劉治興，楊建英*，楊陽，許澤寧，馬亞云，黃琴煥

1. 北京林業(yè)大學(xué)，北京 100083；2. 安徽省高速公路控股集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230000；3. 東方園林生態(tài)股份有限公司，北京 100012

高速公路不同植物防護(hù)邊坡根土復(fù)合體抗剪能力研究

劉治興1，楊建英1*，楊陽1，許澤寧2，馬亞云3，黃琴煥3

1. 北京林業(yè)大學(xué)，北京 100083；2. 安徽省高速公路控股集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230000；3. 東方園林生態(tài)股份有限公司，北京 100012

為定量評(píng)價(jià)植物根系固土的時(shí)間效應(yīng)，以岳武高速公路岳西第一標(biāo)段公路邊坡為對(duì)象，應(yīng)用自制的直剪儀對(duì)素土及植物生長(zhǎng)期61、95、125 d的根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定和物理模型預(yù)測(cè)。試驗(yàn)表明，（1）植物不同生長(zhǎng)期根系均能顯著增加邊坡淺層土壤抗剪強(qiáng)度，增強(qiáng)值與植物生長(zhǎng)時(shí)間成正相關(guān)。其中生長(zhǎng)期 125 d的根系土壤抗剪強(qiáng)度的提高幅度最大，增加值為5.21 kPa。（2）土體剪切破壞過程中，根系可以有效改善坡面抵抗變形性能。素土試樣在位移量為18 mm左右即達(dá)到抗剪強(qiáng)度峰值，根土復(fù)合體這一數(shù)值為19～40 mm；且根土復(fù)合體的殘余剪切強(qiáng)度平均為素土的2.68倍。（3）通過對(duì)比野外實(shí)測(cè)值與 Wu模型計(jì)算值，Wu模型高估了根系對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度的增強(qiáng)作用，相關(guān)學(xué)者對(duì)此提出的折減系數(shù)0.4和0.56仍不能與實(shí)測(cè)值相符，通過計(jì)算引入修正系數(shù)0.47，模型預(yù)測(cè)值的精確度最大提高了16.72%，有利于更準(zhǔn)確地評(píng)估植物根系的邊坡穩(wěn)定作用。

根土復(fù)合體；生長(zhǎng)期；抗剪強(qiáng)度；模型預(yù)測(cè)

中國(guó)道路交通建設(shè)當(dāng)前正在迅速發(fā)展。施工過程中，天然植被遭受破壞，挖方產(chǎn)生的大量廢棄土石渣料致使局部環(huán)境惡化，山體裸露，水土流失嚴(yán)重（張飛等，2005；王伯蓀和彭少麟，1997；王玉太和王維平，1999）。傳統(tǒng)的工程防護(hù)措施，如掛網(wǎng)噴錨、抗滑樁等，不僅耐久性差，不利于坡面植被恢復(fù)，而且較難適應(yīng)不均勻沉降（譚煒和賈致榮，2007；姚環(huán)等，2004）。因此，生態(tài)防護(hù)逐漸受到建設(shè)者們的矚目。生態(tài)護(hù)坡技術(shù)利用植物涵水固土特性，通過生態(tài)工程自我組織與修復(fù)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定邊坡，其綜合了植物學(xué)、工程力學(xué)等多門學(xué)科。生態(tài)護(hù)坡不僅彌補(bǔ)了傳統(tǒng)施工措施的缺陷，更能降雨截流、滿足人們對(duì)景觀效應(yīng)的要求，同時(shí)植物可以吸收有害氣體并減少噪音（周德培和張俊云，2003），該項(xiàng)技術(shù)在交通建設(shè)中已被廣泛應(yīng)用。

