黃 鋼，鄭明新，董 旭，彭 晶，楊繼凱

(1. 華東交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，南昌 330013；2. 黃岡師范學(xué)院 建筑工程學(xué)院，湖北 黃岡 438000)

煤系土富含親水性強(qiáng)的高嶺石、綠泥石等次生黏土礦物，是一種風(fēng)化速度較快、黏結(jié)能力差、遇水易膨脹軟化、結(jié)構(gòu)易破壞的特殊土，在我國南方山區(qū)或丘陵區(qū)均有分布[1].煤系土等一些特殊地質(zhì)邊坡，在工程建設(shè)過程中遇到的越來越多[2].煤系土邊坡在降雨時(shí)容易水土流失，容易形成大的沖溝；煤系土邊坡遇到季節(jié)降雨后極易出現(xiàn)表層滑塌和淺層破壞，給工程建設(shè)和運(yùn)行帶來了巨大的威脅[3].因此，研究煤系土邊坡水土流失及淺層穩(wěn)定性非常必要.文獻(xiàn)[4]以廣州至梧州高速公路沿線煤系土邊坡為研究對(duì)象，分析了不同含水率條件下煤系土抗剪強(qiáng)度及其影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)含水率對(duì)煤系土黏聚力的敏感度極高.文獻(xiàn)[5]通過原位及室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究了廣東云浮地區(qū)粉狀煤系土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與不同含水率之間的關(guān)系，建立了降雨入滲的煤系土裂隙和風(fēng)化邊坡穩(wěn)定性數(shù)學(xué)模型.文獻(xiàn)[6]借助瞬態(tài)非飽和滲流軟件分析了降雨入滲條件下含裂隙煤系土邊坡穩(wěn)定性影響.文獻(xiàn)[7]利用離散顆粒流對(duì)江西省萍鄉(xiāng)地區(qū)高速公路沿線分布的煤系膨脹土三軸試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬，從細(xì)觀角度研究了煤系膨脹土的宏觀力學(xué)特性和剪切位移場(chǎng)的形成和發(fā)展規(guī)律.文獻(xiàn)[8]通過環(huán)境掃描電鏡技術(shù)分析了煤系土分形維數(shù)、孔隙度分布與孔隙率的關(guān)系，研究了不同含水率狀態(tài)下粉狀煤系土的微觀結(jié)構(gòu).文獻(xiàn)[9]基于彈塑性接觸有限元強(qiáng)度折減法研究了煤系土路塹邊坡淺層穩(wěn)定性.文獻(xiàn)[10]研究了煤系土土-水特征曲線在干濕循環(huán)條件下的變化規(guī)律.

近年來，越來越多的煤系土淺層防護(hù)采用生態(tài)護(hù)坡技術(shù)，因生態(tài)護(hù)坡技術(shù)具有減少邊坡水土流失、成本低、改善環(huán)境保護(hù)等方面的優(yōu)勢(shì)[11-12].江西省南昌至萍鄉(xiāng)高速公路沿線分布大量煤系土邊坡，并且煤系土邊坡淺層采用草灌植被防護(hù)，而目前對(duì)于植被根系對(duì)煤系土邊坡淺層穩(wěn)定性的研究報(bào)道較少.因此，本文作者結(jié)合昌栗高速沿線煤系土邊坡草灌植被防護(hù)進(jìn)行研究，對(duì)煤系土淺層草灌根系分布特征參數(shù)變化進(jìn)行定量分析，對(duì)不同草灌根系含量對(duì)不同含水率煤系土抗剪強(qiáng)度參數(shù)和基質(zhì)吸力的變化規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

昌栗高速K211草灌邊坡為兩級(jí)邊坡，坡比為分別為1∶1.25和1∶2.邊坡高度約為8 m，土體主要為煤系土，煤系土物理化學(xué)指標(biāo)見表1.該邊坡地處贛西地區(qū)，屬于中亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候.夏季占全年降水量的40%，五月中旬至七月中旬為梅雨季節(jié)，地區(qū)年平均降水量約1 603 mm，月最大降水量約165 mm.降雨量大且集中，對(duì)邊坡穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響.為了加強(qiáng)煤系土邊坡的淺層穩(wěn)定性，路塹邊坡防護(hù)采用人工草灌植被防護(hù)形式.

