林草混交根-土复合体的抗剪强度特性

肖宏彬，田青青，李珍玉，赵 亮，贺 茜,刘卫东，易 文

(中南林业科技大学，湖南 长沙410004）

林草混交根-土复合体的抗剪强度特性

肖宏彬，田青青，李珍玉，赵 亮，贺 茜,刘卫东，易 文

(中南林业科技大学，湖南 长沙410004）

通过对香根草和小叶女贞两种不同植物根系构成的根土复合体及两种植物混交根系构成的根土复合体分别进行了系列直剪试验研究，探索了在不同含水率及不同含根比的情况下，植物根系对复合体抗剪强度的影响规律。研究表明，草本植物香根草以及木本植物小叶女贞的根系都能提高根土复合体的抗剪强度，但二者对复合体抗剪强度指标的贡献是不同的，且混交根土复合体的抗剪强度仍符合库伦强度理论。在此基础上，本研究提出了根土复合体的内摩擦角随小叶女贞含根比变化的幂函数关系式。以上研究为进一步探索林草一体化高稳定护坡技术，具有重要的理论意义。

植物边坡；根土复合体；林草混交根系；抗剪强度

近年来我国基础设施建设高速发展，道路建设中大量的深挖高填，导致一系列道路边坡问题。传统的边坡防护主要采用砌筑片石或混凝土挡墙、设置抗滑桩等刚性措施[1]，不仅造价高，还严重损伤和破坏生态环境。而采用植被系统[2]进行边坡防护不仅具有传统护坡方式的效应，还能有效地保护和改善生态环境[3-4]。因此，价格低廉的植被生态护坡工程日趋受到重视。

国内外早期的生态护坡主要是栽植草皮或根系较浅的植物，这类浅根系植物只适于水土保持和浅层土体的防护，对于破裂面较大、较深的边坡效果不明显。美国[5]、日本[6]等国的研究和实践表明，推广使用林草一体化高稳定生态护坡技术，不仅能极大改善多山地区的路基边坡安全，降低滑坡等严重地质灾害，大幅度减少路基边坡的水土流失，还能明显改善道路沿线的生态环境效应，极大地提高路基边坡的行车观赏价值。

在我国以往的研究中,有关根土复合体研究大多为针对草本植物的单根进行研究。林草一体化高稳定性生态护坡技术的开发和应用,仍处于起步状态。由于林草植被种类多样性和根系分布的随机性，林草混交根系强度复杂多变，对植物护坡中的根土相互作用机理的认识尚很不全面。因此，探索林草混交根系复合体抗剪强度的影响规律，对林草护坡技术的开发和应用，具有重要的理论价值和广阔的工程应用前景[7-8]。本研究选取室外种植的香根草和小叶女贞的根系及带根土体为样本，通过室内直剪试验，研究林草混交根系根土复合体抗剪强度变化规律。

1 试验设备、材料及方法

1.1 实验土样及根系

为了开展项目研究，本项目组一年前按设计好的植株密度和不同的边坡坡度在室外种植了5箱草本和木本混交植物。5个模型箱里面填满素粘土，经自然固结一段时间后分别种植草本植物香根草和木本植物小叶女贞两种幼苗。经野外自然生长1 a后，从箱中分别取出部分根系和土体作为试验样品。并分别取暴雨后及久旱后模型箱内0～30 cm深的原状土，测定其含水率及天然密度，见表1。

表1 原状土含水率和天然密度Table 1 Moisture content and soil natural density of undisturbed soil

1.2 试验装置

本次试验所用的剪切仪为南京土壤仪器厂生产SDJ-1型电动等应变直剪仪。

1.3 实验设计

将土样烘干，过2 mm分样筛。配制含水率分别为20.5%和14.82%的若干土样备用。试验中定义含根量为植物根系横截面积，定义含根比为植物含根量之比，有：

式(1)中：r为两种植物含根比，A1为香根草含根量，A2为小叶女贞含根量。

式（2）和式（3）中：r1和r2分别为香根草含跟比和小叶女贞含根比，A0为总含根量。

为便于控制土样的含根比，选取香根草和小叶女贞根系直径均为0.8～1.0 mm，根长均为环刀高度，即2 cm。对带根土体控制根系总含根量A0一定，即A1+A2=A0。本实验中控制A0为5.03～7.85 mm2和10.06～15.71 mm2两种情况。

