海水入侵地區(qū)濱岸生態(tài)護(hù)坡植被抗剪性能試驗(yàn)研究

韓 剛，李相然，魏新力，鄧 忠，劉 波，宋海龍

(1.山東正元地質(zhì)資源勘查有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250101； 2.煙臺(tái)大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264005)

過(guò)量開(kāi)采地下淡水的人為作用和海平面上升氣候干旱等自然因素引起地下淡水環(huán)境條件改變，造成濱岸地帶海水通過(guò)多孔介質(zhì)向內(nèi)陸方向轉(zhuǎn)移，這種海水入侵式的轉(zhuǎn)移使河口海岸地區(qū)土壤含鹽量增加，有機(jī)質(zhì)減少，生態(tài)功能危害嚴(yán)重[1]。將生態(tài)護(hù)坡配套技術(shù)應(yīng)用于治理濱岸地區(qū)海水入侵方面的研究較少[2]。植物和植物或工程組成的綜合護(hù)坡系統(tǒng)是生態(tài)護(hù)坡的主要組成部分，其護(hù)坡植被根系可形成淺根加筋、深根錨固的加筋效應(yīng)防止水土流失。植被加筋效應(yīng)在生態(tài)護(hù)坡中研究土質(zhì)、含根量以及土體含水量等方面的影響較少，使得根系和土體相互作用的機(jī)理以及根系對(duì)土體加固作用的定量化評(píng)價(jià)研究不夠深入。目前海水入侵地區(qū)植被護(hù)坡應(yīng)用還基本停留在定性和經(jīng)驗(yàn)的發(fā)展階段。

海水入侵地區(qū)常用生態(tài)護(hù)坡植被有草本、灌木和喬木3大類。其中，草本類常用植被有堿蓬、鹽蒿、紫花苜蓿、芨芨草、蘆葦、鹽地堿蓬、掃帚、拂子茅、甘草、角草、羅布麻草本樨等；灌木類常用植被有檉柳、紅砂、紫穗槐、鹽穗木、梭梭、鹽爪爪、白刺、小白果刺、沙棘等；喬木類常用植被有白柳、垂柳、樟子松、胡楊、旱柳、側(cè)柏、小青楊、祁連圓柏、臭椿等。土壤中不同植物根系分布不同，根系加固土體能力也不同。根土復(fù)合體抗剪特性研究是土體與植物根系的主要研究[3]。目前，對(duì)于植物根系提高土壤抗剪切強(qiáng)度的主要研究是灌木植物根系和喬木植物根系的錨固作用和淺根加筋作用[4]。在土體中加入草根形成一種復(fù)合材料，將根系和土體宏觀看成根土復(fù)合體[5]，土體與草根間會(huì)產(chǎn)生將土體的抗壓強(qiáng)度和草根的抗拉強(qiáng)度結(jié)合起來(lái)的摩擦力，提高土體的強(qiáng)度，減小土體變形，從而起到護(hù)坡作用[6]。土壤與根系形成的根土復(fù)合體中對(duì)根系的定量作用研究，隨著植被護(hù)坡的不斷推廣和應(yīng)用已經(jīng)成為很迫切的研究課題[7]。因此，探討在提高土壤抗剪強(qiáng)度方面根系作用的大小，為植被固土護(hù)坡提供依據(jù)，具有重要的理論和實(shí)踐意義。

1 生態(tài)護(hù)坡植被抗剪性能工作原理

檉柳具有地下根系發(fā)達(dá)、地上部分樹(shù)身質(zhì)量小、風(fēng)的阻力小等優(yōu)點(diǎn)，采用操作簡(jiǎn)便的直接剪切試驗(yàn)，對(duì)檉柳根系與土壤形成的根土復(fù)合體進(jìn)行抗剪強(qiáng)度研究。其工作原理為：給根土復(fù)合體試樣在垂直方向施加一定的垂直應(yīng)力，然后對(duì)在水平方向?qū)υ嚇泳徛┘蛹魬?yīng)力進(jìn)行剪切。由于施加的剪應(yīng)力在試驗(yàn)開(kāi)始階段較小，試樣處于彈性平衡狀態(tài)，會(huì)產(chǎn)生較小的變形，當(dāng)水平方向上的剪應(yīng)力達(dá)到某一限度時(shí)，試樣變形過(guò)大土樣開(kāi)始破壞，土樣不能抵抗更大的剪切變形，直到達(dá)到新的塑性平衡。此時(shí)，破壞時(shí)的抗剪強(qiáng)度就是土體抗剪強(qiáng)度。土顆粒之間的黏聚力和摩阻力共同組成土體的抗剪強(qiáng)度[8]，其計(jì)算公式如下：

