薛海龍， 唐 彪， 張競(jìng)元， 沈彥會(huì)， 許建新， 王 瑩

(深圳市鐵漢生態(tài)環(huán)境股份有限公司， 廣東 深圳 518040)

植物固土主要通過(guò)根系的加筋和錨固作用來(lái)實(shí)現(xiàn)，根土復(fù)合體在外力作用下，其變形小于素土[1]。加筋理論模型認(rèn)為，植物根系的彈性模量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于土體，植物根系與土體相互作用時(shí)，會(huì)在根系與土壤接觸界而產(chǎn)生摩擦阻力，這不僅限制了根系周?chē)馏w的變形，而且使根系周?chē)耐馏w受到壓縮而增大土體的內(nèi)聚力，提高了土體的強(qiáng)度從而起到固持土體的作用，因此根土界面的摩擦特性是根系固土機(jī)制研究的關(guān)鍵之一[2-3]。根系與土壤的摩擦特性研究，目前常借鑒土壤與其他材料的界面摩擦特性研究方法，如采用直剪試驗(yàn)研究喬木與灌木根系與土體界面摩擦特性，采用拉拔試驗(yàn)?zāi)M加筋材料被拔出的特性[4]。植物根系的抗拉拔力是表征植物根土摩擦特征的一個(gè)重要參數(shù)。當(dāng)土體遭受破壞產(chǎn)生滑動(dòng)面時(shí)，根系將所承受的荷載向土體深層傳遞及周?chē)鷶U(kuò)散，降低根土復(fù)合體的應(yīng)力水平，改善土體變形性能[5-6]。王帥[7]研究了狗牙根、百喜草根系特征對(duì)邊坡抗剪性能影響，胡敏等[8]研究了沙地柏根系布根方式和根徑對(duì)其根土復(fù)合體抗剪性能影響，周濤等[9]探討了狗牙根、三葉草根系數(shù)量對(duì)根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度影響，李為萍等[10]和楊苑君[11]研究了白樺等植物根土復(fù)合體抗剪性能與根系分布之間的相互作用，蔣必鳳[12]分析了含根率和含水率對(duì)土體抗剪強(qiáng)度和有效黏聚力的影響，上述研究均得到了相類(lèi)似的結(jié)論，即根系的加入能夠有效增強(qiáng)土體抗剪性能，且與根系的拉拔特性顯著相關(guān)。

本文擬基于前人研究，應(yīng)用土力學(xué)原理，以2年生尖萼金絲桃(Hypericumacmosepalum)根系及其組成的根土復(fù)合體為研究對(duì)象，分別進(jìn)行單根拉拔試驗(yàn)和根土復(fù)合體剪切試驗(yàn)，深入研究根系單根抗拉拔強(qiáng)度對(duì)邊坡土體抗剪強(qiáng)度的影響，定量分析評(píng)價(jià)其根系對(duì)邊坡土體抗剪強(qiáng)度的增強(qiáng)作用以及根系的抗拉強(qiáng)度與黏聚力之間的關(guān)系，以期為定量評(píng)價(jià)植物根系增強(qiáng)邊坡土體抗剪強(qiáng)度提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，為進(jìn)一步深入探討植物根系增強(qiáng)邊坡土體抗剪強(qiáng)度機(jī)理提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

尖萼金絲桃(Hypericumacmosepalum)為藤黃科直立半常綠灌木，高0.6～2 m，多生于海拔900～3 000 m的山坡上，路旁、灌叢、林間空地以及荒地上較常見(jiàn)，具有抗寒、耐旱、耐貧瘠、根系發(fā)達(dá)、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，能固定土壤，增加土體通透性，有效截留降水，防止水土流失，是一種優(yōu)秀的水土保持及邊坡修復(fù)植物。

選取貴州省六盤(pán)水市水城縣自然巖質(zhì)邊坡，在相同邊坡環(huán)境下，根據(jù)五點(diǎn)采樣法，選取長(zhǎng)勢(shì)較好、分枝數(shù)4～6枝、株高90～110 cm,冠幅60～80 cm的10株尖萼金絲桃，采取整株挖掘法，保證根系完整，將其挖出后置于靜水中洗去根系表面土壤，然后自然晾干，觀察根系分布特征可知，表現(xiàn)為主根系(定根)與須根系(不定根)相結(jié)合的分布模式，根系整體呈現(xiàn)出近“傘狀”，根莖范圍集中于0～5.0 mm，根系相互纏繞形成具有一定張力的根系網(wǎng)絡(luò)，將根際土壤固結(jié)為一個(gè)整體。根系冠幅大，平均達(dá)到30 cm×30 cm，覆蓋面廣，固土保水效力好，深扎的主根與四周分散的側(cè)根使其水分和養(yǎng)分的吸收更有利。其中5株開(kāi)展根系拉拔試驗(yàn)，同時(shí)采集樣地內(nèi)土壤帶回，烘干后粉碎過(guò)2 mm篩，開(kāi)展根土復(fù)合體剪切試驗(yàn)。

