紫花苜蓿根系-砂土復(fù)合體力學(xué)特性

摘 要：為探究紫花苜蓿根系對砂性土的增強作用，以黃土為基礎(chǔ)土料，河砂為改性土料，將改性土料加入基礎(chǔ)土料中，制備含砂質(zhì)量百分比為0%，20%，40%，60%的紫花苜蓿根系-砂土復(fù)合體；通過根系拉伸試驗，得到根系抗拉強度；通過直剪試驗，得到不同含砂量和根系面積比（根系橫截面積A_R與土體橫截面積A的比值）的根土復(fù)合體抗剪強度參數(shù)；采用電子放大鏡對紫花苜蓿根系、根土復(fù)合體及剪切后試樣進行觀察，分析根系與土體的結(jié)構(gòu)和特征。結(jié)果表明：隨著紫花苜蓿根徑的增大，抗拉強度呈指數(shù)降低；隨著含砂量的增加，根土復(fù)合體黏聚力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；隨著根系面積比的增加，根土復(fù)合體黏聚力逐漸增大；以根系抗拉強度和根系面積比的乘積為自變量，實測的抗剪強度增量為因變量，進行線性擬合得到K值，在含砂量為0%，20%，40%，60%下的K值分別為0.38，0.56，0.2，0.09；當(dāng)根土復(fù)合體受到剪切力時，根系所受到的拉應(yīng)力可轉(zhuǎn)變?yōu)樵鰪娂羟忻娴哪Σ亮偷挚雇馏w變形的剪應(yīng)力，提高了根土復(fù)合體抗剪強度。研究結(jié)果對礦山生態(tài)修復(fù)中的土體重構(gòu)工作提供理論依據(jù)。關(guān)鍵詞：含砂量；根系面積比；根土復(fù)合體；抗剪強度；根系拉伸

中圖分類號：P 642

Mechanical properties of alfalfa root-soil composite

WANG Guirong^1，2，WANG Kai^1，2，YUAN Lin^1，2，WU Yanbin^1，2

（1.College of Geology and Environment，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China;2.Institute of Ecological Enviromental Restoration in Mine Areas of West China，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China）

Abstract：In order to explore the enhancing effect of alfalfa roots on sandy soil，the loess was taken as the basic soil material and river sand as the modified soil material，and the modified soil material was added into the basic soil material to prepare alfalfa root-soil composite with sand mass percentage of 0%，20%，40% and 60%.The root tensile strength was obtained by the root tensile test.Through direct shear test，the shear strength parameters of the root soil composite were obtained with different sand content and RAR（ratio of root cross-sectional area（A_R）to soil cross-sectional area（A））.The electronic magnifying glass was used to observe alfalfa root，root soil composite and shear samples.The structure and characteristics of root and soil were analyzed.The results are as follows：with increase of root diameter，the tensile strength increased exponentially.With the increase of sand content，the cohesion of root soil composite increased first and then decreased.With the increase of RAR，the cohesion of the root soil composite gradually increased.When the product of root tensile strength and RAR as the independent variable and the measured shear strength increment as the dependent variable，a linear fitting was performed to obtain the K value，which was 0.38，0.56，0.2 and 0.09 respectively when sand content was 0%，20%，40% and 60%.When the root soil complex was subjected to shear force，the tensile stress of the root system could be transformed into friction force to enhance the shear plane and shear stress to resist soil deformation，thus promoting the shear strength of the root soil complex.The friction force and shear stress generated by the root system could improve the shear strength of the root soil composite.This research would support soil reconstruction in mine ecological restoration.

Key words：sand content；Root Area Ratio；root-soil composite；shear strength；tensile of root

0 引 言

中國西部地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱、水土流失嚴(yán)重、地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，對區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展十分不利^[1-5]。利用植被控制水土流失和預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害已成為該地區(qū)最為普遍且有效的措施，探究含根土的力學(xué)特性及模型應(yīng)用成為生態(tài)研究的熱點^[6-8]。

楊亞川等以草本植物為研究對象，首次提出“根系-土壤復(fù)合體”的概念，通過直剪試驗發(fā)現(xiàn)根土復(fù)合體黏聚力隨根系含量的增加而增大^[9]；DOCKER等對2種草本植物進行原位剪切試驗，發(fā)現(xiàn)植物根系的存在增加土體的抗剪強度，且抗剪強度的增量取決于根系面積比的大小^[10]；廖博通過大型直剪試驗研究紫花苜蓿根系對四川雅安地區(qū)黏土抗剪強度特性的影響，認(rèn)為隨著RAR的增加，根土復(fù)合體黏聚力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢^[11]；祁兆鑫通過直剪試驗研究海韭菜和蘆葦根系對柴達木盆地粉土抗剪強度的影響，認(rèn)為隨著RAR的增加，根土復(fù)合體的黏聚力逐漸增大^[12]；劉宇飛通過無側(cè)限抗壓試驗研究狗尾草根系對山原紅壤的加固效果，認(rèn)為隨著RAR的增加，根土復(fù)合體黏聚力逐漸增大^[13]。

