植物根-土復合體原位剪切試驗研究現(xiàn)狀及其進展

盧海靜，王 磊，翟國良，胡夏嵩，2，余芹芹，喬 娜，李國榮

(1.青海大學地質(zhì)工程系，青海西寧 810016;2.中國科學院青海鹽湖研究所，青海西寧 810008)

近年來，隨著城市化進程的加快，在基礎設施建設中相當數(shù)量的混凝土漿砌塊石護坡被廣泛應用，而這類邊坡所形成的灰色景觀及其與環(huán)境之間的不協(xié)調(diào)性等也逐漸顯現(xiàn)出來。利用植被護坡能起到改善生態(tài)環(huán)境、減少邊坡水土流失、涵養(yǎng)水源等工程護坡措施所不具備的作用。為了科學有效地保護生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)基礎設施建設與生態(tài)環(huán)境之間的可持續(xù)發(fā)展，采用植物方法加固邊坡被國內(nèi)外學者所重視且已逐漸成為一種發(fā)展趨勢［1-2］。植物根系具有加筋、錨固土體、提高土體抗剪強度的作用，這一觀點得到了國內(nèi)外學者的普遍認可［3］。為了有效利用植被增強邊坡土體的穩(wěn)定性，充分發(fā)揮植被涵水固土、改善環(huán)境的效應，諸多學者在植物根系增強土體抗剪強度以及提高邊坡穩(wěn)定性的貢獻評價方面采用了多種方法，這些方法包括根-土復合體快速直剪試驗、三軸剪切試驗及現(xiàn)場原位剪切試驗等。本文在介紹這些評價方法的基礎上，進一步系統(tǒng)地論述了根-土復合體的結構、性能及植物根系在增強邊坡土體穩(wěn)定性方面的貢獻，同時對根-土復合體原位剪切試驗及其發(fā)展趨勢做了進一步的探討。

1 根-土復合體理論

植被增強邊坡穩(wěn)定性的貢獻已得到國內(nèi)外學者的肯定和證實，尤其是植被淺層根系的加筋作用及深根的錨固作用在加固邊坡土體過程中所起到的積極作用［4-7］。Waldron［8-9］認為，植物根纖維提高土體抗剪強度主要是通過根-土接觸面的摩擦力將土體中的剪應力轉(zhuǎn)換為根的拉應力來實現(xiàn)的，根系起到了加筋的作用，從而達到增強邊坡土體抗剪強度的效果。趙方瑩等(2009年)［10］認為根系在增強邊坡土體穩(wěn)定性方面，主要是通過根系的加筋、錨固等作用實現(xiàn)提高土體黏聚力及根系與土體間的摩擦力，增強邊坡土體摩擦強度，進而達到增強土體的抗剪強度和提高邊坡穩(wěn)定性的作用。Niu等(2008年)［11］研究林木根系增強土體穩(wěn)定性時，指出林木根系與土體之間的靜摩擦力是決定根系提高土體抗剪強度增量的主要因素。黃圣瑞等(2009年)［12］認為根系能夠提高土體強度的根本原因在于土體與根系的相對位置在變形前和變形后存在顯著差異，因而它們在共同變形過程中存在相互錯動趨勢，這種錯動被根系與土體之間存在的摩擦阻力所抵抗，從而達到穩(wěn)定邊坡土體的效果。冀曉東等(2009年)［13］研究了根系的直徑、布置方式和土壤含水量等因素對根系增強土體強度的影響，通過三軸試驗，認為根系的存在顯著提高了根系與土壤構成的根-土復合體的強度，即從機理上講，林木根系對土壤的增強作用是由于根-土界面摩擦力的作用把土體中的剪應力轉(zhuǎn)換成根的受拉作用而產(chǎn)生的，即通過根的抗拉作用使得土體抗剪強度增加，進而增強了土體的穩(wěn)定性。

