余 燚, 劉思思, 李某明, 李梓祥, 楊擎宇

(1.中南林業(yè)科技大學(xué) 土木工程學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410004; 2.云南大學(xué) 建筑與規(guī)劃學(xué)院, 云南 昆明 650091)

近年來(lái)，生態(tài)護(hù)坡技術(shù)作為一類(lèi)新型綠色的護(hù)坡技術(shù)，越來(lái)越多地運(yùn)用于公路、鐵路及水利等工程邊坡中[1]。由于香根草根系具有生長(zhǎng)速度快和抗拉性能好的顯著特點(diǎn)，常被作為生態(tài)護(hù)坡植物得到廣泛運(yùn)用[2]。

隨著生態(tài)護(hù)坡技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同角度對(duì)植物根系固土護(hù)坡效果進(jìn)行了研究，潘天輝等[3]，通過(guò)對(duì)陜北黃土區(qū)小葉楊和白羊草根系分布、形態(tài)進(jìn)行研究，得到不同因素對(duì)根—土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度的影響效果；宗全利等[4]，以塔里木河沿岸特色植被為對(duì)象，結(jié)合剛性假設(shè)和柔性假設(shè)，建立了相應(yīng)的根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度模型；方詩(shī)圣等[5]，針對(duì)不同含水率及含根量下高羊茅根—高液限土的根土復(fù)合體的強(qiáng)度特性，探究了高羊茅根對(duì)于高液限土的加固效應(yīng)；薛海龍等[6]，研究了尖萼金絲桃根系的抗拉拔強(qiáng)度對(duì)邊坡土體抗剪強(qiáng)度影響；劉亞斌等[7]，利用掃描電鏡觀察了西寧地區(qū)檸條錦雞兒、霸王兩類(lèi)灌木植物根系根土結(jié)合面微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步研究了植物根系與土相互的力學(xué)作用；徐宗恒等[8]，研究了含根量對(duì)云南山原紅壤根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度影響作用；Operstein等[9]，Mickovski等[10]通過(guò)分析根土復(fù)合體的剪切試驗(yàn)結(jié)果，得到了根系密度對(duì)抗剪強(qiáng)度影響關(guān)系；van Beek等[11]，結(jié)合數(shù)值模擬及根土復(fù)合體受剪破壞特點(diǎn)，驗(yàn)證植根的護(hù)坡效應(yīng)。

紅黏土作為一類(lèi)顆粒松散、孔隙率大、密度低的特殊土，在中國(guó)濕熱多雨的南方地區(qū)廣泛分布[12]。這樣的土質(zhì)特點(diǎn)及分布區(qū)氣候，較適宜香根草生長(zhǎng)。同時(shí)，由于香根草根系的存在，一定程度上可以提升邊坡土體強(qiáng)度，促進(jìn)紅黏土邊坡穩(wěn)定。高速公路工程中，人工填筑路堤邊坡一般采取就地取土的方法進(jìn)行填筑，建成邊坡多為貧瘠的土石坡。其中部分公路邊坡由于地處偏遠(yuǎn)，護(hù)坡植物在初次栽種后，較少能維持人工管理。

為研究偏遠(yuǎn)高速公路填筑紅黏土邊坡中，缺少維護(hù)管理?xiàng)l件下自然生長(zhǎng)的香根草根系的力學(xué)特性及根土復(fù)合體強(qiáng)度特征，本文以室外模型箱模擬上述情況種植香根草，以根系抗拉試驗(yàn)及原狀根土復(fù)合體的抗剪試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，利用回歸分析和spearman相關(guān)分析法，研究香根草根系的力學(xué)性能及根土復(fù)合體的強(qiáng)度特征。

1 試驗(yàn)布設(shè)

