紅黏土邊坡香根草根土復合體的強度特性

余 燚, 劉思思, 李某明, 李梓祥, 楊擎宇

(1.中南林業科技大學 土木工程學院, 湖南 長沙 410004; 2.云南大學 建筑與規劃學院, 云南 昆明 650091)

近年來，生態護坡技術作為一類新型綠色的護坡技術，越來越多地運用于公路、鐵路及水利等工程邊坡中[1]。由于香根草根系具有生長速度快和抗拉性能好的顯著特點，常被作為生態護坡植物得到廣泛運用[2]。

隨著生態護坡技術的發展，國內外學者從不同角度對植物根系固土護坡效果進行了研究，潘天輝等[3]，通過對陜北黃土區小葉楊和白羊草根系分布、形態進行研究，得到不同因素對根—土復合體的抗剪強度的影響效果；宗全利等[4]，以塔里木河沿岸特色植被為對象，結合剛性假設和柔性假設，建立了相應的根土復合體抗剪強度模型；方詩圣等[5]，針對不同含水率及含根量下高羊茅根—高液限土的根土復合體的強度特性，探究了高羊茅根對于高液限土的加固效應；薛海龍等[6]，研究了尖萼金絲桃根系的抗拉拔強度對邊坡土體抗剪強度影響；劉亞斌等[7]，利用掃描電鏡觀察了西寧地區檸條錦雞兒、霸王兩類灌木植物根系根土結合面微觀結構，進一步研究了植物根系與土相互的力學作用；徐宗恒等[8]，研究了含根量對云南山原紅壤根土復合體抗剪強度影響作用；Operstein等[9]，Mickovski等[10]通過分析根土復合體的剪切試驗結果，得到了根系密度對抗剪強度影響關系；van Beek等[11]，結合數值模擬及根土復合體受剪破壞特點，驗證植根的護坡效應。

紅黏土作為一類顆粒松散、孔隙率大、密度低的特殊土，在中國濕熱多雨的南方地區廣泛分布[12]。這樣的土質特點及分布區氣候，較適宜香根草生長。同時，由于香根草根系的存在，一定程度上可以提升邊坡土體強度，促進紅黏土邊坡穩定。高速公路工程中，人工填筑路堤邊坡一般采取就地取土的方法進行填筑，建成邊坡多為貧瘠的土石坡。其中部分公路邊坡由于地處偏遠，護坡植物在初次栽種后，較少能維持人工管理。

為研究偏遠高速公路填筑紅黏土邊坡中，缺少維護管理條件下自然生長的香根草根系的力學特性及根土復合體強度特征，本文以室外模型箱模擬上述情況種植香根草，以根系抗拉試驗及原狀根土復合體的抗剪試驗結果為基礎，利用回歸分析和spearman相關分析法，研究香根草根系的力學性能及根土復合體的強度特征。

1 試驗布設

試驗利用模型箱種植香根草，其中模型箱長寬高分別為140，140，120 cm。為了獲得更接近人工填筑紅黏土路堤邊坡的土質條件，參照實際施工過程對填筑用土進行分層填筑、壓實，試驗土坡坡度為45°。考慮到貧瘠條件下栽種的香根草單株根系影響范圍為25 cm[13]，為避免相鄰植株間的根系影響，香根草植株雙向間距為30 cm。移植時間為2018年9月中旬，移植完畢后將模擬種植裝置置于室外，使其自然生長且不進行水肥管理。種植地區為長沙，屬于南方紅壤區典型的亞熱帶季風氣候，年均降水量約1 400 mm。種植超過2 a后，2020年6月10日測得其株高為2.1 m。

用于模擬種植的紅黏土取自長沙市中南林業科技大學，原始土樣為紅褐色、硬塑態，具有較強的粘性，稍濕。對紅黏土基土的物理力學指標進行測定，其中抗剪強度測定試驗為直剪試驗，結果如表1所示。

表1 試驗用紅黏土物理力學指標

2 香根草根系抗拉力分析

護坡植物根系的抗拉強度不僅影響根系對土的加筋作用，同時也影響著其根土復合體強度。當土體受到剪切破壞時，剪切應力將被傳遞到土中的根系上，使得根系拉伸并產生拉力。由于植被根系特有的拉伸屬性，可在一定程度上增加土的抗剪強度[14-15]。所以，研究根系抗拉特性也是研究根系固土效應的重要內容。

為得到香根草根系直徑對抗拉力、抗剪強度的影響規律，將整株香根草根系從紅黏土中人工取出，利用清水沖刷根系上泥土。選取根系形態良好的直根進行試驗，取樣標準長度為10 cm，試驗利用艾德堡HLD數顯式手搖推拉力計試驗機對樣本根系進行拉伸試驗。查閱相關文獻顯示，香根草根系平均根系直徑為1.21 mm，其中0.6～2.0 mm直徑的根系占到總比例的90%以上[16-17]，固選擇0.5～2 mm直徑的香根草根系進行抗拉試驗。試驗時兩端錨具固定距離控制為0.5 cm。對于拉拔試驗的加力速率，已有研究表明，拉伸速率對草本植物根系抗拉特性的影響不顯著[18]，為便于試驗操作，選擇0.5 mm/min的試驗加力速率。記錄根系拉斷時為最大拉力，并用游標卡尺測定斷口處直徑。為避免試驗過程中由于應力集中影響對根系抗拉力測定的不良影響，取樣本斷面在試樣中部1/3區間內試驗數據為有效數據。共對38組根系試樣進行拉拔試驗，得到了30組有效數據，剩余8組根系進行試驗時，出現根系在根系在兩端發生斷裂或從夾具中拔出，則判定數據為失效數據(圖1)。