Gray等(1983年)［14］在研究根系增強根-土復合體強度時，將含根系的土體視為一種特殊的復合材料，認為根系如同復合材料中的纖維對土體起到了加固作用，即根系將土體束縛在根系分布范圍之內(nèi)，在土體遭到破壞時會受到來自根系的阻抗作用，從而達到增強土體穩(wěn)定性的目的。楊亞川等(1996年)［15］首次提出了土壤-根系復合體的概念，即將根系與土壤視為一體，簡稱復合體，并指出當復合體的體積和含水量一定時，抗剪強度指標黏聚力與含根量呈正相關，而內(nèi)摩擦角與含根量關系不大。周云艷等(2010年)［16］在研究根-土復合材料中根系的貢獻時，將土體視為基體相材料，根系視為增強相材料，在荷載作用下根系起到纖維的作用，使根-土復合體呈現(xiàn)“塑性”特征，從而起到增強作用。

近年來國內(nèi)外諸多學者在根-土復合體理論方面進行了深入的試驗研究。郝彤琦等(2000年)［17］運用工程力學基本理論和土力學試驗方法，分析植物根系在增強松軟飽和灘涂土抗剪強度中的作用機制，認為復合體抗剪強度τ與法向正應力σ的關系符合庫侖定律，且τ隨含根量Mr的增加而提高，即土體抗剪強度隨著Mr的增加將會得到提高。Huat等(2005年)［18］以種植在溫室中凝灰質(zhì)頁巖渣土和花崗巖渣土上的草本植物剛果臂形草(Brachiaria ruziziensis)和香根草(Vetiveria zizaniodes)作為研究對象，采用經(jīng)過改進的傳統(tǒng)剪切盒對植物根系增強土體抗剪強度進行了研究，認為在飽和土和非飽和土兩種條件下，根系纖維的存在均顯著增強土體抗剪強度，且隨著根系數(shù)量的增多及植物生長期的延長，根-土復合體抗剪強度增加相對顯著，而隨著植物根系生長深度的遞增，抗剪強度增量則呈顯著減小趨勢。郭維俊等(2006年)［19］研究土壤-根系復合體強度時，運用土力學理論和復合材料力學方法分析了土壤-根系復合體的力學特性和力學模型，即在彈性、橫觀各向同性條件下，得到了表征土壤-根系復合體應力-應變關系的本構方程。研究結果表明:土壤-根系復合體的強度不僅與土壤和根系的材料特性、形態(tài)結構、含水率以及根系含量有關，而且與土粒和土粒之間、土粒和根系之間的黏聚力、內(nèi)摩擦力密切相關。胡其志等(2011年)［20］對含有兩種不同根系、不同含根量的根-土復合體進行直接剪切試驗，并采用Matlab數(shù)據(jù)分析軟件對試驗數(shù)據(jù)做了不同次數(shù)的最小二乘法擬合分析，認為含根土作為一種復合體材料，其強度近似符合庫侖定理。結果表明，根-土復合體的抗剪強度隨含根量的增加而增大;含根量對內(nèi)摩擦角的影響與土本身的內(nèi)摩擦角大小有關，本身內(nèi)摩擦角小的土體受含根量影響較大，本身內(nèi)摩擦角大的土體受含根量影響較小;黏聚力則隨著含根量的增加而增大。

2 原位剪切試驗優(yōu)勢及裝置設計

2.1 原位剪切試驗優(yōu)勢

根-土復合體原位剪切試驗是土體原位測試的一種方法，其原理與野外大剪試驗基本相同，是指在野外試驗現(xiàn)場，在對試驗土樣不擾動或基本不擾動的情況下，對試驗土體進行剪切試驗來測得土體抗剪強度、黏聚力及內(nèi)摩擦角等物理力學性質(zhì)指標，從而使得試驗結果符合實際情況。

