不同根系分布模式下的土坡抗剪性能研究

石浩廷　謝春燕　李雪爾　吳達科

摘要：以香根草根系及其所在土壤構成的根一土復合體為研究對象，通過室內直剪試驗，探討不同含水率和垂直壓力條件下，不同根系分布方式對復合體抗剪性能的影響。結果表明：根系數量和徑級相同時，在土壤天然含水率和2-3 m土層壓力下，當所有根系均垂直于剪切面時，根系分布越集中，對根一土復合體抗剪強度的提升越明顯;當根系以不同的空間角度均勻分布時，根一土復合體抗剪強度相對于素土的增長率大小順序為根系全部垂直的分布方式（Mb）<根系全部呈45。傾斜的分布方式（Mb）<根系一半傾斜45。一半垂直的分布方式（Mc）。在天然含水率條件下，隨著垂直壓力的增大，根一土復合體的抗剪強度增長率呈現先減小后增大的趨勢;隨著含水率增大，土體內摩擦角先增大后減小，黏聚力總體呈減小趨勢。

關鍵詞：邊坡穩定：根一土復合體;抗剪強度;香根草

中圖分類號：S157.1

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn. 1000- 1379.2019. 04.016

我國幅員遼闊，但有近2/3的國土面積被山區占據。隨著我國經濟快速增長，各種工程建設項目進入了高峰期，在公路、鐵路等基礎設施建設的過程中，不可避免地開挖大量邊坡，破壞原有的地質平衡，極易造成山體滑坡、泥石流等地質災害，給生命財產帶來巨大損失。傳統的工程邊坡防護結構生態性較差，難以保證工程材料與邊坡巖體在高降雨強度、易風化區域的相容性，工程結構很容易被架空[1].從而導致滑坡。與之相比，利用植被的生態護坡方式維護時間更長、覆蓋面積更廣，更適合用于天然邊坡的防護[2]。

植被護坡的機理主要體現在根系的作用：①水文方面，根系可以通過蒸騰作用降低孔隙水壓力，減輕泥土質量[3-4].從而在一定程度上加強了邊坡的穩定性：②生物方面，根系分泌物及其衍生微生物可以在一定程度上增強周圍土體的穩定性[5-8]：③物理方面，根系可對土體起到錨固加筋作用，這是根系提高土體穩定性的主要機理。植物護坡能夠提高邊坡的抗剪強度，從而起到邊坡防護和加固的作用。言志信等[9]較為系統地研究了草本植物根系對巖質邊坡的加固機理，提出了基于剛性和柔性假設的兩種摩擦型根一巖相互作用的力學模型，得出了植物邊坡抗剪強度增長可引起邊坡安全穩定系數增大的結論。關于植物根系提高土體的受剪性能，前人已經作了大量的研究。MurielleGHESTEM等[10]將蓖麻、麻瘋樹和中華磨坊漆樹3種護坡植物種植于大型剪切箱中自然生長10個月后進行直剪試驗，并與休耕土進行對照，發現含根土的抗剪強度和變形能力顯著優于不含根土壤：肖宏彬等[11]研究了在不同含水率及不同根系含量下植物根系對復合體抗剪強度的影響規律：胡敏等[12]研究了沙地柏根不同徑級、不同布置方式對根一土復合體抗剪性能的影響：M. Genet等[13-19]研究表明雖然根系抗拉強度和剛度是影響土體剪切的主要因素，但是根密度和空間分布狀況可能比根的機械性能對土體強度影響更大。

現有研究主要集中于根系數量、抗拉強度和根徑對根一土復合體抗剪強度的影響，而根系分布方式對土體強度影響的研究還較少。目前主要以根面積比（RAR）作為根密度指標，它是指所有發揮作用的根在剪切面上的截面積之和與其相交的土體截面積之比。在試驗中筆者發現，根面積比相同但根系的分布狀況不同的根系對土體產生的影響也有差異。基于此，筆者對不同根系的空間分布方式在不同的含水率和垂直壓力條件下對土體穩定性的影響進行研究，探討不同根系分布方式與根一土復合體抗剪強度的對應關系，以期為生態護坡方案選擇提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 采樣

香根草是目前國內外常見的草本護坡植物，有“神奇牧草”之稱。所選用的試樣為一年齡香根草根系，采樣時間為2017年6月。在樣地內選取10株生長狀況良好的植株，測量其冠幅和高度，分別計算其平均值，然后從中選取3株與平均值相近的植株挖掘其根系，取樣時盡量保持根系的完整性，并保留部分土壤以保持根系的活力。

所選土壤為四川省廣元地區北緯32°25′48″、東經105°49′48″常見的紫色黏土，取自香根草栽種地附近的平坦開闊地段，按照土層深度0～20、20 - 40、40 - 60cm取樣，每層取3個土樣。根系和土樣取出后立即用保鮮膜包裹，放人硬質塑料箱帶回實驗室。測得的土樣基本物理性質見表1。