分别制备混交根土复合体试样和无根土体的试样若干组，试样含水率分别为14%和20.5%，两种含水率条件下，试样的含根量及含根比如表2所示。

表2 试样的含根量Table 2 Root contents

1.4 试样制备

为保证试样密度与天然密度一致，制备含水率为20.5%的土样时，称取120 g土样，制备含水率14.82%的土样时，称取110.4 g土样。放入环刀内，利用轻型击实仪按标准击实，并注意保证所有的试样所受到的击实能量相同。具体步骤如下：先击实5次，使土样基本成型，接着把根长为2 cm，根径为0.8～1.0 mm的香根草和小叶女贞的根系按设计的比列均匀的插入环刀土样内。再击实20次，得到根土复合土饼。重复上述步骤得到其它根土复合体试样。

1.5 抗剪强度测试方法

将根土复合体试样装入直剪仪，在竖向应力分别为50 kPa、100 kPa、200 kPa的条件下进行快剪。根据试样达到破坏时的最大剪应力可得出每组试样各级荷载所对应的抗剪强度值，如表3所示。

表3 含水率为20.5%时的直剪试验结果Table 3 Results obtained from direct shear tests, ω=20.5%

2 实验结果及分析

2.1 直剪试验结果（见表4）

表4 含水率为14.82%时的直剪试验结果Table 4 Results obtained from direct shear tests, ω=14.82%

2.2 混交根土复合体抗剪强度分析

采用最小二乘法并利用Matlab内置命令ployf i t对试验数据进行拟合。将表3中含根比为r=8∶2的试样的抗剪强度数据进行一次和二次拟合，得到正应力和抗剪强度有如下关系式：

拟合曲线如图1所示，从(4)和(5)式可以看出，二次项的系数是很小的，对抗剪强度影响不大。

图1 当r=8:2时的抗剪强度曲线Fig. 1 Shear strength curves, r=8∶2

同样对表4中r=8∶2的试样的抗剪强度数据进行一次和二次拟合，得到（6）式和（7）式，拟合曲线如图2所示：

图2 当r=8:2时的抗剪强度曲线Fig. 2 Shear strength curves, r=8:2

从（6）（7）式同样可以发现，二次项系数很小，说明二次项对抗剪强度的影响很小。从图1和图2可以看出，一次、二次拟合的曲线近似直线。对其它林草混交根系的根土复合体抗剪强度进行拟合，也得到了同样的结论，即混交根系的根土复合体的正应力和抗剪强度的关系近似于线性关系，我们可以认为，混交根系根土复合体的抗剪强度仍然符合库仑强度理论，即：

对香根草或小叶女贞单根的根土复合体的抗剪强度进行拟合，其正应力和抗剪强度同样也符合库仑公式，这与前人所做含单根的根土复合体研究是相符合的[9]。

2.3 抗剪强度指标分析

对表3中含水率为20.5%的各组试样的抗剪强度进行拟合，当总含根量A0为5.03～7.85 mm2和10.0～15.71 mm2时的试验结果分别如图3(a)和图3(b)所示。

通过拟合并计算可以得到混交根系的粘聚力c和内摩擦角φ。对表4中各组试件的试验结果进行相同的拟合，计算结果如表5和表6所示。

表5 含水率为20.5%时抗剪强度指标Table 5 Shear strength index, ω=20.5%

图3 抗剪强度曲线Fig.3 Shear strength curves

表6 含水率为14.82%时抗剪强度指标Table 6 Shear strength index, ω=14.82%

由表5和表6可以发现，在总含根量不变的情况下，随着香根草的含根量A1的增大，根土复合体的粘聚力c逐渐增大，但相应的内摩擦角变化趋势并不明显；而随着小叶女贞含根量A2的增大，根土复合体的内摩擦角φ逐渐增大，而粘聚力c的变化趋势也不明显。

很多研究表明，香根草的根系对根土复合体抗剪强度的贡献主要是提高其粘聚力c值，其对内摩擦角φ的影响较小[10]。本文研究发现，小叶女贞的根系对根土复合体抗剪强度的贡献主要是明显地提高了其内摩擦角。因此，可以肯定木本植物根系是提高根土复合体内摩擦角的主要因素。

在表5中，ω=20.5%，当根系总横截面积A0分别为5.03～7.85 mm2和10.0～15.71 mm2时，运用Origin软件对内摩擦角φ与小叶女贞含根比r2进行非线性拟合,拟合曲线如图4所示。

由图4可看出，内摩擦角随小叶女贞含根比r2的增大而呈幂函数形式增长，当A0=5.0～7.85时其拟合关系式可表示为：

图4 含根比与内摩擦角的关系Fig. 4 Relations between root content and internal friction angle

对其他各组试件的试验结果均可拟合得到同样形式的幂函数关系，令函数系数为m，指数为n，其结果如表7。

表7 幂函数拟合结果Table 7 Fitted results of power function

分析表7可以发现，函数系数m随含水率和总含根量而变化，而其指数n约为0.09，因此，我们得到内摩擦角和小叶女贞

含根比的关系式，即：

式（10）中：m是与含水率和根系总横截面积有关的常数系数。

3 结 论

通过对香根草、小叶女贞的根土复合体的系列试验研究，探索了林草混交根系的根土复合体抗剪强度特性，得到了如下结论：

（1）通过对多组林草混交根系的根土复合体抗剪强度进行多次最小二乘拟合，得到正应力和抗剪强度的函数关系。从函数关系分析得出混交根系的根土复合体其抗剪强度符合库仑强度理论。

