干濕交替下苜蓿根系對黃土抗剪力學性能影響

展 鵬, 張超波, 張 強, 馮瀟慧, 丁 陽, 蔣 靜

(太原理工大學 水利科學與工程學院, 太原 030024)

黃土區土地以丘陵山地為主[1],存在農業單一經營、廣種薄收、粗放耕作等問題,同時,亂墾濫挖現象較為嚴重,形成了“越墾越窮,越窮越墾”的惡性循環。目前,黃土區水土流失存在面積廣,強度大,速度快的特點,造成部分區域千溝萬壑、光山禿嶺的景象[2]。水土保持措施主要有植物措施、工程措施以及植物與工程相結合措施。植物措施是目前提高邊坡穩定性,防治水土流失最基礎、高效的辦法[3],不僅施工便利、造價成本低,而且具有生態調節作用及綠化觀賞價值。

植物保持水土的作用主要分為水文效應與力學效應。植物通過地上莖葉部分削弱雨水沖刷,地下根系部分通過自身抗拉力以及根土間的摩擦錨固作用,與土體緊密粘結,對土體進行加筋,使其抗剪性能得以提升,地上地下作用相結合,可提高邊坡整體穩定性[4]。植物根系在固土護坡方面的作用已得到許多學者的關注與認可[5]。根系力學固土作用是其提升土體剪切強度,實現水土保持作用最主要的原因[6]。然而,黃土具有孔隙大、遇水易濕陷等性質,使得黃土內部結構易發生破壞[7]。在降雨、蒸發和地下水位的升降作用下,黃土會處于干濕交替狀態。干濕交替影響土壤滲透性和抗剪性能[8]。已有學者在干濕交替對土體抗剪特性影響方面進行了初步探究[9-11]。Mao等[12]通過量化干濕交替前后壓實黃土的物理及力學特性發現,土體經歷一定干濕交替次數后,其孔隙增加、孔隙比升高、干密度及抗剪強度有所下降。付理想等[13]通過分析對比原狀黃土與重塑黃土在干濕交替條件下其滲透特性變化規律,發現兩種狀態的黃土在干濕交替作用下其孔隙結構均發生變化,土體滲透特性也隨之改變。劉宏泰等[14]選擇重塑黃土進行室內三軸壓縮試驗,研究發現重塑黃土抗剪強度、黏聚力、內摩擦角在經歷首次干濕交替作用后降幅最大,且均與干濕交替次數呈負相關關系。但是,目前缺乏干濕交替循環狀態下根系對土體抗剪力學效應影響規律的研究。

植物根系固土的力學效應受多種因素影響,分析量化根系對土體力學性能影響是植物護坡方向研究的重點難點。Wu等[15]基于庫倫理論建立了最初的根系固土力學模型;隨后Pollen等[16]把根系斷裂視為一個動態過程,并基于此建立纖維素模型;在此基礎上Schwarz等[17]考慮根系拉伸應力應變關系發展了纖維增強模型;此外還有以土體剪切位移為基礎建立的強度模型[18]以及考慮根-土界面粘結效應的根土復合體抗剪強度極限估算模型[19]。這些模型對根系和土體相互作用機理進行了深入探究,但由于模型參數的復雜性,其應用在工程實踐及數值計算中難以實現,因此Wu模型仍是當前適用性最廣的根系固土模型,但在實際應用中應對Wu模型中參數進行修正[20-22]。

針對以上情況,本試驗以黃土區典型草本植物苜蓿根系為研究對象,采用室內直剪試驗,研究干濕交替條件下根系對黃土抗剪力學性能的影響,分析抗剪特性與干濕交替作用、根系尺寸、土體容重與土體含水率等影響因素的關系,并結合Wu模型評估根系對土體抗剪特性的增強作用,研究結果對干濕交替下根土間受力關系和邊坡穩定性研究及評估具有重要意義,可為處于干濕交替狀態下的黃土區生態建設和工程建設提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗區太原市位于山西省中部地區及晉中盆地北部地區,平均海拔約800 m,地理坐標為北緯37°27′—38°25′,東經111°30′—113°09′。太原市為暖溫帶大陸性季風氣候。夏季濕熱多雨,冬季干冷漫長,春季升溫急劇,秋季降溫迅速,春秋兩季短暫多風,干濕季節分明。年平均氣溫9.5℃,1月平均-6.5℃,7月平均21.5℃。降雨主要集中在7—9月,年平均降水量約為470 mm。

