黃土區紫花苜蓿根系對土體抗剪性能的影響

周 霞， 魏 楊， 李東嶸， 蔣 靜， 張超波

(太原理工大學水利科學與工程學院，030024，太原)

近年來，隨著我國經濟的不斷發展，城鎮建設的不斷優化，交通基礎建設的不斷擴大，人們在基礎工程建設中加劇了對邊坡的破壞，誘發了一系列新的地質災害[1]。邊坡的不合理改造和開挖造成了地表植被破壞，加劇水土流失，同時對地質構造較弱和在坡度較大的地方，還會造成不同程度的山體滑坡和崩塌，給人們的生活帶來嚴重危害；因此，加快邊坡植被恢復，提高邊坡穩定性，減少水土流失，是現階段急需解決的問題。常見的水土保持措施有工程措施和植物措施[2]。工程措施指的是以保持土體穩定和截排水的建筑工程防護措施，如梯田、護坡、截水溝；植物措施指的是通過保護和合理利用水土資源，采用林草植被措施進行綠化，減少地表土壤侵蝕的一種防護措施。植物措施已經廣泛地應用到邊坡固土，提高淺層邊坡穩定性。植物措施根土護坡的原理是通過利用植物根系與土壤相互纏繞以增加土壤間的固結力，改變土壤之間結構，形成根土復合體，提高邊坡穩定性和抗沖刷性[3]。采用這些措施使水土流失得到一定的改善，但很多地區出現土壤含水量低、土壤干層，造成植被衰敗或退化的新現象，且在林地比灌草地表現得更明顯；因此，灌草成為化解水資源-生態環境矛盾，進行水土流失防治的優先選擇。很多學者通過研究認為根土間相互作用能提高土體的抗剪強度[4-9]，這些研究中較多地關注植物類型為喬木[10-11]、寒旱環境灌草植物[12-13]，對黃土區草本根系與土體抗剪性能關系研究較為缺乏。筆者對黃土區草本根系-土復合體進行原位剪切試驗，研究不同深度、不同土壤含水量下根土復合體抗剪強度和剪切位移之間的關系，并分析剪切深度對根土復合體抗剪性能的影響，研究結果對于研究不同深度下根土間力學摩擦關系和提高邊坡穩定性具有重要意義，可為邊坡固土和水土保持提供理論依據。

1 試驗區概況

試驗區太原位于E 111°30′～113°09′，N 37°27′～38°25′。最高海拔為2 670 m，最低海拔為760 m，地區地貌形態復雜多樣，大部分地處黃土高原，有豐富的粉沙質土壤，即黃土，該土體疏散，易被水沖刷，抗沖散力差；太原年均降雨量約為456 mm，四季降雨不均，多集中在7、8月份，占全年降雨量的60%，雨季降水量多，強度大，易形成大雨和暴雨，這些因素造成了水土流失。紫花苜蓿(Medicagosativa)枝葉茂盛，根系發達，根系主要集中在深度0～30 cm土壤中，在該范圍內的須根占總量的一半以上[14]，能提高土體的抗沖刷能力[15]。紫花苜蓿地表部分能攔蓄和緩解地表徑流對土壤的沖刷，須根多，能與周圍土體緊密纏繞，固土能力強，在黃土高原地區具有顯著的水土保持效果[16]。

2 材料與方法

2.1 剪切試樣制作

試驗在太原理工大學水利科學與工程學院實驗大廳開展，剪切試驗采用填裝試樣，試驗箱尺寸為50 cm×50 cm×50 cm(長×寬×高)；土樣取自太原市附近黃土，為保持各試樣土體密度、均勻性等相關參數相同，并與自然環境接近，采取分層取樣、分層填裝壓實，每個試樣分5層，每層10 cm，試驗區土樣參數如表1所示。

種植植物為黃土區水土保持先鋒草本物種紫花苜蓿，屬多年生草本，根粗壯，能深入土層，根莖發達。種植方式采用分行穴種，株距10 cm，種植16株。在自然環境條件下生長5個月后，地上部分株高約為25 cm，地下部分根長為10～30 cm，地上部分試樣含水量為63.19%，地下部分試樣含水量51.10%。

剪切盒尺寸為20 cm×20 cm×10 cm(長×寬×高)，剪切根系為4株，每株含根量為5～6根左右，剪切根系占總體根系25%，剪切土體面積總占土體的16%。剪切試驗采取分層剪切，剪切深度10 cm、20 cm和30 cm，深度20 cm和30 cm的試樣上方承壓相應的土體重量，根據實際含水量的條件，控制3個含水量范圍進行剪試驗，3種剪切深度下共9個處理試樣，對應3種裸地試樣，重復2組，共24個試樣。

表1 土壤物理性質參數表Tab.1 Soil physical properties parameter list

2.2 剪切試驗裝置

用于試驗的自制原位直剪儀器如圖1所示，主要由框架、直剪盒、千斤頂、液壓泵、位移傳感器、壓力傳感器、記錄儀等部分組成。其中，剪切盒尺寸為20 cm×20 cm×10 cm(長×寬×高)，剪切面積為0.04 m2。位移傳感器最大剪切位移為100 mm，精度為0.1%。壓力傳感器最大荷載為3 kN，精度為0.1%。采用液壓千斤頂勻速加載，加載速度為3 mm/s。