1.2 單根拉拔試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用游標(biāo)卡尺測(cè)量根系直徑，按下述2個(gè)徑級(jí)(0～3.0 mm和3.0～5.0 mm)分開(kāi)，每個(gè)徑級(jí)隨機(jī)選取5個(gè)根系，每個(gè)根系再選取3個(gè)平行試樣，分別截取長(zhǎng)為10 cm的較直莖段，兩端用錨具固定，采用拉力儀器測(cè)量拉拔位移及抗拉拔力，根系徑級(jí)處于0～3.0 mm范圍內(nèi)的，采用艾德堡HP-50N數(shù)顯式根系拉拔力計(jì)(量程0～50 N，精度0.001)，徑級(jí)處于3.0～5.5 mm范圍內(nèi)的，采用艾德堡HP-1KN指針式根系拉拔力計(jì)(量程0～1 kN，精度0.01)。

為避免根系在夾具處滑脫，試驗(yàn)時(shí)根系在夾具處增加橡皮墊以增大摩擦。根系拉斷后用游標(biāo)卡尺測(cè)量根斷裂處直徑D。用公式(1)計(jì)算根系的抗拉強(qiáng)度P：

(1)

式中：P——抗拉強(qiáng)度(MPa)；T——抗拉拔力(N)；D——斷裂面根系直徑(mm)。

1.3 根土復(fù)合體剪切試驗(yàn)設(shè)計(jì)

依據(jù)采樣區(qū)邊坡土層含水率(15.5%)為模擬根系采挖區(qū)當(dāng)時(shí)測(cè)得的土壤自然含水率，在已篩分土壤中加入適量水，模擬實(shí)際濕度環(huán)境；根據(jù)采挖根系自然生長(zhǎng)冠幅(表1)，利用木板制作長(zhǎng)寬均為30 cm，高20 cm(邊坡生長(zhǎng)的尖萼金絲桃根系，自然土層較薄，根系多分布于0—20 cm土層中)的無(wú)蓋木盒5個(gè)，把處理后的5株尖萼金絲桃根系分別垂直放入木盒中，盡量保證根系原始形態(tài)不變，再分4層(間隔5 cm)分別加入規(guī)定質(zhì)量的土壤并錘擊(力度均勻，錘擊10次，保證5 cm厚度即可)，制備根土復(fù)合體試樣，同時(shí)制備無(wú)根素土的空白對(duì)照組樣塊。

表1 金絲梅根系冠幅 cm×cm

試驗(yàn)設(shè)備采用自制的室外直剪儀，設(shè)備由上下剪切盒、水平加載系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳感器以及顯示屏6部分組成。上剪切盒與下剪切盒尺寸相同，內(nèi)部尺寸均為30 cm×30 cm×10 cm(長(zhǎng)×寬×高)，壁厚均為1.0 cm。此尺寸遠(yuǎn)大于一般的直剪儀(橫斷面面積只有30 cm2，高度只有2 cm)，更適合于根土復(fù)合體的直剪。水平剪切由特定測(cè)量系統(tǒng)，包括水平位移測(cè)量與加載剪切力測(cè)量，水平位移通過(guò)電子游標(biāo)卡尺測(cè)量，量程為150 mm，精度為 0.01 mm；剪切力通過(guò)傳感器測(cè)量，結(jié)果直接顯示在數(shù)顯式拉力計(jì)上。水平剪切速率為 0.02～3 mm/min，剪切時(shí)間設(shè)定為15 min，測(cè)力范圍為 0～10 kN。

以剪切強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力為橫坐標(biāo)，繪出τ—σ關(guān)系圖，作出線(xiàn)性回歸線(xiàn)，由摩爾—庫(kù)侖定律知直線(xiàn)在縱坐標(biāo)的截距為根土復(fù)合體的黏聚力C，直線(xiàn)的傾角為根土復(fù)合體的內(nèi)摩擦角φ。摩爾—庫(kù)侖定律，其表達(dá)式為公式(2)：

τf=C+σtanφ

(2)

式中：τf——根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度(MPa)；C——根土復(fù)合體的黏聚力(kPa)；σ——剪切面上的正應(yīng)力(N)；φ——根土復(fù)合體的內(nèi)摩擦角(°)。

