草本植物根系對(duì)土體加筋的效應(yīng)1)

蔣必鳳 王海飆 李淑敏

(三亞學(xué)院，三亞，572000) (東北林業(yè)大學(xué)) (三亞學(xué)院)

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草本植物根系對(duì)土體加筋的效應(yīng)1)

蔣必鳳 王海飆 李淑敏

(三亞學(xué)院，三亞，572000) (東北林業(yè)大學(xué)) (三亞學(xué)院)

通過從野外直接挖取地毯草、彎葉畫眉草、牛筋草根系，與海南地區(qū)紅黏土隨機(jī)混合制作成重塑加筋土復(fù)合體，分析不同含水率、不同含根率下，不同植物對(duì)土體的加筋效應(yīng)。試驗(yàn)表明：植物根系能顯著提高土體的抗剪強(qiáng)度，隨著土體含根率的提高，根系土體的抗剪強(qiáng)度值越大；重塑根系土體的抗剪強(qiáng)度值隨著土體含水率的降低而增加；重塑加筋土體的黏聚力隨含根率增加而增加，隨含水率的提高而降低；重塑加筋土體的內(nèi)摩擦角有一定程度的提高，但是變化較小；彎葉畫眉草重塑土體的加筋效果較好。

草本植物；加筋土；含根率；抗剪強(qiáng)度

Herbaceous plant; Reinforced soil; Root ratio; Shear strength

在鐵路、公路、水電、航道、港口等工程建設(shè)中，經(jīng)常要開挖大量的邊坡，如何保持邊坡穩(wěn)定及防治水土流失現(xiàn)象的發(fā)生，并維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)的平衡，成為工程重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象[1]。邊坡生態(tài)防護(hù)是指單獨(dú)用植物或者植物與土木工程和非生命的植物材料相結(jié)合的固坡措施。該技術(shù)利用工程防護(hù)深層加固和植物淺層固坡的特點(diǎn)，減少坡面水土流失，提高坡面穩(wěn)定性，同時(shí)達(dá)到一定的景觀和生態(tài)效應(yīng)，作為一種有效兼顧生態(tài)環(huán)境及邊坡治理的護(hù)坡技術(shù)，在工程實(shí)踐中得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。護(hù)坡植被包括喬木、灌木、草本植物、藤本植物等，由于草本植物生長(zhǎng)迅速、抗沖刷性能強(qiáng)、護(hù)坡效果顯著、方法簡(jiǎn)便，在護(hù)坡工程中得到了高度重視，國(guó)內(nèi)外許多的學(xué)者在根系力學(xué)特性、抗沖刷性能、護(hù)坡植被引種試驗(yàn)等方面展開了大量的研究和實(shí)際應(yīng)用。

草本植物根系就如同纖維一樣，對(duì)邊坡土體具有一定的加筋效應(yīng)。不同的學(xué)者在含根量、含水率、植物不同生長(zhǎng)期、坡度等方面對(duì)植物根系的加筋固土作用進(jìn)行了相關(guān)的研究。鄭啟萍等[2]利用狗牙根和麥冬草進(jìn)行直剪試驗(yàn)，分析根系含量對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響，得出根系含量越大，提高土體抗剪強(qiáng)度的效果越好。胡其志等[3]對(duì)狗牙根的根土復(fù)合體進(jìn)行直剪試驗(yàn)，證明了抗剪強(qiáng)度隨著含根量的增加而增大，但含根量存在最佳區(qū)間。劉小燕等[4]對(duì)狗牙根的根土復(fù)合體進(jìn)行直剪試驗(yàn)，也得出植物根系可以顯著增強(qiáng)土體的抗剪強(qiáng)度，且隨著含水率的增加而降低，而隨著含根量的增加而增強(qiáng)的結(jié)論；還得出了當(dāng)含根量達(dá)到0.3%及以上時(shí)增幅有所減緩，認(rèn)為存在最優(yōu)含根量區(qū)間；當(dāng)含水率為25%時(shí)，土體加筋效果最顯著。王元戰(zhàn)等[5]用室內(nèi)三軸試驗(yàn)方法研究了原狀和重塑草根加筋土的強(qiáng)度特性，對(duì)于重塑草根加筋土，存在最優(yōu)含根量，使其強(qiáng)度最高，重塑草根加筋土的含根量是原狀土的4～6倍時(shí)，二者土體破壞的主應(yīng)力差值基本相等。

