干湿交替下苜蓿根系对黄土抗剪力学性能影响

展 鹏, 张超波, 张 强, 冯潇慧, 丁 阳, 蒋 静

(太原理工大学 水利科学与工程学院, 太原 030024)

黄土区土地以丘陵山地为主[1],存在农业单一经营、广种薄收、粗放耕作等问题,同时,乱垦滥挖现象较为严重,形成了“越垦越穷,越穷越垦”的恶性循环。目前,黄土区水土流失存在面积广,强度大,速度快的特点,造成部分区域千沟万壑、光山秃岭的景象[2]。水土保持措施主要有植物措施、工程措施以及植物与工程相结合措施。植物措施是目前提高边坡稳定性,防治水土流失最基础、高效的办法[3],不仅施工便利、造价成本低,而且具有生态调节作用及绿化观赏价值。

植物保持水土的作用主要分为水文效应与力学效应。植物通过地上茎叶部分削弱雨水冲刷,地下根系部分通过自身抗拉力以及根土间的摩擦锚固作用,与土体紧密粘结,对土体进行加筋,使其抗剪性能得以提升,地上地下作用相结合,可提高边坡整体稳定性[4]。植物根系在固土护坡方面的作用已得到许多学者的关注与认可[5]。根系力学固土作用是其提升土体剪切强度,实现水土保持作用最主要的原因[6]。然而,黄土具有孔隙大、遇水易湿陷等性质,使得黄土内部结构易发生破坏[7]。在降雨、蒸发和地下水位的升降作用下,黄土会处于干湿交替状态。干湿交替影响土壤渗透性和抗剪性能[8]。已有学者在干湿交替对土体抗剪特性影响方面进行了初步探究[9-11]。Mao等[12]通过量化干湿交替前后压实黄土的物理及力学特性发现,土体经历一定干湿交替次数后,其孔隙增加、孔隙比升高、干密度及抗剪强度有所下降。付理想等[13]通过分析对比原状黄土与重塑黄土在干湿交替条件下其渗透特性变化规律,发现两种状态的黄土在干湿交替作用下其孔隙结构均发生变化,土体渗透特性也随之改变。刘宏泰等[14]选择重塑黄土进行室内三轴压缩试验,研究发现重塑黄土抗剪强度、黏聚力、内摩擦角在经历首次干湿交替作用后降幅最大,且均与干湿交替次数呈负相关关系。但是,目前缺乏干湿交替循环状态下根系对土体抗剪力学效应影响规律的研究。

植物根系固土的力学效应受多种因素影响,分析量化根系对土体力学性能影响是植物护坡方向研究的重点难点。Wu等[15]基于库伦理论建立了最初的根系固土力学模型;随后Pollen等[16]把根系断裂视为一个动态过程,并基于此建立纤维素模型;在此基础上Schwarz等[17]考虑根系拉伸应力应变关系发展了纤维增强模型;此外还有以土体剪切位移为基础建立的强度模型[18]以及考虑根-土界面粘结效应的根土复合体抗剪强度极限估算模型[19]。这些模型对根系和土体相互作用机理进行了深入探究,但由于模型参数的复杂性,其应用在工程实践及数值计算中难以实现,因此Wu模型仍是当前适用性最广的根系固土模型,但在实际应用中应对Wu模型中参数进行修正[20-22]。

针对以上情况,本试验以黄土区典型草本植物苜蓿根系为研究对象,采用室内直剪试验,研究干湿交替条件下根系对黄土抗剪力学性能的影响,分析抗剪特性与干湿交替作用、根系尺寸、土体容重与土体含水率等影响因素的关系,并结合Wu模型评估根系对土体抗剪特性的增强作用,研究结果对干湿交替下根土间受力关系和边坡稳定性研究及评估具有重要意义,可为处于干湿交替状态下的黄土区生态建设和工程建设提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验区太原市位于山西省中部地区及晋中盆地北部地区,平均海拔约800 m,地理坐标为北纬37°27′—38°25′,东经111°30′—113°09′。太原市为暖温带大陆性季风气候。夏季湿热多雨,冬季干冷漫长,春季升温急剧,秋季降温迅速,春秋两季短暂多风,干湿季节分明。年平均气温9.5℃,1月平均-6.5℃,7月平均21.5℃。降雨主要集中在7—9月,年平均降水量约为470 mm。