抗剪切強(qiáng)度用以度量土壤抵抗剪切形變的能力，其數(shù)值用破壞面發(fā)生剪切位移時(shí)的最大剪應(yīng)力表示，抗剪切強(qiáng)度為衡量邊坡穩(wěn)定性能的重要指標(biāo)。目前，國(guó)內(nèi)外較多學(xué)者通過剪切試驗(yàn)對(duì)根系增強(qiáng)土體抗剪切強(qiáng)度及其力學(xué)特性、作用機(jī)理等進(jìn)行研究。胡其志等（2010）對(duì)狗牙根進(jìn)行直剪試驗(yàn)，探討了含根量及法向壓力變化時(shí)根土復(fù)合體試樣抗剪切強(qiáng)度的差異，發(fā)現(xiàn)該指標(biāo)與根系質(zhì)量成正相關(guān)，且在 0.3%～0.4%范圍內(nèi)剪切強(qiáng)度變化較小，即存在最優(yōu)含根區(qū)。Hengchaovanich和 Nilaweera（1996）對(duì)香根草含根土體的剪切測(cè)定發(fā)現(xiàn)：深度為0.25和1.50 m的2年生植物根土復(fù)合體抗剪切強(qiáng)度較素土分別增加了 90%和1.25%。Niu等（2008）認(rèn)為林木根系增強(qiáng)土體剪切強(qiáng)度的因素之一為剪切相對(duì)滑動(dòng)時(shí)根系與土壤產(chǎn)生的靜摩擦力。雖然已有研究表明，不同植物生長(zhǎng)階段根系生物物理性質(zhì)的變化將會(huì)間接影響其對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度的增強(qiáng)效果（Mattia等，2005；李華坦等，2014），但對(duì)這一變化規(guī)律的定量研究卻鮮見報(bào)道。有鑒于此，本研究利用自制的剪切設(shè)備對(duì)高速公路典型邊坡植物不同生長(zhǎng)期根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，結(jié)合根系增強(qiáng)土體剪切強(qiáng)度的物理模型，通過對(duì)比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果的差異，定量研究植物根系對(duì)公路邊坡的穩(wěn)定作用，以期為研究區(qū)評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)柔性護(hù)坡措施的固土效應(yīng)提供理論支持。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)設(shè)在安徽省安慶市岳西縣境內(nèi)，地理坐標(biāo)N 30°39′～31°11′，E 115°50′～116°33′，平均海拔高度 374 m。該區(qū)地處大別山腹地，皖西南邊陲，總面積 2398 km2，屬北亞熱帶濕潤(rùn)性季風(fēng)氣候，年平均氣溫14.4 ℃，多年平均降雨量 1445.8 mm，境內(nèi)樹木蔥蘢，光照充裕，冬暖夏涼，氣候宜人。全縣有 5個(gè)土類，土壤代表類型為砂土、砂壤土；地質(zhì)構(gòu)造以花崗巖、片麻巖為主。試驗(yàn)區(qū)植物資源豐富，森林覆蓋率達(dá)73%，主要植物有銀杏Ginkgo biloba L、香果樹Emmenopterys henryi Oliv、金粟蘭Chloranthus spicatus(Thunb.) Makino、草珊瑚Sarcandra glabra(Thunb.)Nakai等。

2 試驗(yàn)方法

2.1 直接剪切試驗(yàn)

試驗(yàn)所用含根土樣取自岳武高速公路 K 0+000～K 4+800處生態(tài)防護(hù)半填半挖式典型公路邊坡，該區(qū)位于安徽省岳西縣蓮云鄉(xiāng)衛(wèi)東組附近。所選邊坡分別由植物纖維毯、植生袋、拱形框格梁、六棱空心磚植草生態(tài)防護(hù)技術(shù)進(jìn)行護(hù)坡，邊坡植物均為紫穗槐 AmorphafruticosaL、胡枝子Lespedeza bicolor Turcz、 馬 棘 Indigofera pseudotinctoria、紫花苜蓿 Medicago sativa L在2014-05-10等份混合后播種，各邊坡表層覆蓋客土3～5 cm。試驗(yàn)邊坡坡度均為30°且處于同一區(qū)域，土壤成分和地質(zhì)條件基本相同（試驗(yàn)區(qū)土壤物理性質(zhì)測(cè)定結(jié)果見表1），護(hù)坡植物長(zhǎng)勢(shì)良好，在生長(zhǎng)期61 d植物蓋度均達(dá)到80%以上。試樣分3個(gè)日期獲得，分別為 2014-07-10、2014-08-13、2014-09-12，以比較在不同生長(zhǎng)階段根系固土能力差異，同時(shí)，測(cè)定了無植物生長(zhǎng)的空閑坡地土壤抗剪強(qiáng)度作為對(duì)照。每次在試驗(yàn)邊坡的坡底、坡中、坡頂各挖 3個(gè)含根樣塊，為避免邊界效應(yīng)，坡底和坡頂取樣時(shí)距坡面上下邊界1 m。

表1 試驗(yàn)區(qū)土壤基本物理性質(zhì)Table 1 Basic physical property of soil in the testing area

選擇護(hù)坡植物分布均一且長(zhǎng)勢(shì)良好的坡面作為測(cè)點(diǎn)，取樣時(shí)按照剪切箱規(guī)格（長(zhǎng)×寬×高=30.0 cm×30.0 cm×30.0 cm）將四周土壤刨開后，用鐵鏟小心從底面移動(dòng)土樣，將所取完整根土復(fù)合體放置于剪切箱后抹平上表面使之與箱體平齊。由于單個(gè)六棱空心磚植草尺寸較小，試驗(yàn)所用樣塊同時(shí)取自兩個(gè)空心磚后拼接而成。由于含水率對(duì)抗剪強(qiáng)度有較大影響（Baum等，2005），故試驗(yàn)前對(duì)取樣點(diǎn)定量澆足水分，使其含水率維持在20%。