不同植物種類護(hù)坡機(jī)理一樣，但各地的植物種類、土質(zhì)條件、降水量等不同，生態(tài)護(hù)坡具有地域性的特點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者的研究主要結(jié)合各地方特點(diǎn)進(jìn)行實(shí)例研究，對(duì)含根率、含水率還不能有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。本項(xiàng)目結(jié)合海南省地域特點(diǎn)，分析不同含水率、含根率以及不同植物根系對(duì)土體的加筋作用，對(duì)海南省生態(tài)護(hù)坡技術(shù)的應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

海南省位于中國(guó)最南端，屬于熱帶地區(qū)，常年高溫多雨，植被資源非常豐富，對(duì)生態(tài)護(hù)坡技術(shù)的應(yīng)用占據(jù)一定的優(yōu)勢(shì)。本課題研究選用海南地區(qū)常見的草本植物地毯草、牛筋草、彎葉畫眉草為實(shí)驗(yàn)材料，這3種植物根系非常發(fā)達(dá)、適應(yīng)能力強(qiáng)、對(duì)土壤的要求不高，在貧瘠之地和道路兩旁長(zhǎng)勢(shì)良好，不需要精心養(yǎng)護(hù)，生命力頑強(qiáng)，生態(tài)適應(yīng)性較適合作為護(hù)坡植被。本試驗(yàn)從野外直接挖取地毯草、牛筋草、彎葉畫眉草的根系，裝入盒內(nèi)，帶回實(shí)驗(yàn)室，保證植物根系的新鮮。試驗(yàn)采用的土質(zhì)為海南地區(qū)常見的紅黏土，從野外挖取一定量的黏土，對(duì)土樣用烘箱烘干，然后碾碎待用。

在制作土樣時(shí)，將3種植物根系分別剪成20 mm，與土體隨機(jī)混合，模擬根系三維生長(zhǎng)規(guī)律，制作成內(nèi)徑為61.8 mm，厚度為20 mm的重塑加筋土試樣。本試驗(yàn)含根率(根的質(zhì)量/干土的質(zhì)量)采用0、0.5%、1%、1.5%；含水率分別為10%、15%、18%；垂直壓力分別采用50、75、100、150 kPa。采用應(yīng)變控制式直剪儀，按照土工試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[6]，進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 3種植物含根土體抗剪強(qiáng)度值

根據(jù)抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，得出3種植物含根土體在不同垂直壓力、不同含水率、不同含根率情況下的抗剪強(qiáng)度值如表1所示。

表1 3種植物含根土體在不同條件下的抗剪強(qiáng)度

由表1可知，垂直壓力50 kPa、含水率為10%、含根率為0.5%時(shí)，牛筋草、彎葉畫眉草和地毯草的重塑加筋土體抗剪強(qiáng)度值分別為43.70、54.00、53.31 kPa，均超過了不含根土體(32.4 kPa)，抗剪強(qiáng)度值分別增加了34.88%、66.67%、64.54%；含根率為1%時(shí)，3種植物根系的重塑加筋土體抗剪強(qiáng)度值為56.97、66.64、62.67 kPa，抗剪強(qiáng)度值分別增加了75.83%、105.68%、93.42%；含根率為1.5%時(shí)，3種植物根系的重塑加筋土體抗剪強(qiáng)度值為64.74、74.06、72.35 kPa，抗剪強(qiáng)度值分別增加了99.8%、128.58%、123.31%。因此，當(dāng)含水率不變，隨著含根率的增加，抗剪強(qiáng)度值增加，且含根率越大，抗剪強(qiáng)度值越大；當(dāng)含水率增加時(shí)，抗剪強(qiáng)度值減??；抗剪強(qiáng)度值隨垂直壓力的增加而增大。