相比較于室內(nèi)快速直剪試驗以及三軸試驗，諸多學者探討了原位剪切試驗及其優(yōu)勢。Norris等(1998年)［21］認為，在野外采用原位剪切試驗的方法來確定根-土復合體強度相對符合實際情況，所測得的試驗數(shù)據(jù)對于邊坡穩(wěn)定性評價具有實際意義。臧德記等(2009年)［22］采用自主研制的現(xiàn)場和室內(nèi)兩用直剪試驗儀對膨脹巖土體原狀樣和重塑樣的剪切破壞形式及剪切面特性等剪切性狀進行了對比研究，認為室內(nèi)重塑樣剪切試驗難以獲得相對準確的膨脹巖土體抗剪強度指標，并建議工程上應盡量開展原位試驗。習小山等(2011年)［23］將野外原位大剪試驗與室內(nèi)直剪試驗進行對比，結果表明，當剪切試驗中制備的土體黏粒含量偏多，即碎石和角粒含量偏少時，其抗剪強度主要取決于土粒間的膠結作用;當剪切試驗中制備的土體碎石和角粒含量偏多時，其抗剪強度主要取決于顆粒間的摩擦阻力。試驗還得出，在直剪試驗中，當0.075 mm粒徑以下的土含量大于80%時，試樣的曲線擬合度相關系數(shù)均＞0.95;而在原位剪切試驗中，0.075 mm粒徑以下的土含量大于60%時，試樣的曲線擬合度相關系數(shù)均＞0.95。由此可見，當0.075 mm粒徑以下的土含量低于80%時，不宜采用室內(nèi)直剪試驗確定其抗剪強度指標，如黏聚力及內(nèi)摩擦角等，故采用原位剪切試驗所測得的數(shù)據(jù)相對符合實際情況。

2.2 試驗裝置設計

國內(nèi)外諸多學者對野外原位剪切試驗裝置的設計也做了大量探索性研究，多采用自制的試驗裝置對被測土樣進行原位剪切試驗，在剪切盒尺寸設計上不盡相同。Norris等(1998年)［21］在分析總結諸多學者的研究后，認為測定根系增強灰質(zhì)黏土體抗剪強度時，剪切盒的尺寸設計為150 mm×150 mm×100 mm(長×寬×深)較為合適。毛妍婷等(2009年)［24］通過自制的尺寸分別為300 mm×300 mm×100 mm(長×寬×深)和300 m×300 mm×200 mm(長×寬×深)的兩個剪切箱，以狗尾草根-土復合體為試驗對象進行對比試驗，認為剪切箱尺寸大小是影響剪切試驗結果的重要因素之一，因為不同植物生長過程中其根系在土體水平方向和垂直方向上的生長范圍是不同的，故剪切箱尺寸若選擇得不合適，則其測得的結果就缺乏代表性。Wu等(1998年)［25］選取生長在27°邊坡上生長期為6～8年的松樹作為試驗對象，原位剪切試樣根-土復合體尺寸為1 000 mm×1 000 mm×500 mm(長×寬×深)進行原位剪切試驗，認為根系對增強土體穩(wěn)定所發(fā)揮出的強度遠小于根系的自身強度，即其所發(fā)揮出的強度僅為自身強度的30%左右。

3 植物根系增強土體強度的原位剪切試驗

3.1 草本植物

草本植物根系在邊坡土體中分布相對較淺，且與坡體淺層土體結合較為緊密，對于淺層土體的加筋作用相對較為顯著，根系的存在增加了土體的抗剪強度［26］。宋慶豐等(2010 年)［27］認為含根的邊坡土體可視為由土和根系組成的三維的根-土復合材料，根系如同纖維的作用，因此可按加筋土原理來分析邊坡土體的應力狀態(tài)，即把土體中的根系分布視為加筋纖維的分布，根系的加筋作用為土層提供了附加“黏聚力”，它一方面使原土體的抗剪強度增加，另一方面又因為限制了土體的側(cè)向膨脹而使“側(cè)壓力”增大，從而在豎向應力不變的情況下使最大的剪應力減小。單煒(2008年)［28］等認為盤結于土體中的植物根系與土體組成三維網(wǎng)狀結構體，根系的加筋作用一方面表現(xiàn)為增加了土體的黏聚力，另一方面表現(xiàn)為對土粒的網(wǎng)兜包裹效應。