剪切設(shè)備由數(shù)顯示式測(cè)力計(jì)和自制的直接剪切儀組成，測(cè)力計(jì)為SH-5K型，最大量程5 kN，可自動(dòng)顯示受力數(shù)值并存儲(chǔ)峰值拉力。剪切儀主要由剪切箱與連接桿構(gòu)成。剪切箱分上下兩層，內(nèi)壁尺寸均為 30 cm×30 cm×15 cm（長(zhǎng)×寬×高），四壁用相同厚度的鐵板焊接而成，下層剪切箱在試驗(yàn)過程固定不動(dòng)，其外壁附有刻度尺，量程9 cm，精度1 mm，用于記錄上層剪切箱的位移量。連接桿用于固定測(cè)力計(jì)的感應(yīng)器及對(duì)上層剪切箱施加水平推力，手柄每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈剪切箱向前平移5 mm。試驗(yàn)時(shí)以4 r·min-1的速率連續(xù)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈記錄相應(yīng)的測(cè)力計(jì)讀數(shù)，上下剪切箱產(chǎn)生水平相對(duì)移動(dòng)后土樣變形至產(chǎn)生峰值抗剪切力，隨著位移量增大，出現(xiàn)應(yīng)變軟化段。當(dāng)測(cè)力計(jì)讀數(shù)首次趨于相對(duì)穩(wěn)定時(shí)記為殘余剪切力，對(duì)應(yīng)刻度尺顯示的位移為殘余點(diǎn)剪切位移，根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度以試樣完全剪損時(shí)的最大抗剪強(qiáng)度來表示。直接剪切法設(shè)備操作方便，保留了土壤顆粒的原始黏結(jié)構(gòu)造，且剪切槽的較大尺寸避免了同類試驗(yàn)中的尺寸效應(yīng)，能最大限度地模擬含根土的自然狀況。

2.2 物理模型預(yù)測(cè)

2.2.1 物理模型計(jì)算

采用 Wu等（1979）建立的物理模型計(jì)算根系增強(qiáng)的土壤抗剪強(qiáng)度值：

式中，Δγ為抗剪強(qiáng)度增加值（kPa），T為土體中所含根系的平均抗拉強(qiáng)度（MPa）， θ為剪切破壞時(shí)剪切區(qū)的變形角度(°)，φ為土壤內(nèi)摩擦角(°)，ArA/為剪切滑動(dòng)面內(nèi)根系土壤橫截面積比。Gray（1996）和 Wu等（1988）研究表明，θ和φ值變化范圍較?。ǚ謩e介于 40°～70°和 20°～40°之間），計(jì)算中常以 1.2代替（sinθ+cosθtanφ）值，則（1）式可簡(jiǎn)化為：

許多學(xué)者通過研究發(fā)現(xiàn)，該式有時(shí)并不能很好的預(yù)測(cè)植物根系對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的增加值，因此提出了以 0.4（Preti，2006）和 0.56（Pollen，2007）作為修正系數(shù)。式（2）可分別表達(dá)為：

由于Wu模型計(jì)算參數(shù)僅涉及根土截面積比、根系平均拉力，且對(duì)于各種植物根系均可適用，目前仍是計(jì)算根系固土效果的主要模型之一。

2.2.2 模型參數(shù)測(cè)定

為獲取物理模型中的計(jì)算參數(shù)，進(jìn)行根系抗拉強(qiáng)度測(cè)定。將完全剪破的含根土中植物根系挑出。用毛刷去除根系表面的雜物，操作過程須小心以保證根系結(jié)構(gòu)的完整性。為有效保持根系含水量，剪切試驗(yàn)完畢后將根系及時(shí)放入塑封袋標(biāo)記貯存待測(cè)。測(cè)量根系抗拉強(qiáng)度仍使用 SH-5K型數(shù)顯式拉力計(jì)，根系由夾具固定在拉力計(jì)傳感器上，為防止拉動(dòng)過程因根系脫皮導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗，在根系和夾持部件之間放置薄木塊，以增大固定點(diǎn)處受力面積。用精度為 0.01 mm的游標(biāo)卡尺測(cè)量根系斷裂面處直徑，重復(fù)測(cè)量 3次取平均值。根系拉動(dòng)過程應(yīng)緩慢均勻用力，避免力的波動(dòng)對(duì)測(cè)定造成誤差。根斷面視為圓柱體，抗拉強(qiáng)度為拉力與截面積之比。式（2）中T、ArA/計(jì)算公式為（王瓊等，2008；封金財(cái)和王建華，2004）：

式中：A為剪切盒橫截面積（A＝900 cm2）；ni為直徑為 i級(jí)數(shù)的根系數(shù)量，ai與Ti分別為該級(jí)數(shù)根系的平均斷面截面積(mm)和抗拉強(qiáng)度(MPa)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)對(duì)素土和植物不同生長(zhǎng)期根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了直接剪切測(cè)定，結(jié)果見表2和表3。

