黃　鋼，彭　晶，肖衡林

(1.黃岡師范學(xué)院 建筑學(xué)院，湖北 黃岡 438000； 2.湖北工業(yè)大學(xué)，湖北 武漢 430068)

根系含量對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度的影響

黃鋼1，彭晶1，肖衡林2

(1.黃岡師范學(xué)院 建筑學(xué)院，湖北 黃岡 438000； 2.湖北工業(yè)大學(xué)，湖北 武漢 430068)

[關(guān)鍵詞]根系含量；生態(tài)護(hù)坡；原狀土；無根擾動(dòng)土；含水量；直剪試驗(yàn)

[摘要]為了深入研究根系對(duì)土壤的“加筋”作用，即充分了解植物根系對(duì)邊坡土體抗剪強(qiáng)度的影響，通過直剪試驗(yàn)研究了安山口、八毛地、瓷器山和高嶺山頭等4處邊坡的原狀土和無根擾動(dòng)土的剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系，探討了不同平均含根量的土體抗剪強(qiáng)度。結(jié)果表明：平均含根量為0.945%的安山口、1.154%的八毛地、1.326%的瓷器山及1.173%的高嶺山頭等4處原狀土的黏聚力明顯比對(duì)應(yīng)的無根擾動(dòng)土大，黏聚力增幅分別為5.05%、17.10%、36.93%和33.42%，內(nèi)摩擦角提高并不明顯；隨著含根量的增加，土體的黏聚力增大，抗剪強(qiáng)度增大；草灌混合植物根系與草本植物根系相比能更有效地提高土壤的抗剪強(qiáng)度。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持久高速增長(zhǎng)，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)迅猛發(fā)展，高等級(jí)公路、鐵路里程不斷增加，出現(xiàn)了大量的邊坡工程。生態(tài)護(hù)坡技術(shù)是一種新型的護(hù)坡方法，與傳統(tǒng)的護(hù)坡方法相比更強(qiáng)調(diào)人與自然的和諧發(fā)展[1]。我國(guó)從20世紀(jì)90年代開始進(jìn)行了大量生態(tài)護(hù)坡的研究，這些研究主要集中在根系的固土作用等方面，主要表現(xiàn)在對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度的提高上[2]。Waldron 等通過室內(nèi)直剪試驗(yàn)得出，土的抗剪強(qiáng)度隨根(或纖維)數(shù)量的增加呈增大趨勢(shì)[3-5]；張飛等[6]和吳景海等[7]研究了根系密度對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度的影響，結(jié)果都發(fā)現(xiàn)土壤中根系密度越大，土壤抗剪強(qiáng)度越高，兩者成正相關(guān)；陳昌富等[8]和劉秀萍等[9]通過試驗(yàn)比較了有根系土壤與無根系土壤的抗剪強(qiáng)度，結(jié)果都表明根-土復(fù)合體可以明顯提高土體的抗剪強(qiáng)度。

現(xiàn)有的研究工作多為定性的研究，這些研究缺少對(duì)根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的量化分析，很多時(shí)候不能滿足工程設(shè)計(jì)的需要[10]。而關(guān)于根系對(duì)土壤“加筋”作用的量化研究很少。胡其志等[11]對(duì)早期草本植物單一含根量和抗剪強(qiáng)度的關(guān)系進(jìn)行了研究，但是沒有進(jìn)行草灌混合植物含根量的抗剪強(qiáng)度研究。

本研究選擇青鄭高速公路安山口、八毛地、瓷器山、高嶺山頭等4處坡面上含植物根系的原狀土為研究對(duì)象，對(duì)原狀土和無根擾動(dòng)土分別進(jìn)行室內(nèi)直剪試驗(yàn)，以研究根系的“加筋”作用。

1直剪試驗(yàn)

1.1原狀土直剪試驗(yàn)

原狀土取樣地點(diǎn)選在武漢至咸寧的青鄭高速公路不同路段。該高速公路生態(tài)護(hù)坡于2006～2008年陸續(xù)施工完畢，植物生長(zhǎng)已有4～6年，生長(zhǎng)較好，植被覆蓋率較高。在沿線選取植物生長(zhǎng)良好的安山口(該處為香附子坡地)、八毛地(該處為白茅草坡地)、瓷器山(該處為白三葉+白茅草混合地)和高嶺山頭(該處為多花木蘭+豬殃殃+婆婆納+薺菜混合坡地)4個(gè)地段用規(guī)格為200 cm3的環(huán)刀進(jìn)行取樣，每個(gè)地點(diǎn)取樣3組。為了方便取樣，先割除地上莖葉部分，然后采用環(huán)刀取若干樣品，最后密封、編號(hào)并保存。

試驗(yàn)前，測(cè)量4個(gè)地段的原狀土試樣平均含水量和平均密度。然后，采用直剪儀對(duì)原狀土試樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)。試驗(yàn)后，測(cè)量它們的平均含根量(質(zhì)量比)，結(jié)果見表1。

表1　平均含根量的測(cè)量結(jié)果

1.2無根擾動(dòng)土直剪試驗(yàn)

為了使原狀土和無根擾動(dòng)土兩者有可比性，在制樣時(shí)，保證了兩者含水量與密度的接近，原狀土與擾動(dòng)土試樣含水量與密度對(duì)比見表2和表3。

表2　原狀土和無根擾動(dòng)土平均含水量對(duì)比　%

表3　原狀土和無根擾動(dòng)土平均密度對(duì)比　g/cm3

由表2和表3可知，直剪試驗(yàn)的原狀土與無根擾動(dòng)土的含水量和密度差別極小，可以認(rèn)為4個(gè)地段原狀土試樣和無根擾動(dòng)土試樣的直剪試驗(yàn)條件(含水量、密度)相同。

