五节芒和胡枝子的固土护坡力学特性研究

周洁昕 郭俊英 何云核

摘要 [目的]分析植物根系在土壤中的力学性质，证明植物能提高坡面的稳定性。[方法]以胡枝子、五节芒为研究对象，测定植物根系的抗拉强度。[结果]根系的存在确实对土体抗剪强度有所提高;当根系的总长度恒定时，根系粗细是影响抗拉拔力的主要因素。[结论]植物根系可以提高土体的抗剪强度和抗拉拔能力，增强边坡的稳定性。

关键词 植物护坡;根土复合体;抗剪;拉拔

中图分类号 U418.5+2文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2019）04-0215-04

Abstract [Objective]The mechanical properties of plant roots were analyzed in the soil， demonstrating that plants can improve the stability of the slope.[Method]Taking Miscanthus floridulus， Lespedeza bicolor as test object，pullout strength  of  plant  root  was determined.[Result]The presence of roots did improve the shear strength of the soil. When the total length of the root system was constant， the root thickness was the main factor affecting the pullout resistance.[Conclusion]Plant roots can improve the shear strength and pullout resistance of the soil and enhance the stability of the slope.

Key words Plant slope protection;Rootsoil composite;Shear experiment;Pullout test

随着改革开放，中国国民经济迅速发展，各地大兴土木，加大对公路、铁路及水利等基础设施的建设。这些活动不可避免地进行筑堤或开山，造成边坡失稳被破坏，诱发水土流失、泥石流、山体滑坡等，成为影响人们生命财产安全的主要因素之一。传统的工程护坡包括抹面、勾缝、砌石护坡或设置挡墙等，这些措施不但前期花费高，而且会随着时间发生风化、老化等，后期维修费用较高[1]。随着边坡生态防护的作用越来越被专家肯定，除少数不稳定或者条件严苛的边坡仍采用工程护坡，传统护坡方式逐渐被植物护坡取代[2-3]。边坡生态防护技术是利用根系涵水固土的原理稳定土坡浅表层，美化和恢复生态环境的新技术。它涉及许多学科，如岩土工程、植物学、生态学、土壤力学等[4-5]。它没有像传统工程措施那样的标准化计算方法。此外，土壤类型、植物种类、生长阶段、气候等自然条件也会对植物的护坡效果产生影响，导致植物根系固土能力的测量产生困难[6]。目前边坡生态防护技术的应用还有许多地方可以深入研究，尤其对它的力学机理研究是非常有必要的。

经实地调查，总结出常见的固土护坡植被中盐扶木和五节芒为优势种，紫藤、忍冬、葛藤、野菊、酸模、野燕麦、紫穗槐等为伴生种;马棘和胡枝子为优势种，构树、红叶野桐、苦苣菜、一年蓬、鹅观草、紫花苜蓿、酢浆草、千里光、白花败酱、截叶铁扫帚等为伴生种;小蜡、高羊茅、刺槐和紫穗槐为优势种，五节芒、一年蓬、苦麦草、截叶铁扫帚、榔榆、迷糊菜、黄鹤菜、窃衣等为伴生种，我们从中选取五节芒和胡枝子进行试验，以为植物护坡应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选取浙江农林大学校园植被恢复边坡中的草本植物五节芒和木本植物胡枝子作为试验材料（图1、2、3、4）。五节芒是禾本科芒属多年生常绿草本植物，具发达根状茎，是生活中最常见的野外群生禾本科植物;它的根系盤根错节，十分庞大，有很强的保持水土能力，且再生力也很强，是一种优秀的水土保持及绿化护坡植物。胡枝子是豆科胡枝子属直立灌木，生于海拔150～1 000 m的山坡、路边、森林边缘、灌木和混交林间。枝叶繁茂，根系发达，侧根多，能有效保持水土，减少地表径流，改善土壤结构。采取整株挖掘法，于2018年6月挖取五节芒和胡枝子的试验植株，选择3株生长良好、具有代表性的植株，取出后及时带回实验室，挑选生长正常、无病虫害和完整根皮的新鲜根系。根据统计结果，在该试验中选取的五节芒根系平均有97%的侧根分布在地表15 cm以内，胡枝子根系平均有75%的侧根分布于地表25 cm以内。