表2 素土和植物不同生長(zhǎng)期根土復(fù)合體剪切強(qiáng)度Table 2 Shear strength of soil without root and root-soil composite systems in different growth periods

表3 素土和植物不同生長(zhǎng)期根土復(fù)合體剪切延性指標(biāo)Table 3 Shear ductility indices of soil without root and root-soil composite systems in different growth periods

3.2 根土復(fù)合體剪切強(qiáng)度增加值分析

從表 2可以看出，根土復(fù)合體的最大抗剪強(qiáng)度為素土試樣的 1.32～3.00倍，增加值 1.03～6.39 kPa，其中，增量最大值出現(xiàn)在植物生長(zhǎng)期 125 d的纖維毯根土復(fù)合體樣塊。同時(shí)，根系也提高了素土的初始剪切強(qiáng)度、殘余剪切強(qiáng)度。根系平均提高初始剪切強(qiáng)度（試驗(yàn)開始剪切盒相對(duì)位移 5 mm的計(jì)數(shù)值）1.52 kPa。含根土的殘余剪切強(qiáng)度為素土的1.73～4.44倍，增量最大值5.86 kPa出現(xiàn)的時(shí)間和樣地與最大抗剪強(qiáng)度相同。將根土復(fù)合體的殘余剪切強(qiáng)度增幅和最大抗剪強(qiáng)度增幅進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)，后者數(shù)值均小于前者，即根系增加殘余剪切強(qiáng)度的效果更顯著。由方差分析可知，在植物不同生長(zhǎng)期，各試驗(yàn)邊坡根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度差異達(dá)到了極顯著水平（P<0.01），除植生袋和空心六棱磚植草護(hù)坡樣地土體初始剪切強(qiáng)度差異不顯著（P>0.05），其余樣地各測(cè)量指標(biāo)均差異顯著（P<0.05）。

3.3 根土復(fù)合體剪切破壞延性分析

表 3顯示，根土復(fù)合體的最大抗剪強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的峰值點(diǎn)位移較素土試樣有所增加，增量為 2～23 mm，增幅 11.76%～135.3%。素土在滑動(dòng)位移 18 mm左右即出現(xiàn)剪切峰值，含根土該位移量為19～40 mm，與前者相比峰值點(diǎn)位移顯著后移，這與Comino和Druetta（2010）通過對(duì)3種草本植物進(jìn)行原位剪切試驗(yàn)得出的根土復(fù)合體剪切位移增量為 93%～1544%的結(jié)論相似。含根土體的殘余點(diǎn)位移和軟化段位移也較素土發(fā)生明顯變化。殘余剪切強(qiáng)度增量為 1.23～5.86 kPa，軟化段位移增量為2～9 mm。由方差分析可知，各試驗(yàn)邊坡根土復(fù)合體峰值點(diǎn)位移在不同植物生長(zhǎng)階段差異極顯著（P<0.01），其余各測(cè)量指標(biāo)均差異不顯著（P>0.05），這說明根土復(fù)合體軟化段位移與殘余點(diǎn)位移在不同植物生長(zhǎng)時(shí)期呈現(xiàn)較小波動(dòng)。

3.4 剪切力與剪切位移關(guān)系曲線分析

根據(jù)實(shí)地測(cè)量結(jié)果，試樣的抗剪力-位移關(guān)系見圖1。

圖1 素土及不同生長(zhǎng)期根土復(fù)合體抗剪切力與剪切位移關(guān)系曲線Fig. 1 Shear resistance and shear displacement relationship curves of soil without root and root-soil composite systems in different growth periods

從抗剪力-位移關(guān)系曲線可以看出，同一生長(zhǎng)期內(nèi)，根土復(fù)合體試樣曲線始終在素土試樣曲線上方，即相同剪切位移處有植物根系存在的土體抗剪強(qiáng)度高于素土樣。在初始剪切階段，根土復(fù)合體該曲線與素土樣有部分重合，隨著位移增加，根土復(fù)合體的抗滑動(dòng)優(yōu)勢(shì)逐漸明顯，剪切位移關(guān)系曲線間距增大。在曲線達(dá)到抗剪力峰值之前，根土復(fù)合體的曲線陡度較素土樣大，即前者達(dá)到峰值點(diǎn)的速率更高。當(dāng)曲線達(dá)到抗剪力峰值時(shí)，根系的抗剪切增強(qiáng)作用發(fā)揮到極致。從圖 1可見，素土的抗剪切力-位移關(guān)系曲線在到達(dá)峰值后迅速下降，含根土樣下降極為緩慢。在抗剪力峰值位移后5 mm處，素土樣抗剪切強(qiáng)度平均降低14.46%，根土復(fù)合體試樣該值為 2.59%。曲線在抗剪切力峰值后逐漸回落，在軟化階段，根土復(fù)合體試樣的抗剪力-位移關(guān)系曲線較素土試樣更加平穩(wěn)。由前面分析可知，含根土的殘余剪切力增幅高于最大抗剪切力增幅也可證實(shí)這一規(guī)律。當(dāng)曲線處于相對(duì)穩(wěn)定，試樣達(dá)到殘余剪切力，素土試樣抗剪切力-位移關(guān)系曲線平滑，根土復(fù)合體曲線在該階段仍有較大幅度的起伏，這表明部分根系仍在發(fā)揮機(jī)械穩(wěn)定效應(yīng)?？傮w而言，不同護(hù)坡措施樣地根土復(fù)合體抗剪力-位移關(guān)系曲線差異較大。在各生長(zhǎng)期，植物纖維毯抗剪力-位移關(guān)系曲線均在最上方，空心六棱磚植草居于最低處，表明同一剪切位移處前者防護(hù)邊坡抵抗變形能力更強(qiáng)，后者最弱。除生長(zhǎng)期95 d各護(hù)坡措施抗剪力-位移關(guān)系曲線分布較集中，其余觀測(cè)期該曲線分布離散。圖 1中曲線與其橫軸所圍區(qū)域面積表示試樣被剪切破壞時(shí)所需消耗的能量，可以看出，根土復(fù)合體剪切破壞需要外力做更多的功。