2 結(jié)果與分析

2.1 尖萼金絲桃根系分布特征研究

2.1.1 尖萼金絲桃根系數(shù)量隨根徑根長(zhǎng)的變化 對(duì)比5株根系樣本不同根徑、根長(zhǎng)根系的數(shù)量變化可知(表2)，尖萼金絲桃根系以直徑0～3.0 mm為主，根長(zhǎng)5～25 cm不等，根數(shù)比率均在80%以上，直徑3.0～5.0 mm根系分布較少，根長(zhǎng)10～30 cm不等，根數(shù)比率20%以下。

表2 不同根徑、根長(zhǎng)根系數(shù)量變化

2.1.2 尖萼金絲桃根系抗拉強(qiáng)度指標(biāo)隨直徑的變化 試驗(yàn)根系(D<3.0 mm)相對(duì)脆弱，在拉拔過(guò)程中易在夾具處發(fā)生斷裂。在對(duì)試驗(yàn)所得結(jié)果進(jìn)行處理時(shí)，若根系在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生滑動(dòng)或夾斷等情況，則視為數(shù)據(jù)無(wú)效，應(yīng)剔除。試驗(yàn)共對(duì)30個(gè)尖萼金絲桃根系樣本進(jìn)行了單根拉拔測(cè)試，所測(cè)得的抗拉試驗(yàn)結(jié)果如表3所示(剔除10個(gè)無(wú)效數(shù)據(jù))。根系的拉伸破壞過(guò)程為最初根皮裂開(kāi)一條縫，隨著力的增加，根皮裂開(kāi)第二條縫、第三條縫......最后根纖維被拉斷，根系的直徑對(duì)其抗拉位移、抗拉拔力、抗拉強(qiáng)度均產(chǎn)生較大影響。

灌木尖萼金絲桃室內(nèi)單根拉拔試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，表中根系斷裂處直徑、拉拔位移、抗拉拔力、抗拉強(qiáng)度等數(shù)據(jù)均取平均值，隨著根系直徑的增大，根系拉拔位移和抗拉拔力均整體呈現(xiàn)出直線(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，拉拔位移曲線(xiàn)方程：S=13.141D-4.049 6(R2=0.892 6)，抗拉拔力曲線(xiàn)方程：T=6.823 8D+8.382 7(R2=0.911 7)；抗拉強(qiáng)度隨著根系直徑的增大呈現(xiàn)出負(fù)向冪函數(shù)減小趨勢(shì)，曲線(xiàn)方程：P=28.54D-1.519(R2=0.890 5)。

圖1 尖萼金絲桃單根拉拔試驗(yàn)結(jié)果表3 根系抗拉強(qiáng)度指標(biāo)隨直徑的變化

樣本直徑Davg/mm拉拔位移Savg/mm抗拉拔力Tavg/N抗拉強(qiáng)度Pavg/MPa10.72 8.40 12.308 6 30.402 9 20.95 7.72 16.671 7 23.532 2 31.02 9.65 12.345 7 15.027 8 41.15 10.26 13.901 2 13.346 1 51.59 12.97 19.647 6 9.954 6 61.97 12.12 15.493 8 5.085 8 72.46 22.40 23.781 4 5.006 1 82.48 24.22 22.623 5 4.685 8 92.94 28.10 24.657 7 3.634 0 102.97 35.47 25.599 4 3.697 0 113.00 30.13 31.192 0 4.415 0 123.26 32.99 29.845 7 3.570 9 133.48 46.72 28.575 3 3.005 8 143.50 33.16 28.392 5 2.952 6 153.71 37.86 38.602 6 3.572 7 163.74 47.97 31.551 2 2.878 1 173.99 38.22 32.127 2 2.570 7 184.01 52.22 34.527 1 2.735 3 194.47 43.28 35.862 0 2.282 3 204.52 60.47 37.503 0 2.338 4

通過(guò)拉拔試驗(yàn)得到尖萼金絲桃根系單根抗拉強(qiáng)度與根系直徑的關(guān)系式(3)—(4)，直徑范圍0 mm

P=17.902D-1.451(0 mm

R2=0.967 6

(3)

P=15.317D-1.253(3.0 mm

R2=0.958 5

(4)

由表4中Pearson相關(guān)性分析可得，根系拉拔位移、抗拉拔力均與根系直徑存在正相關(guān)關(guān)系，其中拉拔位移與根系直徑顯著正相關(guān)(0.584*)；抗拉拔力與根系直徑存在極顯著正相關(guān)關(guān)系(0.795**)，抗拉強(qiáng)度與根系直徑存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(-0.810**)；拉拔位移與抗拉拔力呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系(0.730**)，與抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(-0.862**)；抗拉拔力與抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(-0.839**)。

