干濕循環下常春藤根系對云南紅土的阻裂效應

朱維偉，馮國建，譚洋洋

(1.昆明學院建筑工程學院，云南 昆明 650214；2.昆明學院美術與藝術設計學院，云南 昆明 650214)

紅土是富含鐵質的母巖在濕熱氣候條件下經歷風化、微團粒化及成土3個完整的作用過程后形成的以紅色為基色的土體[1]。云南是我國紅土最為發育的地區之一。云南紅土是一種特殊土，雖然云南各地紅土的性質不完全相同，但均具有黏粒含量高、液限高、天然孔隙比大、滲透系數低、膨脹性較弱而收縮性較強等特點[2-4]。隨著一大批鐵路、高速公路項目的開工，云南面臨大量的紅土邊坡工程問題，施工完成的紅土邊坡必然經歷干濕循環這一往復過程。在當前提倡生態護坡的背景下，研究典型護坡植物根系在干濕循環效應下對云南紅土的阻裂效應十分必要。

趙貴剛等[5]采用自來水浸泡增濕、低溫脫濕的方法，朱維偉[6]采用自來水噴淋、自然風干的方法對云南紅土試樣進行了研究，結果表明，經歷干濕循環后，云南紅土將有裂縫發育，裂縫會隨循環次數的增加而擴展，進而可能產生嚴重的水土流失乃至邊坡失穩。馮國建[7]、Liffena[8]、Joanne[9]等測試了植物根系的力學性能，表明植物根系本身具有較高的抗拉及抗剪強度。在一定含根量下，根土復合體的抗剪強度高于素土[10-11]，植物根系對邊坡淺層有一定的加固效應[12]。因云南紅土具有膨脹性弱而收縮性強的土體特性，研究常用護坡植物根系的阻裂效應尤其重要，而這方面目前還鮮有研究。

鑒于此，本研究通過一種相對簡單合理的室內重塑土試驗，模擬云南紅土經歷自然界降水和蒸發的往復過程，以期直觀反映純云南紅土及摻常春藤根系的根系—紅土混合土在干濕循環過程中裂縫的發生與擴展現象，闡釋常春藤根系對紅土裂縫擴展的約束效應，同時討論常春藤根系對干濕循環后云南紅土的阻裂機制。研究結果將對云南紅土防護工程提供理論參考。

1 材料和方法

取云南紅土土料風干并碾碎，取典型護坡植物常春藤(Hederanepalensis)根系。控制根系占擊實筒的體積分數，以體積分數為0%(純紅土)、10%、20%、30%作為含根量控制標準，配制云南紅土、根系的混合土(拌和均勻)，將混合土投入擊實筒中，按重型Ⅱ—1試驗方法[13]將混合土擊實。擊實完成后，用鋼絲鋸截取混合土樣，每種含根量截取3個樣本，進行8次干濕循環，并用裂縫觀測儀觀測每次干濕循環后各樣本的最大裂縫寬度，對數據進行分析后評價常春藤根系對云南紅土干濕循環裂縫擴展的約束效應。

試驗所取紅土土料干燥時呈棕色，浸水后呈紅褐色。其顆粒組成為黏粒占41.25%，粉粒占47.93%，砂粒占10.82%，土壤物理性質指標見表1。由標準擊實試驗確定的最大干密度ρdmax為1.62 g/cm3，最佳含水率ωop為17.8%。

表1 紅土土壤物理性質

純紅土試樣制備：本次試驗土壤含水率ω=21%制備土料，將備好的土料密封于塑料袋中悶料24 h，以保證土壤含水率均勻。然后將土料置于擊實筒(內徑100 mm，高127 mm)中擊實，擊實后的土體干密度ρd=1.53 g/cm3，相應的壓實系數為94.4%。用千斤頂緩慢將擊實筒中的土樣升起，再用鋼絲鋸小心截取厚度為20 mm的土餅試樣，按此方法共制備純紅土試樣3個。