1.2 試驗設計

剪切試驗前，把土樣烘干，過2 mm篩，然后配置含水率為16. 46%、18. 46%、22.46%，干密度為1.71 g/cm的土樣備用。用精度為0.02 mm的游標卡尺分別測量根的上、中、下3處直徑，測量差值應小于0.1 mm，取直徑為0.6-0.8 mm、長度為3 cm的香根草根備用。結合自然狀態下的根系分布密度，每個含根土樣中布設10根草根。根一土復合體分為兩類：一類是所有的根系均垂直但不均勻分布（復合體M，為10根草根集中分布于土樣中心，M2為2組×5根，M，為5組x2根），另一類是根系按不同空間角度均勻分布（復合體Ma為所有草根均垂直分布，Mb為所有草根均傾斜45。分布，Mc為5根草根垂直分布、5根傾斜45。分布）。

采用ZJ型應變控制式直剪儀，以剪切速率0.8mm/min對不同根系分布方式的根一土復合體進行快剪試驗，研究不同應力水平和土壤含水率及根系分布方式下的根一土復合體的抗剪強度變化規律。每組試驗設置4個荷載，每個荷載重復3次，按土工試驗規范進行，取3個重復試樣破壞時最大剪應力的均值作為該荷載下的抗剪強度，繪出抗剪強度與垂直荷載的關系曲線，進而得出黏聚力和內摩擦角。

1.3 直剪試驗

香根草根系一般長2-3 m，最長可達6 rri[20]。根據土力學自重應力公式，采樣地2-3 m的土層自重應力為40.4 - 60.6 kPa，取垂直應力為50 kPa，按照土工試驗規范，另取100、150、200 kPa 3級應力進行試驗。所有試樣剪切前放人直剪儀中，在300 kPa荷載下預壓2h，以減小根土之間接觸不緊密所造成的誤差，然后分別在所設計的50、100、150、200 kPa荷載下進行快剪試驗。

2 結果與分析

2.1 根系分布方式對根一土復合體抗剪性能的影響

利用重塑土進行直剪試驗時，選擇垂直壓力為50kPa，3種根系垂直但不均勻分布和3種根系以不同空間角度均勻分布的根一土復合體，土壤含水率為18.46%，土壤干密度為1.71 g/cm，根系直徑為0.6-0.8 mm，分布數目為10根，剪切速率為0.8 mm/min。

圖1為不同根系分布方式的根一土復合體相對于素土的抗剪強度增長率，可以看出，在50 kPa對應的中淺層土壓力下，根系均垂直分布的根一土復合體相對于素土抗剪強度的增長率大小順序為M1（30.95%）>M2（ 25.0%）>M3（18.65%），呈現出根系越分散，根一土復合體相對于素土抗剪性能增長率越低的規律。根系以不同空間角度均勻分布的根一土復合體相對于素土抗剪強度的增長率大小順序為Ma（ 23.81%）>Mb（ 15.08%）>Ma（ 7.54%）。原因是垂直于剪切面分布的根系主要通過提供拉力來提高復合體的抗剪強度，而相對于剪切面呈不同角度分布的根系，相當于在土體中形成一張交織的受力網，不僅在復合體受剪時提供拉力，而且將根系周圍的細土粒裹縛在一起，增加土壤顆粒的凝聚力，使根一土復合體具有更好的整體性。

2.2 垂直壓力對不同根系分布方式的根一土復合體抗剪性能的影響

不同根系分布方式的根一土復合體相對于素土的抗剪強度增長率隨垂直壓力的變化見圖2。從圖2（a）可以看出，根系均垂直不均勻布設的M1、M2、M3的抗剪強度相對素土均有所增大，抗剪強度增長率大小順序為M1>M2>M3。從圖2（b）可以看出，根系按不同空間角度均勻分布的抗剪強度增長率大小順序為Mc>Mb>Ma，且在垂直壓力為150 kPa時抗剪強度增長率均為負值。在設計的壓力梯度下，6種含根土相對于素土抗剪強度的增長率隨垂直壓力的增大均呈先減小后增大但不超過前期最大值的趨勢，在垂直壓力為150 kPa時增長率最小。宋維峰等[21]采用數值分析方法，模擬了油松根系和黃土的相互作用也得出了相似的結論，表明根系在淺層土壓力下提高土的抗剪強度作用比較明顯，固土護坡效果好。

根系在土體中的分布類似于鋼筋在混凝土中的加筋，但根系在土中受力時會與土體發生相對滑移，故在局部區域內，根系垂直分散分布可能會降低土體的整體性和抗剪強度。在土體中以不同空間角度分布的根系，在受力時交織成網，更易對土體形成裹縛作用，提高其抗剪切性能。根系對土體的加筋作用隨垂直壓力增大呈先減小后增大趨勢，原因可能是一定的壓力使土體與根系的黏結力加強，隨著壓力增大，根系與土粒間的作用力小于土粒與土粒間的作用力，從而導致根系的加筋效果削弱：隨著垂直壓力進一步增大，土粒發生滑移并在更穩定的位置上重新平衡，與根系形成的復合體整體性增強。