圖1 剪切試驗裝置Fig.1 Device for shear tests

2.3 剪切試驗步驟

剪切試驗過程分為以下6步：1)整平場地，割除植物地上部分，在容器中央放置尺寸為20 cm×20 cm×10 cm(長×寬×高)的剪切盒，挖除和修整剪切盒周圍土體；2)安裝、檢查原位剪切儀器，將拉力傳感器和位移傳感器調整好位置并歸零；3)使用SS-TRS402土壤水分測定儀測定試樣剪切土層的土壤含水量；4)試驗分3層剪切：0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm，啟動液壓千斤頂，勻速對剪切盒施加水平推力，即開始剪切土樣試驗；5)記錄數據，觀察記錄儀上實時曲線，當荷載達到峰值后，隨著剪切位移的增加，荷載減小直至達到平穩，說明土樣處于完全破壞狀態，停止試驗；6)移除儀器，詳細統計和記錄剪切破壞土樣特征及剪切面處根系分布與破壞情況。

2.4 數據分析

抗剪強度反映了植物根系抵抗剪切滑動的能力，試樣剪切破壞時的抗剪強度計算式為

(1)

式中：F為水平推力，N；A為剪切截面積，mm2，τ為抗剪強度，kPa。抗剪強度增量計算式為

Δτ=τ-τ素土。

(2)

抗剪強度增幅計算式為

(3)

3 結果與分析

3.1 根土復合體剪切破壞過程

選取剪切深度20 cm試樣研究根土復合體剪切破壞過程，剪切根系數為4株，土壤含水量約為27.15%。由圖2試樣應力應變關系曲線圖可知，裸地試樣和根土復合體試樣剪切破壞過程均經歷3個階段：彈性變形階段(OA和OA′階段)、塑性變形階段(AB和A′B′階段)和完全破壞階段(BC和B′C′階段)。OA階段，隨著荷載逐漸增加，剪切位移增加量較小，應力應變關系近似直線，土壤受剪產生的剪應力開始轉移給根系，使得根系發生彈性變形，該階段為試樣彈性變形階段；AB階段，隨著荷載逐漸增大，剪切位移逐漸增大，根系承擔的剪應力也逐漸增大，根系和土壤之間產生相互錯動趨勢，接近根系自身抗拉強度或根土界面摩擦力，該階段為試樣塑性變形階段。在塑性變形階段，AB段斜率比A′B′段大，顯示根土復合體試樣的剪切力明顯大于裸地試樣，土體發生滑動趨勢時，土壤和根系都會發生不同程度的變形。由于二者的變形存在一定的差異，所以土壤和根系之間會發生錯動或有相互錯動趨勢，而土壤和根系之間的錯動會受到土壤摩擦阻力的抵抗，使得土壤中的部分剪應力轉移給植物根系，根系受拉，形成彈塑性變形，說明根系的存在顯著提高了土體抗剪能力[17-18]。在破壞階段，BC段斜率大于接近水平B′C′段斜率，裸地試樣在B′點幾乎達到完全破壞；剪切力從B點增大到C點超出土壤抗剪能力，根系最終拔出或斷裂，根土復合體在C點發生完全破壞。

圖2 試樣剪切應力應變曲線Fig.2 Shear stress strain curve of samples

3.2 苜蓿根土復合體的增強效應

剪切試樣包括裸地試樣W0：W01含水量21.9%和剪切深度S1(0～10 cm)、W02含水量24.1%和剪切深度S2(10～20 cm)、W03含水量32.9%和剪切深度S3(20～30 cm)。剪切深度S1(0～10 cm)，根土復合體試樣W1有：W11試樣含水量19.0%、W12試樣含水量27.8%和W13試樣含水量32.4%。剪切深度S2(10～20 cm)，根土復合體試樣W2有：W21試樣含水量23.5%、W22試樣含水量27.3%和W23試樣含水量31.3%。剪切深度S3(20～30 cm)，根土復合體W3有：W31試樣含水量30.2%、W32試樣含水量32.5%和W33試樣含水量36.9%。

由圖3可知，坐標X軸為土壤含水量，Y軸為極限抗剪強度和剪切位移，同一土層中，苜蓿根系對土體極限抗剪強度和剪切位移的增強值隨土壤含水量增加而降低。圖3(a)剪切深度S1時，苜蓿根土復合體試樣W11、W12和W13極限抗剪強度比裸地試樣W01分別增加了89.41%、63.68%和49.61%，剪切位移比裸地試樣W01分別增加了55.33%、50.90%和41.70%。圖3(b)剪切深度S2時，試樣W21、W22和W23極限抗剪強度比試樣W02分別增加了73.23%、60.25%和43.10%，剪切位移比裸地試樣W02分別增加了33.25%、29.94%和28.21%。圖3(c)剪切深度S3時，W31、W32和W33試樣極限抗剪強度比W03試樣分別增加了36.29%、25.79%和11.38%。裸地試樣在剪切位移約為40～50 mm時抗剪強度達到峰值，而根土復合體在剪切位移約為60～70 mm時達到峰值，表明剪切時根系的存在增加了土體剪切變形能力，這對于提高邊坡穩定性具有重要意義。總體而言，苜蓿根系不僅能增強土體抗剪強度，而且能提高土體剪切變形能力，但土壤含水量對苜蓿根系的這種增強效應產生負面影響。