土體粒徑組成決定著土體的水分含量、通氣性和穩(wěn)定性^[14]，對植物根系生長^[15]、光合特性^[16]等影響顯著。大量研究表明，當(dāng)土體中存在砂時，土體孔隙結(jié)構(gòu)得到改善、根系生長得到促進，有利于植物扎根和防止土壤板結(jié)^[17-19]。目前砂性土體對根土復(fù)合體抗剪強度影響的研究較少，可借鑒其他材料對砂土改性研究的成果。楊文騰等對砂-黏混合土強度特性進行研究，提出反映混合土抗剪強度的界限含砂量，即最優(yōu)強度含砂量在15%～30%^[20]；唐朝生研究含砂量對聚丙烯纖維加筋黏性土強度的影響，發(fā)現(xiàn)隨著含砂量的增加，纖維土黏聚力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在含砂量為4%時，纖維土的黏聚力最大^[21]；肖成志研究在相同壓實度下，含砂量對粉土抗剪強度的影響，發(fā)現(xiàn)隨著含砂量的增加，混合土的抗剪強度逐漸增大^[22]；鄧通發(fā)、張彬等學(xué)者的研究均表明隨著含砂量的增加，土體內(nèi)摩擦角增大，黏聚力減小^[23-24]。

為量化植物根系對根土復(fù)合體抗剪強度的影響，有學(xué)者建立根系加固模型以評估根土復(fù)合體剪切性能。WU對植物根系與土體的相互作用進行系統(tǒng)研究，提出首個根系固土力學(xué)模型，建立根土復(fù)合體抗剪強度增量和RAR及根系抗拉強度之間數(shù)學(xué)關(guān)系^[25]。WU模型由于力學(xué)模型簡單實用、參數(shù)易于獲取、計算方便得到廣泛的應(yīng)用。由于WU等未考慮植物和土體類型對結(jié)果的影響，后續(xù)學(xué)者對WU模型中K值進行修正。張攀對狗牙根根土復(fù)合體進行直剪試驗，將結(jié)果與WU模型計算值進行比較^[26]；FAN等對田菁根土復(fù)合體進行直剪試驗，將結(jié)果與WU模型計算值進行比較，建議在峰值和殘余狀態(tài)下的修正系數(shù)K分別為0.39和0.42^[27]；OPESTEIN等對紫花苜蓿根土復(fù)合體進行直剪試驗，并將結(jié)果和WU模型進行比較，建議將K值修正為0.25^[28]；盧海靜對垂穗披堿草和細莖冰草2種植物進行根土復(fù)合體直剪試驗，將結(jié)果和WU模型計算值進行比較，認(rèn)為在西寧盆地及其周邊地區(qū)將K值修正為1.2^[29]。

紫花苜蓿具有根徑發(fā)達、抗旱性強、成活率高等特點，常作為干旱地區(qū)水土保持、邊坡固土的先鋒植物^[30-31]。目前針對紫花苜蓿的研究多注重于根系對土壤力學(xué)性質(zhì)的影響，以不同砂性土作為土壤分析紫花苜蓿根系-砂土復(fù)合體強度特性的相關(guān)研究略顯不足。以紫花苜蓿根系-砂土復(fù)合體為研究對象，以RAR和含砂量為變量，通過紫花苜蓿根系拉伸試驗、根土復(fù)合體直剪試驗，得到根系抗拉強度和根土復(fù)合體抗剪強度指標(biāo)，分析RAR和含砂量對黏聚力、內(nèi)摩擦角的影響，對不同含砂量下WU模型中K值進行修正并探究根系固土機理，研究結(jié)果有望對礦山生態(tài)修復(fù)中的土體重構(gòu)工作提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 土體材料

采用陜西涇陽南塬Q₂黃土為基礎(chǔ)土料，烘干后碾碎并過2 mm篩；采用涇河下游石英質(zhì)河砂為改性土料，烘干后過2 mm篩。將改性土料加入基礎(chǔ)土料中，在攪拌機中均勻混合，制備含砂質(zhì)量百分比分別為0%，20%，40%，60%的砂土樣，以下簡稱含砂量為M，編號分別為M₀，M₂₀，M₄₀，M₆₀（含砂量0%為素黃土），對砂土樣進行粒徑測試（圖1）。

1.2 試樣制取

1.2.1 試種預(yù)處理及播種

采用75%濃度酒精對紫花苜蓿種子進行浸泡消毒3～5 min，再用蒸餾水清洗取出備用；采用30%濃度的過氧化氫對紫花苜蓿種子進行催發(fā)2～3 min，再用蒸餾水清洗取出備用；將種子放入蒸餾水中靜置，待上下分層后，取下層顆粒飽滿的種子放入培養(yǎng)皿中備用（圖2）。