1.2 樣品采集與制備

1.2.1 根系采集 在試驗區內選取生長周期3個月,長勢良好的苜蓿植株。采用水沖法開挖苜蓿根系并進行根系形態調查。利用中晶ScanMaker i800 plus掃描儀和LA-S系列植物根系分析儀(杭州萬深檢測科技有限公司),掃描根系形態,得出根系直徑、根系長度等數據。將采集的苜蓿根系冷藏于-4℃的冰箱內以保證根系的鮮活性與完整性,便于后期室內直剪試驗、單根拉伸試驗以及單根拉拔試驗的進行。

1.2.2 土樣采集 試驗所用土樣取自山西省太原市。用容積為100 cm3(底面積20 cm2,高度5 cm)的環刀按品字形分布采集距表面20 cm左右深度處的原狀土壤,挖取足量原狀土壤,密封帶回室內風干并碾碎,過2 mm篩待用,風干后的土樣一部分用于直剪試驗,另一部分用于測定土壤理化基本性質。經測定土樣類型為砂質壤土。

1.2.3 重塑土的制備 選取完整無損的根系修剪成所需長度備用;將土樣分層裝入試驗盒內,當土樣壓至第二層后放置根系,共填4～5層(根據設計的試驗水平控制試樣容重與含水率),并用試驗機以50 mm/min速度壓實,每層之間進行拋毛;為了使根系與土體更好地粘結,將試樣靜置24 h后進行試驗。

1.3 室內直剪試驗

干濕交替下室內直剪試驗主要研究根系尺寸(根徑和根長)、土體容重及土壤含水率等因素在干濕交替下對含根土體抗剪特性的影響。根據以往研究顯示,根系尺寸、容重對土壤抗剪強度均為單調影響[23-25],因此本試驗在363個樣本數的基礎上,設置根系直徑3個水平:小于0.5 mm,0.5～1.0 mm,大于1.0 mm,分別編組D1,D2,D3;根系長度3個水平:40,60,80 mm,分別編組L1,L2,L3;土體容重3個水平:γ1,γ2,γ3(1.2,1.3,1.4 g/cm3)(研究區野外實測土體容重范圍為1.15～1.4 g/cm3);土體含水率設定采用含水率飽和度(含水率飽和度是指通過試驗測量出各容重土體飽和質量含水率,以此含水率飽和度為100%,根據土體容重選取飽和度按8%階梯遞減變化控制水平的變化量),控制4個水平ω1,ω2,ω3,ω4(24%,32%,40%,48%)。根據以往研究顯示,干濕交替一次對土體抗剪強度影響最大[8,14,26],且本試驗為突出干濕交替條件下各因素對黃土抗剪強度影響,因此本試驗設置干濕交替次兩個水平:0次、1次。

本試驗干濕交替過程是通過浸泡增濕,烘箱減濕的方法來實現。將試樣浸泡至飽和含水率,時間為3～4 h,此過程為一次增濕過程;將吸水飽和的試樣放入托盤內,置于設定溫度為40℃烘箱內,烘干至初始含水率狀態,時間為6～10 h,此為一次減濕過程。至此,完成一次干濕交替過程。將完成干濕交替的試樣垂直放入直剪儀,然后將垂直應力分別為0,0.75,1.5,2.25 kPa所對應的砝碼放于土體頂部,進行有附加應力的剪切試驗。啟動電推桿使其以3 mm/s的速度勻速推動剪切盒至土體發生完全剪切破壞,剪切盒上部與下部完全分離視為剪切過程結束,并記錄其抗剪強度數據。