圖1 香根草根系取樣及拉拔試驗

將拉拔測定的根系抗拉力F代入De Baets S等人[18]提出的根系抗拉強度計算方法(1) 中，得到對應根系的抗拉強度，并利用擬合分析方法對相應數據進行擬合(見圖2)。

圖2 香根草根系抗拉力、抗拉強度與根系直徑關系

Tr=4F/(πD2)

(1)

式中：Tr為根系抗拉強度;F為根系極根抗拉力;D為樣本根系直徑。

根據香根草根系抗拉強度測試結果(圖3，表2)，該香根草根系平均抗拉力F為19.05 N，平均抗拉強度為20.12 MPa。試驗結果與葉超等[19]在2017年對湖北紅壤土中生長的香根草根系研究結果略有不同，葉超等得到香根草根系平抗拉力22.37 N，平均抗拉強度為50.55 MPa，顯著高于本試驗的測定結果。考慮到葉超等所用香根草培植于水土保持研究所內，其土壤肥力、水肥管理情況較好。所以相應香根草根系具更好的力學性能。說明地區氣候、土壤肥力及種植方法的差異將對香根草根系力學性能產生顯著的影響。

表2 香根草根系抗拉力及抗拉強度擬合分析

通過對根系拉拔試驗測定的根抗拉力F、抗拉強度Tr與根系直徑D進行擬合分析，結果顯示，根抗拉力F、抗拉強度Tr與根直徑D皆呈良好的冪函數關系。回歸方程的優度檢驗R2皆高于0.9，說明擬合分析得到的根抗拉力F、抗拉強度Tr與根直徑D的回歸方程具有較好的顯著性及擬合度。

3 根土復合體抗剪強度分析

相關研究表明，紅黏土的抗剪強度與土的含水率ω，天然密度ρ等土性指標密切相關，同類型的紅黏土在不同含水率、密度下有著不同的抗剪強度[20]。其中土的抗剪強度由黏聚力c，摩擦角φ兩種指標組成。根據Wu-Waldoron模型[21]，對于根土復合體而言，抗剪強度影響因素的除了含水率ω，天然密度ρ等土性指標以外，還有根土復合體中植物根系的影響作用。其中Wu-Waldron模型作為目前運用廣泛的根土復合體力學計算模型，其根土復合體抗剪強度計算如下式。

Sr=c+σtanφ+ΔS

(2)

(3)

Tn=(4τ′Ez/D)1/2

(4)

式中：Sr為根土復合體抗剪強度; ΔS為根系增強的抗剪強度;Tn為根拉力最大值;Ar/A為根截面面積與土表面積比;τ′為根土最大切向摩擦力;E為根彈性模量;z為剪切區寬度;β為變形角度。

為了探究香根草—紅黏土根土復合體的強度特性，分析不同指標對于根土復合體抗剪強度的影響效果，將對環刀取樣的原狀根土復合體樣本依次進行密度測定試驗、室內直剪試驗、根重密度測定試驗及含水率試驗。分別測定根土復合體的天然密度ρ，抗剪強度指標黏聚力c，摩擦角φ，根重密度DRM及含水率ω；利用Spearman相關分析法對測定的結果進行量化分析，分析不同指標(含水率ω，天然密度ρ及根含量DRM)對根土復合體抗剪強度的影響作用。

3.1 試驗方法

試驗利用標準取土環刀(內徑61.8 mm；環刀高度20 mm；環刀壁厚2.1 mm)對原狀香根草—紅黏土根土復合體進行人工取樣。樣本取樣范圍為以植株為圓心半徑20 cm，深度30 cm范圍內。取樣后稱重并記錄得到土樣的天然密度。在利用室內直剪試驗抗剪強度指標黏聚力c，摩擦角φ。室內直剪試驗采用ZJ型應變控制式直剪儀器，最大剪切量為6 mm，剪切速率為0.8 mm/min。再將剪切土樣取樣測定含水率，同時將土樣中根系取出稱重，記錄數據。取樣試驗過程如圖3。

圖3 香根草根土復合體取樣及直剪試驗

3.2 結果與分析

將原狀根土復合體按不同深度分組，依據相關試驗規程進行直剪試驗，測定根土復合體的黏聚力c，摩擦角φ。待直剪試驗結束后，手動分離出樣本中的根系，稱重并記錄。結合環刀體積計算根重密度DRM，計算按公式(5)，結果見表3。

表3 香根草埋深與根重密度DRM的關系

DRM=m根/V環刀

(5)

