土壤含水量和壓實(shí)度對植被護(hù)坡加固效果的影響

吳 鳳

(深圳市深水水務(wù)咨詢有限公司，廣東 深圳 518021)

1 概 述

高強(qiáng)度降雨往往會引發(fā)塌方、滑坡等事故，是造成邊坡失穩(wěn)的主要因素之一[1]。深圳市多年平均降雨量1 935.8 mm。2020年，深圳市年降水量1 581.8 mm，較常年偏少18.3%，降水量呈現(xiàn)“東南多、西北少”分布。特殊的地理位置導(dǎo)致深圳市多發(fā)季風(fēng)，強(qiáng)降雨時(shí)間長，局部地區(qū)暴雨頻發(fā)，從而也導(dǎo)致全市水土流失面積不斷增大。調(diào)查研究顯示，2020年深圳市水土流失總面積58.02 km2，占比達(dá)到區(qū)域面積的2.35%，水土流失總量為20.74×104t。因此，邊坡上的植物不僅可以美化道路景觀，恢復(fù)受損的生態(tài)環(huán)境，還起到加固邊坡、減少水土流失的作用[2-3]。一方面，植物莖葉可以攔截雨水[4]，從而可以通過減少到達(dá)坡面的降雨量及雨滴初動能，來削弱降雨對邊坡的侵蝕作用；另一方面，植物根系不僅可以有效控制和減少水土流失，同時(shí)也提高了土壤的抗剪強(qiáng)度[5]。

目前，關(guān)于植被護(hù)坡加固機(jī)理，國內(nèi)外的研究[6-7]均處于基礎(chǔ)探索階段。植物根系不規(guī)則分布在土壤中，形成了相對穩(wěn)定的錨固系統(tǒng)，從而導(dǎo)致植物根系對邊坡起到加固作用。同時(shí)，植物根系隨著時(shí)間的增加會進(jìn)行再次發(fā)育，其對邊坡起到的加固作用會加強(qiáng)。植被護(hù)坡已得到公認(rèn)，并已在工程中得到應(yīng)用。現(xiàn)有的植被護(hù)坡研究大多是從植物生態(tài)效應(yīng)[8]、植物保護(hù)技術(shù)[9]和植物根系特性[10]等方面進(jìn)行的，很少從根系的錨固功能方面進(jìn)行研究。本文采用三軸剪切試驗(yàn)，通過在土樣中加入繩索來模擬植物根系的加固效果，來研究土壤含水量和壓實(shí)度對植被護(hù)坡加固效果的影響，同時(shí)分析根系的錨固作用和錨固機(jī)理，研究成果對合理利用根系的錨固作用、開發(fā)護(hù)坡新途徑具有非常積極的意義。

2 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

選擇深圳市不同降雨強(qiáng)度區(qū)域作為研究對象，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，設(shè)計(jì)土壤含水量分別為9%、14%、19%、22%和24%。土樣的干密度是通過重壓實(shí)試驗(yàn)確定的，分別為75%、80%、85%。需要植被加固的邊坡一般為土質(zhì)邊坡，因此本文選取粉質(zhì)黏土進(jìn)行試驗(yàn)研究。基本物理性質(zhì)見表1。

表1 土質(zhì)邊坡(粉質(zhì)黏土)的基本物理性質(zhì)

不同植物的根系性質(zhì)有很大差異。植物根系的抗拉強(qiáng)度為0～100 MPa,彈性模量為100～6 000 kPa，塑性變形為2%～3%。為了增加試驗(yàn)的準(zhǔn)確度，本文根據(jù)實(shí)際根系參數(shù)，采用相同植物材料制成的繩索加入到土樣中以模擬根系。其平均直徑為2.49 mm，平均抗拉強(qiáng)度為30.29 MPa，極限伸長率為7.01%，與普通植物根系一致。現(xiàn)場調(diào)查顯示，植物的主根與坡面的夾角相似(45°+φ/2)，試樣中的剪切破壞面與繩索的夾角相似，則試樣中繩索的布置如下：將土樣中繩索分為兩個(gè)水平段，每一水平段距試樣端部1/3，每一水平段有兩段呈十字形。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 土壤含水量和壓實(shí)度對有根土壤應(yīng)力-應(yīng)變的影響