將混合后的砂土樣分層壓實，制作干密度為1.5 g/cm³，規(guī)格為φ20 cm×30 cm的砂土土柱（容器為PVC管），種植前對土柱進行澆水將其浸潤至完全飽和狀態(tài)。采用穴播法播種紫花苜蓿，播種位置選取在距土柱中心10 cm范圍內(nèi)并等間距種植4株。播種后，在土層表面松散鋪撒約1 cm厚的砂，便于植物透氣。試驗在溫室中進行，溫度維持在20～25 ℃，濕度20%左右，每天光暗交替培養(yǎng)，光照時間為12 h，用生物鏑燈補充光照。

1.2.2 直剪試樣制取

待紫花苜蓿生長到90～180 d，分別取環(huán)刀樣（根土復(fù)合體）和紫花苜蓿根系進行直剪試驗和根系拉伸試驗。在土柱20～30 cm和10～20 cm深度上分兩層制取，每層取4個環(huán)刀（φ61.8 mm×20 mm），環(huán)刀內(nèi)保證1根主根，環(huán)刀中心盡可能對準(zhǔn)主根（圖3）。共制作8個根土復(fù)合體土柱，最終獲得64個環(huán)刀樣。

1.3 測試方法

1.3.1 拉伸試驗

選取根莖順直和表皮完好的根系裁剪為8 cm，使用游標(biāo)卡尺多次測量根系直徑，取其平均值作為該根的根徑。試驗選用CMT 5105型微機控制電子萬能試驗機測定根系抗拉強度T，拉伸速率為5 mm/min，標(biāo)距為2 cm，以斷裂位置在中點附近為有效試驗。選取根徑在0～1 mm 70個樣，1～2 mm 20個，2～3 mm 15個，3～4 mm 15個，4～5 mm 15個，5～6 mm 15個。共6個組別，150個根系試樣進行拉伸試驗。

1.3.2 直剪試驗

使用水膜遷移法確保根土復(fù)合體含水率為10%。所用儀器為南京土壤儀器公司生產(chǎn)的ZLB-1型三聯(lián)直剪儀，設(shè)計法向應(yīng)力為100，200，300，400 kPa，剪切速率為0.8 mm/min。在結(jié)果處理中，應(yīng)變軟化型曲線取其峰值作為根土復(fù)合體的抗剪強度，對于應(yīng)變硬化型曲線和塑性屈服型曲線取剪切應(yīng)變在6.47%處對應(yīng)的剪應(yīng)力作為根土復(fù)合體的抗剪強度。待直剪試驗完成后，流水沖洗根系使土壤脫離，用游標(biāo)卡尺對根系上、中、下進行多次測量并取其平均值作為復(fù)合體的根莖，進而求得剪切試樣內(nèi)根系的橫截面積，將其與試樣的橫截面積相比得到根土復(fù)合體的根系面積比。

2 結(jié)果與分析

2.1 根系拉伸特性

通過根系拉伸試驗得到不同根徑的抗拉力和抗拉強度。紫花苜蓿根徑范圍0.1～5.8 mm，抗拉力在0.5～380 N，抗拉強度范圍在63.66～14.26 MPa。紫花苜蓿根徑越大，根系的極限抗拉力越大，當(dāng)根徑小于1 mm時，極限抗拉力增長較慢，當(dāng)根徑大于1 mm之后，隨著根徑的增加，極限抗拉力大幅度增加；相反，當(dāng)紫花苜蓿根徑較小，根系的抗拉強度越大，當(dāng)根徑小于1 mm時，極限抗拉強度降低趨勢較快，而大于1 mm之后，隨著根徑的增加，抗拉強度緩慢下降（圖5）。抗拉力F與根徑d的關(guān)系為F=42.2d^1.32，而抗拉強度T與根徑d關(guān)系為T=33.02d^-0.26。

2.2 根土復(fù)合體剪切特性

2.2.1 RAR與含砂量對應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響

RAR的變化對根土復(fù)合體試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線形態(tài)和抗剪強度都有顯著影響。在M₀和M₂₀條件下，素土樣（RAR為0）為應(yīng)變硬化型曲線，當(dāng)根系存在，根土復(fù)合體曲線均轉(zhuǎn)化為應(yīng)變軟化型，且隨著RAR的增加，抗剪強度顯著提高（圖6（a）、（b））；在M₄₀和M₆₀條件下，RAR的變化并沒有影響應(yīng)力應(yīng)變曲線形態(tài)，根土復(fù)合體和素土均表現(xiàn)為應(yīng)變硬化型曲線，且隨著RAR的增加抗剪強度有一定提高（圖6（c）、（d））。