3.5 根系提高土壤抗剪切強(qiáng)度模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較

通過對(duì)植物不同生長(zhǎng)期根系提高土體抗剪切強(qiáng)度Wu模型計(jì)算值和測(cè)量值的比較（圖2），表明兩者之間存在較大差異，前者數(shù)值大于后者，除較短生長(zhǎng)期內(nèi)拱形框格梁和空心六棱磚護(hù)坡措施試樣預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值較為接近外，其余差異皆較大，模型計(jì)算值平均為實(shí)測(cè)值的2.72倍。由表3可知，通過對(duì)Wu模型引入校正系數(shù)0.4和0.56，預(yù)測(cè)值的準(zhǔn)確率與未修正前相比分別變化-9.8%、0.61%，修正后的模型計(jì)算值比實(shí)測(cè)值平均增加了0.29、1.76 kPa。

圖2 根系提高土壤抗剪切強(qiáng)度模型預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig. 2 Comparison of modelling prediction values with observed results of soil shear strength improved by root systems

4 討論

本試驗(yàn)測(cè)定了不同生長(zhǎng)階段根系對(duì)土體抗剪切能力的貢獻(xiàn)值并進(jìn)行了模型計(jì)算。測(cè)得根土復(fù)合體抗剪切強(qiáng)度平均值為 6.65 kPa，較素土增加3.38 kPa，增幅 103.58%，殘余剪切強(qiáng)度平均增量為3.03 kPa，即植物根系能明顯提高土壤抗剪切強(qiáng)度。一方面土粒間的天然凝聚力和剪切面的摩擦力構(gòu)成了無根土的抗滑阻力（萬利等，2006），植物根系通過與土體顆粒的擠壓纏繞形成了復(fù)雜的空間根土復(fù)合結(jié)構(gòu)（楊永紅等，2007），該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生對(duì)剪切層的約束，從而增強(qiáng)了滑動(dòng)阻力。另一方面從根土復(fù)合體破壞過程的物理特性出發(fā)，由于根系和土壤變形模量的差異，隨著剪切位移的增加，根土復(fù)合體產(chǎn)生分解趨勢(shì)，根土間的靜摩擦力加大了根土的分離阻力，土體的抗剪切力由此轉(zhuǎn)換為根系抗拉力（胡夏嵩等，2009），邊坡穩(wěn)定性得以提高。

表4 根系提高土壤抗剪切強(qiáng)度模型計(jì)算值Table 4 Modelling calculation results of soil shear strength improved by root systems

此外，根土復(fù)合體殘余點(diǎn)位移、軟化段長(zhǎng)度較素土增幅平均值分別為 24.4%、9.69%，表明前者的剪切破壞延性明顯增強(qiáng)。這是因?yàn)?，根土?fù)合體中植物根系抗拉力在剪切面發(fā)生相對(duì)位移過程中得到激發(fā)，當(dāng)土體達(dá)到抗剪強(qiáng)度峰值后，僅部分根系被拉斷或拔出，殘留在土中的根系將剪切破壞的土樣連接為一體，隨著剪切位移的增加持續(xù)發(fā)揮對(duì)土體破壞的阻礙作用，因而含根土在剪切破壞后的軟化階段也具有較大抗剪切強(qiáng)度，即使到殘余階段剪切位移曲線仍會(huì)呈現(xiàn)波動(dòng)。