在不同含水率、不同含根率、不同垂直壓力下，3種植物根系的重塑加筋土體的抗剪強(qiáng)度值均超過了不含根土體，且隨著垂直壓力增大而增大，說明3種植物根系對(duì)土體均有一定的加筋效應(yīng)，在一定程度上增強(qiáng)了土體的抗滑移的能力。

在同一含水率、同一含根率和同一垂直壓力下，彎葉畫眉草的抗剪強(qiáng)度值最大，增長(zhǎng)百分比也是最大的；其次為地毯草；最后的是牛筋草。當(dāng)含水率為18%、含根率1%～1.5%時(shí)，地毯草的抗剪強(qiáng)度值超過了彎葉畫眉草，由于地毯草根系較為粗壯、抗拉能力較強(qiáng)，在含水率較大時(shí)，粗壯的根系提高了土體的抗剪強(qiáng)度值。

隨著含根率增加，抗剪強(qiáng)度值增加，隨著含水率增加，抗剪強(qiáng)度值減小。垂直壓力不同，含根土體的抗剪強(qiáng)度值與不含根土體抗剪強(qiáng)度值增長(zhǎng)的百分比是不同的。在垂直壓力為50 kPa時(shí)，抗剪強(qiáng)度值增長(zhǎng)的百分比最大，隨著垂直壓力增加，抗剪強(qiáng)度值增加的百分比減小。當(dāng)垂直壓力較大時(shí)，土樣被壓實(shí)程度較大，土體本身的抗剪強(qiáng)度將增大，而根系所起的作用將減小，因此，本文選擇在相對(duì)較小的垂直壓力下進(jìn)行抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，從而更加準(zhǔn)確的反映了根系的加筋作用。

2.2 3種植物含根土體的抗剪強(qiáng)度曲線

根據(jù)庫倫強(qiáng)度理論，黏性土體的抗剪強(qiáng)度，采用線性擬合的方法，繪制出3種植物在不同含水率、不同含根率下的抗剪強(qiáng)度曲線，如圖1～圖3所示。

圖1 牛筋草土體的抗剪強(qiáng)度曲線

圖2 彎葉畫眉草土體的抗剪強(qiáng)度曲線

圖3 地毯草土體的抗剪強(qiáng)度曲線

影響土體抗剪強(qiáng)度的兩個(gè)重要參數(shù)是土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角，本試驗(yàn)通過excel對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出了不同含水率和不同含根率的植物含根土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角的正切值，如圖1～3圖中的表達(dá)式。

由圖1可知，當(dāng)土體含水率為10%時(shí)，不含根土體的黏聚力為12.721 kPa，而含根率分別為0.5%、1.0%、1.5%時(shí)，牛筋草含根土體的黏聚力分別為16.853、23.847、30.766 kPa，黏聚力分別提高了32%、87%、142%，由此可知，少量的根系卻能顯著提高土體的黏聚力，含根率越大，黏聚力提高也越大。不含根土體的內(nèi)摩擦角的正切值為0.511，而含根率分別為0.5%、1%、1.5%時(shí)，土體的內(nèi)摩擦角的正切值分別為0.620、0.751、0.753，內(nèi)摩擦角的正切值分別提高了21%、47%、47%，由此可知，少量的根在一定程度上便能提高了土體的內(nèi)摩擦角，但是，隨著含根率的增加，內(nèi)摩擦角變化不大。

當(dāng)土體的含水率為15%時(shí)，不含根土體的黏聚力為3.706 kPa，而含根率分別為0.5%、1%、1.5%時(shí)，牛筋草含根土體的黏聚力分別為5.017、9.814、17.161 kPa，黏聚力分別提高了35%、165%、363%，由此可知，根系能提高土體的黏聚力，含根率越大，黏聚力提高也越大。不含根土體的內(nèi)摩擦角的正切值為0.448，而含根率為0.5%、1%、1.5%的土體的內(nèi)摩擦角的正切值分別為0.561、0.586、0.582，內(nèi)摩擦角的正切值分別提高了25%、31%、30%，由此可知，牛筋草含根根系能在一定程度上增加內(nèi)摩擦角，但是內(nèi)摩擦角的增加隨著含根率變化而變化幅度較小。