含根系的混合土制備：將常春藤根系洗凈后自然風干8 h，測定根系密度；將根系剪短，控制每根根系的長度不超過擊實筒內徑的2/3，根系直徑不超過2 mm；按體積分數為10%、20%、30%作為含根量控制標準，配制云南紅土與常春藤根系的混合土，將混合土拌和均勻，投入擊實筒中擊實。用千斤頂緩慢將擊實筒中的混合土體升起，再用鋼絲鋸小心截取厚度為20 mm的土餅試樣，按此方法共制備混合土試樣9個。考慮到擊實過程會破壞擊實筒中的表層根系，擊實完成后，擊實筒中上部5 cm高范圍內的混合土棄用。

考慮到紅土工程對象在自然中不可能經歷絕對的“干”和“濕”的循環效應，本次試驗的干濕循環也不是絕對的“干”和“濕”，而是在實驗室內模擬云南紅土在自然界中的增濕與脫濕過程。本次采用“干”的控制標準為：將土餅試樣置于實驗室內自然風干48 h。“濕”的控制標準為：(1)用帶針的注射器吸水后緩慢噴淋至試樣表面(針頭至試樣表面距離1 cm，噴淋速度控制為0.5 mL/s)，使試樣表面被水覆蓋，試樣將水吸收后繼續噴淋，直至5 min后水面不下降；(2)若試樣表面噴淋的水在5 min內被吸完，則噴淋至試樣底部有自由水滲出。

2 結果與分析

純紅土試樣經歷2，4，8次干濕循環后，其表面發展的裂隙清晰可見。所有純紅土試樣在經歷第1次干濕循環后即有環形微裂縫發育，經歷多次干濕循環后，裂縫寬度逐漸增大，初期形成的環形裂縫逐漸向周邊放射，在第4次干濕循環后最大裂縫達到毫米級寬度。第8次干濕循環后裂縫擴展趨于穩定，寬度不再增加(圖1)。

圖1 純紅土試樣裂縫擴展

摻常春藤根系的混合土經歷2、4、8次干濕循環后的裂縫擴展情況表明，常春藤根系可以有效地約束云南紅土的裂縫擴展，根系較高的抗拉強度承受了較大的脹縮應力。摻入常春藤根系后，混合土試樣在干濕循環的裂縫形態完全不同于純紅土試樣，多呈不規則的短裂縫，不再出現明顯的環形裂縫，其機制可能是由于根系的占位，改變了試樣脫濕過程中的收縮軸，即試樣不再是整體沿中心均勻地收縮(圖2)。

圖2 摻常春藤根系的混合土試樣裂縫擴展

用100倍裂縫觀測儀讀取各試樣的最大裂縫寬度，可得試樣在經歷0-8次干濕循環后的平均最大裂縫寬度及其變化趨勢，摻10%和20%常春藤根系時，從第1次干濕循環后就顯示出阻裂效應；而摻30%常春藤根系時，在第4次干濕循環后才顯示出阻裂效應。經歷第8次干濕循環后，摻10%、20%和30%根系試樣的平均最大裂縫寬度為純紅土試樣的17%(0.29 mm/1.68 mm)、17%(0.29 mm/1.68 mm)和82%(1.37 mm/1.68 mm)(圖3)。

用SPSS軟件對圖3中的4組數據進行非參數檢驗。從4組的平均秩次判斷，3個摻根系組的平均最大裂縫寬度均小于純紅土組，而10%、20%根系組裂縫寬度較小，30%根系組裂縫寬度較大。摻20%常春藤根系組對試樣裂縫擴展的約束效應最顯著(表2)。