τ=C+σtanφ

(1)

式中，τ為抗剪強(qiáng)度；C為黏聚力；σ為法向應(yīng)力；φ為內(nèi)摩擦角。

本文通過(guò)室內(nèi)直接剪切試驗(yàn)，研究檉柳根系對(duì)檉柳種植地裸地土壤抗剪強(qiáng)度的定量影響。由于根土復(fù)合體原狀土不方便帶回室內(nèi)進(jìn)行快剪試驗(yàn)，且快剪試驗(yàn)需要采集較多的試樣，在野外試驗(yàn)受到時(shí)間、環(huán)境條件和試驗(yàn)設(shè)備限制的條件下，本次試驗(yàn)采用制備的擾動(dòng)土樣進(jìn)行。

2 試樣采取與制備

在距離標(biāo)準(zhǔn)株檉柳50 cm處開(kāi)挖1個(gè)長(zhǎng)100 cm、寬50 cm、深100 cm的長(zhǎng)方體坑槽，在靠近檉柳根系一側(cè)的坑槽壁處按照每30 cm選取1個(gè)橫截面，在選取的3個(gè)橫截面處分別用橫截面積為30 cm2、高2 cm的環(huán)刀切取無(wú)檉柳根系的原狀砂質(zhì)粉土試樣。選取砂質(zhì)粉土均勻試樣、無(wú)裂縫等具有代表性的土樣，此原狀砂質(zhì)粉土作為無(wú)根系分布的直剪試驗(yàn)試樣。同時(shí)，在選取的3個(gè)橫截面處每層再取3個(gè)重復(fù)土樣，用來(lái)測(cè)定土樣的干密度和含水量[9]。經(jīng)過(guò)土樣基本物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，選用的砂質(zhì)粉土指標(biāo)：密度2.0 g/cm3；含水率19.0%；液限24.1%；塑限15.2%；換算孔隙比為0.62；內(nèi)摩擦角33.09°；黏聚力2.7 kPa。試驗(yàn)用土依照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)[10]擾動(dòng)土樣的制備程序來(lái)進(jìn)行處理：首先，將土樣放入烘箱在恒溫110 ℃條件下烘干8 h，將烘干后的土樣取出放到橡皮板上，用木碾碾散過(guò)2 mm篩；其次，取適量過(guò)篩后的烘干土，將土樣鋪到不吸水的鐵盤(pán)內(nèi)，按照設(shè)計(jì)含水量計(jì)算所需加水量，噴灑計(jì)算加水量并將水和土充分拌合均勻。其中，噴灑所需加水量計(jì)算公式：

(2)

式中，mw為土樣所需加水量；m為天然土樣質(zhì)量；w0為天然含水率；w′為土樣所要求含水率。

使用野外采集的天然土樣，按照測(cè)定的天然土樣含水量制備素土和加檉柳根系的根土復(fù)合體。制備素土試樣根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)進(jìn)行；制備根土復(fù)合體試樣，在考慮環(huán)刀的規(guī)格和自然狀態(tài)下，根據(jù)檉柳根系的密度條件進(jìn)行布設(shè)。由于在自然狀態(tài)不同檉柳植被根系密度不同，并且考慮到環(huán)刀規(guī)格和試樣制備的效果，故在每個(gè)環(huán)刀內(nèi)只布設(shè)4條檉柳根系進(jìn)行試驗(yàn)研究，根系長(zhǎng)設(shè)計(jì)長(zhǎng)度與環(huán)刀高度相同。直剪試驗(yàn)過(guò)程和試樣制備均以《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)[10]為依據(jù)。試樣制備情況見(jiàn)表1。

