生态护坡中根系对土体抗剪强度的影响

蒋希雁，何春晓，周占学，郭阳阳

(1.河北省土木工程诊断、改造与抗灾重点实验室，河北 张家口 075000； 2.河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)

生态护坡，是通过种植植物，利用植物与岩、土体的相互作用(根系锚固作用)对边坡表层进行防护、加固，是一种有效的护坡、固坡方式。边坡植物不仅可减少地面径流，防止冲刷，有利于水土保持，而且可为各种小动物、微生物的生存繁殖提供场所，有助于逐渐形成完整的生物链，使当地的生态环境逐渐恢复[1]。植物根系是生态护坡形式的关键，对增加坡面浅层稳定性起着重要作用。

我国从20世纪90年代开始进行了大量的生态护坡研究，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]。如：赵丽兵、胡其志等[3-4]通过室内试验进行了草根加筋的复合土体力学效应试验研究，表明复合土体遵循摩尔-库仑准则。封金财等[5-9]通过研究验证了在其他条件一定的情况下，根土复合体的抗剪强度会随着土体中根系含量的增加而增大,随含水量增大而减小；草本植物根系对土体抗剪强度的增加作用主要体现在黏聚力上，而对内摩擦角的影响较小。张峰等[10]基于常规三轴固结不排水剪切试验探究植被须根含量和含水量对重塑非饱和粉质黏土抗剪强度指标的影响规律，得出植被须根可以提高土体的抗剪强度，在最优含水率条件下抗剪强度最大的结论。此外，有关植物根土复合体中根系数量对根土复合体抗剪强度的影响，国内外诸多学者亦不同程度地开展了研究。

张家口市位于河北省西北部，地处东经113°50′～116°30′、北纬39°30′～42°10′,海拔1 300～1 600 m,多年平均气温7.8 ℃。目前对张家口地区生态护坡的研究还比较少。为此，我们采用常规不固结不排水剪切试验，研究张家口某高速公路路堤生态边坡不同含水率和含根量对根土复合体抗剪强度的影响，以期为该地区生态护坡理论提供一定的依据。

1 试验材料选取与制备

1.1 试验材料

选取张家口某公路路堤狗尾草生态边坡进行试验，边坡表面覆盖生长茂密的狗尾草。狗尾草在张家口路堤边坡等地方尤为常见，其根系为须根系。选取植被较密的草皮，去掉土层上面的茎叶，挖取大块带根黏性土若干，同时在相同地点挖取大块不带根土若干。通过测定含水率，得知根土复合体含水率与素土含水率相差不大，可直接在素土中加根进行试验。把根土复合体中的狗尾草根取出，为消除试验过程中根系含水率的影响，将根系自然风干至质量不再变化。将素土过2 mm的筛，然后把筛过后的土烘干备用。路堤边坡土壤的性质指标见表1。

表1 路堤边坡土壤的性质指标

1.2 试样制备

进行不固结不排水三轴试验，需用烘干土加水制备不同含水率的试样，所加水量计算公式为

(1)

式中：mw为土样所需加水量，g；m为烘干后的土样质量，g；ωh为烘干含水率，%；ω为土样所要求的含水率，%。

试样直径39.1 mm，高度80 mm。将风干的根剪成2 cm长的小段，然后将剪断的根分别按烘干土质量的0.1%、0.2%、0.3%、0.4%进行配比，配置含水率为9%、11%、13%、15%的根土复合体，将根土复合体进行充分搅拌，使根均匀混合，每个试样的含根量基本相同。

为了更好地探究含根量对土体抗剪强度的影响，每组根土复合体取5个试样，分别在50、100、150、200、250 kPa的围压下进行静三轴不固结不排水剪切试验；素土取4个试样，分别在50、100、150、200 kPa的围压下进行静三轴不固结不排水剪切试验。加载速率0.8 mm/min，当测力计读数出现峰值时，剪切应继续进行至超过5%的轴向应变为止；当测力计读数无峰值时，剪切应进行到轴向应变的15%～20%结束。土体抗剪强度公式为

τf=c+σtanφ

(2)

式中：τf为土体抗剪强度，kPa；c为黏聚力，kPa；σ为法向应力，kPa；φ为内摩擦角，(°)。

2 试验结果及分析

2.1 试验结果

不同含水率、含根量情况下抗剪强度指标见表2。由表2可以看出：根系的存在，使土的黏聚力明显增大，增量为4.99～81.52 kPa；而内摩擦角增量较小，其值在-2.74°～2.32°之间。因此，可以认为根系的存在对内摩擦角影响较小，可以忽略，根土复合体抗剪强度的提高主要体现在黏聚力的增大上。

本试验以含水率和含根量作为土体抗剪强度的影响因素进行分析和探究。剪切试验土体破坏时，以最大主应力与最小主应力和的一半为圆心，最大主应力与最小主应力差(主应力差)的一半为半径绘制各法向应力情况下的摩尔应力圆，求得各圆的公切线即为抗剪强度包线。通过试验计算得到了在不同含根量和含水率条件下的主应力差-轴向应变曲线。由于不同含水率条件下的应力-应变曲线类似，故只以含水率9%为例，见图1、2。

