根系含量对土壤抗剪强度的影响

黄　钢，彭　晶，肖衡林

(1.黄冈师范学院 建筑学院，湖北 黄冈 438000； 2.湖北工业大学，湖北 武汉 430068)

根系含量对土壤抗剪强度的影响

黄钢1，彭晶1，肖衡林2

(1.黄冈师范学院 建筑学院，湖北 黄冈 438000； 2.湖北工业大学，湖北 武汉 430068)

[关键词]根系含量；生态护坡；原状土；无根扰动土；含水量；直剪试验

[摘要]为了深入研究根系对土壤的“加筋”作用，即充分了解植物根系对边坡土体抗剪强度的影响，通过直剪试验研究了安山口、八毛地、瓷器山和高岭山头等4处边坡的原状土和无根扰动土的剪应力-剪切位移关系，探讨了不同平均含根量的土体抗剪强度。结果表明：平均含根量为0.945%的安山口、1.154%的八毛地、1.326%的瓷器山及1.173%的高岭山头等4处原状土的黏聚力明显比对应的无根扰动土大，黏聚力增幅分别为5.05%、17.10%、36.93%和33.42%，内摩擦角提高并不明显；随着含根量的增加，土体的黏聚力增大，抗剪强度增大；草灌混合植物根系与草本植物根系相比能更有效地提高土壤的抗剪强度。

随着我国经济的持久高速增长，基础设施建设迅猛发展，高等级公路、铁路里程不断增加，出现了大量的边坡工程。生态护坡技术是一种新型的护坡方法，与传统的护坡方法相比更强调人与自然的和谐发展[1]。我国从20世纪90年代开始进行了大量生态护坡的研究，这些研究主要集中在根系的固土作用等方面，主要表现在对土壤抗剪强度的提高上[2]。Waldron 等通过室内直剪试验得出，土的抗剪强度随根(或纤维)数量的增加呈增大趋势[3-5]；张飞等[6]和吴景海等[7]研究了根系密度对土壤抗剪强度的影响，结果都发现土壤中根系密度越大，土壤抗剪强度越高，两者成正相关；陈昌富等[8]和刘秀萍等[9]通过试验比较了有根系土壤与无根系土壤的抗剪强度，结果都表明根-土复合体可以明显提高土体的抗剪强度。

现有的研究工作多为定性的研究，这些研究缺少对根-土复合体抗剪强度的量化分析，很多时候不能满足工程设计的需要[10]。而关于根系对土壤“加筋”作用的量化研究很少。胡其志等[11]对早期草本植物单一含根量和抗剪强度的关系进行了研究，但是没有进行草灌混合植物含根量的抗剪强度研究。

本研究选择青郑高速公路安山口、八毛地、瓷器山、高岭山头等4处坡面上含植物根系的原状土为研究对象，对原状土和无根扰动土分别进行室内直剪试验，以研究根系的“加筋”作用。

1直剪试验

1.1原状土直剪试验

原状土取样地点选在武汉至咸宁的青郑高速公路不同路段。该高速公路生态护坡于2006～2008年陆续施工完毕，植物生长已有4～6年，生长较好，植被覆盖率较高。在沿线选取植物生长良好的安山口(该处为香附子坡地)、八毛地(该处为白茅草坡地)、瓷器山(该处为白三叶+白茅草混合地)和高岭山头(该处为多花木兰+猪殃殃+婆婆纳+荠菜混合坡地)4个地段用规格为200 cm3的环刀进行取样，每个地点取样3组。为了方便取样，先割除地上茎叶部分，然后采用环刀取若干样品，最后密封、编号并保存。

试验前，测量4个地段的原状土试样平均含水量和平均密度。然后，采用直剪仪对原状土试样进行直剪试验。试验后，测量它们的平均含根量(质量比)，结果见表1。

表1　平均含根量的测量结果

1.2无根扰动土直剪试验

为了使原状土和无根扰动土两者有可比性，在制样时，保证了两者含水量与密度的接近，原状土与扰动土试样含水量与密度对比见表2和表3。

表2　原状土和无根扰动土平均含水量对比　%

表3　原状土和无根扰动土平均密度对比　g/cm3

由表2和表3可知，直剪试验的原状土与无根扰动土的含水量和密度差别极小，可以认为4个地段原状土试样和无根扰动土试样的直剪试验条件(含水量、密度)相同。

在制备好了试样后，进行编号，然后采用直剪仪对原状土和无根扰动土试样进行直剪试验。

2试验结果及分析

4个地段试样的剪切位移和剪应力关系曲线如图1所示(由于篇幅所限，且3组试样的试验结果相近，因此图1仅绘出各地段的典型试样的试验结果)。其中垂直压力P1=100 kPa，P2=200 kPa，P3=300 kPa，P4=400 kPa。如图1所示，剪应力-剪切位移曲线的增长随着垂直压力的增大而变快。在一定的垂直压力下，剪应力随着剪切位移的增大而增大，达到一定剪切位移时剪应力达到峰值。剪应力-剪切位移曲线初始段近似线性；随着剪切位移的增大，剪应力-剪切位移曲线切线斜率慢慢减小；当剪切位移达到一定程度时，剪应力达到最大值，土体破坏。

