朱維偉，馮國建，譚洋洋

(1.昆明學院建筑工程學院，云南 昆明 650214；2.昆明學院美術與藝術設計學院，云南 昆明 650214)

紅土是富含鐵質的母巖在濕熱氣候條件下經歷風化、微團?；俺赏?個完整的作用過程后形成的以紅色為基色的土體[1]。云南是我國紅土最為發(fā)育的地區(qū)之一。云南紅土是一種特殊土，雖然云南各地紅土的性質不完全相同，但均具有黏粒含量高、液限高、天然孔隙比大、滲透系數低、膨脹性較弱而收縮性較強等特點[2-4]。隨著一大批鐵路、高速公路項目的開工，云南面臨大量的紅土邊坡工程問題，施工完成的紅土邊坡必然經歷干濕循環(huán)這一往復過程。在當前提倡生態(tài)護坡的背景下，研究典型護坡植物根系在干濕循環(huán)效應下對云南紅土的阻裂效應十分必要。

趙貴剛等[5]采用自來水浸泡增濕、低溫脫濕的方法，朱維偉[6]采用自來水噴淋、自然風干的方法對云南紅土試樣進行了研究，結果表明，經歷干濕循環(huán)后，云南紅土將有裂縫發(fā)育，裂縫會隨循環(huán)次數的增加而擴展，進而可能產生嚴重的水土流失乃至邊坡失穩(wěn)。馮國建[7]、Liffena[8]、Joanne[9]等測試了植物根系的力學性能，表明植物根系本身具有較高的抗拉及抗剪強度。在一定含根量下，根土復合體的抗剪強度高于素土[10-11]，植物根系對邊坡淺層有一定的加固效應[12]。因云南紅土具有膨脹性弱而收縮性強的土體特性，研究常用護坡植物根系的阻裂效應尤其重要，而這方面目前還鮮有研究。

鑒于此，本研究通過一種相對簡單合理的室內重塑土試驗，模擬云南紅土經歷自然界降水和蒸發(fā)的往復過程，以期直觀反映純云南紅土及摻常春藤根系的根系—紅土混合土在干濕循環(huán)過程中裂縫的發(fā)生與擴展現象，闡釋常春藤根系對紅土裂縫擴展的約束效應，同時討論常春藤根系對干濕循環(huán)后云南紅土的阻裂機制。研究結果將對云南紅土防護工程提供理論參考。

1 材料和方法

取云南紅土土料風干并碾碎，取典型護坡植物常春藤(Hederanepalensis)根系。控制根系占擊實筒的體積分數，以體積分數為0%(純紅土)、10%、20%、30%作為含根量控制標準，配制云南紅土、根系的混合土(拌和均勻)，將混合土投入擊實筒中，按重型Ⅱ—1試驗方法[13]將混合土擊實。擊實完成后，用鋼絲鋸截取混合土樣，每種含根量截取3個樣本，進行8次干濕循環(huán)，并用裂縫觀測儀觀測每次干濕循環(huán)后各樣本的最大裂縫寬度，對數據進行分析后評價常春藤根系對云南紅土干濕循環(huán)裂縫擴展的約束效應。

試驗所取紅土土料干燥時呈棕色，浸水后呈紅褐色。其顆粒組成為黏粒占41.25%，粉粒占47.93%，砂粒占10.82%，土壤物理性質指標見表1。由標準擊實試驗確定的最大干密度ρdmax為1.62 g/cm3，最佳含水率ωop為17.8%。

表1 紅土土壤物理性質

純紅土試樣制備：本次試驗土壤含水率ω=21%制備土料，將備好的土料密封于塑料袋中悶料24 h，以保證土壤含水率均勻。然后將土料置于擊實筒(內徑100 mm，高127 mm)中擊實，擊實后的土體干密度ρd=1.53 g/cm3，相應的壓實系數為94.4%。用千斤頂緩慢將擊實筒中的土樣升起，再用鋼絲鋸小心截取厚度為20 mm的土餅試樣，按此方法共制備純紅土試樣3個。

