扦插措施根系固土的力學增強效應分析

熊光城 謝曉靚 陳鵬 馬瑞雪 萬艷雷 馮晶紅 顏丹 唐強 劉裕如

摘要 為了定量化分析扦插措施根系對邊坡穩定性的貢獻，采用固結不排水三軸剪切試驗研究不含根土體及根-土復合體的抗剪強度，并使用數顯土壤緊實度儀對邊坡的緊實度進行測量，分析新生根系對邊坡緊實度的影響。結果表明：加根土的強度和抗變形能力增強。扦插措施新生根系能有效提高土體的黏聚力，其對內摩擦角的影響不明顯，而對邊坡土壤緊實度的改善作用顯著。

關鍵詞 扦插措施;根-土復合體;緊實度

中圖分類號 S 181文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2022）04-0199-02

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.04.051

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Mechanical Enhancement Effect Analysis of Root System by Cutting Measures on Reinforcing Soil

XIONG Guang-cheng1，XIE Xiao-liang1，CHEN Peng2，3 et al （1.Yangtze River Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan，Hubei430010;2. School of Civil Engineering，Architecture and Environment，Wuhan，Hubei430068;3. CCCC Second Highway Survey，Design and Research Institute Co.，Ltd.，Wuhan，Hubei 430058）

Abstract In order to make a quantitative analysis of the contribution of root system by cutting measures on the slope stability，consolidated and undrained triaxial compression test was conducted to study the shear strength of soil without roots and root-soil complex. The compactness of the slope was measured by using digital soil compactness meter. And the influences of new root system on the compactness of slope were analyzed. The results showed that the strength and deformation resistance of soil with roots were enhanced. New root system by cutting measures could effectively improve the cohesion of soil，and had no obvious influence on the internal friction angle.New root system by cutting measures had a significant improvement effect on the soil compactness of slope.

Key words Cutting measures;Soil-root complex;Compactness

基金項目 水利部珠江河口動力及伴生過程調控重點實驗研究基金項目（〔2017〕KJ08）。

作者簡介 熊光城（1987—），男，湖北黃岡人，工程師，從事水環境水生態治理方面的研究。 *通信作者，講師，碩士，從事邊坡生態防護、河道生態治理方面的研究。

收稿日期 2021-06-18;修回日期 2021-06-29

植物根系對邊坡穩定性的影響在于植物根系能與土體顆粒發生相互接觸、穿插和纏繞等現象，形成一種天然的根-土復合體，進而改變了邊坡土壤性質[1-2]。植物根系能增強坡體的穩定性，取決于根-土復合體的強度[3-5]。目前大量研究通過直剪和三軸剪切試驗對根系的抗剪強度進行評價，主要包括根系放置方式[6]、含根量[7]、植物品種[8-9]、坡度[10]等因素對根-土復合體抗剪強度的影響。

扦插措施是邊坡治理，特別是土壤生物工程中常用的技術方法。新生根系的生長和分布特征除了受土壤理化特性的影響外，還與其扦插角度、長度、直徑及密度等有直接的關系[11]。這些施工方法將影響根系體積占試樣體積的百分比（統稱含根率），進而對根-土復合體的抗剪強度產生一定的影響。筆者利用固結不排水三軸剪切試驗及緊實度試驗，對扦插措施中根-土復合體固土的力學增強效應進行分析，旨在為扦插措施在邊坡中的應用提供一定的理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與儀器

供試根系材料取自武漢市湖北工業大學校區實驗基地人工設置的人工邊坡，坡長40 m，高1 m，坡度約45°。在人工邊坡利用旱柳（Salix matsudana）新鮮活枝構建扦插措施，待植物生長1年后，收集0～10 cm土層的根系，經分析根系平均直徑為（4.19 ± 0.71）mm。同時，收集土壤并帶回實驗室，使用TSZ30-2.0型臺式三軸儀全自動操作固結不排水三軸剪切試驗。

1.2 試驗方法 將收集的土壤依據SL 237—1999土工試驗規程[12]進行試驗土柱制備，用于測定土壤抗剪強度相關的參數。試驗土柱直徑39.1 mm，高80.0 mm，根據土壤飽和度計算公式和常規物理力學性質指標，設定試驗土柱的干密度為1.45 g/cm3，含水率為35%，從而得出每個試驗土柱的質量為180.5 g。將土壤平均分成5份，依次加入擊實器內擊實處理。為了模擬不同含根率（根系體積占試樣體積的百分比）對根-土復合體強度的影響，以混合放置的方式將含根率分別為8%、15%、20%、25%、35%的根系放置于試樣內。圍壓分別設定為100、200、300 kPa，加載速率為0.05 mm/min，對試驗土柱開展固結不排水三軸剪切試驗。