不同土壤含水量(WC)和壓實(shí)度下，有根土壤和無根土壤主應(yīng)力差(PSD)與軸向應(yīng)變(AS)之間的關(guān)系曲線見圖1-圖6。從圖1-圖6中可以看出，在土壤含水量相同時(shí)，無論植物根系加固作用是否存在，土壤壓實(shí)度均顯著影響著主應(yīng)力差(PSD)。這是因?yàn)橥寥缐簩?shí)度每增加5%，主應(yīng)力差峰值顯著增加，低含水量土壤的表現(xiàn)趨勢更為明顯。

圖1 PSD-AS曲線(WC=9%，有根)

圖2 PSD-AS曲線(WC=14%，有根)

圖3 PSD-AS曲線(WC=14%，無根)

圖4 PSD-AS曲線(WC=19%，有根)

圖5 PSD-AS曲線(WC=19%，無根)

圖6 PSD-AS曲線(WC=22%，有根)

通過對比圖2與圖3、圖4與圖5的試驗(yàn)結(jié)果可以得出，當(dāng)植物根系加固后，主應(yīng)力差呈現(xiàn)顯著增加的趨勢，特別是土壤含水量達(dá)到14%左右時(shí)。當(dāng)土壤含水量達(dá)到14%以及土壤壓實(shí)度分別為75%、80%、85%時(shí)，有根土壤的主應(yīng)力差分別增加10%、15%、20%。

3.2 土壤含水量和壓實(shí)度對有根土壤黏聚力的影響

圖7和圖8分別為有根土壤和無根土壤樣品的黏聚力(CH)隨土壤含水量(WC)的變化曲線。從圖7-圖8中可以看出，無論植物根系加固作用是否存在，土壤黏聚力均會在土壤含水量為14%時(shí)達(dá)到峰值，而后土壤黏聚力呈下降趨勢。

同時(shí)，土壤壓實(shí)度也影響著土壤黏聚力的變化。隨著土壤壓實(shí)度(CP)的增加，土壤黏聚力表現(xiàn)出顯著提高的趨勢，尤其是當(dāng)土壤含水量較小時(shí)表現(xiàn)更為明顯。

比較有根土壤和無根土壤的黏聚力可以看出，當(dāng)土壤壓實(shí)度較大時(shí)，土壤中的根系可以大大提高土壤的黏聚力。當(dāng)土壤壓實(shí)度為75%時(shí)，土壤中根系的影響較弱；當(dāng)土壤壓實(shí)度為85%時(shí)，根系對土壤的影響更大。

圖7 CH-WC曲線(無根)

圖8 CH-WC曲線(有根)

3.3 土壤含水量和壓實(shí)度對有根土壤內(nèi)摩擦角的影響

圖9和圖10分別為有植物根系和無植物根系時(shí)土壤樣品的內(nèi)摩擦角(IFA)隨土壤含水量的變化曲線。從圖9和圖10的對比結(jié)果可知，無論植物根系加固作用是否存在，土壤的內(nèi)摩擦角均隨土壤含水量的增加而減小；并且土壤含水量越大，土壤內(nèi)摩擦角減小的速率越快。主要是因?yàn)橥寥篮吭酱笤浇咏柡蜖顟B(tài)，孔隙水的潤滑作用就會越強(qiáng)。

通過對比圖9和圖10的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，植物根系的加固作用可以有效提高土壤的內(nèi)摩擦角。尤其是在土壤含水量較小、土壤壓實(shí)度較大的情況下，提高效果更為顯著。隨著土壤含水量的增加，植物根系對土壤內(nèi)摩擦角的加固作用卻在不斷減小。

圖9 IFA-WC曲線(無根)

圖10 IFA-WC曲線(有根)

4 結(jié) 論

本文采用三軸剪切試驗(yàn)，通過在土樣中加入繩索以模擬植物根系的加固效果，分析了根系的錨固作用和錨固機(jī)理，研究了土壤含水量和壓實(shí)度對植被護(hù)坡加固效果的影響。結(jié)論如下：

1) 當(dāng)植物根系加固后，主應(yīng)力差呈現(xiàn)顯著增加的趨勢，特別是土壤含水量達(dá)到14%左右時(shí)。

2) 無論植物根系加固作用是否存在，土壤黏聚力均會在土壤含水量為14%時(shí)達(dá)到峰值，而后土壤黏聚力呈下降趨勢。

3) 隨著土壤壓實(shí)度(CP)的增加，土壤黏聚力表現(xiàn)出顯著提高的趨勢，尤其是當(dāng)土壤含水量較小時(shí)表現(xiàn)更為明顯。

4) 無論植物根系加固作用是否存在，土壤的內(nèi)摩擦角均隨著土壤含水量的增加而表現(xiàn)出減小的趨勢。