因此，植物根系不僅增加了剪切強(qiáng)度，且提高了試樣的變形能力。根土復(fù)合體在土體開始滑動(dòng)時(shí)抗剪切強(qiáng)度迅速增加，出現(xiàn)抗剪切強(qiáng)度峰值的位移后延，即在完全剪損前能承受較大形變。在之后的破壞階段土體抗剪切強(qiáng)度下降緩慢，坡面的抵抗變形破壞時(shí)間得以延緩，避免了坡體的突然崩塌，這對(duì)于保證受災(zāi)地段人員安全撤離意義重大。

根系對(duì)土體的加固效果因植物生長(zhǎng)階段的不同而動(dòng)態(tài)變化，植物生長(zhǎng)期61、95、125 d的根土復(fù)合體平均抗剪強(qiáng)度分別為 5.13、6.36、8.48 kPa。隨著植物生長(zhǎng)時(shí)間的推移，根系的幾何、物理性質(zhì)不斷發(fā)展變化。一方面，根土間的摩擦阻力隨著其接觸面的擴(kuò)大而得以增強(qiáng)。同時(shí)，根系抗拉強(qiáng)度的增加也使得該力能更好發(fā)揮（Niu等，2008；劉秀萍等，2006）。另一方面，就含根土剪切破壞的物理過程而言，生長(zhǎng)時(shí)間短，植物根入土較淺，含根土滑動(dòng)破裂時(shí)僅少量根系拉斷，其余根系均被部分或完全拔出，根系對(duì)土體的加固作用發(fā)揮程度較低。觀測(cè)期內(nèi)各階段剪切強(qiáng)度增長(zhǎng)率逐漸增大，分別為 57.65%、65.59%、69.16%，這與該階段正值 8、9月份，晝夜溫差小，雨水充沛利于植物生長(zhǎng)有關(guān)。

不同防護(hù)措施對(duì)植物護(hù)坡效果也有較大影響?？傮w而言，植物纖維毯樣地根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度大于同時(shí)期的其他護(hù)坡措施樣地。不同的施工工藝會(huì)對(duì)植物生長(zhǎng)的小環(huán)境產(chǎn)生影響，纖維毯是模擬植物枯落物腐殖層設(shè)計(jì)的生物質(zhì)材料護(hù)坡技術(shù)，其較強(qiáng)的蓄水保墑、抗沖抗蝕性能為植物生長(zhǎng)提供穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境（顧小華等，2006），間接改善植物根系固土效果。

根系增強(qiáng)土體抗剪切力模型計(jì)算值和試驗(yàn)值之間存在較大差異，兩者的比值平均為 1.2。究其原因，主要是根系對(duì)土體抗剪切強(qiáng)度的增量與達(dá)到抗拉強(qiáng)度極限值的根系數(shù)量相關(guān)，Wu模型假設(shè)根系與剪切面正交且在剪切完全破壞時(shí)同時(shí)被拉斷，實(shí)際狀況中根土復(fù)合體在完全被剪損時(shí)僅部分根系發(fā)生斷裂，其余根系部分或完全與土體脫離，這與Docker和Hubble（2008）對(duì)含根土進(jìn)行剪切測(cè)定時(shí)所發(fā)現(xiàn)的根系破壞規(guī)律是一致的。同時(shí)，Pollen和Simon（2005）的纖維束拉斷試驗(yàn)結(jié)果顯示，所有單根的抗拉強(qiáng)度之和遠(yuǎn)小于根系同時(shí)被拉伸斷裂的強(qiáng)度。有鑒于此，通過計(jì)算引入校正系數(shù)0.47，與Wu模型0.4和0.56校正后模型計(jì)算值相比預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率分別提高了 6.92%、16.72%、6.31%，降低了由于高估根系護(hù)坡效應(yīng)導(dǎo)致的坡體失穩(wěn)概率。周躍等（2000）研究也表明，生態(tài)護(hù)坡措施的實(shí)際固土效果應(yīng)處于模型計(jì)算值和測(cè)量值之間。

研究結(jié)果可用于評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)混播植物根系的固土護(hù)坡效果，對(duì)更好的發(fā)掘生態(tài)護(hù)坡措施的固土潛能具有重要作用。試驗(yàn)結(jié)果表明，纖維毯護(hù)坡樣地根土復(fù)合體剪切測(cè)量指標(biāo)優(yōu)于其他觀測(cè)樣坡，該技術(shù)價(jià)格低廉，護(hù)坡效果良好，建議施工方廣泛采用。但植被對(duì)邊坡的穩(wěn)定機(jī)理較為復(fù)雜，植物根系形態(tài)多樣，根系抗拉強(qiáng)度和彈性模量等差異較大（王劍敏等，2011），不同植物根系的護(hù)坡效果不盡相同，混播植物中每種植物對(duì)邊坡穩(wěn)定的貢獻(xiàn)比率將是下一步的研究重點(diǎn)。