當(dāng)土體的含水率為18%時(shí)，不含根土體的黏聚力為2.106 kPa，而含根率分別為0.5%、1%、1.5%時(shí)，牛筋草含根土體的黏聚力分別為4.243、7.121、11.694 kPa，黏聚力分別提高了101%、238%、455%。由此可知，根系能提高土體的黏聚力，含根率越大，黏聚力提高也越大。不含根土體的內(nèi)摩擦角的正切值為0.385，而含根率分別為0.5%、1%、1.5%的土體的內(nèi)摩擦角的正切值分別為0.516、0.569、0.599，內(nèi)摩擦角的正切值分別提高了34%、48%、56%，同樣能得出：牛筋草含根根系能在一定程度上增加內(nèi)摩擦角，但是內(nèi)摩擦角的增加隨著含根率變化而變化幅度較小。

由圖2可知，當(dāng)土體含水率為10%時(shí)，不含根土體的黏聚力為12.721 kPa，而含根率分別為0.5%、1.0%、1.5%時(shí)，彎葉畫眉草根系土體的黏聚力分別為24.891、35.961、46.301 kPa，黏聚力分別提高了96%、183%、264%，由此可知，少量的彎葉畫眉草根系卻能顯著提高土體的黏聚力值，且隨著含根率增加，黏聚力值增加幅度變大。不含根土體的內(nèi)摩擦角的正切值為0.511，而含根率分別為0.5%、1.0%、1.5%的土體的內(nèi)摩擦角的正切值分別為0.696、0.701、0.752，內(nèi)摩擦角的正切值分別提高了36%、37%、47%，由此可知，彎葉畫眉草根系在一定程度上能提高了土體的內(nèi)摩擦角，但隨著含根率的增加，內(nèi)摩擦角變化幅度較小。

當(dāng)土體的含水率為15%、18%時(shí)，彎葉畫眉草根系土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角的正切值變化規(guī)律和含水率10%的變化規(guī)律基本一致。

由圖3可知，地毯草含根土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角正切值變化規(guī)律和牛筋草、彎葉畫眉草的變化規(guī)律基本一致。

綜上所述，當(dāng)含水率一定時(shí)，牛筋草、彎葉畫眉草和地毯草的含根土體的黏聚力，隨著含根率增加而增加，內(nèi)摩擦角也有一定程度增加；但是，內(nèi)摩擦角增加的幅度較小，且隨著含根率增加變化幅度較小。當(dāng)含水率增加時(shí)，3種植物含根土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角的正切值均減小。當(dāng)含水率較高時(shí)，與不含根土體相比，含根土體黏聚力增加的幅度增大，且含根越多，黏聚力增加幅度越大，由此可知，隨著土體含水率增加，根系對(duì)土體的抗剪切效果更加明顯。

3種植物重塑加筋土體，在同一含水率和同一含根率下的黏聚力和內(nèi)摩擦角正切值均超過了不含根土體。從以上數(shù)據(jù)可以看出，彎葉畫眉草根系土體的黏聚力的最大，其次為地毯草，最后的是牛筋草；而3種植物根系土體內(nèi)摩擦角的正切值差異較小。

3 結(jié)論與討論

本文選擇了海南常見的牛筋草、彎葉畫眉草和地毯草的根系，對(duì)重塑根系土體在不同含水率、不同含根率情況下進(jìn)行加筋效應(yīng)分析。

3種植物的根系均能顯著提高土體的抗剪強(qiáng)度，且抗剪強(qiáng)度隨著含根率增加而增加，隨著含水率的增加而降低。在含水率為10%和15%時(shí)，彎葉畫眉草的抗剪強(qiáng)度值最大，增長(zhǎng)百分比也是最大的，其次為地毯草，最后的是牛筋草。當(dāng)含水率為18%，地毯草的抗剪強(qiáng)度最大，依次為彎葉畫眉草和牛筋草。當(dāng)含水率較高時(shí)，粗壯根系本身的抗拉能力對(duì)土體抗剪強(qiáng)度起著一定的影響，從而導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度增加。

