土壤含水量和压实度对植被护坡加固效果的影响

吴 凤

(深圳市深水水务咨询有限公司，广东 深圳 518021)

1 概 述

高强度降雨往往会引发塌方、滑坡等事故，是造成边坡失稳的主要因素之一[1]。深圳市多年平均降雨量1 935.8 mm。2020年，深圳市年降水量1 581.8 mm，较常年偏少18.3%，降水量呈现“东南多、西北少”分布。特殊的地理位置导致深圳市多发季风，强降雨时间长，局部地区暴雨频发，从而也导致全市水土流失面积不断增大。调查研究显示，2020年深圳市水土流失总面积58.02 km2，占比达到区域面积的2.35%，水土流失总量为20.74×104t。因此，边坡上的植物不仅可以美化道路景观，恢复受损的生态环境，还起到加固边坡、减少水土流失的作用[2-3]。一方面，植物茎叶可以拦截雨水[4]，从而可以通过减少到达坡面的降雨量及雨滴初动能，来削弱降雨对边坡的侵蚀作用；另一方面，植物根系不仅可以有效控制和减少水土流失，同时也提高了土壤的抗剪强度[5]。

目前，关于植被护坡加固机理，国内外的研究[6-7]均处于基础探索阶段。植物根系不规则分布在土壤中，形成了相对稳定的锚固系统，从而导致植物根系对边坡起到加固作用。同时，植物根系随着时间的增加会进行再次发育，其对边坡起到的加固作用会加强。植被护坡已得到公认，并已在工程中得到应用。现有的植被护坡研究大多是从植物生态效应[8]、植物保护技术[9]和植物根系特性[10]等方面进行的，很少从根系的锚固功能方面进行研究。本文采用三轴剪切试验，通过在土样中加入绳索来模拟植物根系的加固效果，来研究土壤含水量和压实度对植被护坡加固效果的影响，同时分析根系的锚固作用和锚固机理，研究成果对合理利用根系的锚固作用、开发护坡新途径具有非常积极的意义。

2 试验材料与试验方法

选择深圳市不同降雨强度区域作为研究对象，根据现场调查，设计土壤含水量分别为9%、14%、19%、22%和24%。土样的干密度是通过重压实试验确定的，分别为75%、80%、85%。需要植被加固的边坡一般为土质边坡，因此本文选取粉质黏土进行试验研究。基本物理性质见表1。

表1 土质边坡(粉质黏土)的基本物理性质

不同植物的根系性质有很大差异。植物根系的抗拉强度为0～100 MPa,弹性模量为100～6 000 kPa，塑性变形为2%～3%。为了增加试验的准确度，本文根据实际根系参数，采用相同植物材料制成的绳索加入到土样中以模拟根系。其平均直径为2.49 mm，平均抗拉强度为30.29 MPa，极限伸长率为7.01%，与普通植物根系一致。现场调查显示，植物的主根与坡面的夹角相似(45°+φ/2)，试样中的剪切破坏面与绳索的夹角相似，则试样中绳索的布置如下：将土样中绳索分为两个水平段，每一水平段距试样端部1/3，每一水平段有两段呈十字形。

3 试验结果

3.1 土壤含水量和压实度对有根土壤应力-应变的影响

不同土壤含水量(WC)和压实度下，有根土壤和无根土壤主应力差(PSD)与轴向应变(AS)之间的关系曲线见图1-图6。从图1-图6中可以看出，在土壤含水量相同时，无论植物根系加固作用是否存在，土壤压实度均显著影响着主应力差(PSD)。这是因为土壤压实度每增加5%，主应力差峰值显著增加，低含水量土壤的表现趋势更为明显。

图1 PSD-AS曲线(WC=9%，有根)

图2 PSD-AS曲线(WC=14%，有根)

图3 PSD-AS曲线(WC=14%，无根)

图4 PSD-AS曲线(WC=19%，有根)

图5 PSD-AS曲线(WC=19%，无根)

图6 PSD-AS曲线(WC=22%，有根)

通过对比图2与图3、图4与图5的试验结果可以得出，当植物根系加固后，主应力差呈现显著增加的趋势，特别是土壤含水量达到14%左右时。当土壤含水量达到14%以及土壤压实度分别为75%、80%、85%时，有根土壤的主应力差分别增加10%、15%、20%。

3.2 土壤含水量和压实度对有根土壤黏聚力的影响

图7和图8分别为有根土壤和无根土壤样品的黏聚力(CH)随土壤含水量(WC)的变化曲线。从图7-图8中可以看出，无论植物根系加固作用是否存在，土壤黏聚力均会在土壤含水量为14%时达到峰值，而后土壤黏聚力呈下降趋势。

同时，土壤压实度也影响着土壤黏聚力的变化。随着土壤压实度(CP)的增加，土壤黏聚力表现出显著提高的趋势，尤其是当土壤含水量较小时表现更为明显。

比较有根土壤和无根土壤的黏聚力可以看出，当土壤压实度较大时，土壤中的根系可以大大提高土壤的黏聚力。当土壤压实度为75%时，土壤中根系的影响较弱；当土壤压实度为85%时，根系对土壤的影响更大。

图7 CH-WC曲线(无根)

图8 CH-WC曲线(有根)

3.3 土壤含水量和压实度对有根土壤内摩擦角的影响

图9和图10分别为有植物根系和无植物根系时土壤样品的内摩擦角(IFA)随土壤含水量的变化曲线。从图9和图10的对比结果可知，无论植物根系加固作用是否存在，土壤的内摩擦角均随土壤含水量的增加而减小；并且土壤含水量越大，土壤内摩擦角减小的速率越快。主要是因为土壤含水量越大越接近饱和状态，孔隙水的润滑作用就会越强。

通过对比图9和图10的实验结果可以看出，植物根系的加固作用可以有效提高土壤的内摩擦角。尤其是在土壤含水量较小、土壤压实度较大的情况下，提高效果更为显著。随着土壤含水量的增加，植物根系对土壤内摩擦角的加固作用却在不断减小。

图9 IFA-WC曲线(无根)

图10 IFA-WC曲线(有根)

4 结 论

本文采用三轴剪切试验，通过在土样中加入绳索以模拟植物根系的加固效果，分析了根系的锚固作用和锚固机理，研究了土壤含水量和压实度对植被护坡加固效果的影响。结论如下：

1) 当植物根系加固后，主应力差呈现显著增加的趋势，特别是土壤含水量达到14%左右时。

2) 无论植物根系加固作用是否存在，土壤黏聚力均会在土壤含水量为14%时达到峰值，而后土壤黏聚力呈下降趋势。

3) 随着土壤压实度(CP)的增加，土壤黏聚力表现出显著提高的趋势，尤其是当土壤含水量较小时表现更为明显。

4) 无论植物根系加固作用是否存在，土壤的内摩擦角均随着土壤含水量的增加而表现出减小的趋势。