗剪强度与根系质量呈正相关；但最优含根量以上时，抗剪强度与根系质量呈负相关。

通过以上试验的对比，发现柽柳根系的采用不仅对边坡的表层土具有一定的加固作用，而且柽柳植被可以改善生态环境，有利于生态护坡的稳定。

5.2 建议

(1)将生态护坡植被应用于治理滨岸地区海水入侵，其根土复合体提高土体抗剪强度的研究是综合性研究，本文只是研究灌木种类柽柳根系对土体抗剪强度的影响，在实际工程应用中，需要各种乔木、灌木和草本综合混播，其混播情况对根土复合体抗剪强度的影响有待于进一步深入研究。

(2)植物在不同的生长发育阶段，其根土复合体存在显著的时空特征，根与土相互作用的力学特性或根对土的增强作用效果不同，因此，植物不同生长期的根土复合体相互作用力学特性需要深入研究评价，以确定其对加固边坡的贡献。

(3)为提高生态护坡技术在治理海水入侵方面的效果，其植物护坡技术除考虑植物本身外，还应考虑影响边坡稳定性的地形、气候、地质和水文条件等自然因素。