土抗剪強度是指土體抵抗剪切破壞的極限強度[27]。其抗剪強度計算公式為:

(1)

式中:τ為含根土體或素土抗剪強度(kPa);F為水平推力(N);A為剪切截面積(mm2)。

1.4 Wu模型

本文以Wu模型為理論依據,按下式計算苜蓿根土復合體的根系附加黏聚力值(Cr):

(2)

通過對比根系抗拉強度與抗拔強度,探討其合理性,再與試驗實測根系附加黏聚力值對比,提出Wu模型優化建議。

1.5 單根拉伸試驗

室內單根拉伸試驗研究最大抗拉力和極限抗拉強度與直徑的變化規律,試驗得出的平均抗拉強度用于根系固土模型預測。試驗中對苜蓿根系采用50 mm/min勻速加載速率,標距設定50 mm。選取優良根樣,除去須根,選取長度均為10 cm的根系試樣。測量單根直徑。使用SH-20艾德堡數顯式推拉力計(量程為20 N,分度值為0.01 N,精度±0.5%)并調整電動立式單柱測試機至設定標距,固定根系。進行拉伸試驗。選取正常拉斷數據記錄其抗拉力。

1.6 單根拉拔試驗

室內單根拉拔試驗研究根系直徑與抗拔強度特性關系。選取長度為10 cm、根徑均勻的根系,設定土體容重1.3 g/cm3,土體含水率32%,試樣根徑為范圍0.31～0.73 mm。試驗所得苜蓿抗拔強度用于Wu模型估算根系附加黏聚力中。測量單根直徑,將其埋入土體。制備完成的含根土體試樣靜置3 h以保證根系與土體更好地粘結。使用SH-20艾德堡數顯式推拉力計以50 mm/min的恒定加載速度進行拉拔試驗,測得其最大抗拔力。

1.7 數據分析

本文采用SPSS 26軟件進行顯著性水平檢驗和雙因素方差分析,分析影響黃土抗剪力學性能指標各因素水平的作用差異。通過Excel繪制圖表,圖中標注的不同小寫字母代表各因素不同水平下抗剪強度指標的顯著性差異(p<0.05)。

2 結果與分析

2.1 干濕交替下土樣直剪試驗破壞形態

未干濕交替與干濕交替一次后,容重1.3 g/cm3素土與含根土試樣,在含水率為32%時完成直剪試驗的表觀形態存在一定差異。未干濕交替素土試樣剪切后,土體完整,表面平整密實,無孔隙裂紋出現;干濕交替一次后,素土試樣表面出現碎屑,并產生較小孔隙或裂紋;相同含水率和容重的含根土試樣,未經歷干濕交替試樣表面平整密實,無孔隙裂縫;干濕交替一次后,土體表面開始脫落,出現明顯孔隙;與素土相對比,經歷干濕交替的根土復合體形態完整度明顯優于素土,由此可見,干濕交替下,根系具有一定的加筋固土作用。

2.2 干濕交替下含根黃土抗剪力學性能與根系尺寸的關系

試驗發現,干濕交替及根系尺寸對黃土最大抗剪強度的影響極顯著(p<0.01)(表1)。含根土體最大抗剪強度與根徑、根長成正比,根徑越大、根系越長其抗剪強度越大(圖1)。并且,根徑和干濕交替對抗剪強度的交互影響極顯著(p<0.01),而根長和干濕交替對抗剪強度的交互影響不顯著(p>0.05)。對于不同級別的根徑含根組來說,干濕交替一次后,含根土體抗剪強度顯著低于未干濕交替土體(p<0.01)。D1干濕交替一次后,最大抗剪強度由11.34 kPa減少到9.71 kPa,降幅為14.31%。但D1最大抗剪強度降幅遠小于D2(25.85%)與D3(26.85%)組含根土體;可以看出,干濕交替作用對含細根土體的劣化程度較小。由此可以推測,干濕交替下,細根根系固土效果優于中、粗根根系固土效果。干濕交替下,根長對土體抗剪強度也有顯著影響(p<0.01)。不同根長下含根土體最大抗剪強度差異顯著,且根系越長抗剪強度越大。在干濕交替下,L1最大抗剪強度顯著小于L2,L3,說明中長根根系固土效果優于短根根系。

