紫穗槐根系对黄土边坡加固作用的试验研究

陈航　张慧莉　田堪良　钟佩文

摘要：植物护坡措施对黄土边坡稳定及生态环境修复具有重要作用。通过对陕北治沟造地工程中黄土以及紫穗槐根系与黄土的复合土体抗剪强度的试验研究，分析了含水率及含根量对土体抗剪强度的影响。根土复合土体的抗剪强度符合库仑定律，并随着含水率的增大而减小；随着含根量的增加，附加黏聚力增量较大，变化范围为1.46～14.67 kPa；内摩擦角增量较小，变化区间为1.0°～3.5°。采用FLAC3D岩土工程数值计算软件分析了紫穗槐根系对黄土边坡的加固作用，含水率为12%的种植紫穗槐的坡体最稳定，安全系数最大为3.06。

关键词：紫穗槐根系；根土复合土体；加固作用；稳定分析；黄土边坡

黄土高原地区大规模退耕还林工程实施后，耕地不足，粮食安全问题突出，为保障粮食生产，近年来延安市大力开展治沟造地工程。在工程实施过程中，开挖形成了大量裸露的黄土边坡。黄土形成于半干旱气候环境下，在自然界中绝大部分以非饱和状态存在，其结构性强，对水的敏感性高，尤其是在降雨的影响下，这些大型的黄土边坡存在如滑坡及坍塌等安全隐患。降雨时，雨水入渗使黄土的含水量增加，抗剪强度降低，坡体容重增大、孔隙水压力增加，下沉量加大，导致坡体破坏。为防护黄土边坡，修复生态环境，在边坡上栽种植物是一种行之有效的措施。国内外学者通过大量试验，比较了不同类型的根土复合土体与无根系土壤的抗剪强度，结果表明：根系可以提高土体的抗剪强度，影响根土复合土体抗剪强度的因素有根系含量、含水率等。关于植被的护坡机理的研究表明，植被对边坡的加固作用表现为水文效应和力学效应，植物固土护坡力学效应主要表现在植物浅层散生根系对根周土体的加筋作用、深层主直根系对土体的锚固作用以及水平根系对根周土体的牵引作用3个方面。紫穗槐是一种典型的深根性直根树种，主根锚固作用显著，耐盐碱、耐干旱、抗风沙、耐严寒且对土壤要求不高，被广泛应用于陕北的边坡防护工程中。笔者针对陕北治沟造地中采用紫穗槐进行黄土边坡防护的工程实际，开展紫穗槐根系与黄土的复合土体抗剪强度的试验研究，分析了含水率及含根量对土体抗剪强度的影响，采用FLAC数值计算软件分析了紫穗槐根系对黄土边坡稳定性的影响，以期为陕北治沟造地中黄土边坡植物防护的工程实践提供技术支撑。

1试验材料与方法

试验所用黄土土样取自陕西省延安市万花山治沟造地工程开挖的边坡，分别在坡面上部和下部采集土样，取土深度为3.5-4，0 m，土样的干密度平均值分别为1.35、1.53 g/cm3，天然含水率为12%，属Q2黄土。试验土样的物理性质指标见表1。

为了研究紫穗槐根系对土体的加固作用，试验前对3 a生的紫穗槐根系进行了采样调查，结果表明：紫穗槐根系主要分布在地表以下40 cm的土层内，对表层土体具有较好的加固作用；根系对土体的加固作用主要与土体中的根系含量有关，调查测得地表下0-20、20-40 cm范围内单株根系体积分别为75、44 cm3，按照株距50 cm计算得到的单位体积含根率分别为0.15%和0.09%。紫穗槐根系形态见图1，不同深度根系的特点与样本的平均体积见表2。为便于研究紫穗槐根系对土体的加固作用，根系复合土体试样的含根量参照调查所得的平均体积含根率制备。根土复合土体直接剪切試样的尺寸为高2 cm、直径6.1 cm，先将现场所取土样过孔径为2 mm的筛，选取直径为0.8 mm的紫穗槐根，将其剪成18 mm长的小段，制备含根量分别为6根、8根、10根的3种试样，根系体积比分别为0.093%、0.124%、0.155%。制作试样时，先加部分土到制样器内，将土均匀松散地填满环刀，然后将根垂直插入土中，最后加入剩余的土，用千斤顶压实。制备干密度分别为1.35、1.53 g/cm3的黄土重塑土样及根土复合土体重塑土样，试样的含水率分别为12%、19%和26%。

采用DSJ-3型电动四联等应变直剪仪进行抗剪强度试验，剪切速率为0.80 mm/min，分别测量50、100、200、300 kPa的4种垂直压力下黄土试样及根土复合土体试样的抗剪强度。

2试验结果

2.1根土复合土体的抗剪强度

图2为不同密度、不同含根量及不同含水率条件下试样的抗剪强度曲线。试验结果表明：根土复合土体的抗剪强度与垂直压力问的关系与无根土相似，符合库仑定律；根土复合土体的抗剪强度明显大于无根土的，并随含根量的增加而增大，根系体积比0.155%、干密度1.53 g/cm3的试样在含水率12%的情况下抗剪强度最大，比相同情况下无根试样的抗剪强度增大了35.9 kPa。原因是土体发生剪切变形时，紫穗槐根系与黄土之间存在摩擦作用，使得根系承担了部分拉应力，而植物根系的抗拉强度远大于黄土，植物根系对黄土土体起到了加固作用，因此提高了根土复合土体的抗剪强度。