含砂量的變化對根土復(fù)合體試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線形態(tài)和抗剪強度都有顯著影響。在RAR為0時，在M₀，M₂₀，M₄₀，M₆₀條件下抗剪強度分別為96.01，106.67，83.96，77.73 kPa，在RAR約為0.06%時，在M₀，M₂₀，M₄₀，M₆₀條件下抗剪強度分別為110.20，134.93，90.31，81.36 kPa，在其他近似的RAR條件下也基本表現(xiàn)出了相同規(guī)律，即隨著含砂量的增加，抗剪強度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。此外，在M₀和M₂₀條件下根土復(fù)合體曲線均為應(yīng)變軟化型，隨著含砂量的增加，在M₄₀和M₆₀條件下根土復(fù)合體曲線為應(yīng)變硬化型（圖6（a）（b）（c）（d））。

2.2.2 法向壓力對應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響

挑選4組不同含砂量和RAR下的應(yīng)力應(yīng)變曲線。法向壓力的增加顯著提升了根土復(fù)合體的抗剪強度，隨著剪切位移的增大，高法向應(yīng)力條件下試樣的抗剪強度增幅更顯著，如在M₀條件下RAR為0.06%時，法向壓力分別為100，200，300，400 kPa所對應(yīng)的根土復(fù)合體的抗剪強度分別為110.2，177.54，241.77，284.66 kPa（圖7（a））；在M₆₀條件下RAR為0.94%時，法向壓力分別為100，200，300，400 kPa所對應(yīng)的根土復(fù)合體的抗剪強度分別為95.66，154.41，213.99，273 kPa（圖7（d））。另一方面，法向壓力的增加改變了部分應(yīng)力應(yīng)變曲線形態(tài)，在M₀條件下RAR為0.06%和M₂₀條件下RAR為0.24%時，法向應(yīng)力為100，200 kPa時根土復(fù)合體曲線出現(xiàn)一定程度的軟化現(xiàn)象，而在300，400 kPa下表現(xiàn)出硬化的現(xiàn)象（圖7（a），（b））；在M₄₀條件下RAR為0.55%和M₆₀條件下RAR為0.94%時，根土復(fù)合體曲線在各級法向應(yīng)力下均表現(xiàn)為應(yīng)變硬化現(xiàn)象（圖7（c），（d））。

2.3 抗剪強度參數(shù)特征

根據(jù)抗剪強度擬合結(jié)果得到抗剪強度參數(shù)。隨著RAR的增加，根土復(fù)合體黏聚力快速升高。M₂₀黏聚力曲線在M₀，M₄₀，M₆₀之上，表明在M₂₀條件下根系對土體的加固作用最好。這是由于在M₂₀時，土體減小的黏聚力和摩擦力的增大值處于較好的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，使得在M₂₀時，根系的加固作用得到最大的發(fā)揮。在M₀條件下RAR范圍在0～0.79%，黏聚力范圍在38.26～90.42 kPa，增幅為136.33%；M₂₀條件下RAR范圍在0%～0.71%，黏聚力范圍在45.18～115.02 kPa，增幅為154.58%；M₄₀條件下RAR范圍在0～0.55%，黏聚力范圍在24.38～47.78 kPa，增幅為95.98%；M₆₀條件下RAR范圍在0～0.94%，黏聚力范圍在19.98～36.36 kPa，增幅為81.98%。可以看出在M₂₀時黏聚力增量、增幅都是最大的，說明適當(dāng)?shù)膿缴安粫档透翉?fù)合體的黏聚力，反而會有一定的提高。但隨著RAR的增加，M₄₀，M₆₀根土復(fù)合體的黏聚力卻明顯低于M₀，且增長幅度較小，M₆₀根土復(fù)合體的黏聚力增量、增幅都是最小的（圖8（a））。

在相同含砂量條件下，隨著RAR的增大，根土復(fù)合體內(nèi)摩擦角變化均在1°左右，變化幅度較小。這是由于土體的內(nèi)摩擦角主要受其礦物成分、粒徑分布、顆粒形狀和排列以及顆粒柔軟程度等影響，而根系的存在不會改變土體的固有特性。從曲線的空間分布來看，M₂₀曲線在最上方，內(nèi)摩擦角平均為32.15°；M₄₀曲線次之，內(nèi)摩擦角平均為30.92°；之后為M₆₀曲線，內(nèi)摩擦角平均為30.64°；最下面為M₀曲線，內(nèi)摩擦角平均為29.89°。總體來說，M₂₀條件下內(nèi)摩擦角最大，隨著含砂量的增加，在M₄₀和M₆₀條件下內(nèi)摩擦角逐漸減小，M₀條件下內(nèi)摩擦角最小（圖8（b））。

3 討 論

3.1 WU模型分析

WU模型是用于分析并計算根系固土效果的常用模型，計算所得抗剪強度增量基于根系抗拉強度與根系面積比，WU模型建立時設(shè)定含根土中根系的抗拉力得到充分發(fā)揮，所有根系同時達到抗拉強度且同時斷裂，以根系的抗拉強度來計算根系對土體的力學(xué)加固。但WU模型沒有考慮根系未斷裂的工況、以及植物類型和土性的特征。