試驗(yàn)利用模型箱種植香根草，其中模型箱長(zhǎng)寬高分別為140，140，120 cm。為了獲得更接近人工填筑紅黏土路堤邊坡的土質(zhì)條件，參照實(shí)際施工過(guò)程對(duì)填筑用土進(jìn)行分層填筑、壓實(shí)，試驗(yàn)土坡坡度為45°。考慮到貧瘠條件下栽種的香根草單株根系影響范圍為25 cm[13]，為避免相鄰植株間的根系影響，香根草植株雙向間距為30 cm。移植時(shí)間為2018年9月中旬，移植完畢后將模擬種植裝置置于室外，使其自然生長(zhǎng)且不進(jìn)行水肥管理。種植地區(qū)為長(zhǎng)沙，屬于南方紅壤區(qū)典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，年均降水量約1 400 mm。種植超過(guò)2 a后，2020年6月10日測(cè)得其株高為2.1 m。

用于模擬種植的紅黏土取自長(zhǎng)沙市中南林業(yè)科技大學(xué)，原始土樣為紅褐色、硬塑態(tài)，具有較強(qiáng)的粘性，稍濕。對(duì)紅黏土基土的物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，其中抗剪強(qiáng)度測(cè)定試驗(yàn)為直剪試驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。

表1 試驗(yàn)用紅黏土物理力學(xué)指標(biāo)

2 香根草根系抗拉力分析

護(hù)坡植物根系的抗拉強(qiáng)度不僅影響根系對(duì)土的加筋作用，同時(shí)也影響著其根土復(fù)合體強(qiáng)度。當(dāng)土體受到剪切破壞時(shí)，剪切應(yīng)力將被傳遞到土中的根系上，使得根系拉伸并產(chǎn)生拉力。由于植被根系特有的拉伸屬性，可在一定程度上增加土的抗剪強(qiáng)度[14-15]。所以，研究根系抗拉特性也是研究根系固土效應(yīng)的重要內(nèi)容。

為得到香根草根系直徑對(duì)抗拉力、抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律，將整株香根草根系從紅黏土中人工取出，利用清水沖刷根系上泥土。選取根系形態(tài)良好的直根進(jìn)行試驗(yàn)，取樣標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度為10 cm，試驗(yàn)利用艾德堡HLD數(shù)顯式手搖推拉力計(jì)試驗(yàn)機(jī)對(duì)樣本根系進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。查閱相關(guān)文獻(xiàn)顯示，香根草根系平均根系直徑為1.21 mm，其中0.6～2.0 mm直徑的根系占到總比例的90%以上[16-17]，固選擇0.5～2 mm直徑的香根草根系進(jìn)行抗拉試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)兩端錨具固定距離控制為0.5 cm。對(duì)于拉拔試驗(yàn)的加力速率，已有研究表明，拉伸速率對(duì)草本植物根系抗拉特性的影響不顯著[18]，為便于試驗(yàn)操作，選擇0.5 mm/min的試驗(yàn)加力速率。記錄根系拉斷時(shí)為最大拉力，并用游標(biāo)卡尺測(cè)定斷口處直徑。為避免試驗(yàn)過(guò)程中由于應(yīng)力集中影響對(duì)根系抗拉力測(cè)定的不良影響，取樣本斷面在試樣中部1/3區(qū)間內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)。共對(duì)38組根系試樣進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，得到了30組有效數(shù)據(jù)，剩余8組根系進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，出現(xiàn)根系在根系在兩端發(fā)生斷裂或從夾具中拔出，則判定數(shù)據(jù)為失效數(shù)據(jù)(圖1)。

圖1 香根草根系取樣及拉拔試驗(yàn)

將拉拔測(cè)定的根系抗拉力F代入De Baets S等人[18]提出的根系抗拉強(qiáng)度計(jì)算方法(1) 中，得到對(duì)應(yīng)根系的抗拉強(qiáng)度，并利用擬合分析方法對(duì)相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合(見(jiàn)圖2)。

圖2 香根草根系抗拉力、抗拉強(qiáng)度與根系直徑關(guān)系

Tr=4F/(πD2)

(1)