圖1 干濕交替下黃土抗剪強度與根系長度(A)和根系直徑(B)的關系Fig. 1 Relationships between loess shear strength and root length (A) and root diameter (B) under alternate wetting and drying

表1 根系尺寸與抗剪強度方差分析Table 1 Analysis of variance between root size and shear strength

2.3 干濕交替下含根黃土抗剪力學性能與土壤容重關系

試驗發現,干濕交替和容重對黃土抗剪強度影響極顯著(p<0.01)。并且,干濕交替和容重對土體抗剪強度的交互影響顯著(p<0.05)(表2)。黏聚力、內摩擦角和抗剪強度均與容重呈正相關關系,土體容重越大,其黏聚力越大,根系附加黏聚力越大,內摩擦角和抗剪強度也越大(圖2)。但隨著干濕交替作用的影響,土體黏聚力、內摩擦角和抗剪強度又均發生不同程度的劣化,其主要原因為土體在增濕過程中,土體顆粒間大小及間距改變及其聯結作用被破壞,導致其黏聚力強度劣化,抗剪強度減弱。而干燥減濕過程又使土體基質吸力增大,土體經歷吸濕膨脹與脫水收縮變形,其孔隙數量不斷增加,使土體內摩擦角在干濕交替作用下整體劣化。但劣化程度遠小于黏聚力,可見干濕交替作用對抗剪強度的影響主要為影響其黏聚力,而對內摩擦角影響較小。且與無根組對比發現,有無干濕交替影響,含根土體的黏聚力、內摩擦角和抗剪強度均大于無根土體。說明根系的存在能增強土壤黏聚力,并且增加土體的內摩擦角,從而提高邊坡穩定性。

圖2 干濕交替下黃土黏聚力、內摩擦角、抗剪強度與容重的關系(A無根組;B含根組)Fig. 2 Relationships between cohesion, internal friction angle, shear strength and soil bulk density of loess under alternate wetting and drying (A. group without root; B. group with root)

表2 容重與抗剪強度方差分析Table 2 Analysis of variance of bulk density and shear strength

未干濕交替時,各容重含根土體黏聚力分別為12.14,14.12,15.48 kPa,無根組黏聚力分別為9.25,10.12,10.84 kPa。含根土體經歷干濕交替后,各容重土體黏聚力分別為9.98,10.47,12.33 kPa,顯著低于未干濕交替的土體(p<0.01),但仍大于無根土體黏聚力。未經干濕交替的各容重含根土體試樣內摩擦角分別為23.75°,24.23°,24.70°,無根組內摩擦角為23.27°,23.75°,23.76°,干濕交替一次后,含根土和無根土內摩擦角均減小,但下降幅度遠小于黏聚力,且含根土體內摩擦角仍大于無根土體。未干濕交替的各容重含根土體抗剪強度分別為12.64,14.63,15.99 kPa,無根土體抗剪強度為9.77,10.63,11.33 kPa,含根土體抗剪強度顯著大于無根土體。干濕交替一次后,含根土體抗剪強度降低到10.45,10.95,12.83 kPa,無根土體抗剪強度也同樣降低,但含根土體抗剪強度仍大于無根土體。