5 結(jié)論

（1）植物根系固土效果顯著，根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度較素土增加值為 1.03～6.39 kPa，平均增幅為103.58%；同時(shí)，根土復(fù)合體的峰值點(diǎn)位移、軟化段長(zhǎng)度、殘余剪切力均得到增強(qiáng)，其最大增幅分別為 59.35%、9.69%、174.24%，土體延性得到提高。

（2）植物不同生長(zhǎng)期根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度差異明顯。隨著植物生長(zhǎng)時(shí)間的推移，根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度逐漸增加，且增長(zhǎng)率呈增大趨勢(shì)。試驗(yàn)中植物生長(zhǎng)期61、95、125 d的根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度增量分別為 1.86、3.08、5.21 kPa，各階段的抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)率逐漸提高，分別為 57.65%、65.59%、69.16%。同時(shí)，不同護(hù)坡措施邊坡抗剪強(qiáng)度也存在較大差距，植物纖維毯較之其余3種護(hù)坡措施樣地根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度平均高出0.98 kPa。

（3）采用 Wu模型計(jì)算的根系提高抗剪強(qiáng)度值大于實(shí)測(cè)值，模型計(jì)算值比實(shí)測(cè)值平均高 2.52 kPa。通過引入校正系數(shù) 0.47，預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率較之原模型增加了6.92%，能更好的與實(shí)測(cè)值相符。

BAUM R L, COE J A, GODT J W, et al. 2005. Regional landslide-hazard assessment for Seattle, Washington, USA [J]. Landslides, 4: 266-289.

COMINO E, DRUETTA A. 2010. The effect of Poaceae roots on the shear strength of soils in the Italian alpine environment [J]. Soil and Tillage Research, 106(2): 194-201.

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

GRAY D H. 1996. Biotechnical and soil bioengineering slop stabilization: A practical guide for erosion control [M]. [S.L]: Wiley.

HENGCHAOVANICH D, NILAWEERA N S. 1996. An Assessment of Strength Properties of Vetiver Grass Roots in Relation to Slope Stabilization [R]. Thailand: International Conference on Vetiver.

MATTIA C, BISCHETTI G, GENTILE F. 2005. Biotechnical characteristics of toot systems of typical Mediterranean species [J]. Plant and Soil, 278(1/2): 23-32.

NIU J T, LIU Z Y, JIN C, et al. 2008. Physical and numerical simulation of materials processing [M]. Switzerland: Trans Tech Publication Ltd: 1210-1216.

POLLEN N, SIMON A. 2005. Estimating the mechanical effects of riparian vegetation on stream bank stability using a fiber bundle model [J]. Water Resources Research, 41(7): 125-139.

POLLEN N. 2007. Temporal and spatial variability in root reinforcement of stream banks: Accounting for soil shear strength and moisture [J]. Catena, 69(3): 197-205.

PRETI F. 2006. Stabilità dei versanti vegetati [J]. G. Sauli, P. Cornellini & F. Preti (a cura di), 3: 137-168.

WU T H, MCKINNELL W P, SWANSTON D N. 1979. Strength of tree roots and landslides on Prince of Wales Island, Alaska [J]. Canadian Journal of Geotechnical Research, 16(1): 19-33.

WU T H, MCOMBER R M, ERB R T, et al. 1988. Study of soil-root interaction. J Geotech Eng, 114(12): 1351-1375.

封金財(cái), 王建華. 2004. 喬木根系固坡作用機(jī)理的研究進(jìn)展[J]. 鐵道建筑, (3): 29-31.

顧小華, 丁國(guó)棟, 劉勝, 等. 2006. 一種新型的高速公路邊坡生態(tài)防護(hù)技術(shù)[J]. 水土保持研究, 13(1): 106-107.

胡其志, 周政, 肖本林, 等. 2010. 生態(tài)護(hù)坡中土壤含根量與抗剪強(qiáng)度關(guān)系試驗(yàn)研究[J]. 土工基礎(chǔ), 24(5): 85-87.

胡夏嵩, 李國(guó)榮, 朱海麗, 等. 2009. 寒旱環(huán)境灌木植物根-土相互作用及其護(hù)坡力學(xué)效應(yīng)[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 28(3): 613-620.

李華坦, 胡夏嵩, 趙玉嬌, 等. 2014. 植物根系增強(qiáng)土體抗剪強(qiáng)度機(jī)理研究進(jìn)展[J]. 人民黃河, 36(8): 97-100.

劉秀萍, 陳麗華, 宋維峰. 2006. 林木根系與黃土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J]. 北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 28(5): 67-72.

譚煒, 賈致榮. 2007. 道路與鐵道工程中的邊坡生態(tài)防護(hù)技術(shù)[J]. 甘肅科技, 23(2): 164-166.

萬利, 王震洪, 田昆. 2006. 新平縣生態(tài)修復(fù)區(qū)不同植被的固土力學(xué)機(jī)理研究[D]. 昆明: 西南林學(xué)院.