1.2 样品采集与制备

1.2.1 根系采集 在试验区内选取生长周期3个月,长势良好的苜蓿植株。采用水冲法开挖苜蓿根系并进行根系形态调查。利用中晶ScanMaker i800 plus扫描仪和LA-S系列植物根系分析仪(杭州万深检测科技有限公司),扫描根系形态,得出根系直径、根系长度等数据。将采集的苜蓿根系冷藏于-4℃的冰箱内以保证根系的鲜活性与完整性,便于后期室内直剪试验、单根拉伸试验以及单根拉拔试验的进行。

1.2.2 土样采集 试验所用土样取自山西省太原市。用容积为100 cm3(底面积20 cm2,高度5 cm)的环刀按品字形分布采集距表面20 cm左右深度处的原状土壤,挖取足量原状土壤,密封带回室内风干并碾碎,过2 mm筛待用,风干后的土样一部分用于直剪试验,另一部分用于测定土壤理化基本性质。经测定土样类型为砂质壤土。

1.2.3 重塑土的制备 选取完整无损的根系修剪成所需长度备用;将土样分层装入试验盒内,当土样压至第二层后放置根系,共填4～5层(根据设计的试验水平控制试样容重与含水率),并用试验机以50 mm/min速度压实,每层之间进行抛毛;为了使根系与土体更好地粘结,将试样静置24 h后进行试验。

1.3 室内直剪试验

干湿交替下室内直剪试验主要研究根系尺寸(根径和根长)、土体容重及土壤含水率等因素在干湿交替下对含根土体抗剪特性的影响。根据以往研究显示,根系尺寸、容重对土壤抗剪强度均为单调影响[23-25],因此本试验在363个样本数的基础上,设置根系直径3个水平:小于0.5 mm,0.5～1.0 mm,大于1.0 mm,分别编组D1,D2,D3;根系长度3个水平:40,60,80 mm,分别编组L1,L2,L3;土体容重3个水平:γ1,γ2,γ3(1.2,1.3,1.4 g/cm3)(研究区野外实测土体容重范围为1.15～1.4 g/cm3);土体含水率设定采用含水率饱和度(含水率饱和度是指通过试验测量出各容重土体饱和质量含水率,以此含水率饱和度为100%,根据土体容重选取饱和度按8%阶梯递减变化控制水平的变化量),控制4个水平ω1,ω2,ω3,ω4(24%,32%,40%,48%)。根据以往研究显示,干湿交替一次对土体抗剪强度影响最大[8,14,26],且本试验为突出干湿交替条件下各因素对黄土抗剪强度影响,因此本试验设置干湿交替次两个水平:0次、1次。

本试验干湿交替过程是通过浸泡增湿,烘箱减湿的方法来实现。将试样浸泡至饱和含水率,时间为3～4 h,此过程为一次增湿过程;将吸水饱和的试样放入托盘内,置于设定温度为40℃烘箱内,烘干至初始含水率状态,时间为6～10 h,此为一次减湿过程。至此,完成一次干湿交替过程。将完成干湿交替的试样垂直放入直剪仪,然后将垂直应力分别为0,0.75,1.5,2.25 kPa所对应的砝码放于土体顶部,进行有附加应力的剪切试验。启动电推杆使其以3 mm/s的速度匀速推动剪切盒至土体发生完全剪切破坏,剪切盒上部与下部完全分离视为剪切过程结束,并记录其抗剪强度数据。

土抗剪强度是指土体抵抗剪切破坏的极限强度[27]。其抗剪强度计算公式为:

(1)

式中:τ为含根土体或素土抗剪强度(kPa);F为水平推力(N);A为剪切截面积(mm2)。

1.4 Wu模型

本文以Wu模型为理论依据,按下式计算苜蓿根土复合体的根系附加黏聚力值(Cr):

(2)

通过对比根系抗拉强度与抗拔强度,探讨其合理性,再与试验实测根系附加黏聚力值对比,提出Wu模型优化建议。

1.5 单根拉伸试验

室内单根拉伸试验研究最大抗拉力和极限抗拉强度与直径的变化规律,试验得出的平均抗拉强度用于根系固土模型预测。试验中对苜蓿根系采用50 mm/min匀速加载速率,标距设定50 mm。选取优良根样,除去须根,选取长度均为10 cm的根系试样。测量单根直径。使用SH-20艾德堡数显式推拉力计(量程为20 N,分度值为0.01 N,精度±0.5%)并调整电动立式单柱测试机至设定标距,固定根系。进行拉伸试验。选取正常拉断数据记录其抗拉力。