1.2 根系分布

該邊坡植被為狗牙根、香根草草本植物和多花木蘭的灌木植物混播相結(jié)合(見圖1)，草本植物一級(jí)邊坡覆蓋率高，二級(jí)邊坡覆蓋率低；灌木植物在邊坡兩端覆蓋率相對(duì)很小，中間覆蓋率相對(duì)較高.根據(jù)根系形態(tài)的分類[13]，狗牙根和香根草根系分布類型符合M型.根系大多數(shù)的根系直徑小于2 mm，須根系發(fā)達(dá)，和土壤結(jié)合較好，有利于土壤的加固.多花木蘭的根系分布類型符合VH型，主根發(fā)達(dá)，側(cè)根豐富且大多數(shù)直徑大于2 mm，有利于邊坡的穩(wěn)定和抗風(fēng).

1.3 試驗(yàn)材料選取

本試驗(yàn)選取生長(zhǎng)3年草灌植被的根-土復(fù)合體，測(cè)定抗剪度強(qiáng)指標(biāo).取樣方法：邊坡上根據(jù)草灌根系多少選4個(gè)取樣地(草灌根系較少、較多、非常多、無草灌)，在樣地上選取含狗牙根、香根草和多花木蘭植物原狀土，割除樣地里狗牙根、香根草和多花木蘭3種植物地上莖葉部分.選取在15 cm×15 cm范圍內(nèi)根含量分別為1根系(含1株多花木蘭和較少的草本狗牙根與香根草)、2根系(含2株多花木蘭和較多草本狗牙根、香根草)和3根系(含3株灌木多花木蘭和非常多草本狗牙根、香根草)與無根系(草灌植被根系為0根)的原狀煤系土.

在15 cm×15 cm范圍內(nèi)距坡面0～10、10～20、20～30、30～40 cm處采用原狀土取樣釬采集根系樣品，每層3個(gè)樣品.利用根系樣本來測(cè)量根系分布特征參數(shù).通過原狀土取樣釬收集根樣，放入直徑0.25 mm的土壤篩中，用水沖洗，然后放入樣品儲(chǔ)存袋中.使用WinRHIZO(Pro.2004c)根系分析軟件掃描根長(zhǎng)、根表面積、平均直徑和根體積.最后將根置于一個(gè)包膜中，在105 ℃下干燥48 h，以獲得根生物量.根分布特征參數(shù)根據(jù)Fu等[14]研究得到根長(zhǎng)密度RLD(根總長(zhǎng)度/原狀土取樣釬體積)、根重量密度RWD(根總重量/原狀土取樣釬體積)和根表面積密度RSAD(根總表面積/原狀土取樣釬體積)3個(gè)參數(shù).

挖取15 cm×15 cm ×5 cm煤系土試樣.煤系土天然含水率在5%～11%之間，雨后含水率在 13%～20%之間，故按照 GB/T 50123-1999《土工試驗(yàn)規(guī)程》[15]要求設(shè)計(jì)制作含水率w為5.5%、8.5%、11.5%、14.5%、17.5%、20.5%的6組試樣.先將測(cè)定原狀土含水率，試樣的含水率調(diào)整至設(shè)計(jì)含水率，按測(cè)定含水率和原狀土計(jì)算蒸餾水用量，試樣共制備 24組，每組 3個(gè)試樣.將制備好的試樣靜置2 h后，采用STJY-5土工合成材料直剪儀完成直剪試驗(yàn)，見圖2.