在制備好了試樣后，進(jìn)行編號(hào)，然后采用直剪儀對(duì)原狀土和無根擾動(dòng)土試樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)。

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

4個(gè)地段試樣的剪切位移和剪應(yīng)力關(guān)系曲線如圖1所示(由于篇幅所限，且3組試樣的試驗(yàn)結(jié)果相近，因此圖1僅繪出各地段的典型試樣的試驗(yàn)結(jié)果)。其中垂直壓力P1=100 kPa，P2=200 kPa，P3=300 kPa，P4=400 kPa。如圖1所示，剪應(yīng)力-剪切位移曲線的增長(zhǎng)隨著垂直壓力的增大而變快。在一定的垂直壓力下，剪應(yīng)力隨著剪切位移的增大而增大，達(dá)到一定剪切位移時(shí)剪應(yīng)力達(dá)到峰值。剪應(yīng)力-剪切位移曲線初始段近似線性；隨著剪切位移的增大，剪應(yīng)力-剪切位移曲線切線斜率慢慢減?。划?dāng)剪切位移達(dá)到一定程度時(shí)，剪應(yīng)力達(dá)到最大值，土體破壞。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)根據(jù)庫(kù)倫公式計(jì)算得出各地段的土樣抗剪強(qiáng)度的平均指標(biāo)，見表4。如表1和表4所示，安山口處，在平均含根量為0.945%的情況下，原狀土試樣的平均黏聚力比無根擾動(dòng)土試樣的大0.958 kPa，增大了5.05%，說明由香附子根系和土壤組成的根-土復(fù)合體黏聚力增大，即根系提高了土壤的黏聚力。這說明植物根系將其周圍的土粒凝聚在一起，使土壤的凝聚力增大，同時(shí)根系又被其周圍土粒層層包裹，而被錨固在土壤之中。其中的黏聚力值不僅包括土粒與土粒之間的凝聚力，同時(shí)還包括土粒與根系之間的凝聚力，以及由土粒的剪應(yīng)力傳遞給根系而引起的根系抗剪力或錨固力。原狀土試樣的平均內(nèi)摩擦角比無根擾動(dòng)土試樣的僅增大0.06°，說明由香附子根系和土壤組成的根-土復(fù)合體內(nèi)摩擦角沒有明顯增大，即根系對(duì)土壤摩擦作用的增強(qiáng)可以忽略不計(jì)。同樣，八毛地、瓷器山和高嶺山頭的植物根系也能提高土壤的黏聚力。綜上，植物根系能提高土壤的黏聚力，從而提高土壤的抗剪強(qiáng)度，對(duì)土壤內(nèi)摩擦角提高并不明顯。

圖1　不同地段處原狀土和無根擾動(dòng)土的

土樣名稱黏聚力原狀土(kPa)無根土(kPa)絕對(duì)增量(kPa)相對(duì)增量(%)內(nèi)摩擦角原狀土(o)無根土(o)絕對(duì)增量(o)相對(duì)增量(%)安山口19.93118.9730.9585.056.136.070.060.98八毛地4.4693.8140.65517.1710.4410.210.131.24瓷器山15.40111.2474.15436.938.167.960.202.45高嶺山頭20.24015.1705.07033.427.837.780.050.65

同時(shí)，由表1和表4可知，平均含根量最小的安山口試樣的黏聚力相對(duì)增量最小，平均含根量最大的瓷器山試樣的黏聚力相對(duì)增量最大。這說明含根量增加，根系所占體積增大，根系的錨固力顯著增大，土壤黏聚力明顯增加，從而提高了土壤的抗剪強(qiáng)度。

八毛地處種植白茅草，屬于草本植物；高嶺山頭處主要種植多花木蘭和豬殃殃、婆婆納、薺菜，其中多花木蘭屬于灌木，豬殃殃、婆婆納和薺菜屬于草本植物，此地段為草灌結(jié)合種植地段。由表1和表4可知，平均含根量幾乎相同的高嶺山頭試樣的黏聚力提高值明顯大于八毛地試樣，說明草灌結(jié)合植物根系相對(duì)于草本植物根系更能提高土壤的黏聚力。這可能是草灌結(jié)合的植物根系直徑較大，抗拉強(qiáng)度增強(qiáng)，從而使根系的錨固作用增強(qiáng)，黏聚力增大，因而更能提高植物的抗剪強(qiáng)度。

3結(jié)論

(1)土體中植物根系的存在能提高土壤的黏聚力，從而提高土體的抗剪強(qiáng)度。平均含根量為0.945%的安山口、1.154%的八毛地、1.326%的瓷器山和1.173%的高嶺山頭等4處原狀土的黏聚力明顯比無根擾動(dòng)土大，黏聚力增幅分別為5.05%、17.17%、36.93%和33.42%。

(2)隨著含根量的增加，土壤的黏聚力增大，抗剪強(qiáng)度越大。

(3)草灌混合植物根系比草本植物根系能更有效地提高土壤的抗剪強(qiáng)度。

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(責(zé)任編輯徐素霞)

[基金項(xiàng)目]教育部重點(diǎn)項(xiàng)目(2010133)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51178166)

[中圖分類號(hào)]S157；TU432

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1000-0941(2016)05-0042-03

[作者簡(jiǎn)介]黃鋼(1987—)，男，江西九江市人，助教，主要從事建筑結(jié)構(gòu)、環(huán)境巖土工程等方面的教學(xué)和科研工作；肖衡林(1977—)，男，湖南衡陽(yáng)市人，副教授，博士，主要從事環(huán)境巖土工程、光纖傳感技術(shù)在巖土工程中的應(yīng)用及地下工程等方面的教學(xué)和科研工作。

[收稿日期]2015-05-30