何新原，吳勝坤，羅東志，蔡丹丹

（1.蘇交科集團檢測認證有限公司，江蘇 南京 210000；2.江蘇宿遷交通工程建設(shè)有限公司，江蘇 宿遷 223800；3.宿遷市高速鐵路建設(shè)發(fā)展有限公司，江蘇 宿遷 223800）

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江蘇省北部的宿遷市，地理坐標范圍為33° 8′～ 34° 25′ N，117° 56′～ 119°10′E，總體呈西北高、東南低的格局，最高點海拔高度為71.2m，最低點海拔高度為2.8m。研究區(qū)屬于暖溫帶季風氣候區(qū)，年均氣溫14.2℃，年均降水量910mm，年均日照總時數(shù)2291h。無霜期較長，平均為211d，初霜期一般在10月下旬，降雪初日一般在12月中旬初，積溫5189℃，全年作物生長期為310.5d。受季風影響，年際間變化不大，但降水分布不均，易形成春旱、夏澇、秋冬干天氣。

1.2 根系形態(tài)指標測定

選取3株4年生刺槐采用整株挖掘法進行挖掘，根據(jù)刺槐根系的生長規(guī)律，挖掘深度為60cm，從表土向下每隔10cm分層采集根樣，去除根系表面上附著的雜質(zhì)和土壤顆粒，取樣后裝入寫有編號的自封袋中并放入裝有干冰的保溫箱內(nèi)，然后對其根系表面進行沖洗，去除表面浮土與雜物。之后，對根部長段、根部表面積、重量、體積等與固土性能密切相關(guān)的參數(shù)進行測量。而對于一些常規(guī)手段難以準確測量的參數(shù)，可以利用高精度掃描設(shè)備對其根系進行掃描測量，并采用WinRHIZO 2009a系統(tǒng)進行根系形態(tài)學(xué)指標的分析。

1.3 根系抗拉強度測定

在測定根系抗拉強度時，首先要對試樣進行選取標記。因為太細小的根表面積、體積過小，且容易折斷，所以在挑選時只將直徑大于0.3mm的刺槐單根作為實驗對象。之后，根系直徑每多出0.1mm就分為一級，每級至少選取30個實驗根進行拉伸實驗。除了實驗根直徑，對于其長度也有一定要求。長度要為70mm，且是要從根系中端進行截取。每隔15mm對實驗根進行1次標記，每根標記5處，之后利用游標卡尺測量標記處的根系直徑并記錄下來，要注意的是，為降低測量誤差，在對標記處進行測量時要注意正交方向上量取2次。對測量得出的根系直徑求得平均值，記作D。準備工作完成后，使用YG(B)026H-250型織物強力機（精度為0.01，最大拉力量程2500N）開始拉伸試驗。將選取測量完畢的實驗根豎直放于強力機上，上下夾具固定后啟動強力機。將拉伸速率設(shè)置為500mm/min，直至實驗根被拉斷。根系在由開始拉伸到拉斷的過程中，拉伸傳感器配合計算機每隔0.01s記錄1次拉力大小與拉伸量變化并自動生成變化曲線。之后根據(jù)如下公式得出抗拉強度與根系直徑之間的關(guān)系。

式中：P為抗拉強度，MPa；F為抗拉力，N；D為根系斷裂處直徑，mm。

1.4 刺槐根土復(fù)合體抗剪強度測定

在對根土復(fù)合體進行抗剪強度測定時，需要用到原位剪切試驗裝置ZJ型四聯(lián)應(yīng)變控制式直剪儀，如圖1所示。

圖1 ZJ型四聯(lián)應(yīng)變控制式直剪儀

該設(shè)備可以模擬并自動采集植物在根土復(fù)合體原位剪切時受到的水平拉力、剪切力，同時，直剪儀會將采集到的拉力與位移以動態(tài)關(guān)系曲線的形式展示出來。需要注意的是，直剪儀在運行時，滑軌與剪切盒之間會存在滑動摩擦力，對實驗結(jié)果有一定干擾，需要利用以下公式進行排除：

式中：Fj為剪切力，N；Ft為剪切裝置施加的拉力，N；Ff為剪切裝置運行產(chǎn)生的滑動摩擦力，N。

求得素土和根-土復(fù)合體剪切面處的剪切力后，根系抗剪強度公式如下：

式中：T為抗剪強度，kPa；Fj為剪切力，N；A為剪切面積，cm2。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

研究所得試驗數(shù)據(jù)均采用Excel數(shù)據(jù)處理軟件、SAS9.0和SPSS22.0數(shù)據(jù)分析軟件進行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 根系形態(tài)參數(shù)

對道路邊坡刺槐根系分布的調(diào)查表明，刺槐屬于水平根系植物，根系主要分布于10～40cm土層范圍內(nèi)，沒有垂直向下生長的主根。其中，根徑范圍在5～10mm的根系在全部根系中占比最大，約占52%，根徑范圍在1～2mm的根系占比次之，約占33%。同時，根系的數(shù)量并沒有隨著其直徑的增加而增加，符合毛細根與細根生長過程中的差異性。根系形態(tài)參數(shù)如根生物量、根長、根體積和根數(shù)量是反映植物地下部分生長的重要指標，是根系生長發(fā)育的最直接體現(xiàn)。

