紫色土和黄壤草本根土复合体抗剪性能试验研究

王 耕，周腾禹，韦 杰

(1.辽宁师范大学 城市与环境学院，辽宁 大连 116029； 2.重庆师范大学 地理与旅游学院，重庆 401331)

抗剪强度是重要的土力学指标，表示土体抵抗外力剪切破坏的极限能力[1]，也是土壤稳定性的重要参数。土壤干密度[2]、含水率[3-6]、机械组成[6]和植物根系[7]等都会影响土体的抗剪性能。韦杰等[8]试验得出，紫色土黏聚力随着土壤含水率的增加表现为先增加后减少，在含水率为11%时达到峰值。杨永红等[9]研究表明，在天然含水率情况下，土壤黏聚力和内摩擦角与含根量呈正相关，且存在最优含根量区域。

我们以重庆地区常见的紫色土和黄壤草本根土复合体为研究对象，利用全自动四联直剪仪进行重塑土快速直剪试验，分析不同含水率和含根量对土体抗剪强度的影响，旨在深化对紫色土和黄壤力学性质的研究，这对防治三峡库区水土流失具有重要意义。

1 研究区概况

研究区位于重庆市北碚区歇马镇境内，地处东经106°30′14″～106°56′53″、北纬29°30′41″～30°11′21″，嘉陵江的支流梁滩河自南向北穿越而过。属亚热带季风气候区，年平均气温18.2 ℃，雨量充沛，降水季节分配不均，多集中在夏季，年平均日照时数1 260 h，年平均相对湿度75%，无霜期345 d。土壤多为紫色土和黄壤，植被为中亚热带常绿阔叶林，草类以狗尾草、牛筋草和各种蕨类植物为主。

2 试验材料与方法

2.1 土样预处理

将采到的土样风干，去除杂质后研磨并过2 mm筛。由于要模拟采样地的情况，因此含水率控制在15%～30%，设置为15%、20%、25%和30%。把配制的土样烘干8 h，计算出黄壤和紫色土的风干含水率分别为4.02%和3.18%。将蒸馏水喷洒在土样之上，搅拌均匀后用保鲜膜密封24 h。

2.2 根系处理和试样配置

选择直径为1～2 mm的新鲜牛筋草根系，用游标卡尺测量根的上部、中部和下部直径，保证3个结果误差在0.5 mm内。根据试验要求，含根量配置为0、0.2%、0.6%和1%。将配置好的土样分3次装进环刀并做击实处理，整个过程始终保持根系垂直排列。剪切速率设置为1.2 mm/min，垂直压力设置为50、100、200和300 kPa。

3 结果与分析

3.1 剪应力峰值特征分析

经过试验得出土样的剪应力峰值特征，见图1、2。由图1、2可看出，在相同垂直压力和含根量情况下，两种根土复合体的剪应力峰值随着含水率的增大均表现为先增加后减少，即剪应力峰值含水率20%土样>含水率15%土样>含水率25%土样>含水率30%土样；在相同垂直压力和土壤含水率下，两种根土复合体的剪应力峰值随着含根量的增加而增加，即剪应力峰值含根量1%土样>含根量0.6%土样>含根量0.2%土样>含根量0土样；在相同含根量和含水率下，两种根土复合体的剪应力峰值随着垂直压力的增大而增大，即剪应力峰值垂直压力300 kPa>200 kPa>100 kPa>50 kPa。

图1 黄壤根土复合体剪应力峰值特征

图2 紫色土根土复合体剪应力峰值特征

3.2 抗剪强度指标分析

3.2.1 黏聚力和内摩擦角与含水率的关系

根据试验分别测定黏聚力和内摩擦角，结果见图3、4。对在不同含水率和含根量情况下的两种根土复合体的黏聚力进行分析，结果表明：在同一含根量情况下，黄壤和紫色土根土复合体在试验含水率范围内，黏聚力随含水率的增大均表现为先增大后减少，且在各个试验含水率梯度下黏聚力差异明显(P<0.05)，其中黄壤在含水率为20%时黏聚力最大，紫色土在含水率为25%时黏聚力最大。在同一含根量情况下，两种根土复合体的内摩擦角随含水率的增大也表现为先增大后减小，方差分析表明，除含水率15%与20%之间不存在显著差异外，其他含水率之间均存在显著差异(P<0.05)，其中黄壤在含水率为20%时内摩擦角最大，紫色土在含水率为25%时内摩擦角最大。

图3 黄壤和紫色土根土复合体的黏聚力与含水率的关系

图4 黄壤和紫色土根土复合体的内摩擦角与含水率的关系

3.2.2 黏聚力和内摩擦角与含根量的关系

对不同含水率和含根量情况下的两种根土复合体进行分析，结果表明：在同一含水率情况下，两种土样的黏聚力与内摩擦角都随含根量的增加而增大，且不同含根量之间的黏聚力与内摩擦角存在显著差异(P<0.05)，这表明黏聚力与内摩擦角的变化受含根量影响显著。

虽然在同一含水率下，两种土样都是在含根量为1%时黏聚力和内摩擦角最大，但是对黄壤而言，含根量1%与0.6%时的黏聚力和内摩擦角相差较大，因此认为1%为黄壤的最佳含根量；而对紫色土而言，含根量1%与0.6%时的黏聚力和内摩擦角数值较为接近，因此认为0.6%为紫色土的最佳含根量。

4 讨 论

4.1 含水率对抗剪强度的影响

从上述试验中可初步看出，黄壤最优含水率为20%，紫色土最优含水率为25%。为了搞清楚20%和25%是否为最优值，针对黄壤补充了18%和22%两个含水率，针对紫色土补充了23%和27%两个含水率进一步进行试验。试验结果表明，黏聚力和内摩擦角在含水率小于最优含水率20%和25%时随含水率的增大而增大，在大于最优含水率后随含水率的增大而减小，说明20%和25%确实是黄壤和紫色土的最优含水率。

4.2 含根量对抗剪强度的影响

从试验中可初步看出，黄壤最优含根量为1%，紫色土最优含根量为0.6%。为了确定1%和0.6%是否为最优含根量，针对黄壤补充了0.9%和1.1%两个含根量，针对紫色土补充了0.5%和0.7%两个含根量进行进一步试验。试验表明，在含根量小于最优含根量时，含根量的增加对于抗剪强度起积极作用，在大于最优含根量后，随着含根量的增加，抗剪强度指标增幅并不明显。

5 结 论

(1)在试验含水率范围内，不同含根量的根土复合体的黏聚力和内摩擦角均高于素土。含根量对土壤黏聚力和内摩擦角具有显著影响，对紫色土的黏聚力和内摩擦角的影响大于黄壤。

(2)在同一含水率下，黏聚力和内摩擦角均随着含根量的增加而增加。但当含根量较高时抗剪强度的增加值并不明显，即存在最优含根量区域，其中黄壤最优含根量为1%，紫色土最优含根量为0.6%。

(3)在同一含根量时，黏聚力和内摩擦角随着含水率的增加均表现为先增加后减少，且存在最优含水率，其中黄壤最优含水率为20%，紫色土最优含水率为25%。