表4 根系直徑與拉拔位移、抗拉拔力、抗拉強(qiáng)度Pearson相關(guān)性

注：*表示在 0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；**表示在0 .01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

2.2 根系抗拉強(qiáng)度與根土復(fù)合體黏聚力C值之間的關(guān)系

不同根徑根系組合的抗拉強(qiáng)度表現(xiàn)出較大差異，對(duì)比剪切試驗(yàn)結(jié)果(表5)，抗拉強(qiáng)度越大的根系組合組成的根土復(fù)合體黏聚力越大，其較于無(wú)根素土的增長(zhǎng)率也相對(duì)越大，故可以認(rèn)為根土復(fù)合體試樣的黏聚力值與植物根系總的抗拉強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系。綜上可知，植物根系總抗拉強(qiáng)度對(duì)根土復(fù)合體試樣黏聚力值存在較大程度的影響，即主要表現(xiàn)在根土復(fù)合體黏聚力值隨植物根系總抗拉強(qiáng)度的增大總體上呈現(xiàn)不斷增大的趨勢(shì)，對(duì)比根系直徑分布特征也可得到，小根徑根系越多，總抗拉強(qiáng)度相對(duì)越大，而且比具有同樣根面積比率的粗根系具有較大的表面積，與土體的摩擦力較大，抵抗拉脫的能力強(qiáng)，而根系提高土體黏聚力通過(guò)增大根土接觸面摩擦力實(shí)現(xiàn)。

表5 根系抗拉強(qiáng)度與根土復(fù)合體黏聚力C值之間的關(guān)系

注：總抗拉強(qiáng)度=單根平均抗拉強(qiáng)度×根系數(shù)量；黏聚力增長(zhǎng)率=(根土復(fù)合體黏聚力值-無(wú)根素土黏聚力值)/無(wú)根素土黏聚力值；表中“—”表示不存在相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.3 無(wú)根素土與根土復(fù)合體黏聚力C值之間的關(guān)系

通過(guò)對(duì)無(wú)根素土和根土復(fù)合體剪切試驗(yàn)，結(jié)果如表6所示。保證土體密度(1.67 g/cm3)以及含水率(15.5%)不變的情況下，5組根土復(fù)合體的黏聚力依次為53.7，67.1，74.7，89.2，66.0 kPa，相對(duì)于無(wú)根素土黏聚力(45.8 kPa)均有不同程度的增長(zhǎng)，增長(zhǎng)率分別達(dá)到了17.25%，46.51%，63.10%，94.76%，44.11%，表明根系的加入增加了土壤顆粒間的連結(jié)強(qiáng)度，對(duì)邊坡土體黏聚力C值起到顯著的增強(qiáng)作用，在一定程度上提高了邊坡土體的穩(wěn)定性。

對(duì)于5組根土復(fù)合體黏聚力差異，根1，根2以及根3，根4兩兩的根土面積比差異較小，但黏聚力差異較明顯，表明黏聚力除了受到根土面積比的影響，還與根系的分布有關(guān)，復(fù)合體試樣中根系的分布形式不同、單根與剪切面的夾角不同也較大程度上對(duì)黏聚力產(chǎn)生影響，對(duì)比5組根土復(fù)合體的黏聚力可得，黏聚力、黏聚力增長(zhǎng)率均與根土面積比、根土體積比均存在正相關(guān)關(guān)系，直徑較小(0～3.0 mm)的根系越多，其黏聚力越大，與土體夾角趨近于90°的根系越多，黏聚力越大。根土復(fù)合體內(nèi)摩擦角相對(duì)于無(wú)根素土也表現(xiàn)出一定程度的增大，但變化幅度較于黏聚力均不顯著。

