熊光城 謝曉靚 陳鵬 馬瑞雪 萬艷雷 馮晶紅 顏丹 唐強(qiáng) 劉裕如

摘要 為了定量化分析扦插措施根系對邊坡穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)，采用固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)研究不含根土體及根-土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度，并使用數(shù)顯土壤緊實(shí)度儀對邊坡的緊實(shí)度進(jìn)行測量，分析新生根系對邊坡緊實(shí)度的影響。結(jié)果表明：加根土的強(qiáng)度和抗變形能力增強(qiáng)。扦插措施新生根系能有效提高土體的黏聚力，其對內(nèi)摩擦角的影響不明顯，而對邊坡土壤緊實(shí)度的改善作用顯著。

關(guān)鍵詞 扦插措施;根-土復(fù)合體;緊實(shí)度

中圖分類號 S 181文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

文章編號 0517-6611（2022）04-0199-02

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.04.051

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Mechanical Enhancement Effect Analysis of Root System by Cutting Measures on Reinforcing Soil

XIONG Guang-cheng1，XIE Xiao-liang1，CHEN Peng2，3 et al （1.Yangtze River Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan，Hubei430010;2. School of Civil Engineering，Architecture and Environment，Wuhan，Hubei430068;3. CCCC Second Highway Survey，Design and Research Institute Co.，Ltd.，Wuhan，Hubei 430058）

Abstract In order to make a quantitative analysis of the contribution of root system by cutting measures on the slope stability，consolidated and undrained triaxial compression test was conducted to study the shear strength of soil without roots and root-soil complex. The compactness of the slope was measured by using digital soil compactness meter. And the influences of new root system on the compactness of slope were analyzed. The results showed that the strength and deformation resistance of soil with roots were enhanced. New root system by cutting measures could effectively improve the cohesion of soil，and had no obvious influence on the internal friction angle.New root system by cutting measures had a significant improvement effect on the soil compactness of slope.

Key words Cutting measures;Soil-root complex;Compactness

基金項(xiàng)目 水利部珠江河口動力及伴生過程調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)研究基金項(xiàng)目（〔2017〕KJ08）。

作者簡介 熊光城（1987—），男，湖北黃岡人，工程師，從事水環(huán)境水生態(tài)治理方面的研究。 *通信作者，講師，碩士，從事邊坡生態(tài)防護(hù)、河道生態(tài)治理方面的研究。

收稿日期 2021-06-18;修回日期 2021-06-29

植物根系對邊坡穩(wěn)定性的影響在于植物根系能與土體顆粒發(fā)生相互接觸、穿插和纏繞等現(xiàn)象，形成一種天然的根-土復(fù)合體，進(jìn)而改變了邊坡土壤性質(zhì)[1-2]。植物根系能增強(qiáng)坡體的穩(wěn)定性，取決于根-土復(fù)合體的強(qiáng)度[3-5]。目前大量研究通過直剪和三軸剪切試驗(yàn)對根系的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行評價(jià)，主要包括根系放置方式[6]、含根量[7]、植物品種[8-9]、坡度[10]等因素對根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的影響。

扦插措施是邊坡治理，特別是土壤生物工程中常用的技術(shù)方法。新生根系的生長和分布特征除了受土壤理化特性的影響外，還與其扦插角度、長度、直徑及密度等有直接的關(guān)系[11]。這些施工方法將影響根系體積占試樣體積的百分比（統(tǒng)稱含根率），進(jìn)而對根-土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生一定的影響。筆者利用固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)及緊實(shí)度試驗(yàn)，對扦插措施中根-土復(fù)合體固土的力學(xué)增強(qiáng)效應(yīng)進(jìn)行分析，旨在為扦插措施在邊坡中的應(yīng)用提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與儀器

供試根系材料取自武漢市湖北工業(yè)大學(xué)校區(qū)實(shí)驗(yàn)基地人工設(shè)置的人工邊坡，坡長40 m，高1 m，坡度約45°。在人工邊坡利用旱柳（Salix matsudana）新鮮活枝構(gòu)建扦插措施，待植物生長1年后，收集0～10 cm土層的根系，經(jīng)分析根系平均直徑為（4.19 ± 0.71）mm。同時(shí)，收集土壤并帶回實(shí)驗(yàn)室，使用TSZ30-2.0型臺式三軸儀全自動操作固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)方法 將收集的土壤依據(jù)SL 237—1999土工試驗(yàn)規(guī)程[12]進(jìn)行試驗(yàn)土柱制備，用于測定土壤抗剪強(qiáng)度相關(guān)的參數(shù)。試驗(yàn)土柱直徑39.1 mm，高80.0 mm，根據(jù)土壤飽和度計(jì)算公式和常規(guī)物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，設(shè)定試驗(yàn)土柱的干密度為1.45 g/cm3，含水率為35%，從而得出每個(gè)試驗(yàn)土柱的質(zhì)量為180.5 g。將土壤平均分成5份，依次加入擊實(shí)器內(nèi)擊實(shí)處理。為了模擬不同含根率（根系體積占試樣體積的百分比）對根-土復(fù)合體強(qiáng)度的影響，以混合放置的方式將含根率分別為8%、15%、20%、25%、35%的根系放置于試樣內(nèi)。圍壓分別設(shè)定為100、200、300 kPa，加載速率為0.05 mm/min，對試驗(yàn)土柱開展固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)。