基質(zhì)吸力的測(cè)定設(shè)備采用日本PF土壤水分特征曲線儀，型號(hào)為DIK-3403，基質(zhì)吸力測(cè)量范圍為0～1 500 kPa.加壓設(shè)備為自動(dòng)調(diào)壓器和空氣壓縮.本試驗(yàn)利用軸平移技術(shù)來控制基質(zhì)吸力，氣壓分階段施加，平衡后得到由基質(zhì)吸力和含水率組成的數(shù)據(jù)點(diǎn)，最后根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)繪制脫濕狀態(tài)下的土-水特征曲線.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 植物根分布特征

3種植物根系分布特征參數(shù)在不同深度的變化見圖3.

3種含根量的分布總體上隨著煤系土體深度的增加而減少.由圖3(a)可知，在深度為0～40 cm土層范圍內(nèi)，平均根長(zhǎng)密度最大的是3根系為1.02 cm/cm3，其次是2根系為0.55 cm/cm3，最小的是1根系為0.35 cm/cm3.3根系、2根系的平均根長(zhǎng)密度分別是1根系的1.56、2.88倍.1根系在0～40 cm土層的的總根長(zhǎng)密度占所有土層的總根長(zhǎng)密度的89.19%，2根系占比75.12%，3根系占比56.13%.由圖3(b)可知， 3根系重量密度為0.45 g/cm3，在深度為0～40 cm土層范圍內(nèi)分別是2根系(0.21 g/cm3)、1根系(0.10 g/cm3)的2.05、4.45倍.由圖3(c)可見，土體表層(0～10 cm)的明顯大于其他土層.根表面密度明顯隨著煤系土深度的增加而減少.在深度為0～40 cm土層范圍內(nèi)，3根系平均根表面密度(0.13 cm2/cm3)分別為2根系(0.07 cm2/cm3)、1根系(0.04 cm2/cm3)的1.75、3.16倍.基于以上的分析可以看出，根分布特征隨著煤系土根含量的增大而增大.

根據(jù)Hamid 等[16]提出的非飽和土的抗剪強(qiáng)度公式，即

τf=c′+(σ-ua)tanφ′+

(1)

式中：τf為非飽和土的抗剪強(qiáng)度；c′和φ′為有效應(yīng)力強(qiáng)度參數(shù)；σ為正應(yīng)力；μa為孔隙氣壓力；μw為孔隙水壓力；σ-ua為凈法向應(yīng)力；ua-uw為基質(zhì)吸力；θ、θr、θs分別為土體的當(dāng)前含水率、剩余含水率、飽和含水率.

由式(1)可知，非飽和土的抗剪強(qiáng)度與強(qiáng)度參數(shù)c′與φ′、基質(zhì)吸力ua-uw和含水率有關(guān).所以，下面將研究不同含水率條件下植被根系對(duì)邊坡土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)和基質(zhì)吸力的影響.

2.2 剪應(yīng)力-剪位移關(guān)系

無根和3根系試樣的剪應(yīng)力與剪位移關(guān)系曲線見圖4.由圖4可知，試樣剪應(yīng)力隨著剪位移的增加而增加，剪應(yīng)力與剪位移關(guān)系曲線顯示出非線性關(guān)系. 隨著剪應(yīng)力的增加，試樣應(yīng)變軟化增量迅速增加.含水率w越大，剪切強(qiáng)度越小.說明隨著含水率的增加，試樣從“變硬”到“變軟”的變化趨勢(shì).含水率對(duì)煤系土強(qiáng)度產(chǎn)生明顯的影響.含有3根系與無根系試樣的剪應(yīng)力與剪位移關(guān)系曲線相比，含有3根系試樣達(dá)到最大抗剪強(qiáng)度時(shí)的應(yīng)變和殘余抗剪強(qiáng)度明顯大于無根系的.說明草灌植被根系加大了原狀煤系土的強(qiáng)度，這主要是因?yàn)椴莨嘀脖桓底陨砭哂休^高的強(qiáng)度，需要較大的剪切力來剪斷根系.同時(shí)植被根系與煤系土顆粒之間存在較大的摩擦力.