分別計算出WU模型所得抗剪強度增量和室內(nèi)試驗所得抗剪強度增量。在RAR較小時模型預(yù)測值與實際值相對接近，隨著RAR的增加，誤差越來越大，通過WU模型計算所得抗剪強度增量和室內(nèi)試驗所得抗剪強度增量相差較大（圖9）。對不同含砂量下WU模型中K值進行修正，以根系抗拉強度與根系面積比的乘積為自變量，以室內(nèi)試驗所得抗剪強度增量為因變量，擬合數(shù)據(jù)得到K值（圖10）。

在M₀，M₂₀，M₄₀，M₆₀條件下，系數(shù)K值分別為0.38，0.56，0.20，0.09。隨著含砂量的增加，K值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在M₂₀條件下，K值達到最大為0.56，根系的固土能力達到最大，但仍然遠小于WU模型中理論值1.2。對比Opestein^[28]紫花苜蓿-黃土研究中K值為0.25，M₀（黃土）條件下K值為0.38，加固效果更好；對比FAN^[27]田青-細砂研究中峰值和殘余狀態(tài)下K值分別為0.39和0.42，M₂₀條件下K值為0.56，加固效果更好；對比張攀^[26]狗牙根-砂土研究中K值為0.2，和在M₄₀條件下K值一樣，加固效果一般；在M₆₀條件下K值為0.09，加固效果并不理想。在M₄₀和M₆₀條件下，盡管植物根系的透氣效果會提升，植物會獲得更好的生長發(fā)育條件，但這種砂性土在根系固土作用中表現(xiàn)效果不佳。

3.2 根土復(fù)合體固土機理

紫花苜蓿根系呈“圓柱形”，根系表面凹凸不平、粗糙，有平行于根系生長方向的凸脊，凸脊之間形成溝槽（圖11（a））。這些凸脊和溝槽能夠使根系與砂土顆粒之間的機械咬合力顯著提高^[32]。同時，紫花苜蓿根系具有一定韌性，在根土復(fù)合體中受力時不易被破壞，根系在土中類似“鋼筋”，使土體得到加固。通過對比發(fā)現(xiàn)，紫花苜蓿根系的抗拉強度明顯高于狗牙根、灰灰菜、龍葵、苦苣草、細莖針草和短柄草等草本植物^[26，33]，是一種良好的加筋材料。在M₀條件下細顆粒較多，根系與土顆粒之間孔隙較小，土顆粒將根系緊密包裹，較細的顆粒嵌入根系的溝槽中（圖11（b））。在M₆₀條件下粗顆粒較多，根系與砂土顆粒之間的孔隙增大，砂土顆粒不能完全嵌入根系溝槽中（圖11（c））。由于根系和土體的彈性模量不同，當(dāng)根土復(fù)合體在外力作用下發(fā)生剪切破壞時，根與土出現(xiàn)了錯位現(xiàn)象，一些粗徑根系并不會被拉斷，而是被剪彎，根系與法向方向的夾角大約70°（圖11（d））。在剪切力作用下，根系與土體有相互錯動的趨勢進而產(chǎn)生摩擦力，土體中根系被拉動時，可迅速將根系受到的拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化為剪切面上的法向應(yīng)力和切向應(yīng)力，其中法向應(yīng)力增加了剪切面上的正應(yīng)力，起到增強剪切面摩擦強度的作用，而切向應(yīng)力則直接參與抵抗土體剪切變形所產(chǎn)生的剪應(yīng)力（圖11（e））^[34-36]。這種由根系產(chǎn)生的摩擦力和剪應(yīng)力提高了根土復(fù)合體的抗剪強度，提高了根土復(fù)合體的黏聚力，進而增強了土體力學(xué)性能。

當(dāng)RAR較小時，根莖較細，根系抗拉力小，根系與土體發(fā)生相互錯動時，根系更容易被剪斷，進而根系的抗拉力可以完全轉(zhuǎn)化為剪應(yīng)力和摩擦力，這也說明了在RAR較小時模型預(yù)測值與實際值越接近的原因。當(dāng)RAR較大時，根系較粗，根系本身具有較大的抗拉力，在發(fā)生相對位移時，根系不易被剪斷，而是被剪彎，根系的抗拉力可以部分轉(zhuǎn)化為剪應(yīng)力和摩擦力，所以造成了模型預(yù)測值與實際值相差較大。隨著RAR的增加，根土復(fù)合體抗剪強度逐漸增大，這與祁兆鑫和劉宇飛的研究結(jié)果相似。