1.6 单根拉拔试验

室内单根拉拔试验研究根系直径与抗拔强度特性关系。选取长度为10 cm、根径均匀的根系,设定土体容重1.3 g/cm3,土体含水率32%,试样根径为范围0.31～0.73 mm。试验所得苜蓿抗拔强度用于Wu模型估算根系附加黏聚力中。测量单根直径,将其埋入土体。制备完成的含根土体试样静置3 h以保证根系与土体更好地粘结。使用SH-20艾德堡数显式推拉力计以50 mm/min的恒定加载速度进行拉拔试验,测得其最大抗拔力。

1.7 数据分析

本文采用SPSS 26软件进行显著性水平检验和双因素方差分析,分析影响黄土抗剪力学性能指标各因素水平的作用差异。通过Excel绘制图表,图中标注的不同小写字母代表各因素不同水平下抗剪强度指标的显著性差异(p<0.05)。

2 结果与分析

2.1 干湿交替下土样直剪试验破坏形态

未干湿交替与干湿交替一次后,容重1.3 g/cm3素土与含根土试样,在含水率为32%时完成直剪试验的表观形态存在一定差异。未干湿交替素土试样剪切后,土体完整,表面平整密实,无孔隙裂纹出现;干湿交替一次后,素土试样表面出现碎屑,并产生较小孔隙或裂纹;相同含水率和容重的含根土试样,未经历干湿交替试样表面平整密实,无孔隙裂缝;干湿交替一次后,土体表面开始脱落,出现明显孔隙;与素土相对比,经历干湿交替的根土复合体形态完整度明显优于素土,由此可见,干湿交替下,根系具有一定的加筋固土作用。

2.2 干湿交替下含根黄土抗剪力学性能与根系尺寸的关系

试验发现,干湿交替及根系尺寸对黄土最大抗剪强度的影响极显著(p<0.01)(表1)。含根土体最大抗剪强度与根径、根长成正比,根径越大、根系越长其抗剪强度越大(图1)。并且,根径和干湿交替对抗剪强度的交互影响极显著(p<0.01),而根长和干湿交替对抗剪强度的交互影响不显著(p>0.05)。对于不同级别的根径含根组来说,干湿交替一次后,含根土体抗剪强度显著低于未干湿交替土体(p<0.01)。D1干湿交替一次后,最大抗剪强度由11.34 kPa减少到9.71 kPa,降幅为14.31%。但D1最大抗剪强度降幅远小于D2(25.85%)与D3(26.85%)组含根土体;可以看出,干湿交替作用对含细根土体的劣化程度较小。由此可以推测,干湿交替下,细根根系固土效果优于中、粗根根系固土效果。干湿交替下,根长对土体抗剪强度也有显著影响(p<0.01)。不同根长下含根土体最大抗剪强度差异显著,且根系越长抗剪强度越大。在干湿交替下,L1最大抗剪强度显著小于L2,L3,说明中长根根系固土效果优于短根根系。

图1 干湿交替下黄土抗剪强度与根系长度(A)和根系直径(B)的关系Fig. 1 Relationships between loess shear strength and root length (A) and root diameter (B) under alternate wetting and drying

表1 根系尺寸与抗剪强度方差分析Table 1 Analysis of variance between root size and shear strength

2.3 干湿交替下含根黄土抗剪力学性能与土壤容重关系

试验发现,干湿交替和容重对黄土抗剪强度影响极显著(p<0.01)。并且,干湿交替和容重对土体抗剪强度的交互影响显著(p<0.05)(表2)。黏聚力、内摩擦角和抗剪强度均与容重呈正相关关系,土体容重越大,其黏聚力越大,根系附加黏聚力越大,内摩擦角和抗剪强度也越大(图2)。但随着干湿交替作用的影响,土体黏聚力、内摩擦角和抗剪强度又均发生不同程度的劣化,其主要原因为土体在增湿过程中,土体颗粒间大小及间距改变及其联结作用被破坏,导致其黏聚力强度劣化,抗剪强度减弱。而干燥减湿过程又使土体基质吸力增大,土体经历吸湿膨胀与脱水收缩变形,其孔隙数量不断增加,使土体内摩擦角在干湿交替作用下整体劣化。但劣化程度远小于黏聚力,可见干湿交替作用对抗剪强度的影响主要为影响其黏聚力,而对内摩擦角影响较小。且与无根组对比发现,有无干湿交替影响,含根土体的黏聚力、内摩擦角和抗剪强度均大于无根土体。说明根系的存在能增强土壤黏聚力,并且增加土体的内摩擦角,从而提高边坡稳定性。

图2 干湿交替下黄土黏聚力、内摩擦角、抗剪强度与容重的关系(A无根组;B含根组)Fig. 2 Relationships between cohesion, internal friction angle, shear strength and soil bulk density of loess under alternate wetting and drying (A. group without root; B. group with root)