無根和3根系試樣的抗剪強(qiáng)度與垂直壓力關(guān)系曲線見圖5.由圖5可見，抗剪強(qiáng)度與垂直壓力相關(guān)系數(shù)都在0.95以上.隨著含水率的增大，抗剪強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律，峰值對(duì)應(yīng)的含水率為11.5%.同時(shí)，當(dāng)含水率從14.5%增加到17.5%時(shí)，抗剪強(qiáng)度顯著減小，說明存在界限含水率，使抗剪強(qiáng)度明顯降低.

2.3 不同含水率根系煤系土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)變化規(guī)律研究

為了研究含水率變化對(duì)植被根系煤系土抗剪強(qiáng)度參數(shù)變化規(guī)律，通過對(duì)24組共72個(gè)試樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)，測(cè)得樣本不同含水率和根含量影響下的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖6.

由圖6(a)可知，所有試樣的黏聚力表現(xiàn)出明顯一致的變化趨勢(shì).含根煤系土黏聚力隨著含水率的增大總體呈減小趨勢(shì)，但變化趨勢(shì)具有階段性.當(dāng)含水率從5.5%增加到15.5%時(shí)(靠近在最優(yōu)含水率時(shí))，曲線梯度較為平緩，黏聚力緩慢減少；當(dāng)含水率從15%增加到20.5%時(shí)，曲線梯度較大，黏聚力顯著降低.平緩曲線梯度對(duì)應(yīng)的平均黏聚力(25.01～36.49 kPa)是較陡曲線梯度時(shí)平均黏聚力(9.11～14.39 kPa)的2.49～2.59倍.說明存在一個(gè)界限含水率，即煤系土強(qiáng)度具有軟化特性.這可能是由于土的含水率增加到界限含水率后，煤系土顆粒間的膠結(jié)物將開始被溶蝕，顆粒膠結(jié)作用逐漸喪失.同時(shí)在含水率一定時(shí)，黏聚力隨著根含量的增加而增大，平均黏聚力由大到小依次為3、2、1、無根系，值分別為29.12、25.43、23.04、19.17 kPa.相對(duì)在無根平均黏聚力，3根系平均黏聚力提高了1.47倍，2根系提高了1.29倍, 1根系提高了1.16倍.從圖6(b)可見，內(nèi)摩擦角對(duì)含水率和根含量的響應(yīng)效果不明顯，摩擦角不隨含水率和根含量的變化而變化，而是集中在一定范圍內(nèi)波動(dòng).

2.4 草灌植被根系對(duì)土壤基質(zhì)吸力變化影響

非飽和土力學(xué)理論認(rèn)為，基質(zhì)吸力是研究非飽和狀態(tài)土體的抗剪強(qiáng)度的核心，在煤系土淺層邊坡，忽略土壤基質(zhì)吸力變化的影響，會(huì)低估邊坡淺層穩(wěn)定性.通過對(duì)試驗(yàn)土樣，采用軸平移技術(shù)分別測(cè)得不同根含量煤系土的基質(zhì)吸力與飽和度，得到的土-水特征關(guān)系曲線見圖7.

由圖7可知，不同根含率的煤系土的土-水曲線呈倒S形，在不同的基質(zhì)吸力段表現(xiàn)出不同的特性.在吸力小于進(jìn)氣壓力值，根-土復(fù)合體處于飽和狀態(tài)，含水率隨基質(zhì)吸力的增大變化很小.當(dāng)吸力大于進(jìn)氣壓力值且小于殘余飽和度所對(duì)應(yīng)的吸力值，根-土復(fù)合體進(jìn)入快速失水狀態(tài).在吸力大于殘余飽和度對(duì)應(yīng)的吸力值，根-土復(fù)合體含水率隨基質(zhì)吸力的增大無明顯變化，煤系土的含水率不隨吸力的增加而變化.