當(dāng)含砂量較小時，黏土顆粒較多，土體孔隙較少，土體中以黏土顆粒為骨架結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了較大的黏聚力，提高了土體的抗剪強度；當(dāng)含砂量較大時，砂顆粒增多，砂土顆粒之間產(chǎn)生一定的摩擦力，但土體孔隙增多，黏聚力減小，摩擦力的增加值小于黏聚力的減小值，導(dǎo)致土體的抗剪強度降低；在含砂量為20%時，土體摩擦力的增大和黏聚力的減小處于較好的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，使得土體的抗剪強度達到最大。隨著含砂量的增加，土體抗剪強度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢^[20]。在適量砂顆粒和土顆粒的綜合作用下限制根系在土體中相對滑動，使得根系加固作用得到最大的發(fā)揮^[21]。這也是含砂量達到20%時根土復(fù)合體出現(xiàn)強度閾值的關(guān)鍵原因。

4 結(jié) 論

1）紫花苜蓿根系隨著根徑的增大，抗拉力呈指數(shù)增加，抗拉強度呈指數(shù)降低。隨著RAR的增加，根土復(fù)合體黏聚力逐漸增大，內(nèi)摩擦角基本不變；在M₀和M₂₀條件下，素土樣（RAR為0）為應(yīng)變硬化型曲線，當(dāng)有根系存在時，根土復(fù)合體曲線均轉(zhuǎn)化為應(yīng)變軟化型；在M₄₀和M₆₀條件下，RAR的變化并沒有影響應(yīng)力應(yīng)變曲線形態(tài)，根土復(fù)合體和素土樣均表現(xiàn)為應(yīng)變硬化型曲線。

2）隨著含砂量增加，根土復(fù)合體黏聚力呈現(xiàn)先增大后減小趨勢，內(nèi)摩擦角小幅度提升；在M₂₀條件下，根土復(fù)合體黏聚力增長幅度最大，表明少量的砂顆粒使得根系加固作用得到最大發(fā)揮；在M₀和M₂₀條件下根土復(fù)合體曲線為應(yīng)變軟化型，隨著含砂量增加，在M₄₀和M₆₀條件下根土復(fù)合體曲線為應(yīng)變硬化型；對WU模型進行修正，在M₀，M₂₀，M₄₀，M₆₀條件下，K值分別為0.38，0.56，0.2，0.09，隨著含砂量增加，K值呈現(xiàn)先增大后減小趨勢。

3）紫花苜蓿根系表面粗糙，發(fā)育有凸脊和溝槽，這些凸脊和溝槽在結(jié)構(gòu)上增強了根土間的摩擦阻力，提高了土體的穩(wěn)定性；同時紫花苜蓿根系具有更大的抗拉特性，可以顯著提升根土復(fù)合體的抗剪強度。

參考文獻（References）：

[1] 王念秦.黃土滑坡發(fā)育規(guī)律及其防治措施研究[D].成都：成都理工大學(xué)，2004.WANG Nianqin.Study on the growing laws and controlling measures for loess landslide[D].Chengdu：Chengdu University of Technology，2004.

[2]段釗，彭建兵，冷艷秋.涇陽南塬Q₂黃土物理力學(xué)特性[J].長安大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2016，36（5）：60-66.DUAN Zhao，PENG Jianbing，LENG Yanqiu.Physico-mechanical characteristics of Q₂ loess in south plateau of Jingyang[J].Journal of Chang’an University（Natural Science Edition），2016，36（5）：60-66.

[3]黃潤秋.中國西部地區(qū)典型巖質(zhì)滑坡機理研究[J].地球科學(xué)進展，2004，19（3）：443-450.HUANG Runqiu.Mechanism of large scale landslides in western china[J].Advance in Earth Sciences，2004，19（3）：443-450.

[4]殷躍平.中國地質(zhì)災(zāi)害減災(zāi)戰(zhàn)略初步研究[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，2004，15（2）：1-8.YIN Yueping Initial study on the hazard-relief strategy of geological hazard in China[J].

The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，2004，15（2）：1-8.

[5]DUAN Z，CHENG W C，PENG J B，et al.Interactions of landslide deposit with terrace sediments：Perspectives from velocity of deposit movement and apparent friction angle[J].Engineering Geology，2021，280：105913.

[6]郭力宇，郭昭，王濤，等.陜北黃土高原植被動態(tài)變化及其對氣候因子的響應(yīng)[J].西安科技大學(xué)學(xué)報，2019，39（2）：317-326.GUO Liyu，GUO Zhao，WANG Tao，et al.Dynamic changes of vegetation and its responses to climate factors in northern Shaanxi loess plateau region[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology，2019，39（2）：317-326.

[7]張元棟，尚曉鵬，杜芬玲，等.寧夏植被動態(tài)變化及其對降水的響應(yīng)[J].西安科技大學(xué)學(xué)報，2017，37（1）：84-89.ZHANG Yuandong，SHANG Xiaopeng，DU Fenling，et al.Dynamic change of vegetation and itsresponse to precipitation in Ningxia[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology，2017，37（1）：84-89.

[8]閆大鵬，周興東，劉偉，等.一種基于高斯擬合的水生植被遙感分類閾值確定方法[J].西安科技大學(xué)學(xué)報，2018，38（5）：776-782.YAN Dapeng，ZHOU Xingdong，LIU Wei，et al.An algorithm for determining remote sensing classification threshold of aquatic vegetation based on Gauss fitting[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology，2018，38（5）：776-782.