2.4 干濕交替下含根黃土抗剪力學性能與土壤含水率關系

試驗發現,干濕交替及含水率對含根土體抗剪強度影響極顯著(p<0.01)。并且,干濕交替和含水率對含根土體抗剪強度的交互影響也極顯著(p<0.01)(表3)。相同干濕交替次數下,抗剪強度和黏聚力均隨含水率的增加呈先增加后降低的趨勢。試驗過程中,抗剪強度和黏聚力在含水率為ω2時達到最佳;干濕交替后,抗剪強度和黏聚力明顯衰減,不同含水率含根組減幅分別為27.31%,25.85%,24.96%,24.13%,初始含水率飽和度越低,干濕循環幅度越大,導致干濕交替一次后抗剪強度和黏聚力降幅越大。而內摩擦角隨含水率的增加大體呈降低趨勢。并且在相同含水率條件下,未經干濕交替作用的含根土體內摩擦角顯著大于干濕交替后的含根土體(圖3)。內摩擦角在干濕交替作用下明顯劣化,同時飽和度24%和32%間土體內摩擦角差異不顯著,32%與40%間也未發現顯著性差異,但飽和度為48%時根土復合體內摩擦角顯著降低,在飽和度為24%,40%與48%間,發現顯著性差異。究其原因可能是含水率對內摩擦角的影響無確定規律,不同試驗條件、根系條件、土體性狀導致試驗結果各異。

圖3 干濕交替下含根黃土黏聚力、內摩擦角、抗剪強度與土壤含水率關系Fig. 3 Relationships between soil moisture content and cohesion, internal friction angle and shear strength of loess with roots under alternate drying-wetting conditions

表3 含水率與抗剪強度方差分析Table 3 Analysis of variance between soil moisture content and soil shear strength

2.5 根黏聚力估算與Wu模型優化

室內拉伸試驗研究苜蓿根系不同根徑范圍內根系抗拉力學特性。試驗表明,隨根徑的增加,根系最大抗拉力增加,平均最大抗拉力10.04 N;抗拉強度與根徑呈負相關關系,平均抗拉強度113.09 MPa(圖4)。抗拉特性與根徑擬合為冪函數回歸方程為:抗拉力F=28.445D1.1064,R2=0.4181,p<0.05;抗拉強度P=36.217D-0.894,R2=0.3191,p<0.05。

圖4 苜蓿根系抗拉特性、抗拔特性與根系直徑關系Fig. 4 Relationships between root tensile characteristics, root pullout characteristics and root diameter

室內拉拔試驗試樣根系平均直徑0.56 mm,所有試樣根系均拔出,無拔斷。抗拔力隨根徑增加而呈冪函數增加(F=19.324D1.4346,R2=0.94,p<0.05);抗拔強度隨根徑增加而呈冪函數減小(P=24.604D-0.565,R2=0.72,p<0.05)。平均抗拔力8.61 N,平均抗拔強度35.21 MPa。

在苜蓿根系自身抗拉性能及其抗拔特性研究基礎上,分別采用單根抗拉強度與抗拔強度來計算根系所帶來的固土效果,并與實際根系增強土體抗剪強度效應對比[28]。本試驗中測得,容重為1.3 g/cm3,根徑范圍0.5～1.0 mm、未干濕交替根系實際附加黏聚力僅4.00 kPa。但是,若以在重塑土體條件下的苜蓿根系拉伸試驗的結果〔加權抗拉強度(Tr)80.96 MPa〕為基礎,Wu模型計算公式得到根系理論附加黏聚力為6.09 kPa,對植物根系的固土值高估達52.25%,而在同樣條件下以單根拉拔試驗的結果〔加權抗拔強度(Tp)34.00 MPa〕為基礎,Wu模型理論根系附加黏聚力為5.56 kPa,固土效果與實際值相差39%,優化后模型擬合準確度提升了13.25%。彌補了目前Wu模型僅基于土體剪切破壞時根系的拉伸斷裂破壞進行考慮,未考慮根系拔出等破壞方式的缺陷。但由于本研究需控制根系尺寸以及土體含水率等以及試驗條件的局限,采用重塑土進行根系埋置的研究方法,無法完全模擬真實條件下根系與土體之間的粘結效應。因此,針對植物生長過程的固土效應仍需探索與研究。而且對于Wu模型的優化,應該充分考慮土體性質等其他因素以及它們之間的相互作用,才能更好地提高其模擬精確度。