進(jìn)氣值隨著根含量增加而減小，而殘余飽和度對(duì)應(yīng)的吸力隨著根含量增加而增大.這種現(xiàn)象存在主要原因可以從根-土復(fù)合體的微觀結(jié)構(gòu)來看，根系纖維細(xì)胞能改變土壤物理特性，促進(jìn)土壤從松散結(jié)構(gòu)向團(tuán)粒結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，團(tuán)粒結(jié)構(gòu)之間形成大孔隙，從而土體的吸力減少，排水較快；植物根系纖維細(xì)胞對(duì)土壤的作用，增加了土壤的微生物活性，有機(jī)物分解形成了親水性礦物成分，從而殘余飽和度較大.

土水特征曲線的擬合采用Gardner模型[17]函數(shù)，即

(2)

式中：Se為根土的飽和度；Sr、Sn分別為煤系土的殘余飽和度、最大飽和度；a為與進(jìn)氣值有關(guān)的參數(shù)；n為擬合參數(shù)；ψ為壓力水頭.

擬合的土-水特征曲線參數(shù)見表2.由表2可見，相關(guān)系數(shù)都在0.91以上.

表2 土-水特征曲線擬合參數(shù)

非飽和土的滲透特性是土中孔隙水和孔隙氣兩種流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律.目前對(duì)非飽和土的滲透系數(shù)一般利用土-水特征曲線，引入土-水特征參數(shù)得到.本文根據(jù)Gardner的滲透模型，得到含根煤系土滲透系數(shù)與基質(zhì)吸力的關(guān)系式

kw=awkws/[aw+bwcw(ua-uw)]

(3)

式中：kw、kws分別為非飽和土的滲透系數(shù)、飽和土的滲透系數(shù)；aw、bw、cw為土體系數(shù)，分別取1 000、0.258、1.7.

滲透系數(shù)與基質(zhì)吸力關(guān)系曲線見圖8.由圖8可見，4種試樣的滲透系數(shù)和基質(zhì)吸力曲線形態(tài)上具有很好的相似性，當(dāng)基質(zhì)吸力小于進(jìn)氣壓力值時(shí)，所有試樣的滲透系數(shù)接近于飽和滲透系數(shù)；當(dāng)基質(zhì)吸力大于進(jìn)氣壓力值時(shí)，土的滲透系數(shù)隨著基質(zhì)吸力的增加而減少.含根煤系土的滲透系數(shù)小于無根煤系土.滲透系數(shù)隨著根含量的增加而增大，且具有階段性.當(dāng)基質(zhì)吸力小于1 kPa時(shí)，曲線梯度較小，滲透系數(shù)變化較小，但不同根含煤系土的滲透系數(shù)的差距較小；當(dāng)基質(zhì)吸力大于1 kPa時(shí)，曲線梯度較大，具有明顯的線性關(guān)系.

3 討論

1)草灌植物根系對(duì)煤系土加固作用.

干濕循環(huán)導(dǎo)致的淺層破壞是煤系土的環(huán)境問題之一，影響著邊坡穩(wěn)定和昌栗高速的正常通行.由于南方春夏暴雨頻繁，在暴雨過程中煤系土坡面出現(xiàn)侵蝕和巨大的土壤流失.大量的研究證實(shí)，植物根系具有減少徑流和土壤流失的潛力.通過本文研究結(jié)果可知，草本植物狗牙根和香根草細(xì)根(d<2 mm)根系與灌木植物多花木蘭粗根(d≥2mm)可以增加煤系土黏聚力.這是由于根徑越大，根系越深，根土界面摩擦力就越大，進(jìn)而對(duì)土壤的摩擦錨固作用就越強(qiáng)[18].草本植物狗牙根須根(d<1 mm)還可以阻止土壤顆粒的分散，提高土壤的抗侵蝕性，從而保證煤系土邊坡的穩(wěn)定性.在淺層，由于植被的潛在蒸騰作用和錯(cuò)綜盤結(jié)的根系力學(xué)作用,提高了煤系土邊坡的耐沖性和抗侵蝕性.