含根系的混合土制備：將常春藤根系洗凈后自然風干8 h，測定根系密度；將根系剪短，控制每根根系的長度不超過擊實筒內徑的2/3，根系直徑不超過2 mm；按體積分數為10%、20%、30%作為含根量控制標準，配制云南紅土與常春藤根系的混合土，將混合土拌和均勻，投入擊實筒中擊實。用千斤頂緩慢將擊實筒中的混合土體升起，再用鋼絲鋸小心截取厚度為20 mm的土餅試樣，按此方法共制備混合土試樣9個?？紤]到擊實過程會破壞擊實筒中的表層根系，擊實完成后，擊實筒中上部5 cm高范圍內的混合土棄用。

考慮到紅土工程對象在自然中不可能經歷絕對的“干”和“濕”的循環(huán)效應，本次試驗的干濕循環(huán)也不是絕對的“干”和“濕”，而是在實驗室內模擬云南紅土在自然界中的增濕與脫濕過程。本次采用“干”的控制標準為：將土餅試樣置于實驗室內自然風干48 h?！皾瘛钡目刂茦藴蕿椋?1)用帶針的注射器吸水后緩慢噴淋至試樣表面(針頭至試樣表面距離1 cm，噴淋速度控制為0.5 mL/s)，使試樣表面被水覆蓋，試樣將水吸收后繼續(xù)噴淋，直至5 min后水面不下降；(2)若試樣表面噴淋的水在5 min內被吸完，則噴淋至試樣底部有自由水滲出。

2 結果與分析

純紅土試樣經歷2，4，8次干濕循環(huán)后，其表面發(fā)展的裂隙清晰可見。所有純紅土試樣在經歷第1次干濕循環(huán)后即有環(huán)形微裂縫發(fā)育，經歷多次干濕循環(huán)后，裂縫寬度逐漸增大，初期形成的環(huán)形裂縫逐漸向周邊放射，在第4次干濕循環(huán)后最大裂縫達到毫米級寬度。第8次干濕循環(huán)后裂縫擴展趨于穩(wěn)定，寬度不再增加(圖1)。

圖1 純紅土試樣裂縫擴展

摻常春藤根系的混合土經歷2、4、8次干濕循環(huán)后的裂縫擴展情況表明，常春藤根系可以有效地約束云南紅土的裂縫擴展，根系較高的抗拉強度承受了較大的脹縮應力。摻入常春藤根系后，混合土試樣在干濕循環(huán)的裂縫形態(tài)完全不同于純紅土試樣，多呈不規(guī)則的短裂縫，不再出現明顯的環(huán)形裂縫，其機制可能是由于根系的占位，改變了試樣脫濕過程中的收縮軸，即試樣不再是整體沿中心均勻地收縮(圖2)。

圖2 摻常春藤根系的混合土試樣裂縫擴展

用100倍裂縫觀測儀讀取各試樣的最大裂縫寬度，可得試樣在經歷0-8次干濕循環(huán)后的平均最大裂縫寬度及其變化趨勢，摻10%和20%常春藤根系時，從第1次干濕循環(huán)后就顯示出阻裂效應；而摻30%常春藤根系時，在第4次干濕循環(huán)后才顯示出阻裂效應。經歷第8次干濕循環(huán)后，摻10%、20%和30%根系試樣的平均最大裂縫寬度為純紅土試樣的17%(0.29 mm/1.68 mm)、17%(0.29 mm/1.68 mm)和82%(1.37 mm/1.68 mm)(圖3)。

用SPSS軟件對圖3中的4組數據進行非參數檢驗。從4組的平均秩次判斷，3個摻根系組的平均最大裂縫寬度均小于純紅土組，而10%、20%根系組裂縫寬度較小，30%根系組裂縫寬度較大。摻20%常春藤根系組對試樣裂縫擴展的約束效應最顯著(表2)。