1.3 土壤緊實度調查 在裸露邊坡及扦插邊坡分別選取9個點，并使用SC900數顯土壤緊實度儀測量土壤緊實度。

1.4 數據處理

試驗數據使用 Excel 2013軟件制表;使用Origin 2017軟件繪圖;采用SPSS 22.0統計軟件進行單因素方差分析。

2 結果與分析

2.1 主應力差與軸向應變的關系

不含根土體（含根率為0）和不同含根率的試驗土柱在圍壓分別為100、200、300 kPa 條件下的主應力差-軸向應變關系如圖1所示。從圖1可以看出，不含根土體與不同含根率試驗土柱的主應力差隨軸向應變的變化趨勢基本一致。與不含根土體相比，不同含根率試驗土柱的主應力差增加較多。當改變圍壓時，隨著圍壓的增大，主應力差增大，即增大圍壓能有效提高土體的強度;當含根率增加時，不同含根率試驗土柱與不含根土體的主應力差逐漸增大。當軸向應變達到19%時，不同含根率試驗土柱主應力差較不含根土體明顯增大，表明當土體達到一定的軸向應變時，根-土復合體的強度才能發揮作用。當主應力差相同時，不同含根率試驗土柱的軸向應變小于不含根土體，且主應力差隨著含根率的升高而增加，表明加根土（即不同含根率試驗土柱）的強度和抗變形能力增強。這與陳鵬[13]研究結果相一致。

2.2 抗剪強度參數對比

試驗土柱黏聚力（c）和內摩擦角（φ）由三軸剪切試驗摩爾圓及強度包線應用軟件繪制的摩爾應力圓及不同圍壓下破壞應力圓的包絡線而得到，計算結果如表1所示。

由表1可知，與不含根土體（含根率為0）相比，含根土的內摩擦角表現出一定的增長，但整體上變化不大，這與其他研究[3，10]

有類似的結果。含根率越高，含根土黏聚力越大。當含根率為8%時，含根土黏聚力與不含根土體相比僅提高1.86 kPa;當含根率為35%時，含根土黏聚力與不含根土體相比增加12.39 kPa。這表明土體黏聚力的提高受含根率的影響，含根率增加，土體的黏聚力相應提高，進而土體的抗剪強度增強。這與前人的研究結果[14-15]相一致，即土壤的黏聚力與根系的黏聚力作用機理不同，前者來自土壤顆粒之間的摩擦作用，后者則與土體顆粒相互接觸、穿插和纏繞力相關，故后者的彈性模量遠大于前者的彈性模量，使得抗拉強度遠大于前

者，因而當前者因剪切發生破壞時，根-土復合體一起抵抗變形，從而增強了土體的抗剪強度。

2.3 邊坡緊實度分析

邊坡土壤抵抗外力的壓實及破碎能力很大程度上取決于邊坡土壤緊實度。研究表明，土壤緊實度與土壤崩解速率呈極顯著負相關[16-18]。由圖2可知，裸露邊坡土壤緊實度為56.59 Pa，扦插邊坡土壤緊實度為220.48 Pa，可見扦插邊坡比裸露邊坡提高163.89 Pa。ANOVA方差分析表明，僅生長1年后扦插措施新生根系對邊坡土壤緊實度的改善作用顯著（P<0.001）。

3 結論

通過固結不排水三軸剪切試驗研究了一年生扦插措施根-土復合體重塑的強度特性，并在原位人工邊坡對其緊實度進行調查，得出以下主要結論：

（1）不含根土體與不同含根率試驗土柱的主應力差隨軸向應變的變化曲線類似。在相同的主應力差條件下，含根土的軸向應變比不含根土體要小。含根率越高，主應力差越大，表明含根土能夠有效增強土體強度和抗變形能力。

（2）根系能夠有效提高土體的抗剪強度。扦插措施新生根系能有效提高含根土的黏聚力，當含根率為35%時含根土黏聚力增加12.39 kPa。根系對含根土內摩擦角的影響不明顯。

（3）扦插措施新生根系對邊坡土壤緊實度的改善作用顯著，僅生長1年后裸露邊坡的土壤緊實度提高了163.89 Pa。

通過該研究總結了含根率對根-土復合體抗剪強度的影響以及根系生長1年后對邊坡緊實度的提高作用。在應用扦插措施時，可通過改變其扦插方式和密度等改變其在土體中的含根率，以達到更高的抗剪強度。該研究結果可為各類生態邊坡治理提供理論依據。

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