表2 容重与抗剪强度方差分析Table 2 Analysis of variance of bulk density and shear strength

未干湿交替时,各容重含根土体黏聚力分别为12.14,14.12,15.48 kPa,无根组黏聚力分别为9.25,10.12,10.84 kPa。含根土体经历干湿交替后,各容重土体黏聚力分别为9.98,10.47,12.33 kPa,显著低于未干湿交替的土体(p<0.01),但仍大于无根土体黏聚力。未经干湿交替的各容重含根土体试样内摩擦角分别为23.75°,24.23°,24.70°,无根组内摩擦角为23.27°,23.75°,23.76°,干湿交替一次后,含根土和无根土内摩擦角均减小,但下降幅度远小于黏聚力,且含根土体内摩擦角仍大于无根土体。未干湿交替的各容重含根土体抗剪强度分别为12.64,14.63,15.99 kPa,无根土体抗剪强度为9.77,10.63,11.33 kPa,含根土体抗剪强度显著大于无根土体。干湿交替一次后,含根土体抗剪强度降低到10.45,10.95,12.83 kPa,无根土体抗剪强度也同样降低,但含根土体抗剪强度仍大于无根土体。

2.4 干湿交替下含根黄土抗剪力学性能与土壤含水率关系

试验发现,干湿交替及含水率对含根土体抗剪强度影响极显著(p<0.01)。并且,干湿交替和含水率对含根土体抗剪强度的交互影响也极显著(p<0.01)(表3)。相同干湿交替次数下,抗剪强度和黏聚力均随含水率的增加呈先增加后降低的趋势。试验过程中,抗剪强度和黏聚力在含水率为ω2时达到最佳;干湿交替后,抗剪强度和黏聚力明显衰减,不同含水率含根组减幅分别为27.31%,25.85%,24.96%,24.13%,初始含水率饱和度越低,干湿循环幅度越大,导致干湿交替一次后抗剪强度和黏聚力降幅越大。而内摩擦角随含水率的增加大体呈降低趋势。并且在相同含水率条件下,未经干湿交替作用的含根土体内摩擦角显著大于干湿交替后的含根土体(图3)。内摩擦角在干湿交替作用下明显劣化,同时饱和度24%和32%间土体内摩擦角差异不显著,32%与40%间也未发现显著性差异,但饱和度为48%时根土复合体内摩擦角显著降低,在饱和度为24%,40%与48%间,发现显著性差异。究其原因可能是含水率对内摩擦角的影响无确定规律,不同试验条件、根系条件、土体性状导致试验结果各异。

图3 干湿交替下含根黄土黏聚力、内摩擦角、抗剪强度与土壤含水率关系Fig. 3 Relationships between soil moisture content and cohesion, internal friction angle and shear strength of loess with roots under alternate drying-wetting conditions

表3 含水率与抗剪强度方差分析Table 3 Analysis of variance between soil moisture content and soil shear strength

2.5 根黏聚力估算与Wu模型优化

室内拉伸试验研究苜蓿根系不同根径范围内根系抗拉力学特性。试验表明,随根径的增加,根系最大抗拉力增加,平均最大抗拉力10.04 N;抗拉强度与根径呈负相关关系,平均抗拉强度113.09 MPa(图4)。抗拉特性与根径拟合为幂函数回归方程为:抗拉力F=28.445D1.1064,R2=0.4181,p<0.05;抗拉强度P=36.217D-0.894,R2=0.3191,p<0.05。

图4 苜蓿根系抗拉特性、抗拔特性与根系直径关系Fig. 4 Relationships between root tensile characteristics, root pullout characteristics and root diameter

室内拉拔试验试样根系平均直径0.56 mm,所有试样根系均拔出,无拔断。抗拔力随根径增加而呈幂函数增加(F=19.324D1.4346,R2=0.94,p<0.05);抗拔强度随根径增加而呈幂函数减小(P=24.604D-0.565,R2=0.72,p<0.05)。平均抗拔力8.61 N,平均抗拔强度35.21 MPa。