式中：Tr為根系抗拉強(qiáng)度;F為根系極根抗拉力;D為樣本根系直徑。

根據(jù)香根草根系抗拉強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果(圖3，表2)，該香根草根系平均抗拉力F為19.05 N，平均抗拉強(qiáng)度為20.12 MPa。試驗(yàn)結(jié)果與葉超等[19]在2017年對(duì)湖北紅壤土中生長(zhǎng)的香根草根系研究結(jié)果略有不同，葉超等得到香根草根系平抗拉力22.37 N，平均抗拉強(qiáng)度為50.55 MPa，顯著高于本試驗(yàn)的測(cè)定結(jié)果?？紤]到葉超等所用香根草培植于水土保持研究所內(nèi)，其土壤肥力、水肥管理情況較好。所以相應(yīng)香根草根系具更好的力學(xué)性能。說(shuō)明地區(qū)氣候、土壤肥力及種植方法的差異將對(duì)香根草根系力學(xué)性能產(chǎn)生顯著的影響。

表2 香根草根系抗拉力及抗拉強(qiáng)度擬合分析

通過(guò)對(duì)根系拉拔試驗(yàn)測(cè)定的根抗拉力F、抗拉強(qiáng)度Tr與根系直徑D進(jìn)行擬合分析，結(jié)果顯示，根抗拉力F、抗拉強(qiáng)度Tr與根直徑D皆呈良好的冪函數(shù)關(guān)系。回歸方程的優(yōu)度檢驗(yàn)R2皆高于0.9，說(shuō)明擬合分析得到的根抗拉力F、抗拉強(qiáng)度Tr與根直徑D的回歸方程具有較好的顯著性及擬合度。

3 根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度分析

相關(guān)研究表明，紅黏土的抗剪強(qiáng)度與土的含水率ω，天然密度ρ等土性指標(biāo)密切相關(guān)，同類(lèi)型的紅黏土在不同含水率、密度下有著不同的抗剪強(qiáng)度[20]。其中土的抗剪強(qiáng)度由黏聚力c，摩擦角φ兩種指標(biāo)組成。根據(jù)Wu-Waldoron模型[21]，對(duì)于根土復(fù)合體而言，抗剪強(qiáng)度影響因素的除了含水率ω，天然密度ρ等土性指標(biāo)以外，還有根土復(fù)合體中植物根系的影響作用。其中Wu-Waldron模型作為目前運(yùn)用廣泛的根土復(fù)合體力學(xué)計(jì)算模型，其根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度計(jì)算如下式。

Sr=c+σtanφ+ΔS

(2)

(3)

Tn=(4τ′Ez/D)1/2

(4)

式中：Sr為根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度; ΔS為根系增強(qiáng)的抗剪強(qiáng)度;Tn為根拉力最大值;Ar/A為根截面面積與土表面積比;τ′為根土最大切向摩擦力;E為根彈性模量;z為剪切區(qū)寬度;β為變形角度。

為了探究香根草—紅黏土根土復(fù)合體的強(qiáng)度特性，分析不同指標(biāo)對(duì)于根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的影響效果，將對(duì)環(huán)刀取樣的原狀根土復(fù)合體樣本依次進(jìn)行密度測(cè)定試驗(yàn)、室內(nèi)直剪試驗(yàn)、根重密度測(cè)定試驗(yàn)及含水率試驗(yàn)。分別測(cè)定根土復(fù)合體的天然密度ρ，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力c，摩擦角φ，根重密度DRM及含水率ω；利用Spearman相關(guān)分析法對(duì)測(cè)定的結(jié)果進(jìn)行量化分析，分析不同指標(biāo)(含水率ω，天然密度ρ及根含量DRM)對(duì)根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的影響作用。

3.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)利用標(biāo)準(zhǔn)取土環(huán)刀(內(nèi)徑61.8 mm；環(huán)刀高度20 mm；環(huán)刀壁厚2.1 mm)對(duì)原狀香根草—紅黏土根土復(fù)合體進(jìn)行人工取樣。樣本取樣范圍為以植株為圓心半徑20 cm，深度30 cm范圍內(nèi)。取樣后稱(chēng)重并記錄得到土樣的天然密度。在利用室內(nèi)直剪試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力c，摩擦角φ。室內(nèi)直剪試驗(yàn)采用ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀器，最大剪切量為6 mm，剪切速率為0.8 mm/min。再將剪切土樣取樣測(cè)定含水率，同時(shí)將土樣中根系取出稱(chēng)重，記錄數(shù)據(jù)。取樣試驗(yàn)過(guò)程如圖3。