國內(nèi)外諸多學者將根-土復合體視為一種加筋土，并對淺根的加筋作用開展了根-土復合體的原位剪切試驗。趙麗兵等(2008年)［29］通過對黃土高原丘陵溝壑區(qū)山西河曲磚窯溝流域生長的豆科植物草木樨(Melilotus suaveolens)、紫花苜蓿(Medicago sativa)和禾本科植物糜子(Panicum miliaceum)、冰草(Agropyron cristatum)等4種代表性的草本植物進行野外剪切試驗和模型預測，設計剪切箱尺寸為400 mm×400 mm×200 mm(長×寬×深)，以證實和量化草本植物根系增強土壤抗剪切強度的作用。試驗表明，在0—20 cm土層4種草本植物根系均可顯著增加土壤抗剪切強度。同時，采用Wu等建立的根系增大土壤抗剪切強度的力學模型［30］對試驗結果進行預測，對比分析了實測結果與模型預測值間的差異，認為根系增大土壤抗剪強度的真實值應介于實測值和預測值之間。言志信等(2010年)［31-32］提出草本植物根系使邊坡土體淺層成為土體和根系的復合材料層，且在該層通過根-土摩擦作用和根的抗拉作用，起到了增強根系土層的整體抗剪強度的作用。高鵬等(2011年)［33］以云南主要農(nóng)作物小麥(品種為云麥47)為例，采用自行設計的200 mm×200 mm×200 mm(長×寬×深)的原位測定剪切箱，分別對分蘗期、抽穗期及成熟期的小麥根系增強土體強度的能力進行了原位剪切測定。測試結果認為，成熟期小麥根系固持土體能力要顯著高于其他生育期，且根系與土體的接觸面積與根-土復合體之間的作用力呈正相關;原位測定方法可作為評價植物根系固土能力的有效手段。Tobias(1991年)［34］以早熟禾為試驗材料進行原位剪切試驗，設計剪切盒尺寸為500 mm×500 mm×150 mm(長×寬×深)，試驗結果表明:與素土邊坡相比，根系增強邊坡穩(wěn)定性的抗剪強度增量在-2% ～55%，即在一定條件下，根系在加固邊坡方面起到積極的作用。Lawrence等(1996年)［35］以象草(Pennisetum purpureum)、香茅(Cymbopogon citratus)、菅草(Themeda sp.)、類蘆(Neyraudia sp.)、狗尾草(Setaria anceps)、白茅(Imperata sp.)等6種草本植物根系作為試驗原料，設計采用尺寸為250 mm×250 mm×100 mm(長×寬×深)的剪切盒進行了原位剪切試驗，結果表明，與素土樣相比，含根土樣抗剪強度增量變化范圍為48% ～56%。Comino(2010年)［36］對素土和羊禾(Festuca pratensis)、多年生黑麥草(Lolium perenne)、草地早熟禾(Poa pratensis)等3種草本植物的根-土復合體分別進行原位剪切試驗，并將根的性質(zhì)進行了對比。結果表明，少部分草本根系在剪切過程中被剪斷，多數(shù)根系并未被拉斷，而是呈傾斜狀態(tài)被拔出;根-土復合體抗剪強度增量變化范圍為50% ～325%，而剪切位移增量的變化為93% ～1 544%，同時根-土復合體的剪切破壞時間也有所增加。草本植物的根-土復合體原位剪切試驗反映植物的存在對于保持邊坡穩(wěn)定性及減少邊坡表層土壤侵蝕起到了積極作用，其方式是通過增強邊坡土體抗剪強度及影響土體水文地質(zhì)條件得以實現(xiàn)的。