表2 四組試樣最大裂縫寬度非參數檢驗結果

圖3 干濕循環(huán)后試樣的平均最大裂縫寬度

3 討論

干濕循環(huán)下純紅土試樣的裂縫發(fā)展過程如下：第1次干濕循環(huán)過程為裂縫發(fā)育期，純紅土試樣的增濕只在原樣的孔隙間發(fā)生，增濕效應使紅土吸水，脫濕效應在于遷出孔隙中的水分，但仍會造成紅土的含水率不同，軟化紅土顆粒間的連接，以致試樣出現微裂縫。第2-4次干濕循環(huán)過程為裂縫擴展期，經歷過裂縫發(fā)育過程后，純紅土試樣吸水增濕的主要效應在于增大紅土顆粒間的水膜厚度，引起紅土膨脹開裂；脫濕的主要效應在于減小紅土顆粒間的水膜厚度，引起紅土的失水收縮開裂，微裂隙逐漸發(fā)展成宏觀裂縫。第5次干濕循環(huán)以后為裂縫穩(wěn)定期，純紅土試樣吸水增濕的主要作用是充填裂縫；脫濕的主要作用在于減小裂縫中紅土顆粒間的水分。

試驗結果表明，不同含根量對云南紅土干濕循環(huán)后的裂縫擴展具有不同的約束效應。摻10%和20%常春藤根系均能顯著約束云南紅土干濕循環(huán)后的裂縫擴展，且二者的約束效應幾乎相同。在經歷第8次干濕循環(huán)后，摻10%和20%根系試樣的平均最大裂縫寬度僅為純紅土試樣的17%。一方面，植物根系有較高的抗拉強度[8,14]，隨機分布在土樣中，在紅土吸濕膨脹和脫濕收縮過程中分擔了較高的脹縮應力，且不至大規(guī)模地破壞紅土顆粒間的原樣聯(lián)結；另一方面，筆者將常春藤根系與黃茅、狗牙根等根系進行了表面光滑程度對比，發(fā)現常春藤根系表面較粗糙[15]，能與紅土顆粒形成較好的摩擦聯(lián)結，根土復合體的整體性較強。摻30%常春藤根系亦能約束云南紅土的裂縫擴展，但這種阻裂效應明顯弱于10%或20%摻量，可能的機制是過多的根系大規(guī)模地切斷了原樣紅土顆粒間的有效聯(lián)結，使根土混合體的整體性變弱，反而降低了其阻裂能力。文獻[16]的研究也認為根系增強土體強度存在最優(yōu)含根量。因此，不能也沒必要一味地追求高密度種植。

試驗揭示了純紅土試樣隨干濕循環(huán)次數的增加而出現的裂縫產生與擴展現象，也揭示了常春藤根系對紅土的阻裂效應。本研究采用的試驗方法，仍存在著一些不合理的因素，如制樣過程中的人為擾動、試樣尺寸偏小、將根系與紅土一起進行了壓實處理等。另外，有研究表明，實際根土復合體中的毛細根系及其生物活性對土體的加筋效應優(yōu)于人為添加在土中的根系[17]。但是，本研究的試驗方法具有試樣尺寸、密實程度、含水率等容易控制的優(yōu)點。考慮到目前云南紅土開裂及根系阻裂研究的實際困難，筆者采用的方法還是值得推薦。該試驗方法使得借助常規(guī)試驗儀器，研究植物根系對云南紅土經歷干濕循環(huán)后裂縫擴展的約束效應成為可能，從而為云南紅土工程問題分析提供相對合理有效的依據。而一些研究表明，根系形態(tài)[18-19]以及細胞壁成分[20]等也會影響固坡效應，因此，今后可多學科聯(lián)合，深入研究不同植物根系及其分布形態(tài)對云南紅土在不同干濕循環(huán)控制條件以及大尺寸試樣條件下裂縫擴展約束效應。

4 結論

1)使用一種較合理的簡單試驗方法，測試了干濕循環(huán)過程中純云南紅土以及摻常春藤根系的混合土的最大裂縫寬度。試驗反映了純云南紅土以及摻根系的混合土在干濕循環(huán)過程中裂縫的發(fā)生、擴展現象。

2)干濕循環(huán)條件下，含根量會影響常春藤根系對云南紅土的阻裂效應。摻10%和20%常春藤根系時，從第1次干濕循環(huán)后就顯示出明顯的阻裂效應；而摻30%常春藤根系時，在第4次干濕循環(huán)后才顯示出較弱的阻裂效應。

3)第8次干濕循環(huán)后，摻10%、20%和30%常春藤根系試樣的平均最大裂縫寬度為純紅土試樣的17%、17%和82%，統(tǒng)計分析表明，20%摻根量時阻裂效果最優(yōu)。