2)草灌植物根系對(duì)煤系土抗剪強(qiáng)度的增強(qiáng)作用.

文獻(xiàn)[19]研究發(fā)現(xiàn)，降雨入滲使煤系土的含水率顯著增加，土粒間的黏結(jié)性降低，從而降低了黏聚力，這也是煤系土邊坡在降雨條件下易發(fā)生滑坡的原因之一.本文得到含根系煤系土邊坡黏聚力大于無根邊坡，從而根系增加了煤系土土體的抗剪強(qiáng)度，該研究成果與文獻(xiàn)[20]的研究結(jié)論一致.本文所測(cè)定的含根煤系土的黏聚力比無根黏聚力的增加了16%～47%，小于文獻(xiàn)[21]研究的根系對(duì)土壤的黏聚力增加值.造成不同的原因可能是煤系土和寒冷凍土的不同土壤類型、氣候狀況對(duì)草灌植物根系固土效果的影響所致.筆者發(fā)現(xiàn)草灌根系土體的黏聚力隨著根含量的增加而增大，與文獻(xiàn)[11]中植被的抗剪強(qiáng)度的研究結(jié)論一致.分析原因，可能與土和植物的種類、土壤含水等水文條件不同有關(guān).

3)煤系土壤滲透性隨著草灌植物根系變化的特性.

煤系土邊坡在降雨作用下穩(wěn)定的影響取決于土坡的滲透系數(shù).研究發(fā)現(xiàn)草灌植物根系能增大土體滲透性能，在降雨條件下，根系對(duì)邊坡土體影響與文獻(xiàn)[22-23]的研究結(jié)果一致，根系在土體中生長(zhǎng)使土體疏松，從而使得土體滲透系數(shù)增大.草、灌植物根系對(duì)土體滲透系數(shù)的提高作用均存在顯著差異，說明根系提高土體的土體滲透系數(shù)因植物種類而異.其中，土壤滲透系數(shù)隨著根含量的增加而增大.推測(cè)的原因可能是由于根系錯(cuò)綜盤結(jié)、縱橫交錯(cuò)貫穿于煤系土土體中，同時(shí)具有團(tuán)聚構(gòu)造和團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，增大了邊坡土體的孔隙率，這需要結(jié)合植物根系微觀結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步分析.

4 結(jié)論

1)草灌植物根系分布特征參數(shù)隨著根含量增大而增大.在深度為0～40 cm土層范圍內(nèi),3根系分布特征參數(shù)分別是2、1根系的1.56～2.05、2.88～4.45倍.

2)含根煤系土應(yīng)變軟化增量隨著應(yīng)力的增加迅速增加.隨著含水率的增加，試樣從“變硬”到“變軟”.煤系土的最大抗剪強(qiáng)度隨著根含量的增加而增大.

3)含根煤系土黏聚力隨著含水率的增大總體呈減小趨勢(shì)，但變化趨勢(shì)具有階段性.含根黏聚力隨著根含量的增加而增大，并且平均黏聚力是無根煤系土黏聚力的1.16～1.47倍.

4)不同根含量的煤系土的土-水曲線呈倒S形，進(jìn)氣值隨著根含量增加而減小，殘余飽和度隨著根含量增加而增大.滲透系數(shù)隨著基質(zhì)吸力的增大呈減小趨勢(shì)，但具有明顯的界限.隨著根含量的增加，滲透系數(shù)越來越小.

本文研究了植被根系對(duì)煤系土邊坡土體的增強(qiáng)作用，沒有考慮長(zhǎng)期作用下植被覆蓋作用下煤系土邊坡淺層含水率和基質(zhì)吸力的變化關(guān)系，今后將就植被對(duì)煤系土邊坡淺層含水率的變化做深入探討.