式中：m根為環刀試樣根系質量；V環刀為環刀體積。

由表3及圖4可知，隨著取樣深度的增加，土中香根草根系含量逐漸下降，說明隨著深度的增加，香根草根系對于土體加固能力逐漸下降。

圖4 香根草根系RWD與埋深關系

將所測得的根土復合體物理力學指標及根重密度RWD進行匯總，結果見表4。通過與紅黏土基土物理力學指標(表1)對比，香根草根系的加入，顯著地提高了土體的黏聚力c，而對于摩擦角φ，提升效果稍微，進一步說明了香根草對于紅黏土邊坡土體強度提升的效果，是通過根系強化土體的黏聚力實現的。通過觀察直剪試驗破壞后的紅黏土—香根草根土復合體(圖5)，可以發現，根土復合體剪切面上產生了明顯的根系滑動摩擦痕跡，同時有部分根系從土中被拔出且未有根系斷裂情況出現。分析上述情況可以得出，當根土復合體發生剪切破壞時，根土復合體中的根系在剪切面上發生摩擦滑動。但是當根系發生摩擦滑動時，根系所受到的摩擦力并不足以使其發生斷裂。說明當剪切破壞發生時，根土復合體中根系受到的滑動摩阻力是小于根系的最大抗拉力。由此可知，根土復合體的抗剪強度與剪切破壞時根土復合體中根系的滑動摩阻力有關。根土復合體發生剪切破壞時，忽略不同徑級的植根表面粗糙程度的影響，土中根系分布的密度越高，土間根系的總滑動摩阻力越大，相應的土體抗剪強度越高。

表4 香根草原狀根土復合體直剪試驗結果

圖5 直剪試驗后的香根草根土復合體樣本

3.3 根-土復合體強度指標的影響因素分析

根據上文對剪切試驗破壞后的紅黏土—香根草根土復合體的觀察結果及分析結論，將根土復合體的含水率ω，天然密度ρ，土間根系分布的密度指標—根重密度RWD作為重點研究對象。將根土復合體土性指標—含水率ω，天然密度ρ，土間根系分布的密度指標根重密度RWD與直剪試驗測定的根土復合體抗剪強度指標—黏聚力c，摩擦角φ進行Spearman相關分析。分別分析含水率ω，天然密度ρ及根重密度RWD與抗剪指標—黏聚力c與摩擦角φ的關聯程度，得到不同指標對黏聚力c，摩擦角φ不同的影響作用程度。通過對根土復合體抗剪強度影響指標的分析，得到根土復合體的強度特性，為進一步根土復合體剪切破壞機理研究提供基礎。

Spearman相關分析法作為巖土工程常用的數據處理分析方法之一，通過對不同相關系數的關系進行量化，綜合分析各自變量對某一因變量指標的影響效果。Spearman相關分析法通過對成對的等級數及各對等級數之差進行計算，利用單調方程評價兩個統計變量的相關性。Spearman相關分析法適用范圍廣且對數據條件要求沒有積差相關系數嚴格，既不要求數據源滿足正態分布，不及線性約束以及同方差需要嚴格的假設條件，因此具有更廣泛的適用性[22]。紅黏土—香根草根土復合體抗剪強度指標的Spearman相關分析結果見表5—6。

表5 香根草根土復合體摩擦角φ的Spearman相關分析

表6 香根草根土復合體黏聚力c的Spearman相關分析

如表5—6所示，原狀紅黏土根土復合體抗剪強度指標中摩擦角φ與含水率ω，天然密度ρ相關關系為中等相關關系，近強相關關系；根重密度RMD與摩擦角φ相關性較差，為弱相關關系。對于摩擦角φ而言，含水率ω和天然密度ρ的變化一定程度上將影響根土復合體摩擦角φ，而根重密度RMD對摩擦角φ影響效果并不顯著。對于根土復合體抗剪強度指標中黏聚力c而言，根重密度RMD與黏聚力c為強相關關系，說明根重密度RMD對黏聚力c有著顯著的影響；而含水率ω及天然密度ρ與黏聚力c的相關性較低，說明含水率ω及天然密度ρ的變化對黏聚力c影響不大。

4 結 論

本文以香根草—紅黏土根土復合體為研究對象，進行了根系拉拔試驗及根土復合體室內直剪試驗，通過統計分析方法，得到了香根草根系力學性能及根土復合體強度特性，結論如下：

(1) 隨著香根草根系直徑增加，其抗拉力F增大，抗拉強度Tr減小。香根草根系的抗拉力、抗拉強度與根的直徑皆呈冪函數關系且顯著性良好。

(2) 根土復合體發生剪切破壞時，土中的根系在剪切面上發生摩擦滑動，最終被拔出且被拔出的根系未發生斷裂，說明根土復合體剪切過程中，根系的最大抗拉力大于受到的摩擦阻力。

(3) Spearman相關分析結果表明，根土復合體的摩擦角φ受天然密度ρ，含水率ω影響較為顯著，而根重密度RMD對其影響作用不明顯。對于根土復合體的黏聚力c，其與根系密度RMD為強相關關系，說明根重密度RMD對黏聚力c影響效果顯著。而天然密度ρ，含水率ω對根土復合體的黏聚力c影響效果不明顯。