3.2 木本植物

木本植物根系分布特征為主直根系較為發(fā)達，扎入土層相對較深。木本植物深層根系對邊坡土體穩(wěn)定作用的增強主要是通過根系的錨固作用實現(xiàn)的［37-39］。Wu(1988年)［40］采用自行設計的原位剪切試驗裝置測試了鐵杉(Hemlock spruce)、阿拉斯加雪松(Alaska cedar)及銀槭(Acer saccharinum)等3種喬木的根-土復合體抗剪強度，并對其影響因素進行了分析，認為原位剪切試驗中根系對根-土復合體的加強作用受根系的抗拉特性、根與剪切面的夾角及根系在土中的形態(tài)等因素影響。周云艷等(2010年)［41］應用自制的剪切盒設計尺寸為600 mm×500 mm×200 mm(長×寬×深)的剪切設備，對樟樹(Cinnamomum camphora)的根-土復合體及素土進行了原位剪切試驗以研究根系固土護坡的效應及作用原理，認為根系的存在提高了土體的峰值強度和殘余強度，測得的4個含根土樣的抗剪強度和殘余強度均較素土試樣有所增強，其抗剪強度增加的幅度分別為35%、55%、64%、78%，殘余強度增加的幅度分別為50%、62.8%、71.6%、77.8%，說明根系的存在顯著提高了邊坡土體的強度;同時，在一定的變化范圍內(nèi)，根系剪切斷面上總根長、根面積比與土體抗剪強度的增量均呈正相關。Fan等(2009年)［42］以帶刺的田菁(Sesbania cannabina)根系作為材料，設計剪切盒尺寸為300 mm×300 mm×200 mm(長×寬×深)，采用原位剪切試驗的方法，就土體含水量對根-土復合體剪切破壞面形態(tài)的影響進行了研究，并在被剪復合體中加入塑料纖維以觀察剪切面處根系的變化形態(tài)。結果認為，隨著根面積比從0.001增大到0.006，剪切位移破壞面的寬度從最初的3.5～6.0 cm增加到9 cm，即當根面積比達到一定的變化范圍時，剪切位移面寬度隨著根面積比的增大而增大。Rai等(2010年)［43］在進行原位剪切試驗時，采用自制的兩個尺寸分別為300 mm×300 mm×150 mm(長×寬×深)、1 500 mm×1 500 mm ×750 mm(長 ×寬 ×深)的原位剪切試驗儀，對生長半年至3年之間不同生長期0—2 m不同深度的希沙姆樹根-土復合體進行了原位剪切試驗，結果認為隨著其生長時間的增加，根系增強土體黏聚力的程度由初始半年生長期的21.2 kPa增加到3年生長期的80.1 kPa;隨著根系生長深度的增加，根-土復合體黏聚力則由坡體表面的84.9 kPa下降至2 m深處的31.2 kPa，呈下降趨勢。

4 展望

(1)有關植物根-土復合體的野外原位剪切試驗的研究多限于對坡體表層土體進行抗剪強度試驗，且相對室內(nèi)試驗現(xiàn)場邊坡原位剪切試驗的研究較少，如對相同坡度條件下不同植物在坡體不同深度的根系增強土體抗剪強度的貢獻有待于深入研究。

(2)植物根系固土效果與植物屬種類型、根系在邊坡土體中的分布、生長期、根-土間膠結作用以及根-土間摩擦力等因素相關，因此在評價植物根-土復合體增強邊坡穩(wěn)定性貢獻過程中，其原位剪切試驗需要將植物根系與邊坡土體自身特征如土體含水量、密度等物理特性結合起來分析和評價。

(3)隨著植物根系在邊坡中生長深度的增加，根-土復合體中根徑、根密度、土體物理特性等均隨之變化，根系與土體之間的摩擦力及根系自身抗拉力和抗剪力的大小也將發(fā)生改變。因此，需進一步深入開展對坡體不同深度條件下根-土摩擦力及根系抗拉力與抗剪力的固土效應評價，通過對不同深度條件下根-土復合體進行原位剪切試驗來分析隨深度不同摩擦力、根系抗拉力及抗剪力的變化規(guī)律，探討不同邊坡深度條件下植物根系在增強土體穩(wěn)定性過程中起主要作用的因素。

(4)對野外原位剪切試驗裝置的設計，不同的學者針對不同植物、不同環(huán)境條件所采用的裝置參數(shù)有所不同，如剪切盒尺寸大小等。由于裝置設計參數(shù)存在不同，從而使得不同學者通過試驗所得到的試驗數(shù)據(jù)之間存在一定的差異，且彼此間的可對比性和參考性不顯著。因此，為使野外原位剪切試驗所得的試驗結果之間具有可比性和普遍參考價值，原位剪切試驗裝置中的一些對試驗結果會產(chǎn)生一定影響的構件，如剪切盒尺寸的設計等，如何做到盡可能有效地減小試驗結果的差異性需進一步深入研究。

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