石质陡边坡薄层含根土体抗剪强度试验研究

卢荻秋，孙海龙，李绍才，龙 凤，罗 双，王云翔

(1．四川大学水利水电学院，四川成都610064;2．四川大学水力学与山区河流保护国家重点实验室，四川成都610064;3．四川大学生命科学学院，四川成都610064)

植被护坡是一种利用植物根系固土作用稳定边坡浅层土壤的技术，同传统的土木工程相比，植被护坡在发挥作用的同时，具有土木工程措施所无法比拟的优点:植被护坡能够迅速恢复由于工程建设所破坏的生态环境，保持生态间的平衡;植被护坡造价低，经济性较工程措施护坡优越［1］。植被护坡一方面通过根系与土壤间的附着力，对边坡的表层起加固作用［2］，另一方面植物根系通过锚固土层，并与土层形成复合体来提高土体的抗剪强度［3－4］。目前，对植被护坡的应用还处于定性和经验发展阶段，理论研究落后于工程实践［5］。国内外学者对林木根系固土护坡机制的研究主要是针对不同的土壤及不同的植物根系进行直接剪切或拉拔试验［6－9］。目前对植被护坡的应用虽已很广泛，但在石质陡边坡生态防护方面，针对植被根系固土护坡定量作用的研究还较少［10－12］。笔者以生长于人工陡边坡的刺槐根系为研究对象，将根系与土壤视为一个整体，即根土复合体，通过室内直接剪切试验对根系－土壤抗剪强度进行了定量分析，并探讨在陡边坡薄层土壤生境条件下，刺槐根系对周边土体抗剪强度在空间上变化的影响。本研究旨在探讨不同深度土壤抗剪强度与根系补强之间的关系，为解决现代石质陡边坡生态护坡技术中土壤稳定问题提供有效的依据。

1 试验概况

试验地位于四川省彭州市升平镇(103°53'E、30°59'N)。试验边坡(坡向S)是人工模拟石质边坡，坡度60．61°，坡长4．5 m，坡面由砂岩石板砌成。基质用植壤土(土壤类型为紫色土)与TBS 绿化基材按重量比10 ∶1 混合，采用干喷法喷射(12 m3空压机、5 m3/h 混凝土喷射机)至试验坡面，坡面土壤喷射厚度为20 cm。基质混合物的密度为1．07 g/cm3。本试验用刺槐根系，供试种于2005年6月播种，抗剪切试验时间是2009年5月，此时刺槐高3～5 m。

取样前将取样区土体浇水至饱和(测定土壤的饱和含水率约为36%)，以刺槐茎干为中心，在半径50 cm 范围内取样，分上、下坡位和土体上层(距土体表面垂直距离为0～10 cm)、下层(距土体表面垂直距离为10～20 cm)，各取环刀样5 个(60 cm3环刀);选取相对独立的刺槐植株3 株，无植物土体1 处，试验共计取环刀土样70 个。将含根土样分上、下层分别编号1—30。直剪试验结束后，将环刀土样称重，并称量烘干土中清洗出的根系，求取环刀土样中的含根量。以含根量和土样所处空间位置作为主要影响参数进行根土复合体抗剪强度的研究。试验按照相应的试验规程操作，严格控制土样的含水量，使土样含水量尽量靠近其饱和含水量。试验测得含根土体的湿密度为1．35 g/cm3。

本次试验所用设备为南京土壤仪器厂生产的ZJ 型应变控制式直剪仪。剪切时垂直荷载采用50、100、200、300、400 kPa五个等级，量力环率定系数为1．688。

对每一个试样进行剪切后，可以得到5 个不同垂直压力下对应的抗剪强度，用抗剪强度τf(kPa)和相应的垂直压力σ(kPa)绘制抗剪强度线，依据库仑公式(τf=c +σ·tanφ)可以得出每个试样的的黏聚力c(kPa)和内摩擦角φ(°)。直剪试验过后，对每一个环刀试样的土样进行称重，用配置的NaOH 溶液将根洗净，晾干，用电子天平称重，将根放入烘箱烘干，最后称量其干重。采用以下公式计算含根量(以千分比计)

式中:Mr为复合体含根量，‰;R 为复合体含根的质量，g;G 为复合体的质量，g。

2 试验结果分析及讨论

通过直剪试验，根据不同垂直压力与对应的抗剪强度值绘制环刀土样的抗剪强度曲线，通过曲线斜率以及与Y 轴的交点得出对应的黏聚力c 和内摩擦角φ 值，结果见表1。

表1 土体抗剪强度指标

2．1 土层上下层、上下坡位含根量比较

由试验取样的各环刀土样含根量统计，结果如图1 所示。

图1 土层上、下层含根量统计

(1)土层上层含根量与下层含根量的比较。对3 株刺槐周边土层上下两层的含根量进行统计比较，分别采用配对样本T检验分析(在T 检验中，P≤0．05 时，差异显著;P ＞0．05，差异不显著，余同)。1#植株上坡位上层和下层P 值为0．899，下坡位上层和下层P 值为0．181;2#植株上坡位上层和下层P 值为0．474，下坡位上层和下层P 值为0．381;3#植株上坡位上层和下层P 值为0．660，下坡位上层和下层P 值为0．345。由此可知，土壤上下层含根量不存在显著差异。