2.3 土壤含水率對不同根系分布的根一土復合體抗剪性能的影響

對設計的6種根系分布方式根一土復合體進行土壤含水率為16.46%、18.46%、22.46%的剪切試驗。在50 kPa的中層土壓力下，不同土壤含水率的根一土復合體抗剪強度見圖3。可以看出，當含水率由16.46%增大到22.46%時，根一土復合體M1、M2、M3、Ma的抗剪強度均呈先增大后減小的趨勢，含水率為18.46%時抗剪強度均為最大。素土P和根一土復合體Mb、Mc的抗剪強度隨含水率增大呈現遞減趨勢，在含水率為16.460-/0時抗剪強度均為最大。當含水率為16.46%時，抗剪強度最大的是Mc（55.07 kPa），最小的是Ma（44.42 kPa）;當含水率為18.46%時，抗剪強度最大的是M1（56.79 kPa）.最小的是P （43.37 kPa）;當含水率為22.46%時，抗剪強度最大的是Mb（46.64 kPa），最小的是M3（24.78 kPa）。

在100 kPa的中層土壓力下，不同土壤含水率的根一土復合體抗剪強度見圖4。當含水率由16.46%增大到22.46%時，根一土復合體M1、M2、M3的抗剪強度均呈先增大后減小的趨勢，含水率為18.46%時抗剪強度均為最大。當含水率由16. 46%增大到18.46%時，素土P和根一土復合體Ma的抗剪強度變化不明顯;含水率由18.46%增大到22.46%時.P和Ma抗剪強度減小。P和Ma的最大抗剪強度分別出現在含水率為16.46%與18.46%時;Mb、Mc的抗剪強度隨含水率升高呈遞減趨勢，最大值出現在含水率為16.46%時。當含水率為16.46%時，抗剪強度最大的是Mc（82.20 kPa），最小的是P （66.34 kPa）;當含水率為18.46%時，抗剪強度最大的是M，（ 81. 99 kPa）.最小的是P（65. 59kPa）;當含水率為22. 46%時，抗剪強度最大的是Mc（ 66.48 kPa）.最小的是M3（40.61 kPa）。

在上述兩種壓力條件下，當含水率由18.46%增大至22.46%時，復合體M3和Ma的抗剪強度都出現大幅減小的現象，說明在高含水率條件下M3和Ma的根系分布方式不利于土體穩定。在所設定的土壤含水率梯度下，除根一土復合體M3的黏聚力先增大后減小外，其余樣本的黏聚力都隨含水率的增大而減小（見表2）。在相同的含水率條件下，素土與含根土的黏聚力相差較大，內摩擦角差別不明顯。這與大多數學者的試驗結果相吻合。當土壤含水率從16.46%增大到22.46%時，素土P和根一土復合體Mb、Mc的內摩擦角先增大后減小，這與倪九派等[2]對重慶地區的中性紫色土進行三軸壓縮試驗得出的結果相符：隨著含水率升高.P、Mb、Mc抗剪強度的變化趨勢和黏聚力的變化趨勢相同，均呈減小趨勢，與Normaniza[23]、格日樂等[24-25]的室內直剪試驗結論一致，這說明黏聚力對素土P和復合體Mb、Mc的抗剪性能起主導作用。隨著含水率增大，根一土復合體M1、M2、Ma的黏聚力減小，其抗剪強度隨內摩擦角的增大先增大后減小。

3 結論

（1）根系數量和徑級相同時，在土壤天然含水率和2-3 m的土層壓力下，不同根系分布方式對土體的作用效果不同。當所有根系均垂直于剪切面時，根系分布越集中，對根一土復合體抗剪強度的提升越明顯。當根系以不同的空間角度均勻分布時，根系一半傾斜45°一半垂直分布的根一土復合體的抗剪強度最大，根系全部呈45°傾斜分布的抗剪強度次之，根系全部垂直的抗剪強度最小。

（2）在天然含水率條件下，根一土復合體的抗剪強度相對于素土抗剪強度的增長率隨著垂直壓力的增大呈先減小后增大的趨勢。在2-3 m土層范圍內，根系分布方式對土體抗剪強度的增強作用最明顯。在所選壓力層級中，垂直壓力為150 kPa時，根系對土體抗剪性能的增強作用最差。

（3）在所設定的土壤含水率梯度下，隨著含水率增大，土體內摩擦角先增大后減小，黏聚力總體呈減小趨勢。在相同的含水率條件下，素土與含根土的黏聚力相差較大，內摩擦角差別不明顯。

（4）根一土復合體的抗剪性能不僅受根系在土體中的分布方式影響，還與土壤含水率和垂直壓力有關。只有在合理的含水率和壓力范圍中，根系的分布對土體的抗剪性能才能起到提升作用，且不同的根系分布方式對土體抗剪性能影響較大。

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