[9]楊亞川，莫永京，王芝芳，等.土壤-草本植被根系復(fù)合體抗水蝕強度與抗剪強度的試驗研究[J].中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，1996，1（2）：31-38.YANG Yachuan，MO Yongjing，WANG Zhifang，et al.Experimental study on anti-water erosion and shear strength of soil-root composite[J].Journal of China Agricultural University，1996，1（2）：31-38.

[10]DOCKER B B，HUBBLE T C T.Quantifying root-reinforcement of river bank soils by four Australian tree species[J].Geomorphology，2008，100（3）：401-418.

[11]廖博，劉建平，周花玉.含根量對秋楓根-土復(fù)合體抗剪強度的影響[J].水土保持學(xué)報，2021，35（3）：104-110.LIAO Bo，LIU Jianping，ZHOU Huayu.Effects of

root content on the shear strength of root-soil composite of bischofia javanica[J].Journal of Soil and Water Conservation，2021，35（3）：104-110.

[12]祁兆鑫，余冬梅，劉亞斌，等.寒旱環(huán)境鹽生植物根-土復(fù)合體抗剪強度影響因素試驗研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報，2017，25（6）：1438-1448.QI Zhaoxin，YU Dongmei，LIU Yabin，et al.Experimental research on factors affecting shear strength of halophyte root-soil composite systems in cold and arid environments[J].Journal of Engineering Geology，2017，25（6）：1438-1448.

[13]劉宇飛，趙燚柯，楊苑君，等.2種草本植物混播根系對土體抗剪強度的影響[J].中國水土保持科學(xué)，2021，19（3）：81-88.LIU Yufei，ZHAO Yike，YANG Yuanjun，et al.Effect of roots of two mixed sowing herbaceous plants on soil shear strength[J].Science of Soil and Water Conservation，2021，19（3）：81-88.

[14]楊方社，李懷恩，曹明明，等.小型人工沙棘林對砒砂巖溝道土壤有機質(zhì)與水分的影響[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2011，25（9）：110-115.YANG Fangshe，LI Huaien，CAO Mingming，et al.Effects of small-scale artificial seabuckthorn forest on soil organic matter and soil moisture in the soft rock region gully[J].Journal of Arid Land Resources and Environment，2011，25（9）：110-115.

[15]BENGOUGH A G，MULLINS C E.Mechanical impe-dance to root growth a review of experimental techniques and root growth responses[J].Journal of Science，1990，41（3）：341-358.

[16]王群，李潮海，張永恩，等.不同質(zhì)地土壤夏玉米生育后期葉綠素?zé)晒馓匦员容^研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2006，34（21）：5476-5479.WANG Qun，LI Chaohai，ZHANG Yongen，et al.Research on chlorophyll fluorescence characteristic of summer maize in the late growth stage in different soil texture[J].Journal of Anhui

Agricultures Sciences，2006，34（21）：5476-5479.

[17]宋桂龍，韓烈保，張訓(xùn)忠，等.土壤機械阻力對草地早熟禾根系生長的影響[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2009，31（1）：60-65.SONG Guilong，HAN Liebao，ZHANG Xunzhong，et al.Effects of soil mechanical resistance on root growth cha-racteristics of kentucky turfgrass[J].Journal of Beijing Forestry University，2009，31（1）：60-65.

[18]伍海兵，方海蘭，彭紅玲，等.典型新建綠地上海辰山植物園的土壤物理性質(zhì)分析[J].水土保持學(xué)報，2012，26（6）：85-90.WU Haibing，F(xiàn)ANG Hailan，PENG Hongling，et al.Soil physical properties analysis of the typical newly-established green belt of Shanghai Chenshan botanical garden[J].Journal of Soil and Water Conservation，2012，26（6）：85-90.

[19]張大勇，王冬，崔凱.不同土質(zhì)對草本植物生長狀態(tài)的影響[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2012，40（8）：138-141.ZHANG Dayong，WANG Dong，CUI Kai.Influence of different soil textures on plant growth[J].Journal of Northeast Forestry University，2012，40（8）：138-141.

[20]楊文騰.不同配比砂黏土混合物強度特性研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2021.YANG Wenteng.Experimental study on the strength properties of sand-clay mixtures with different proportions[D].Chengdu：Southwest Jiaotong University，2021.

[21]唐朝生，施斌，高瑋，等.含砂量對聚丙烯纖維加筋黏性土強度影響的研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2007，26（A01）：2968-2973.TANG Chaosheng，SHI Bin，GAO Wei，et al.Study on effects of sand content on strength of polypropylene fiber reinforced clay soil[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2007，26（A01）：2968-2973.

