石質陡邊坡薄層含根土體抗剪強度試驗研究

盧荻秋，孫海龍，李紹才，龍 鳳，羅 雙，王云翔

(1．四川大學水利水電學院，四川成都610064;2．四川大學水力學與山區河流保護國家重點實驗室，四川成都610064;3．四川大學生命科學學院，四川成都610064)

植被護坡是一種利用植物根系固土作用穩定邊坡淺層土壤的技術，同傳統的土木工程相比，植被護坡在發揮作用的同時，具有土木工程措施所無法比擬的優點:植被護坡能夠迅速恢復由于工程建設所破壞的生態環境，保持生態間的平衡;植被護坡造價低，經濟性較工程措施護坡優越［1］。植被護坡一方面通過根系與土壤間的附著力，對邊坡的表層起加固作用［2］，另一方面植物根系通過錨固土層，并與土層形成復合體來提高土體的抗剪強度［3－4］。目前，對植被護坡的應用還處于定性和經驗發展階段，理論研究落后于工程實踐［5］。國內外學者對林木根系固土護坡機制的研究主要是針對不同的土壤及不同的植物根系進行直接剪切或拉拔試驗［6－9］。目前對植被護坡的應用雖已很廣泛，但在石質陡邊坡生態防護方面，針對植被根系固土護坡定量作用的研究還較少［10－12］。筆者以生長于人工陡邊坡的刺槐根系為研究對象，將根系與土壤視為一個整體，即根土復合體，通過室內直接剪切試驗對根系－土壤抗剪強度進行了定量分析，并探討在陡邊坡薄層土壤生境條件下，刺槐根系對周邊土體抗剪強度在空間上變化的影響。本研究旨在探討不同深度土壤抗剪強度與根系補強之間的關系，為解決現代石質陡邊坡生態護坡技術中土壤穩定問題提供有效的依據。

1 試驗概況

試驗地位于四川省彭州市升平鎮(103°53'E、30°59'N)。試驗邊坡(坡向S)是人工模擬石質邊坡，坡度60．61°，坡長4．5 m，坡面由砂巖石板砌成。基質用植壤土(土壤類型為紫色土)與TBS 綠化基材按重量比10 ∶1 混合，采用干噴法噴射(12 m3空壓機、5 m3/h 混凝土噴射機)至試驗坡面，坡面土壤噴射厚度為20 cm。基質混合物的密度為1．07 g/cm3。本試驗用刺槐根系，供試種于2005年6月播種，抗剪切試驗時間是2009年5月，此時刺槐高3～5 m。

取樣前將取樣區土體澆水至飽和(測定土壤的飽和含水率約為36%)，以刺槐莖干為中心，在半徑50 cm 范圍內取樣，分上、下坡位和土體上層(距土體表面垂直距離為0～10 cm)、下層(距土體表面垂直距離為10～20 cm)，各取環刀樣5 個(60 cm3環刀);選取相對獨立的刺槐植株3 株，無植物土體1 處，試驗共計取環刀土樣70 個。將含根土樣分上、下層分別編號1—30。直剪試驗結束后，將環刀土樣稱重，并稱量烘干土中清洗出的根系，求取環刀土樣中的含根量。以含根量和土樣所處空間位置作為主要影響參數進行根土復合體抗剪強度的研究。試驗按照相應的試驗規程操作，嚴格控制土樣的含水量，使土樣含水量盡量靠近其飽和含水量。試驗測得含根土體的濕密度為1．35 g/cm3。

本次試驗所用設備為南京土壤儀器廠生產的ZJ 型應變控制式直剪儀。剪切時垂直荷載采用50、100、200、300、400 kPa五個等級，量力環率定系數為1．688。

對每一個試樣進行剪切后，可以得到5 個不同垂直壓力下對應的抗剪強度，用抗剪強度τf(kPa)和相應的垂直壓力σ(kPa)繪制抗剪強度線，依據庫侖公式(τf=c +σ·tanφ)可以得出每個試樣的的黏聚力c(kPa)和內摩擦角φ(°)。直剪試驗過后，對每一個環刀試樣的土樣進行稱重，用配置的NaOH 溶液將根洗凈，晾干，用電子天平稱重，將根放入烘箱烘干，最后稱量其干重。采用以下公式計算含根量(以千分比計)

式中:Mr為復合體含根量，‰;R 為復合體含根的質量，g;G 為復合體的質量，g。

2 試驗結果分析及討論

通過直剪試驗，根據不同垂直壓力與對應的抗剪強度值繪制環刀土樣的抗剪強度曲線，通過曲線斜率以及與Y 軸的交點得出對應的黏聚力c 和內摩擦角φ 值，結果見表1。

表1 土體抗剪強度指標

2．1 土層上下層、上下坡位含根量比較

由試驗取樣的各環刀土樣含根量統計，結果如圖1 所示。

圖1 土層上、下層含根量統計

(1)土層上層含根量與下層含根量的比較。對3 株刺槐周邊土層上下兩層的含根量進行統計比較，分別采用配對樣本T檢驗分析(在T 檢驗中，P≤0．05 時，差異顯著;P ＞0．05，差異不顯著，余同)。1#植株上坡位上層和下層P 值為0．899，下坡位上層和下層P 值為0．181;2#植株上坡位上層和下層P 值為0．474，下坡位上層和下層P 值為0．381;3#植株上坡位上層和下層P 值為0．660，下坡位上層和下層P 值為0．345。由此可知，土壤上下層含根量不存在顯著差異。