在苜蓿根系自身抗拉性能及其抗拔特性研究基础上,分别采用单根抗拉强度与抗拔强度来计算根系所带来的固土效果,并与实际根系增强土体抗剪强度效应对比[28]。本试验中测得,容重为1.3 g/cm3,根径范围0.5～1.0 mm、未干湿交替根系实际附加黏聚力仅4.00 kPa。但是,若以在重塑土体条件下的苜蓿根系拉伸试验的结果〔加权抗拉强度(Tr)80.96 MPa〕为基础,Wu模型计算公式得到根系理论附加黏聚力为6.09 kPa,对植物根系的固土值高估达52.25%,而在同样条件下以单根拉拔试验的结果〔加权抗拔强度(Tp)34.00 MPa〕为基础,Wu模型理论根系附加黏聚力为5.56 kPa,固土效果与实际值相差39%,优化后模型拟合准确度提升了13.25%。弥补了目前Wu模型仅基于土体剪切破坏时根系的拉伸断裂破坏进行考虑,未考虑根系拔出等破坏方式的缺陷。但由于本研究需控制根系尺寸以及土体含水率等以及试验条件的局限,采用重塑土进行根系埋置的研究方法,无法完全模拟真实条件下根系与土体之间的粘结效应。因此,针对植物生长过程的固土效应仍需探索与研究。而且对于Wu模型的优化,应该充分考虑土体性质等其他因素以及它们之间的相互作用,才能更好地提高其模拟精确度。

3 讨 论

土体抗剪强度主要与土体类型、粒径级配、容重、含水率等有关因素相关[29];而含根土体中植物根系所附加的抗剪强度,则主要与根系类型、根面积比、根长密度、根系拉伸特性等有关[30]。由此可见,影响根土复合体抗剪强度的因素众多,余冬梅等[23]通过灰色关联法评价后发现,与含水率、根重密度、根长密度相比,容重对其影响程度最大。干湿交替作用会影响土体结构、对其容重等也有一定影响,二者效应交互,导致其抗剪强度变化。

本试验研究发现根土复合体在干湿交替作用下,吸水膨胀脱水收缩变形,土体颗粒大小及间距改变,联结作用被破坏,导致其表面变得粗糙、松散、易脱落,并出现不均匀裂隙。且随着干湿交替作用的影响,土体黏聚力,内摩擦角和抗剪强度均发生不同程度的劣化,这与曾召田等[26]的研究结果一致;干湿交替下,根系尺寸显著影响根土复合体抗剪特性,根长越长、根径越大,其抗剪强度越大。且在干湿交替作用下,细长根根系固土效果优于粗短根根系固土效果。这与杨路等[24]的研究结果一致;这主要是因为细根与土壤颗粒更能充分接触,在剪切时可以产生更大的摩擦力,并且细根也具有更强的柔韧性[25]。试验发现,含水率与干湿交替作用显著影响含根土体抗剪特性。相同干湿交替次数下,抗剪强度随含水率的增加,呈先增加再降低趋势;初始含水率越低,干湿循环幅度越大,导致干湿交替后黏聚力和抗剪强度降幅越大,这与甘凤玲等[31]的研究结果一致。但含水率波动对含根土体内摩擦角影响无确定规律。

为进一步研究植物根系在干湿交替作用下对土壤抗剪性能影响,以及对Wu模型的改进展开更深入的研究,在未来的研究中需进一步探究不同干湿交替次数对黄土抗剪强度的影响,不同种类植物根系含根原状土体在干湿交替下根系的力学性能规律,并且在Wu模型的基础上,探寻出适用于不同破坏条件下的根系固土模型。并且需考虑到植物的种植方法、种植密度以及不同植物的选择等方面对根系固土效率的影响。

4 结 论

(1) 根土复合体在干湿交替作用下,表面变得粗糙、松散、易脱落,并出现不均匀裂隙。经历干湿交替后,根土复合体黏聚力、内摩擦角均降低,土体最大抗剪强度也随之减小。

(2) 干湿交替下,根系尺寸、土体容重、土壤含水率均对根土复合体抗剪特性有显著影响。干湿交替下,根长越长、根径越大,其抗剪强度越大;在一定范围内,根土复合体极限抗剪强度、黏聚力、内摩擦角与土体容重呈正相关关系;含水率与干湿交替作用均显著影响含根土体抗剪特性,相同干湿交替条件下,抗剪强度随含水率的增加,呈先增加再降低趋势;相同含水率水平下,进行干湿交替土体的抗剪强度指标显著低于未进行干湿交替的,且初始含水率饱和度越低,干湿循环幅度越大,干湿交替后黏聚力降幅越大。

(3) 根系理论附加黏聚力为6.09 kPa或5.56 kPa,与实测根系附加黏聚力4.00 kPa相比,Wu模型估算结果与实际值相差甚远。原因为除了根系自身性质(根系尺寸、生物成分等)对根系固土效率有重要影响外,土体本身的性质如容重、含水率以及干湿交替作用等也紧密影响着含根土体的抗剪强度。而Wu模型仅考虑了根系本身的影响因素(根面积比、根系抗拉强度),而实际上根土相互作用为一个复杂的动态过程,该模型并未考虑全面。