當(dāng)垂直壓力較大時(shí)，土樣被壓實(shí)程度較大，土體本身的抗剪強(qiáng)度將增大，而根系所起的作用將減小。在垂直壓力為50 kPa時(shí)，抗剪強(qiáng)度值增長(zhǎng)的百分比最大，隨著垂直壓力增加，抗剪強(qiáng)度值增加的百分比減小。

3種植物重塑加筋土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角正切值均超過了不含根土體。彎葉畫眉草根系土體的黏聚力的最大，其次為地毯草，最后的是牛筋草，但3種植物根系土體內(nèi)摩擦角的正切值差異較小。

當(dāng)含水率一定時(shí)，3種植物含根土體的黏聚力隨著含根率增加而增加，內(nèi)摩擦角也有一定程度增加，但是增加的幅度較小，且隨著含根率增加變化幅度較小。當(dāng)含水率增加時(shí)，3種植物含根土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角的正切值均減小。但含水率較高時(shí)，含根土體與不含根土體相比，黏聚力增加的幅度增大且含根越多黏聚力增加幅度越大，即當(dāng)土體含水率較高，根系對(duì)土體的抗剪切效果更加明顯。

本文選用的彎葉畫眉草屬于叢生，須根發(fā)達(dá)，但直徑較小，而地毯草具有匍匐枝，根系直徑稍粗且韌性較好，為直根系，有主根，根數(shù)量較少，兩種植物根系對(duì)土體的加筋效果均較好，在實(shí)際應(yīng)用中可以考慮將兩種植物進(jìn)行混播，更好地提高土體抗剪強(qiáng)度。牛筋草稈叢生，須系也非常發(fā)達(dá)，直徑較粗，在實(shí)際應(yīng)用中，為提高對(duì)根系土體的抗剪強(qiáng)度，也可以和地毯草混合播種。

[1] 王元戰(zhàn)，張智凱，馬殿光，等.植物根系加筋土剪切試驗(yàn)研究綜述[J].水道港口，2012，33(4)：330-336.

[2] 鄭啟萍，徐得潛.草本植物護(hù)坡機(jī)理及其固土效應(yīng)試驗(yàn)研究[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2014，37(2)：225-228.

[3] 胡其志，周政，肖本林,等.生態(tài)護(hù)坡中土壤含根量與抗剪強(qiáng)度關(guān)系試驗(yàn)研究[J].土工基礎(chǔ)，2010，24(5)：85-87.

[4] 劉小燕，桂勇，羅嗣海,等.植物根系固土護(hù)坡抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J].江西理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，34(3)：32-37.

[5] 王元戰(zhàn)，劉旭菲，張智凱,等.含根量對(duì)原狀與重塑草根加筋土強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2015，37(8)：1405-1410.

[6] 國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局,中華人民共和國(guó)建設(shè)部.土工實(shí)驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn):GB∕T 50123-1999[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，1999：110-115.

蔣必鳳，女，1984年3月生，三亞學(xué)院管理學(xué)院，講師。E-mail：273370118@qq.com。

2017年3月15日。

Q944.54；S156

Reinforcing Effect of Herbaceous Root System on Soil//Jiang Bifeng(Sanya University, Sanya 572000, P. R. China); Wang Haibiao(Northeast Forest University); Li Shumin(Sanya University)//Journal of Northeast Forestry University，2017,45(7)：51-54，68.

1)海南省教育廳高等學(xué)?？茖W(xué)研究項(xiàng)目(hnky2015-53)。

責(zé)任編輯：王廣建。

Through directly digging the roots ofAxonopuscompressus(Sw.) Beauv.,EragrostiscurvulaandEleusineindica(L.) Gaertn from the wild, which would be mixed with red clay in Hainan area and made into remodeling reinforced soil complex, we analyzed the reinforcing effect of different species with different water ratio and different root ratio. The plant roots can significantly improve the soil shear strength, and the soil shear strength is larger when root ratio is increasing. The shear strength of the remolded reinforced soil increases with the decreasing of the water ratio. The cohesive force value of the remolded reinforced soil is larger when root ratio is increasing, and decreasing when the water ratio is increasing. The internal friction angle of remolded reinforced soil is improved in certain extent, but the changing is small. The reinforcing effect of remolded soil withEragrostiscurvulais better.