3.3 不同深度的苜蓿根土復合體抗剪性能

從圖4(a)中可以看出，坐標X軸為剪切深度，Y軸為極限抗剪強度增幅，苜蓿根系對土體極限抗剪強度的平均增幅隨剪切深度增加而逐漸減小，剪切深度S2、S3中極限抗剪強度平均增幅比剪切深度S1中增幅分別減少8.70%和43.08%。圖4(b)中可以看出：坐標X軸為剪切深度，Y軸為剪切位移增幅，苜蓿根系對土體剪切位移的平均增幅也隨剪切深度增加而逐漸減小，剪切深度S2、S3中剪切位移平均增幅比剪切深度S1中剪切位移平均增幅分別減少18.71%和40.59%。因此，苜蓿根系對土壤限抗剪強度和剪切位移的整體增強效果隨土壤剪切深度增加而減小。

4 討論

根土復合體的抗剪強度是評價根系邊坡固土的重要指標，抗剪強度值越大，越有利于邊坡穩定。本研究中，對不同深度苜蓿根土復合體剪切發現，剪切深度越大，極限抗剪強度增幅和剪切位移越小。這與格日樂等[19]研究結果相似，即剪切深度為30 cm時，根土復合體抗剪強度和剪切位移相比裸地對照試樣無明顯提升，而在剪切深度10 cm和20 cm下苜蓿根土復合體抗剪強度隨土壤含水量的增大而減小。主要原因可能有2點：一是由于植株生長周期短，植株根系深入30 cm土壤深度的較少，因而根系增強效果較弱；二是本研究中隨著剪切深度增大，土壤含水量逐漸增加，根系固土能力被削弱[20]，一定量的水分能使土粒和水分之間形成水膜，將土壤和根系形成良好的連接體，增強土壤和根系的固土能力。但過量的水分促使土壤體積增大，黏聚力降低，使得根土復合體的抗剪能力下降[19]。這表明根系能提高土體抗剪強度且對于淺層土體影響明顯。

W01：Sample without roots while soil moisture content 21.9% at shear depth S1 0-10 cm. W11：Sample with roots while soil moisture content 19.0% at shear depth S1 0-10 cm. W12：Sample with roots while soil moisture content 27.8% at shear depth S1 0-10 cm. W13：Sample with roots while soil moisture content 32.4% at shear depth S1 0-10 cm. W02：Sample without roots while soil moisture content 24.1% at shear depth S2 10-20 cm. W21：Sample with roots while soil moisture content 23.5% at shear depth S2 10-20 cm. W22：Sample with roots while soil moisture content 27.3% at shear depth S2 10-20 cm. W23：Sample with roots while soil moisture content 31.3% at shear depth S2 10-20 cm. W03：Sample without roots while soil moisture content 32.9% at shear depth S3 20-30 cm . W31：Sample with roots while soil moisture content 30.2% at shear depth S3 20-30 cm. W32：Sample with roots while soil moisture content 32.5% at shear depth S3 20-30 cm. W33：Sample with roots while soil moisture content 36.9% at shear depth S3 20-30 cm.圖3 不同含水量下根土復合體試樣Fig.3 Samples with roots under different moisture content

W1：Sample with roots at shear depth 0-10 cm. W2：Sample with roots at shear depth 10-20 cm. W3：Sample with roots at shear depth 20-30 cm. S1：Shear depth 0-10 cm. S2：Shear depth 10-20 cm. S3：Shear depth 20-30 cm.圖4 不同剪切深度下W1、W2和W3根土復合體試樣Fig.4 W1, W2and W3samples with roots under different shear depth

5 結論

通過對不同土壤含水量、不同土層深度下苜蓿根系-黃土復合體開展直剪實驗，研究了苜蓿根系對土壤的作用，得到以下結論：

1)相比裸地試樣，苜蓿根系能增強土體的抗剪性能；當土壤含水量為18.97%時，根土復合體試樣抗剪強度為10.02 kPa，剪切位移為70.55 mm，與裸地試樣相比，抗剪強度最大增幅為89.41%，剪切位移增加約25 mm。

2)苜蓿根系對土體抗剪性能的增強效應隨土壤含水量增加而降低。剪切深度30 cm下，土壤含水量達到30%左右時，根系的固土增強效應非常有限。

3)苜蓿根系對土體抗剪性能的增強效應隨土體剪切深度增加而減小，根系對淺表層土體抗剪強度的增強作用更為顯著。