(2)土层上坡位含根量与下坡位含根量的比较。对3 株刺槐周边土层的上、下坡位含根量进行统计比较，分别采用配对样本T 检验分析。1#植株上、下坡位上层P 值为0．413，下层P值为0．352;2#植株上、下坡位上层P 值为0.445，下层P 值为0．670;3#植株上、下坡位上层P 值为0．994，下层P 值为0．291。由此可知，植株周边土壤上、下坡位的含根量(根径≤2 mm 的根系含量)不存在显著差异。

2．2 含根量对土体抗剪强度指标的影响

根据表1 的试验数据，对根土复合体抗剪强度指标与含根量作相关性分析可知，根土复合体含根量(0～2 mm)与抗剪强度指标呈幂函数关系，函数关系式为

c=AxB

φ=CxD

式中:x 为含根量;A、B、C、D 均为参数，通过试验可得到。本次试验中，A=14．50，B=0．288，C=27．47，D=0．035。

试验结果表明:仅从含根量这个方面(忽略其他因素)来看，可得出含根量与黏聚力及摩擦力的关系:含根量的变化对土壤的黏聚力c 值有很大的影响，对内摩擦角φ 值影响相对较小。随着含根量的增加，含根系土相比于无根系土，抗剪强度大大提高了，含根量与黏聚力的关系并非呈线性。总体来说，一方面，由于根系的加入，土体的黏结度增加，相互间的摩擦力加强，从而提高了土的黏聚力;另一方面，由于受根系生长条件、环境等众多因素的影响，土的内摩擦角变化不明显。

2．3 不同深度土体抗剪强度差异

在含根量不存在明显差异条件下，对上、下土层抗剪强度进行比较分析，由试验数据可得图2—7。

采用配对样本T 检验对不同层面土体的抗剪强度进行分析，结果表明:对于1#植株，下坡位上、下层土体的抗剪强度之间不存在显著性差异(P 值为0．507);上坡位上、下层土体的抗剪强度之间也不存在显著性差异(P 值为0．993)。对于2#植株，下坡位上、下层土体抗剪强度之间不存在显著性差异(P 值为0．133);上坡位上、下层土体抗剪强度之间存在显著性差异(P 值为0．021)。对于3#植株，下坡位上、下层土体抗剪强度之间不存在显著性差异(P 值为0．052);上坡位上、下层土体抗剪强度之间也不存在显著性差异(P 值为0．559)。

对试验成果进行相关性分析可以看出，在一般情况下，对于石质陡边坡薄层土壤，在基本饱和的情况下，上、下层土壤的抗剪强度不存在显著差异。由此可认为，空间位置差异对于石质陡边坡薄层含根土体抗剪强度没有显著影响。

2．4 不同坡位土体抗剪强度差异

在含根量不存在明显差异的条件下，对上、下坡位土体的抗剪强度进行比较分析，由试验数据可得图8—13。

图8 1#植株上、下坡位上层抗剪强度

试验结果采用配对样本T 检验对不同坡位抗剪强度进行分析，分析结果为:对于1#植株，上坡位上层土体抗剪强度和下坡位上层土体抗剪强度之间不存在显著性差异(P 值为0.595)，上坡位下层和下坡位下层土体抗剪强度之间不存在显著性差异(P 值为0．395)。对于2#植株，上坡位上层抗剪强度和下坡位上层抗剪强度之间不存在显著性差异(P 值为0.226)，上坡位下层抗剪强度和下坡位下层抗剪强度之间不存在显著性差异(P 值为0．248);对于3#植株，下坡位上层抗剪强度和上坡位上层抗剪强度之间不存在显著性差异(P 值为0.974)，上坡位下层和下坡位下层抗剪强度之间不存在显著性差异(P 值为0．312)。

对于石质陡边坡薄层含根土壤，土层的空间位置对其抗剪强度没有显著影响，因此对其的抗剪强度研究可以依据试验的要求取样，不考虑空间位置因素影响。

3 结 语

通过对石质陡边坡人工喷射薄层土壤、栽种刺槐条件下的根土复合体进行直剪试验，研究了陡边坡含根量、土层深度、坡位与抗剪强度的影响关系，得出主要结论如下:①含根土壤的抗剪强度比素土抗剪强度有所提高，根系的加入能提高石质陡边坡土壤的抗剪强度;②根系对土壤的内摩擦角影响较小，对黏聚力的影响较大，但随着含根量的增加，黏聚力的增加有减小的趋势;③对于石质陡边坡薄层土壤，不同土层深度及不同坡位的土壤须根(直径≤2 mm)含根量没有显著的差异，可认为在陡边坡含植被的薄层土壤中须根的分布较为均匀;④在含根量相差不明显的情况下，石质陡边坡薄层土壤不同土层深度、不同坡位的抗剪强度亦没有明显差异。因此，在石质陡边坡薄层土壤的稳定性研究中，可以不考虑空间位置因素对抗剪强度的影响，而对于厚度较大的陡边坡土层其空间位置对抗剪强度的影响还需进一步研究。

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