表6 無(wú)根素土與根土復(fù)合體黏聚力變化結(jié)果

注：根土面積比=根系在剪切面處的面積/剪切面面積；根土體積比=根系總體積/根土復(fù)合體總體積。

3 討 論

3.1 根系直徑對(duì)根系抗拉強(qiáng)度指標(biāo)的影響

灌木尖萼金絲桃室內(nèi)單根拉拔試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著根系直徑的增大，根系拉拔位移和抗拉拔力均整體呈現(xiàn)出直線(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，抗拉強(qiáng)度隨著根系直徑的增大呈現(xiàn)出負(fù)向冪函數(shù)減小趨勢(shì)，原因是隨著植物根系的生長(zhǎng)，根徑增大，根表面積增大，木質(zhì)部越來(lái)越發(fā)達(dá)，大量木質(zhì)素積累，使得根系質(zhì)地則越堅(jiān)硬，抗拉拔力不斷增長(zhǎng)，但隨著根徑的增大，根系質(zhì)地的改變，其彈性形變性能減弱，抗拉強(qiáng)度越來(lái)越小，容易被拉斷；萬(wàn)娟[13]對(duì)狗牙根和多花木藍(lán)根系開(kāi)展單根拉拔試驗(yàn)，結(jié)果表明多花木藍(lán)根系平均拉拔位移和抗拉拔力均大于狗牙根，但抗拉強(qiáng)度狗牙根相對(duì)較大；Murielle G[14]對(duì)蓖麻和麻風(fēng)樹(shù)根系進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，結(jié)果表明根系直徑大，抗拉拔力就大，但容易拉斷，抗拉強(qiáng)度小。類(lèi)似的還有趙玉嬌等[15]，張翔宇等[16]對(duì)植物根系拉拔試驗(yàn)的研究，結(jié)論基本一致。

3.2 根系抗拉強(qiáng)度與根土復(fù)合體黏聚力的關(guān)系

不同根徑根系組合的抗拉強(qiáng)度表現(xiàn)出較大差異，對(duì)比剪切試驗(yàn)結(jié)果，抗拉強(qiáng)度越大的根系組合組成的根土復(fù)合體黏聚力越大，其較于無(wú)根素土的增長(zhǎng)率也相對(duì)越大，格日樂(lè)等[17]研究中也有相同結(jié)論，其中對(duì)檸條、揚(yáng)柴、草木犀等灌木根系進(jìn)行單根拉拔試驗(yàn)，并對(duì)其組成的根土復(fù)合體進(jìn)行剪切試驗(yàn)，結(jié)果表明隨著根系極限抗拉強(qiáng)度的減小，根土復(fù)合體黏聚力增長(zhǎng)率也降低。鄧佳[18]對(duì)香草根、百喜草、狗牙根3 種草本根系也開(kāi)展了單根拉拔及根土復(fù)合體剪切試驗(yàn)，結(jié)果為平均抗拉強(qiáng)度大的根系組成的根土復(fù)合體黏聚力大。類(lèi)似的研究還表現(xiàn)在：劉福全[19]對(duì)沙柳、沙地柏、白沙嵩3 種灌木根系及根土復(fù)合體研究，李云鵬等[20]對(duì)馬尾松和四川大頭茶的研究，結(jié)果都表明了抗拉強(qiáng)度越大，相對(duì)的根土復(fù)合體黏聚力越大，抗剪強(qiáng)度越大。綜上可知，植物根系抗拉強(qiáng)度對(duì)根土復(fù)合體試樣黏聚力值存在較大程度的影響，即主要表現(xiàn)在根土復(fù)合體黏聚力值隨植物根系抗拉強(qiáng)度的增大總體上呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。

4 結(jié) 論

(1) 灌木尖萼金絲桃室內(nèi)單根拉拔試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著根系直徑的增大，根系拉拔位移和抗拉拔力均整體呈現(xiàn)出直線(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，拉拔位移和抗拉拔力曲線(xiàn)方程R2均高于0.89；抗拉強(qiáng)度隨著根系直徑的增大呈現(xiàn)出負(fù)向冪函數(shù)減小趨勢(shì)，曲線(xiàn)方程R2高于0.89，根系在直徑范圍0 mm

(2) 根系拉拔位移、抗拉拔力均與根系直徑存在正相關(guān)關(guān)系，抗拉強(qiáng)度與根系直徑存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；拉拔位移與抗拉拔力呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系，與抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；抗拉拔力與抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

(3) 不同根徑根系組合的抗拉強(qiáng)度表現(xiàn)出較大差異，對(duì)比剪切試驗(yàn)結(jié)果，抗拉強(qiáng)度越大的根系組合組成的根土復(fù)合體黏聚力越大，其較于無(wú)根素土的增長(zhǎng)率也相對(duì)越大，根土復(fù)合體試樣的黏聚力值與植物根系總的抗拉強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系，根土復(fù)合體黏聚力、黏聚力增長(zhǎng)率均與根土面積積比、根土體積比均存在正相關(guān)關(guān)系。其相較于無(wú)根素土黏聚力均有不同程度的增長(zhǎng)，增長(zhǎng)率達(dá)到了17.25%～94.76%，根系的加入對(duì)邊坡土體內(nèi)摩擦角的影響不顯著，對(duì)黏聚力C值起到顯著增強(qiáng)作用，在一定程度上提高了邊坡土體的穩(wěn)定性。