圖3 香根草根土復(fù)合體取樣及直剪試驗(yàn)

3.2 結(jié)果與分析

將原狀根土復(fù)合體按不同深度分組，依據(jù)相關(guān)試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行直剪試驗(yàn)，測(cè)定根土復(fù)合體的黏聚力c，摩擦角φ。待直剪試驗(yàn)結(jié)束后，手動(dòng)分離出樣本中的根系，稱(chēng)重并記錄。結(jié)合環(huán)刀體積計(jì)算根重密度DRM，計(jì)算按公式(5)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 香根草埋深與根重密度DRM的關(guān)系

DRM=m根/V環(huán)刀

(5)

式中：m根為環(huán)刀試樣根系質(zhì)量；V環(huán)刀為環(huán)刀體積。

由表3及圖4可知，隨著取樣深度的增加，土中香根草根系含量逐漸下降，說(shuō)明隨著深度的增加，香根草根系對(duì)于土體加固能力逐漸下降。

圖4 香根草根系RWD與埋深關(guān)系

將所測(cè)得的根土復(fù)合體物理力學(xué)指標(biāo)及根重密度RWD進(jìn)行匯總，結(jié)果見(jiàn)表4。通過(guò)與紅黏土基土物理力學(xué)指標(biāo)(表1)對(duì)比，香根草根系的加入，顯著地提高了土體的黏聚力c，而對(duì)于摩擦角φ，提升效果稍微，進(jìn)一步說(shuō)明了香根草對(duì)于紅黏土邊坡土體強(qiáng)度提升的效果，是通過(guò)根系強(qiáng)化土體的黏聚力實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)觀察直剪試驗(yàn)破壞后的紅黏土—香根草根土復(fù)合體(圖5)，可以發(fā)現(xiàn)，根土復(fù)合體剪切面上產(chǎn)生了明顯的根系滑動(dòng)摩擦痕跡，同時(shí)有部分根系從土中被拔出且未有根系斷裂情況出現(xiàn)。分析上述情況可以得出，當(dāng)根土復(fù)合體發(fā)生剪切破壞時(shí)，根土復(fù)合體中的根系在剪切面上發(fā)生摩擦滑動(dòng)。但是當(dāng)根系發(fā)生摩擦滑動(dòng)時(shí)，根系所受到的摩擦力并不足以使其發(fā)生斷裂。說(shuō)明當(dāng)剪切破壞發(fā)生時(shí)，根土復(fù)合體中根系受到的滑動(dòng)摩阻力是小于根系的最大抗拉力。由此可知，根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度與剪切破壞時(shí)根土復(fù)合體中根系的滑動(dòng)摩阻力有關(guān)。根土復(fù)合體發(fā)生剪切破壞時(shí)，忽略不同徑級(jí)的植根表面粗糙程度的影響，土中根系分布的密度越高，土間根系的總滑動(dòng)摩阻力越大，相應(yīng)的土體抗剪強(qiáng)度越高。

表4 香根草原狀根土復(fù)合體直剪試驗(yàn)結(jié)果

圖5 直剪試驗(yàn)后的香根草根土復(fù)合體樣本

3.3 根-土復(fù)合體強(qiáng)度指標(biāo)的影響因素分析

根據(jù)上文對(duì)剪切試驗(yàn)破壞后的紅黏土—香根草根土復(fù)合體的觀察結(jié)果及分析結(jié)論，將根土復(fù)合體的含水率ω，天然密度ρ，土間根系分布的密度指標(biāo)—根重密度RWD作為重點(diǎn)研究對(duì)象。將根土復(fù)合體土性指標(biāo)—含水率ω，天然密度ρ，土間根系分布的密度指標(biāo)根重密度RWD與直剪試驗(yàn)測(cè)定的根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)—黏聚力c，摩擦角φ進(jìn)行Spearman相關(guān)分析。分別分析含水率ω，天然密度ρ及根重密度RWD與抗剪指標(biāo)—黏聚力c與摩擦角φ的關(guān)聯(lián)程度，得到不同指標(biāo)對(duì)黏聚力c，摩擦角φ不同的影響作用程度。通過(guò)對(duì)根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度影響指標(biāo)的分析，得到根土復(fù)合體的強(qiáng)度特性，為進(jìn)一步根土復(fù)合體剪切破壞機(jī)理研究提供基礎(chǔ)。