2.2根土复合土体的黏聚力和内摩擦角

图3为不同密度及不同含水率条件下试样的黏聚力和内摩擦角随含根量的变化曲线。在相同含水率情况下，试样随着含根量的增加，黏聚力与内摩擦角都有所增大，明显提高了根土复合土体的抗剪强度。根土复合土体相对于相同含水率的无根土黏聚力显著增大，增加量用附加黏聚力△c表示，变化范围为1.46-14.67 kPa，含根量越大则△c越大：由于土的干密度越大，土粒与根系表面之间的接触越紧密，在试样剪切过程中根系的锚固作用越大，因此在含根量及含水率相同的条件下，干密度较大的根土复合土体的附加黏聚力也越大。内摩擦角的增量（用△φ表示）较小，变化范围为1.0°-3.5°，原因是土体的内摩擦角主要取决于土体颗粒大小、粗糙程度、颗粒级配和密实度等，根系的锚固作用影响相对较小。

当含根量相同时，根土复合土体的黏聚力和内摩擦角都随着含水率的增大而减小。图4为不同试样的黏聚力和内摩擦角随含水率变化曲线。

当土体含水率由12%增大到26%时，试样的黏聚力最大下降了44.2 kPa。原因是随着含水率的增大，土粒之间以及土粒与根系表面之间的化学胶结物质被溶解，黏结作用减弱，使得土体本身的黏聚力减小及根系的锚固作用降低。同时，随着土体含水率的增大，土粒表面的水膜增厚，剪切变形时土粒之间以及土粒与根系表面之间的摩擦力减小，因此根土复合土体的内摩擦角也有所减小。

随着含水率的上升，根土复合土体的黏聚力和内摩擦角均减小，根系体积比为0.155%、含水率由12%增大到26%时，试样黏聚力最大下降44.2 kPa，内摩擦角最大下降5.7°；附加黏聚力、内摩擦角的增量随含水率增大也相对减小，但根固土护坡的作用仍然不可忽视。用c0和φ0分别表示与根土复合土体含水率相同的无根土的黏聚力与内摩擦角的值，△c/c0和△φ/φ0表示根对土体抗剪强度的增强作用，则△c/c0和△φ/φ0值随着含水率的增大而增大，在根系体积比為0.155%、含水率为26%时达到最大，最大值分别为116.50%和14.20%。不同根土复合土体试样的△c/c0和△φ/φ0。值见表3。

3紫穗槐防护边坡稳定性分析

在延安治沟造地工程中。紫穗槐是一种适合当地条件的护坡植物，在开挖边坡植物护坡工程中被广泛种植。采用FLAC3D岩土工程数值计算软件对紫穗槐防护边坡进行稳定性分析，利用强度折减法求解出边坡的安全稳定系数。为治沟造地工程中的黄土边坡防护提供技术依据。选取边坡坡高6 m，分两级，单级坡高3 m，单级坡比1：1，两级中间留有1 m宽的平台。分别模拟不同含水率、有无紫穗槐护坡情况下的黄土边坡，边坡模型示意见图5。紫穗槐株距为50 cm，按照紫穗槐根系体积比0.155%和0.093%，分别在距地面20 cm和40 cm的深度内设置根土复合土体，其他区域与试验中黄土的物理力学指标一致。图6为不同工况下边坡的安全系数以及最大剪应变率云图。

数值计算结果表明：种植紫穗槐坡体的安全系数比没有种植紫穗槐坡体的安全系数有所增大，紫穗槐根系对黄土边坡有一定的加固作用，含水率为12%的种植紫穗槐的坡体最稳定，安全系数最大为3.06；由于边坡较高时剪切带较深，仅在剪切带穿越的表土层的根系才对土体起到了加固作用，因此紫穗槐根系对深层滑坡的加固作用有限。由于土体的含水率增大其抗剪强度会减小，因此土体的含水率对黄土边坡的稳定性影响较大，当土体含水率由12%增大到26%时，安全系数由2.99减小到1.06。坡脚处的剪切变形较大，容易发生破坏，当含水率较小时，最危险点在上部坡面的坡脚处；当含水率较大时，最危险点在下部坡脚处，容易发生整体滑坡。

4结论

（1）根土复合土体的抗剪强度符合库仑定律，并随着含水率的增大而减小、随含根量的增大而增大，紫穗槐根系对黄土土体起到了加固作用。

（2）根土复合土体的黏聚力和内摩擦角均随含根量的增大而增大。附加黏聚力增量较大，变化范围为1.46-14.67 kPa；内摩擦角增量较小，变化范围为1.0°-3.5°。含水率越大，附加黏聚力和内摩擦角增量越小，但△c/c0和△φ/φ0的值均随含水率的增大而增大，最大值分别为116.50%和14.20%。

（3）紫穗槐根系对黄土边坡有一定的加固作用，含水率为12%的种植紫穗槐的坡体最稳定，安全系数最大为3.06。当剪切带加深时，仅在剪切带穿越的表土层根系才对土体起到加固作用，因此紫穗槐根系对深层滑坡的加固作用有限。

（4）土体的含水率对黄土边坡的稳定性影响较大。当土体含水率增大时，安全系数会减小（土体含水率由12%增大到26%时，安全系数由2.99减小到1.06）。当含水率较大时，最危险点在下部坡脚处，容易发生整体滑坡。