王伯蓀,彭少麟.1997.植被生態(tài)學(xué)[M].北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社:285-287.

王劍敏, 沈烈英, 趙廣琦. 2011. 中亞熱帶優(yōu)勢(shì)灌木根系對(duì)土壤抗剪切力的影響[J]. 南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 35(2): 47-50.

王瓊, 宋桂龍, 辜再元. 2008. 邊坡生態(tài)防護(hù)中草本植物根系的力學(xué)試驗(yàn)研究[C]//工程綠化理論與技術(shù)進(jìn)展——全國(guó)工程綠化技術(shù)交流研討會(huì)論文集. 貴陽：中國(guó)水土保持學(xué)會(huì)工程綠化專業(yè)委員會(huì), 北京林業(yè)大學(xué)邊坡綠化研究所.

王玉太, 王維平. 1999. 淺談公路建設(shè)的水土流失原因及其防治措施[J].水土保持通報(bào), 19(1): 61-62.

楊永紅, 王成華, 劉淑珍, 等. 2007. 不同植被類型根系提高淺層滑坡土體抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)研究[J]. 水土保持研究, 14(2): 233-235.

姚環(huán), 鄭振, 游精佑, 等．2004．香根草護(hù)坡機(jī)理的初步試驗(yàn)研究[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報(bào), 12(10): 329-332.

張飛, 陳靜曦, 陳向波．2005．邊坡生態(tài)防護(hù)中表層含根系土抗剪試驗(yàn)研究[J]．土工基礎(chǔ), 19(3): 25-27.

周德培, 張俊云. 2003. 植被護(hù)坡工程技術(shù)[M]. 北京: 人民交通出版社: 4-8.

周躍, 李宏偉, 徐強(qiáng). 2000. 云南松幼樹垂直根的土壤增強(qiáng)作用[J]. 水土保持學(xué)報(bào), 14(15): 100-105.

Research on the Root-soil Composite Anti-shearing Strength on Expressway Slope in Different Plant Protection Measures

LIU Zhixing1, YANG Jianying1, YANG Yang1, XU Zening2, MA Yayun3, HUANG Qinhuan3
1. Beijing Forestry University, Beijing 100083, China; 2.Anhui Province Expressway Holding Group Co., Ltd., Hefei 230000, China; 3. Orient Landscape Industry Group Ltd, Beijing 100012, China

With the slope of the first section at Yuexi part of Yuexi-Wuhan Expressway as the research object, the home-made direct shear apparatus was used to conduct in-situ measurement of the anti-shearing strength of plain soil and root-soil composite under the growing periods of 61, 95 and 125 days respectively, at the same time, physical model prediction has also been done, and in this way, quantitative evaluation of the time effects of soil reinforcement by the plant root system. The test shows that, (1) Under different growing periods, the plant root systems could all significantly increase the anti-shearing strength slope topsoil, and the enhancement presented a positive correlation with the growth time of plants. Among them, the root system with a growing period of 120 days had the biggest increase in its anti-shearing strength, with an enhancement of 5.21 kPa. (2) During the shear failure process of soil mass, the root system can effectively improve the performance of resistance to deformation of slope surface. The plain soil sample reached the peak value of shear strength with a displacement of around 18 mm, and for the root-soil composite, this number was 19～40 mm; in addition, the average residual shear strength of root-soil composite is 2.68 times of that of plain soil. (3) By comparing the field measured value with the value calculated with Wu Model, Wu Model overestimated the increase of soil’s shear strength by the root systems. For this issue, related scholars have proposed a reduction factor of 0.4 or 0.56, but it still fails to be consistent with the measured value. Through calculation, a correction factor of 0.47 was introduced, and the accuracy of model prediction has increased by 6.92%, which can help more accurately evaluate the slope stabilization effects by the plant root system.

root-soil composite; growing period; anti-shearing strength; model prediction

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.04.013

X173; S157

A

1674-5906（2015）04-0631-07

劉治興，楊建英，楊陽，徐澤寧，馬亞云，黃琴煥. 高速公路不同植物防護(hù)邊坡根土復(fù)合體抗剪能力研究[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2015, 24(4): 631-637.

LIU Zhixing, YANG Jianying, YANG Yang, XU Zening, MA Yayun, HUANG Qinhuan. Research on the Root-soil Composite Anti-shearing Strength on Expressway Slope in Different Plant Protection Measures [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(4): 631-637.

安徽省交通科技項(xiàng)目（AHGS2013-5）

劉治興（1989年生），男，碩士研究生，研究方向?yàn)樗帘３帧⒔ㄖh(huán)境與城鎮(zhèn)規(guī)劃研究。E-mail: liuzhixing172172@163.com *通信作者：楊建英（1965年生），女，副教授，博士，研究方向?yàn)樗帘３旨肮こ叹G化應(yīng)用研究。E-mail: jyyang@bjfu.edu.cn

2015-03-16