1.3 土壤緊實(shí)度調(diào)查 在裸露邊坡及扦插邊坡分別選取9個(gè)點(diǎn)，并使用SC900數(shù)顯土壤緊實(shí)度儀測量土壤緊實(shí)度。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用 Excel 2013軟件制表;使用Origin 2017軟件繪圖;采用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變的關(guān)系

不含根土體（含根率為0）和不同含根率的試驗(yàn)土柱在圍壓分別為100、200、300 kPa 條件下的主應(yīng)力差-軸向應(yīng)變關(guān)系如圖1所示。從圖1可以看出，不含根土體與不同含根率試驗(yàn)土柱的主應(yīng)力差隨軸向應(yīng)變的變化趨勢基本一致。與不含根土體相比，不同含根率試驗(yàn)土柱的主應(yīng)力差增加較多。當(dāng)改變圍壓時(shí)，隨著圍壓的增大，主應(yīng)力差增大，即增大圍壓能有效提高土體的強(qiáng)度;當(dāng)含根率增加時(shí)，不同含根率試驗(yàn)土柱與不含根土體的主應(yīng)力差逐漸增大。當(dāng)軸向應(yīng)變達(dá)到19%時(shí)，不同含根率試驗(yàn)土柱主應(yīng)力差較不含根土體明顯增大，表明當(dāng)土體達(dá)到一定的軸向應(yīng)變時(shí)，根-土復(fù)合體的強(qiáng)度才能發(fā)揮作用。當(dāng)主應(yīng)力差相同時(shí)，不同含根率試驗(yàn)土柱的軸向應(yīng)變小于不含根土體，且主應(yīng)力差隨著含根率的升高而增加，表明加根土（即不同含根率試驗(yàn)土柱）的強(qiáng)度和抗變形能力增強(qiáng)。這與陳鵬[13]研究結(jié)果相一致。

2.2 抗剪強(qiáng)度參數(shù)對比

試驗(yàn)土柱黏聚力（c）和內(nèi)摩擦角（φ）由三軸剪切試驗(yàn)?zāi)枅A及強(qiáng)度包線應(yīng)用軟件繪制的摩爾應(yīng)力圓及不同圍壓下破壞應(yīng)力圓的包絡(luò)線而得到，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

由表1可知，與不含根土體（含根率為0）相比，含根土的內(nèi)摩擦角表現(xiàn)出一定的增長，但整體上變化不大，這與其他研究[3，10]

有類似的結(jié)果。含根率越高，含根土黏聚力越大。當(dāng)含根率為8%時(shí)，含根土黏聚力與不含根土體相比僅提高1.86 kPa;當(dāng)含根率為35%時(shí)，含根土黏聚力與不含根土體相比增加12.39 kPa。這表明土體黏聚力的提高受含根率的影響，含根率增加，土體的黏聚力相應(yīng)提高，進(jìn)而土體的抗剪強(qiáng)度增強(qiáng)。這與前人的研究結(jié)果[14-15]相一致，即土壤的黏聚力與根系的黏聚力作用機(jī)理不同，前者來自土壤顆粒之間的摩擦作用，后者則與土體顆粒相互接觸、穿插和纏繞力相關(guān)，故后者的彈性模量遠(yuǎn)大于前者的彈性模量，使得抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)大于前

者，因而當(dāng)前者因剪切發(fā)生破壞時(shí)，根-土復(fù)合體一起抵抗變形，從而增強(qiáng)了土體的抗剪強(qiáng)度。

2.3 邊坡緊實(shí)度分析

邊坡土壤抵抗外力的壓實(shí)及破碎能力很大程度上取決于邊坡土壤緊實(shí)度。研究表明，土壤緊實(shí)度與土壤崩解速率呈極顯著負(fù)相關(guān)[16-18]。由圖2可知，裸露邊坡土壤緊實(shí)度為56.59 Pa，扦插邊坡土壤緊實(shí)度為220.48 Pa，可見扦插邊坡比裸露邊坡提高163.89 Pa。ANOVA方差分析表明，僅生長1年后扦插措施新生根系對邊坡土壤緊實(shí)度的改善作用顯著（P<0.001）。

3 結(jié)論

通過固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)研究了一年生扦插措施根-土復(fù)合體重塑的強(qiáng)度特性，并在原位人工邊坡對其緊實(shí)度進(jìn)行調(diào)查，得出以下主要結(jié)論：

（1）不含根土體與不同含根率試驗(yàn)土柱的主應(yīng)力差隨軸向應(yīng)變的變化曲線類似。在相同的主應(yīng)力差條件下，含根土的軸向應(yīng)變比不含根土體要小。含根率越高，主應(yīng)力差越大，表明含根土能夠有效增強(qiáng)土體強(qiáng)度和抗變形能力。

（2）根系能夠有效提高土體的抗剪強(qiáng)度。扦插措施新生根系能有效提高含根土的黏聚力，當(dāng)含根率為35%時(shí)含根土黏聚力增加12.39 kPa。根系對含根土內(nèi)摩擦角的影響不明顯。

（3）扦插措施新生根系對邊坡土壤緊實(shí)度的改善作用顯著，僅生長1年后裸露邊坡的土壤緊實(shí)度提高了163.89 Pa。

通過該研究總結(jié)了含根率對根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的影響以及根系生長1年后對邊坡緊實(shí)度的提高作用。在應(yīng)用扦插措施時(shí)，可通過改變其扦插方式和密度等改變其在土體中的含根率，以達(dá)到更高的抗剪強(qiáng)度。該研究結(jié)果可為各類生態(tài)邊坡治理提供理論依據(jù)。

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