[22]肖成志，李曉峰，張靜娟.壓實度和含水率對含砂粉土性質(zhì)的影響[J].深圳大學(xué)學(xué)報（理工版），2017，34（5）：501-508.XIAO Chengzhi，LI Xiaofeng，ZHANG Jingjuan.Effect of compaction degree and water content on performance of sandy silt[J].Journal of Shenzhen University Science and Engineering，2017，34（5）：501-508.

[23]鄧通發(fā)，艾志偉，羅嗣海，等.黏質(zhì)土-砂混合物剪切特性試驗研究[J].人民長江，2014，45（9）：95-101.DENG Tongfa，AI Zhiwei，LUO Sihai，et al.Experimental study on shear characters of clay-sand mixture[J].Yangtze River，2014，45（9）：95-101.

[24]張彬，張曉雷，田廣宇.含砂量對黏-砂混合土力學(xué)特性影響的試驗研究及工程應(yīng)用[J].水運工程，2022，（6）：195-201.

ZHANG Bin，ZHANG Xiaolei，TIAN Guangyu.Experimental study on effect of sand content on mechanical properties of clay sand mixed soil and engineering application[J].Waterway Engineering，2022，（6）：195-201.

[25]WU T H，SWANSTON D N.Strength of tree roots and landslides on prince of wales Island，alaska[J].Canadian Geotechnical Journal，1979，16（1）：19-33.

[26]張攀.高速公路路基邊坡植物根系加固機理研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2020.ZHANG Pan.Research on plant root reinforcement mechanism of highway embankment slope[D].Shanghai：Shanghai Jiaotong University，2020.

[27]FAN C C，SU C F.Role of roots in the shear strength of root-reinforced soils with high moisture content[J].Ecological Engineering，2008，33（2）：157-166.[28]OPERSTEIN V F S.The influence of vegetation on soil strength[J].Proceeding of the Institution of Civil Engineers Ground Improvement，2000，4（2）：81-89.

[29]盧海靜，胡夏嵩，付江濤，等.寒旱環(huán)境植物根系增強邊坡土體抗剪強度的原位剪切試驗研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2016，35（8）：1712-1721.LU Haijing，HU Xiasong，F(xiàn)U Jiangtao，et al.In-situ shearing test on the shear strengh of soil slope reinforced by plant roots in cold and arid environments[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2016，35（8）：1712-1721.

[30]宋曦，王金成，井明博，等.紫花苜蓿對隴東黃土高原油污土壤場地生態(tài)修復(fù)的綜合響應(yīng)[J].草業(yè)科學(xué)，2019，36（7）：1754-1764.SONG Xi，WANG Jincheng，JING Mingbo，et al.Comprehensive response of Medicago sativa when used to ecologically remediate a site in the eastern region of the Loess Plateau contaminated with different concentrations of oil[J].Pratacultural Science，2019，36（7）：1754-1764.

[31]畢銀麗，羅睿，王雙明.接菌對紫花苜蓿根系抗拉性及根菌復(fù)合土體抗剪強度影響[J].煤炭學(xué)報，2022，47（6）：2182-2192.BI Yinli，LUO Rui，WANG Shuangming.Effect of inoculation on the mechanical properties of alfalfa root system and the shear strength of mycorrhizal composite soil[J].Journal of China Coal Society，2022，47（6）：2182-2192.

[32]劉亞斌，余冬梅，祁兆鑫，等.寒旱環(huán)境黃土區(qū)灌木植物根系拉拔試驗及其根系表面微觀結(jié)構(gòu)特征研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2018，37（S1）：3701-3713.LIU Yabin，YU Dongmei，QI Zhaoxin，et al.Research on pull-out test and surface microstructure features of shrubs roots in loess area of cold and arid environment[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2018，37（S1）：3701-3713.

[33]DE BAETS S，POESEN J，REUBENS B，et al.Root tensile strength and root distribution of typical mediterranean plant species and their contribution to soil shear strength[J].Plant and Soil，2008，305（1）：207-226.

[34]宋云，言志信，段建.摩擦型根-土作用模型[J].巖土力學(xué)，2005，26（S2）：171-174.SONG Yun，YAN Zhixin，DUAN Jian.A model of interaction between roots and soil[J].Rock and Soil Mechanics，2005，26（S2）：171-174.

[35]唐皓，李華華，劉馳洋，等.棕櫚加筋黃土剪切強度特性及細觀結(jié)構(gòu)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2020，20（19）：7832-7837.TANG Hao，LI Huahua，LIU Chiyang，et al.Shear strength characteristics and meso-mechanism of palm-reinforced loess[J].Science Technology and Engineering，2020，20（19）：7832-7837.

[36]薛中飛，王琳，鄭文杰.農(nóng)作廢棄秸稈加筋黃土的剪切特性[J].長江科學(xué)院院報，2020，37（4）：180-186.XUE Zhongfei，WANG Lin，ZHENG Wenjie.Shearing behavior of loess reinforced with post-harvest straw[J].Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2020，37（4）：180-186.

（責(zé)任編輯：李克永）