（2）草本植物香根草和灌木植物小叶女贞的根系均能提高根土复合体的抗剪强度。香根草根系对抗剪强度的贡献主要是提高了其粘聚力，这与许多学者的研究结果相符。研究发现，当采用林草混交根系固土时，根土复合体的粘聚力和内摩擦角均有较大幅度的提高。

（3）进一步研究发现木本植物小叶女贞根系对根土复合体抗剪强度的贡献主要提高了其内摩擦角，且内摩擦角值与小叶女贞的含根比呈幂函数关系，本研究并得到了相关系数的取值方法。

通过对林草混交根土复合体的研究，发现不同根系（木本或草本）的作用有所不同，固土深度亦有不同。这对研究林草一体化高稳定护坡技术具有重要的理论意义。

[1] 郭长庆,粱勇旗,魏 进.公路边坡处治技术[M].北京:中国建筑工业出版社,2006.

[2] 封金财,王建华.植物根的存在对边坡稳定性的作用[J].华东交通大学学报, 2003,20(5): 42-46.

[3] 徐刚标.中国林木遗传改良研究现状[J].经济林研究,2003,21(4): 120-122.

[4] 胡学华,肖千文,蒲光兰,等.经济树木抗旱研究进展[J].经济林研究,2004,22 (04):82-86.

[5] Leshchinsky, D Reinschmidt, A J Stability of membrane reinforced slopes[J]. J. of Geotech. Engr (ASCE), 1985, 11(111):1285-1300.

[6] John R. Greenwood SLIP4EX-A program for routine slope stability analysis to include the effects of vegetation,reinforcement and hydrological changes[J]. Geotechnical and Geological Engineering, 2006, 24: 449-465.

[7] 廖建军,李 晟,杨喜生,等.城市园林树种规划探讨——以衡阳为例[J].中南林业科技大学学报,2009, 29(3): 162-166.

[8] 王 丽,刘卫东,吕 静,等.四种暖季型草坪草的固土性能研究[J].中南林业科技大学学报,2010,30(2): 83-87.

[9] 胡其志,周一鹏,肖本林,等.根土复合体的抗剪强度研究[J].湖北工业大学学报,2011,26(2):102-104.

[10] 言志信,宋 杰.草本植物加固边坡的力学原理[J].土木建筑与环境工程, 2010,32(4):30-34.

Shear strength characteristics of root and soil composite formed from mixed forest and grass

XIAO Hong-bin, TIAN Qing-qing, LI Zhen-yu, ZHAO Liang, HE Xi, LIU Wei-dong, YI Wen
(Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

Through a series of indoor shear tests, the effect laws that the two kinds of plants (vetiver grass and Ligustrum quihoui) each roots and mixed forest roots inf l uencing on the shear strength of root-soil composites were studied. Under the conditions of different root contents and different water contents, the shear strengths of these composites which contain different kinds of roots have been tested respectively. The roots included in these composites are vetiveria’s roots or privet’s roots (L. quihoui) or the roots of mixed the two plants. The results indicate that either of the two plants’ roots can increase the shear strength of the soil, but different plants’ roots,their contributions to the composites shear strength indexes were varied. Furthermore，the shear strength of roots-soil composites still conformed to Coulomb’s strength theory; on this basis, a power function which can be used to describe the relationship between the internal friction angle of the complex and privet’s roots contain has been presented. In order to explore high stable slope protection technology of forest-grass integration, the results of this study may have important theoretical implications for future research.

plants slope; root-soil composite; roots of mixed forest and grass; shear strength

S759.2

A

1673-923X(2014)02-0001-05

2013-10-31

国家自然科学基金资助项目（31270671）；国家林业局948项目（2012-4-76）；湖南省自然科学基金资助项目（12JJ5015）；湖南省外国专家局资助项目（湘财教指[2012]26）；湖南省自然科学基金资助项目（11JJ5036）；中南林业科技大学研究生科技创新基金资助项目（CX2012B24）；长沙市科技局项目（k1205023-11）

肖宏彬（1957-），男，湖南邵东人，教授，博士，博士生导师，主要从事岩土力学与基础工程研究；

E-mail：tfnxhb@sina.com

[本文编校：文凤鸣]