(2)土層上坡位含根量與下坡位含根量的比較。對3 株刺槐周邊土層的上、下坡位含根量進行統計比較，分別采用配對樣本T 檢驗分析。1#植株上、下坡位上層P 值為0．413，下層P值為0．352;2#植株上、下坡位上層P 值為0.445，下層P 值為0．670;3#植株上、下坡位上層P 值為0．994，下層P 值為0．291。由此可知，植株周邊土壤上、下坡位的含根量(根徑≤2 mm 的根系含量)不存在顯著差異。

2．2 含根量對土體抗剪強度指標的影響

根據表1 的試驗數據，對根土復合體抗剪強度指標與含根量作相關性分析可知，根土復合體含根量(0～2 mm)與抗剪強度指標呈冪函數關系，函數關系式為

c=AxB

φ=CxD

式中:x 為含根量;A、B、C、D 均為參數，通過試驗可得到。本次試驗中，A=14．50，B=0．288，C=27．47，D=0．035。

試驗結果表明:僅從含根量這個方面(忽略其他因素)來看，可得出含根量與黏聚力及摩擦力的關系:含根量的變化對土壤的黏聚力c 值有很大的影響，對內摩擦角φ 值影響相對較小。隨著含根量的增加，含根系土相比于無根系土，抗剪強度大大提高了，含根量與黏聚力的關系并非呈線性。總體來說，一方面，由于根系的加入，土體的黏結度增加，相互間的摩擦力加強，從而提高了土的黏聚力;另一方面，由于受根系生長條件、環境等眾多因素的影響，土的內摩擦角變化不明顯。

2．3 不同深度土體抗剪強度差異

在含根量不存在明顯差異條件下，對上、下土層抗剪強度進行比較分析，由試驗數據可得圖2—7。

采用配對樣本T 檢驗對不同層面土體的抗剪強度進行分析，結果表明:對于1#植株，下坡位上、下層土體的抗剪強度之間不存在顯著性差異(P 值為0．507);上坡位上、下層土體的抗剪強度之間也不存在顯著性差異(P 值為0．993)。對于2#植株，下坡位上、下層土體抗剪強度之間不存在顯著性差異(P 值為0．133);上坡位上、下層土體抗剪強度之間存在顯著性差異(P 值為0．021)。對于3#植株，下坡位上、下層土體抗剪強度之間不存在顯著性差異(P 值為0．052);上坡位上、下層土體抗剪強度之間也不存在顯著性差異(P 值為0．559)。

對試驗成果進行相關性分析可以看出，在一般情況下，對于石質陡邊坡薄層土壤，在基本飽和的情況下，上、下層土壤的抗剪強度不存在顯著差異。由此可認為，空間位置差異對于石質陡邊坡薄層含根土體抗剪強度沒有顯著影響。

2．4 不同坡位土體抗剪強度差異

在含根量不存在明顯差異的條件下，對上、下坡位土體的抗剪強度進行比較分析，由試驗數據可得圖8—13。

圖8 1#植株上、下坡位上層抗剪強度

試驗結果采用配對樣本T 檢驗對不同坡位抗剪強度進行分析，分析結果為:對于1#植株，上坡位上層土體抗剪強度和下坡位上層土體抗剪強度之間不存在顯著性差異(P 值為0.595)，上坡位下層和下坡位下層土體抗剪強度之間不存在顯著性差異(P 值為0．395)。對于2#植株，上坡位上層抗剪強度和下坡位上層抗剪強度之間不存在顯著性差異(P 值為0.226)，上坡位下層抗剪強度和下坡位下層抗剪強度之間不存在顯著性差異(P 值為0．248);對于3#植株，下坡位上層抗剪強度和上坡位上層抗剪強度之間不存在顯著性差異(P 值為0.974)，上坡位下層和下坡位下層抗剪強度之間不存在顯著性差異(P 值為0．312)。

對于石質陡邊坡薄層含根土壤，土層的空間位置對其抗剪強度沒有顯著影響，因此對其的抗剪強度研究可以依據試驗的要求取樣，不考慮空間位置因素影響。

3 結 語

通過對石質陡邊坡人工噴射薄層土壤、栽種刺槐條件下的根土復合體進行直剪試驗，研究了陡邊坡含根量、土層深度、坡位與抗剪強度的影響關系，得出主要結論如下:①含根土壤的抗剪強度比素土抗剪強度有所提高，根系的加入能提高石質陡邊坡土壤的抗剪強度;②根系對土壤的內摩擦角影響較小，對黏聚力的影響較大，但隨著含根量的增加，黏聚力的增加有減小的趨勢;③對于石質陡邊坡薄層土壤，不同土層深度及不同坡位的土壤須根(直徑≤2 mm)含根量沒有顯著的差異，可認為在陡邊坡含植被的薄層土壤中須根的分布較為均勻;④在含根量相差不明顯的情況下，石質陡邊坡薄層土壤不同土層深度、不同坡位的抗剪強度亦沒有明顯差異。因此，在石質陡邊坡薄層土壤的穩定性研究中，可以不考慮空間位置因素對抗剪強度的影響，而對于厚度較大的陡邊坡土層其空間位置對抗剪強度的影響還需進一步研究。

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