表2 四組試樣最大裂縫寬度非參數檢驗結果

圖3 干濕循環后試樣的平均最大裂縫寬度

3 討論

干濕循環下純紅土試樣的裂縫發展過程如下：第1次干濕循環過程為裂縫發育期，純紅土試樣的增濕只在原樣的孔隙間發生，增濕效應使紅土吸水，脫濕效應在于遷出孔隙中的水分，但仍會造成紅土的含水率不同，軟化紅土顆粒間的連接，以致試樣出現微裂縫。第2-4次干濕循環過程為裂縫擴展期，經歷過裂縫發育過程后，純紅土試樣吸水增濕的主要效應在于增大紅土顆粒間的水膜厚度，引起紅土膨脹開裂；脫濕的主要效應在于減小紅土顆粒間的水膜厚度，引起紅土的失水收縮開裂，微裂隙逐漸發展成宏觀裂縫。第5次干濕循環以后為裂縫穩定期，純紅土試樣吸水增濕的主要作用是充填裂縫；脫濕的主要作用在于減小裂縫中紅土顆粒間的水分。

試驗結果表明，不同含根量對云南紅土干濕循環后的裂縫擴展具有不同的約束效應。摻10%和20%常春藤根系均能顯著約束云南紅土干濕循環后的裂縫擴展，且二者的約束效應幾乎相同。在經歷第8次干濕循環后，摻10%和20%根系試樣的平均最大裂縫寬度僅為純紅土試樣的17%。一方面，植物根系有較高的抗拉強度[8,14]，隨機分布在土樣中，在紅土吸濕膨脹和脫濕收縮過程中分擔了較高的脹縮應力，且不至大規模地破壞紅土顆粒間的原樣聯結；另一方面，筆者將常春藤根系與黃茅、狗牙根等根系進行了表面光滑程度對比，發現常春藤根系表面較粗糙[15]，能與紅土顆粒形成較好的摩擦聯結，根土復合體的整體性較強。摻30%常春藤根系亦能約束云南紅土的裂縫擴展，但這種阻裂效應明顯弱于10%或20%摻量，可能的機制是過多的根系大規模地切斷了原樣紅土顆粒間的有效聯結，使根土混合體的整體性變弱，反而降低了其阻裂能力。文獻[16]的研究也認為根系增強土體強度存在最優含根量。因此，不能也沒必要一味地追求高密度種植。

試驗揭示了純紅土試樣隨干濕循環次數的增加而出現的裂縫產生與擴展現象，也揭示了常春藤根系對紅土的阻裂效應。本研究采用的試驗方法，仍存在著一些不合理的因素，如制樣過程中的人為擾動、試樣尺寸偏小、將根系與紅土一起進行了壓實處理等。另外，有研究表明，實際根土復合體中的毛細根系及其生物活性對土體的加筋效應優于人為添加在土中的根系[17]。但是，本研究的試驗方法具有試樣尺寸、密實程度、含水率等容易控制的優點。考慮到目前云南紅土開裂及根系阻裂研究的實際困難，筆者采用的方法還是值得推薦。該試驗方法使得借助常規試驗儀器，研究植物根系對云南紅土經歷干濕循環后裂縫擴展的約束效應成為可能，從而為云南紅土工程問題分析提供相對合理有效的依據。而一些研究表明，根系形態[18-19]以及細胞壁成分[20]等也會影響固坡效應，因此，今后可多學科聯合，深入研究不同植物根系及其分布形態對云南紅土在不同干濕循環控制條件以及大尺寸試樣條件下裂縫擴展約束效應。

4 結論

1)使用一種較合理的簡單試驗方法，測試了干濕循環過程中純云南紅土以及摻常春藤根系的混合土的最大裂縫寬度。試驗反映了純云南紅土以及摻根系的混合土在干濕循環過程中裂縫的發生、擴展現象。

2)干濕循環條件下，含根量會影響常春藤根系對云南紅土的阻裂效應。摻10%和20%常春藤根系時，從第1次干濕循環后就顯示出明顯的阻裂效應；而摻30%常春藤根系時，在第4次干濕循環后才顯示出較弱的阻裂效應。

3)第8次干濕循環后，摻10%、20%和30%常春藤根系試樣的平均最大裂縫寬度為純紅土試樣的17%、17%和82%，統計分析表明，20%摻根量時阻裂效果最優。