2.2 根系抗拉特性

根系的平均直徑為6.61±1.89mm(平均值±標準誤差)，抗拉試驗測得樣品的抗拉強度為7.57～78.6MPa。植物根系直徑在0.5～6mm范圍時，隨著單根直徑的增加，其極限抗拉強度也不斷加強，并在α=0.01時存在最為明顯的正相關(guān)關(guān)系，且以冪函數(shù)規(guī)律遞增。單根極限抗拉力均值為316.28N，而單根極限抗拉強度隨直徑的增大而減小，直徑在0.3～0.5mm的細根具有較大的極限抗拉強度且以對數(shù)函數(shù)遞減，單根極限抗拉強度與直徑的復(fù)相關(guān)系數(shù)小于0.5。當直徑在0.5～6mm時，單根極限抗拉強度均值為（35.47±16.17）MPa（平均值±標準誤差），當直徑在代表根徑級0.5～1.5mm時，單根極限抗拉強度均值為55.46MPa，平均極限抗拉強度亦隨著徑級的增加呈減小的趨勢，這在ANSYS進行模擬分析時得到了驗證，該區(qū)域內(nèi)此次測試的刺槐根系的平均抗拉強度為32.61MPa，能產(chǎn)生顯著的加筋作用。在一些研究其他種類植物根系抗拉特性時，植物細根與毛根也具有較強的抗拉強度[3]。通過翻閱已有的研究，筆者發(fā)現(xiàn)當毛根直徑在1mm以下時，對固化土壤、增強土壤抗沖性能有十分明顯的作用[4]。隨著根系直徑的增加，拉力峰值也不斷上升，且其變化趨勢具有顯著的冪函數(shù)規(guī)律。而抗拉強度的變化分布則較為離散，隨著直接的增加有一定下降的跡象。

2.3 根土復(fù)合體抗剪特性

首先測得試驗用土的含水量為10.86%，密度為1.53g/cm3。在選取刺槐根系時，對于根系所處土層也應(yīng)有所規(guī)定。此次研究中，所取樣本均來自10～40cm深度的土層，該層次是土體固持作用最為明顯的密集分布層，可以通過土力學(xué)相關(guān)公式求得此層中根系的自重應(yīng)力約為6.25kPa（40cm深度）。再根據(jù)具體的實驗要求，確定其余兩級壓力為50kPa與100kPa。

實驗時，以土工相關(guān)規(guī)范為準，設(shè)定剪切速率為0.08mm/min。一組實驗中需要做4個荷載，單個荷載中又需要做3個平行與3個重復(fù)的抗剪強度值，并取平均值作為對應(yīng)荷載下的剪應(yīng)力。之后再根據(jù)實驗數(shù)據(jù)求得黏聚力與內(nèi)摩擦角，分別用C與φ表示。需要注意的是，土粒與土粒、土粒與根系之間都存在摩擦力，故內(nèi)摩擦角的實質(zhì)是復(fù)合體的內(nèi)摩擦角。素土和刺槐根-土復(fù)合體抗剪強度與垂直荷載的關(guān)系如圖2所示。

圖2 素土和刺槐根-土復(fù)合體抗剪強度與垂直荷載的關(guān)系

根據(jù)圖2可得出，由素土與刺槐構(gòu)成的根-土復(fù)合體，其抗剪強度的變化與垂直荷載的變化呈線性正相關(guān)，其中素土的正相關(guān)系數(shù)為0.9900，而土-根復(fù)合體的相關(guān)系數(shù)為0.9985，這說明利用直線回歸法擬合抗剪強度的效果更好，這與庫倫強度公式的內(nèi)容τ=c+σtanφ是相吻合的。因而，可以利用摩爾-庫倫強度破壞準則對根-土復(fù)合界面的黏聚力、內(nèi)摩擦角、摩擦系數(shù)進行推斷。通過實驗結(jié)果計算得出，抗剪強度值素土為15.6kPa，刺槐的根-土復(fù)合體為36.2kPa。植物根系具有固持土體的作用，其機制之一是根系的存在改變了土的力學(xué)性能，提高了土體的抗剪強度，故植物固土主要通過根系固土來實現(xiàn)[5-6]。

3 結(jié)束語

研究表明刺槐根系在土壤中可以形成具有一定抗剪強度的“生物樁”，刺槐根-土界面與土-土界面的剪切特性相似，均符合摩爾-庫倫理論，且根-土結(jié)合面抵抗位移的能力大于土-土界面。刺槐根系具有較高的抗拉強度，能夠?qū)ν馏w產(chǎn)生有效的約束和加固作用，提高土體的抗剪切強度，有效增強坡面的穩(wěn)定性和抗侵蝕能力。由此可以得出，刺槐根系的力學(xué)特性與形態(tài)結(jié)構(gòu)特征的結(jié)合是具有優(yōu)良護坡能力的，且結(jié)合宿遷市當?shù)貧夂蛱攸c，得出刺槐是道路邊坡防護水土保持樹種的理想選擇。