Spearman相關(guān)分析法作為巖土工程常用的數(shù)據(jù)處理分析方法之一，通過(guò)對(duì)不同相關(guān)系數(shù)的關(guān)系進(jìn)行量化，綜合分析各自變量對(duì)某一因變量指標(biāo)的影響效果。Spearman相關(guān)分析法通過(guò)對(duì)成對(duì)的等級(jí)數(shù)及各對(duì)等級(jí)數(shù)之差進(jìn)行計(jì)算，利用單調(diào)方程評(píng)價(jià)兩個(gè)統(tǒng)計(jì)變量的相關(guān)性。Spearman相關(guān)分析法適用范圍廣且對(duì)數(shù)據(jù)條件要求沒(méi)有積差相關(guān)系數(shù)嚴(yán)格，既不要求數(shù)據(jù)源滿足正態(tài)分布，不及線性約束以及同方差需要嚴(yán)格的假設(shè)條件，因此具有更廣泛的適用性[22]。紅黏土—香根草根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的Spearman相關(guān)分析結(jié)果見(jiàn)表5—6。

表5 香根草根土復(fù)合體摩擦角φ的Spearman相關(guān)分析

表6 香根草根土復(fù)合體黏聚力c的Spearman相關(guān)分析

如表5—6所示，原狀紅黏土根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)中摩擦角φ與含水率ω，天然密度ρ相關(guān)關(guān)系為中等相關(guān)關(guān)系，近強(qiáng)相關(guān)關(guān)系；根重密度RMD與摩擦角φ相關(guān)性較差，為弱相關(guān)關(guān)系。對(duì)于摩擦角φ而言，含水率ω和天然密度ρ的變化一定程度上將影響根土復(fù)合體摩擦角φ，而根重密度RMD對(duì)摩擦角φ影響效果并不顯著。對(duì)于根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)中黏聚力c而言，根重密度RMD與黏聚力c為強(qiáng)相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明根重密度RMD對(duì)黏聚力c有著顯著的影響；而含水率ω及天然密度ρ與黏聚力c的相關(guān)性較低，說(shuō)明含水率ω及天然密度ρ的變化對(duì)黏聚力c影響不大。

4 結(jié) 論

本文以香根草—紅黏土根土復(fù)合體為研究對(duì)象，進(jìn)行了根系拉拔試驗(yàn)及根土復(fù)合體室內(nèi)直剪試驗(yàn)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析方法，得到了香根草根系力學(xué)性能及根土復(fù)合體強(qiáng)度特性，結(jié)論如下：

(1) 隨著香根草根系直徑增加，其抗拉力F增大，抗拉強(qiáng)度Tr減小。香根草根系的抗拉力、抗拉強(qiáng)度與根的直徑皆呈冪函數(shù)關(guān)系且顯著性良好。

(2) 根土復(fù)合體發(fā)生剪切破壞時(shí)，土中的根系在剪切面上發(fā)生摩擦滑動(dòng)，最終被拔出且被拔出的根系未發(fā)生斷裂，說(shuō)明根土復(fù)合體剪切過(guò)程中，根系的最大抗拉力大于受到的摩擦阻力。

(3) Spearman相關(guān)分析結(jié)果表明，根土復(fù)合體的摩擦角φ受天然密度ρ，含水率ω影響較為顯著，而根重密度RMD對(duì)其影響作用不明顯。對(duì)于根土復(fù)合體的黏聚力c，其與根系密度RMD為強(qiáng)相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明根重密度RMD對(duì)黏聚力c影響效果顯著。而天然密度ρ，含水率ω對(duì)根土復(fù)合體的黏聚力c影響效果不明顯。