1.2 试验方法

五节芒的试验方法：利用取土器挖取完整的原状土（图5），用60 cm3环刀进行切割，将土样填满环刀。为了分析含根量的变化对根土复合体抗剪强度的影响，分别对取出的完整土体取0～2、2～4、4～6 cm深度的根土复合体试样进行剪切试验。同时，对素土也进行剪切试验来证明根土复合体的抗剪强度比素土强。用应变控制式直接剪切仪对土样进行剪切试验计算得到剪应力。计算公式如下：

以上拟合结果的相关系数R2均大于0.86，可知拟合均较好，表明黏聚力和含根量的变化关系以及内摩擦角和含根量的变化关系。根土复合体的黏聚力和内摩擦角都大于素土，黏聚力的增加特别明显。因此，根密度与边坡的稳定性密切相关，根密度增加，边坡稳定性增加。

试验表明，垂直应力影响剪切强度，垂直应力和试样的抗剪强度呈线性关系。随着垂直应力的增加，抗剪强度呈线性增加;根系含量影响土体的剪切强度，根土复合体的的抗剪强度随着根系的增加而增强;根对土体内摩擦角的影响相对小，对黏聚力影响较大;根密度能够影响边坡的稳定性。

2.2 根系拉拔试验结果 在该试验中，分别进行20组单根从图9和图10可以看出，胡枝子根径的最大抗拉力随根系直径的增大而增大，而最大抗拉强度随胡枝子根系直径的增大而减小。朱清科等[10]指出在拉拔试验中，根系变形会从弹性形变到塑性形变，当植物根径增大到一定程度时，其抗拉拔力会有明显的跃迁，但在该试验中，植物根的最大抗拉拔力没有显示明显的跃迁，这是因为试验植物根径尚未达到转变的极限值。采用线性回归方程拟合胡枝子的最大抗拉拔力与根径之间的关系，比较幂函数和线性函数的相关系数，发现用幂函数方程其拟合度更高[11]，因此，根系的最大抗拉拔力与直径之间存在着非线性幂函数关系。

3 结论与展望

试验结果表明，根土复合体的抗剪强度与剪切面上的法向压力成正比，其抗剪强度符合库仑定律，τ=c+σtanφ;随着根土复合体中含根量的增加，其黏聚力C值明显增加，而内摩擦角增加值较小，根系对土体抗剪强度的增加主要体现在黏聚力的增加，与Waldron的修正式相符合;根系的最大抗拉拔力随根径的增加而增大且呈现非线性幂函数关系，而最大抗拉强度随植物根系直径的增大而减小。

生态护坡技术与传统的工程技术防护方法相比有诸多优点，在此领域开展相关研究，不但具有重要的理论价值，更具有一定的经济、环境和生态效益。植物护坡技术是一门综合性学科，在这一领域仍有许多问题值得继续开展更深入的研究，其力学作用机理还有待进一步探索。另外，在实际的坡面绿化中，更多采用多种植物结合的复合植物系统，不同植物根系可能对固土效果具有互补作用[7，12]。因此，研究植物复合根系的固土机理也是未来的发展趋势。希望今后在生态护坡技术理论研究和实际工程应用上，有进一步的发现和研究。

参考文献

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[3] 杨亚川，莫永京，王芝芳，等.土壤-草本植被根系复合体抗水蚀强度与抗剪强度的试验研究[J].中国农业大学学报，1996，1（2）：31-38.

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[12] 陆桂红，杨顺，王钧，等.植物根系固土力学机理的研究进展[J].南京林业大学学报（自然科学版），2014，38（2）：151-156.