3 討 論

土體抗剪強度主要與土體類型、粒徑級配、容重、含水率等有關因素相關[29];而含根土體中植物根系所附加的抗剪強度,則主要與根系類型、根面積比、根長密度、根系拉伸特性等有關[30]。由此可見,影響根土復合體抗剪強度的因素眾多,余冬梅等[23]通過灰色關聯法評價后發現,與含水率、根重密度、根長密度相比,容重對其影響程度最大。干濕交替作用會影響土體結構、對其容重等也有一定影響,二者效應交互,導致其抗剪強度變化。

本試驗研究發現根土復合體在干濕交替作用下,吸水膨脹脫水收縮變形,土體顆粒大小及間距改變,聯結作用被破壞,導致其表面變得粗糙、松散、易脫落,并出現不均勻裂隙。且隨著干濕交替作用的影響,土體黏聚力,內摩擦角和抗剪強度均發生不同程度的劣化,這與曾召田等[26]的研究結果一致;干濕交替下,根系尺寸顯著影響根土復合體抗剪特性,根長越長、根徑越大,其抗剪強度越大。且在干濕交替作用下,細長根根系固土效果優于粗短根根系固土效果。這與楊路等[24]的研究結果一致;這主要是因為細根與土壤顆粒更能充分接觸,在剪切時可以產生更大的摩擦力,并且細根也具有更強的柔韌性[25]。試驗發現,含水率與干濕交替作用顯著影響含根土體抗剪特性。相同干濕交替次數下,抗剪強度隨含水率的增加,呈先增加再降低趨勢;初始含水率越低,干濕循環幅度越大,導致干濕交替后黏聚力和抗剪強度降幅越大,這與甘鳳玲等[31]的研究結果一致。但含水率波動對含根土體內摩擦角影響無確定規律。

為進一步研究植物根系在干濕交替作用下對土壤抗剪性能影響,以及對Wu模型的改進展開更深入的研究,在未來的研究中需進一步探究不同干濕交替次數對黃土抗剪強度的影響,不同種類植物根系含根原狀土體在干濕交替下根系的力學性能規律,并且在Wu模型的基礎上,探尋出適用于不同破壞條件下的根系固土模型。并且需考慮到植物的種植方法、種植密度以及不同植物的選擇等方面對根系固土效率的影響。

4 結 論

(1) 根土復合體在干濕交替作用下,表面變得粗糙、松散、易脫落,并出現不均勻裂隙。經歷干濕交替后,根土復合體黏聚力、內摩擦角均降低,土體最大抗剪強度也隨之減小。

(2) 干濕交替下,根系尺寸、土體容重、土壤含水率均對根土復合體抗剪特性有顯著影響。干濕交替下,根長越長、根徑越大,其抗剪強度越大;在一定范圍內,根土復合體極限抗剪強度、黏聚力、內摩擦角與土體容重呈正相關關系;含水率與干濕交替作用均顯著影響含根土體抗剪特性,相同干濕交替條件下,抗剪強度隨含水率的增加,呈先增加再降低趨勢;相同含水率水平下,進行干濕交替土體的抗剪強度指標顯著低于未進行干濕交替的,且初始含水率飽和度越低,干濕循環幅度越大,干濕交替后黏聚力降幅越大。

(3) 根系理論附加黏聚力為6.09 kPa或5.56 kPa,與實測根系附加黏聚力4.00 kPa相比,Wu模型估算結果與實際值相差甚遠。原因為除了根系自身性質(根系尺寸、生物成分等)對根系固土效率有重要影響外,土體本身的性質如容重、含水率以及干濕交替作用等也緊密影響著含根土體的抗剪強度。而Wu模型僅考慮了根系本身的影響因素(根面積比、根系抗拉強度),而實際上根土相互作用為一個復雜的動態過程,該模型并未考慮全面。