由试验数据根据库伦公式计算得出各地段的土样抗剪强度的平均指标，见表4。如表1和表4所示，安山口处，在平均含根量为0.945%的情况下，原状土试样的平均黏聚力比无根扰动土试样的大0.958 kPa，增大了5.05%，说明由香附子根系和土壤组成的根-土复合体黏聚力增大，即根系提高了土壤的黏聚力。这说明植物根系将其周围的土粒凝聚在一起，使土壤的凝聚力增大，同时根系又被其周围土粒层层包裹，而被锚固在土壤之中。其中的黏聚力值不仅包括土粒与土粒之间的凝聚力，同时还包括土粒与根系之间的凝聚力，以及由土粒的剪应力传递给根系而引起的根系抗剪力或锚固力。原状土试样的平均内摩擦角比无根扰动土试样的仅增大0.06°，说明由香附子根系和土壤组成的根-土复合体内摩擦角没有明显增大，即根系对土壤摩擦作用的增强可以忽略不计。同样，八毛地、瓷器山和高岭山头的植物根系也能提高土壤的黏聚力。综上，植物根系能提高土壤的黏聚力，从而提高土壤的抗剪强度，对土壤内摩擦角提高并不明显。

图1　不同地段处原状土和无根扰动土的

土样名称黏聚力原状土(kPa)无根土(kPa)绝对增量(kPa)相对增量(%)内摩擦角原状土(o)无根土(o)绝对增量(o)相对增量(%)安山口19.93118.9730.9585.056.136.070.060.98八毛地4.4693.8140.65517.1710.4410.210.131.24瓷器山15.40111.2474.15436.938.167.960.202.45高岭山头20.24015.1705.07033.427.837.780.050.65

同时，由表1和表4可知，平均含根量最小的安山口试样的黏聚力相对增量最小，平均含根量最大的瓷器山试样的黏聚力相对增量最大。这说明含根量增加，根系所占体积增大，根系的锚固力显著增大，土壤黏聚力明显增加，从而提高了土壤的抗剪强度。

八毛地处种植白茅草，属于草本植物；高岭山头处主要种植多花木兰和猪殃殃、婆婆纳、荠菜，其中多花木兰属于灌木，猪殃殃、婆婆纳和荠菜属于草本植物，此地段为草灌结合种植地段。由表1和表4可知，平均含根量几乎相同的高岭山头试样的黏聚力提高值明显大于八毛地试样，说明草灌结合植物根系相对于草本植物根系更能提高土壤的黏聚力。这可能是草灌结合的植物根系直径较大，抗拉强度增强，从而使根系的锚固作用增强，黏聚力增大，因而更能提高植物的抗剪强度。

3结论

(1)土体中植物根系的存在能提高土壤的黏聚力，从而提高土体的抗剪强度。平均含根量为0.945%的安山口、1.154%的八毛地、1.326%的瓷器山和1.173%的高岭山头等4处原状土的黏聚力明显比无根扰动土大，黏聚力增幅分别为5.05%、17.17%、36.93%和33.42%。

(2)随着含根量的增加，土壤的黏聚力增大，抗剪强度越大。

(3)草灌混合植物根系比草本植物根系能更有效地提高土壤的抗剪强度。

[参考文献]

[1] 张光明.公路边坡生态防护的探讨[J].陕西:交通职业技术学院学报,2010(3):11-18.

[2] 张兴玲,胡夏嵩.植物根系固土护坡力学机理研究现状与进展[J].人民黄河,2009(6):88-90.

[3] Waldron L J,Dakessian S.Soil reinforcement by roots,calculation of increased soil shear resistance from root properties[J]. Soil Science,1981,132(6):427-435.

[4] Gray D H,Ohashi H.Mechanics of fiber reinforcement in sand[J].Journal of Geotechnical Engineering,1983,109(3):335-353.

[5] Shewbridge S.The influence of fiber properties on the deformation characteristics of a reinforced sand[D].Berkely:University of California,1987:258-259.

[6] 张飞,陈静曦,陈向波.边坡生态防护中表层含根系土抗剪试验研究[J].土工基础,2005,19(3):25-27.

[7] 吴景海,王德群,王玲娟.土工合成材料加筋的试验研究[J].土木工程学报,2002,35(6):93-99.

[8] 陈昌富,刘怀星,李亚军.草根加筋土的护坡机理及强度准则试验研究[J].中南公路工程,2006(2):14-17.

[9] 刘秀萍,陈丽华,宋维峰.林木根系与黄土复合体的抗剪强度试验研究[J].北京林业大学学报,2006(5):67-72.

[10] 肖本林,罗寿龙.根系植物护坡机理及试验研究[J].湖南大学学报,2011,38(5):19-23.

[11] 胡其志,周政,肖本林，等.生态护坡中土壤含根量与抗剪强度关系试验研究[J].土工基础,2010,24(5):85-87.

(责任编辑徐素霞)

[基金项目]教育部重点项目(2010133)；国家自然科学基金项目(51178166)

[中图分类号]S157；TU432

[文献标识码]A

[文章编号]1000-0941(2016)05-0042-03

[作者简介]黄钢(1987—)，男，江西九江市人，助教，主要从事建筑结构、环境岩土工程等方面的教学和科研工作；肖衡林(1977—)，男，湖南衡阳市人，副教授，博士，主要从事环境岩土工程、光纤传感技术在岩土工程中的应用及地下工程等方面的教学和科研工作。

[收稿日期]2015-05-30