表2 各土样抗剪强度

图1 含水率9%素土应力-应变曲线

图2 含水率9%含根量0.1%根土复合体应力-应变曲线

由图1、2可知，在含水率相同的情况下，土的主应力差随着围压的增大而增大，主应力差随轴向应变在试验开始时呈直线上升，随着应变的增加主应力差增量逐渐减小，大约在轴向应变为2%处出现峰值，然后随着应变的增加，试件破坏。

从图3中可以看出，在含水率、围压相同的情况下，根土复合体的主应力差明显大于素土，随着含根量的增加，加筋效果更明显，含根量0.4%的根土复合体比素土的主应力差增加了300 kPa，可见加根能明显提高土的抗剪强度。

图3 围压为50 kPa、含水率为9%时的应力-应变曲线

从图4中可以看出，在含根量、围压相同的情况下，随着含水率的提高，土的主应力差呈下降趋势，含水率越高下降越明显，在含水率相差2百分点的情况下主应力差差值最大能达到300 kPa，可见含水率能够显著影响抗剪强度。

图4 围压为50 kPa、含根量为0.1%时的应力-应变曲线

由图5可以看出，在含水率相同情况下，随着含根量的增加黏聚力逐渐增加，黏聚力与含根量成正相关关系，含水率为9%时随含根量增加黏聚力的增加尤为显著。在含根量相同情况下，黏聚力随着含水率的增加而减小，含水率越高黏聚力越小，含水率在9%～13%时黏聚力对含水率最为敏感，含水率在13%～15%时黏聚力敏感性下降。通过数值回归分析，得到黏聚力与含根量之间的关系式，见表3。

图5 黏聚力-含根量拟合关系

由图6可知，在相同含水率情况下，随着含根量的增加黏聚力增加；在相同含根量下，随着含水率的增加黏聚力呈下降趋势，黏聚力与含水率对数成反比。

表3 黏聚力与含根量的关系式

图6 黏聚力-含水率拟合关系

产生上述现象的原因，是含水率的增加使得结合水膜变厚，土体之间的胶合作用降低使得黏聚力下降，而根系的牵引作用在剪切中约束了土体的变形，在一定程度上降低了黏聚力的下降。通过拟合得到黏聚力与含水率之间的关系式，见表4。

表4 黏聚力与含水率的关系式

2.2 根系加筋效应公式建立

通过以上分析可以得出，含根量对内摩擦角的影响较小，可以忽略不计。为了更好地研究植被根系对土体抗剪强度的影响，引入黏聚力增量(Δc)的概念，得到黏聚力增量与含根量的关系图，见图7。

图7 黏聚力-含根量增量拟合关系

由图7可知，随着含根量的增大黏聚力明显增大，不同含水率情况下增加的幅度不相同，11%、13%、15%含水率情况下随含根量的增大黏聚力的增加幅度不大，而9%含水率时随含根量的增大黏聚力的增加幅度明显，表明土体在9%含水率时较敏感。通过拟合得到黏聚力增量与含根量的关系式，见表5。

表5 黏聚力增量与含根量的拟合函数表达式

由表5可得根土复合体的黏聚力表达式，见表6。

表6 根土复合体黏聚力表达式

通过分析可得抗剪强度与含根量之间的关系为

τf=c+σtanφ=c0+a+bx+σtanφ

(3)

式中：τf为土体抗剪强度，kPa；c0为素土黏聚力，kPa；a、b为模型系数，与根系种类、分布、含水率有关；σ为土体剪切面上法向应力，kPa；φ为内摩擦角，(°)；x为含根量，%。

由式(3)知抗剪强度与含根量成线性正相关，因此在一定条件下，只要给定了含根量和含水率就能初步计算出抗剪强度，这为本地区生态护坡提供了理论支持。

3 结 论

采用静三轴不排水不固结试验测定不同含根量、不同含水率对公路路堤边坡重塑粉质黏土抗剪指标的影响，结果表明：

根土复合体与素土的应力-应变变化趋势相同，说明摩尔-库仑强度准则同样适用于根土复合体，主要差别体现在黏聚力的不同，素土和根土复合体均大约在轴向应变2%处出现主应力差峰值，然后逐渐趋于破坏。

通过根土复合体与素土的比较发现，根土复合体的抗剪强度明显大于素土，说明根能起到加筋作用，能够用来约束土体变形，增加抗剪强度。

加根能够增加黏聚力，但是加根后内摩擦角变化幅度不大，说明加根对内摩擦角影响较小。

比较不同含水率的试样发现，随着试样含水率的提高，黏聚力呈下降趋势，因为随着含水率的增加，结合水膜变厚，土体之间的胶合作用降低使得黏聚力下降。

在一定条件下黏聚力和含根量呈线性正相关，和含水率对数呈反比，即在一定条件下随着含水率增大黏聚力降低。通过拟合得到根系加筋效应公式τf=c0+a+bx+σtanφ，即在一定条件下，只要给定含水率和含根量就能初步计算出抗剪强度。