表1 試樣制備情況

3 試驗(yàn)儀器及方法

研究使用DJY-4L型四聯(lián)等應(yīng)變控制式電動(dòng)直剪儀對(duì)素土和根土復(fù)合體進(jìn)行快剪試驗(yàn)，采用的快剪試驗(yàn)是測(cè)定土樣預(yù)定剪切面上抗剪強(qiáng)度最簡(jiǎn)單的方法，試樣規(guī)格為高度2.0 cm、直徑6.18 cm，截面積30 cm2(圖1)。

圖1 根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)

快剪試驗(yàn)是在對(duì)試樣施加豎向壓力后，在水平方向立即以0.8 mm/min的剪切速率快速施加水平剪力使試樣剪切破壞。每轉(zhuǎn)動(dòng)0.20 mm記錄測(cè)力計(jì)讀數(shù)，直到試樣剪切損壞為止。一般以剪切位移達(dá)到4 mm時(shí)為剪切破壞標(biāo)準(zhǔn)，剪切破壞用時(shí)3～5 min，快剪試驗(yàn)近似模擬“不排水剪切”過(guò)程，試驗(yàn)過(guò)程中，各組試樣進(jìn)行快剪試驗(yàn)，每組試驗(yàn)剪切分別采用50、100、150、200 kPa的4個(gè)垂直壓力做4個(gè)荷載的試樣[11]，得到不同垂直壓力下的剪應(yīng)力。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)線性回歸擬合，推算出每組土樣的內(nèi)摩擦角和黏聚力C值[12]。根土復(fù)合體在剪應(yīng)力作用下發(fā)生剪切變形時(shí)，不僅土粒與土粒間會(huì)產(chǎn)生摩擦作用，且土粒與根系之間也會(huì)產(chǎn)生，所以內(nèi)摩擦角值實(shí)質(zhì)是代表根土復(fù)合體的內(nèi)摩擦角。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

(1)不同含根量對(duì)根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的影響。根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，當(dāng)土樣的含水率為19.4%時(shí)，檉柳根系隨著質(zhì)量變化的快剪試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果如圖2—圖5所示。

圖4 不同含根量對(duì)應(yīng)的內(nèi)摩擦角

圖5 相同含根量在不同法向應(yīng)力下的剪應(yīng)力

由圖2、圖5可知，在法向應(yīng)力相同的情況下，隨著檉柳根系質(zhì)量的增加根土復(fù)合體的剪應(yīng)力先增加后減小，存在檉柳根系質(zhì)量的臨界含根量即峰值0.6 g/60 cm3。分析原因可知：當(dāng)檉柳根系含量較小時(shí)，根系深入土體形成根土復(fù)合體，通過(guò)增大相互之間的接觸面積充分發(fā)揮相互之間的摩擦作用，同時(shí)，根土復(fù)合體使土體的抗剪能力與根系的抗剪能力共同作用，約束土體在橫向和軸向的變形，并且隨著含根量的增大抗剪強(qiáng)度也增大，直到根土復(fù)合體達(dá)到臨界含根量，此時(shí)抗剪強(qiáng)度達(dá)到一個(gè)峰值；當(dāng)根土復(fù)合體的含根量超過(guò)臨界含根量時(shí)，過(guò)量的自身相互交錯(cuò)根系深入土體，不能保證每個(gè)根系與土體充分接觸，兩者無(wú)法充分接觸，就不能夠充分發(fā)揮每根根系的加筋作用，相互錯(cuò)動(dòng)的根系使橫向約束變形能力下降，φ值和C值減弱，抗剪強(qiáng)度降低。并且從圖5曲線的右端可以看出，剪應(yīng)力呈上升趨勢(shì)，曲線在縱軸截距也不斷減小，這說(shuō)明隨著含根量的增加，土體的黏聚力C值有著不同程度降低[13]。

由圖3、圖4可知，當(dāng)含根量在0.0 g/60 cm3～0.6 g/60 cm3～1.0 g/60 cm3變化時(shí)，C值的變化明顯(2.7 kPa～47.6 kPa～30.0 kPa)，先增加后減小，且在黏聚力方面無(wú)根系土體均小于含根系土體；φ值的變化基本上保持不變，維持在33.09°～25.95°～27.94°，即30.0°左右。

(2)土體不同含水量對(duì)根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的影響。通過(guò)分析不同含根量對(duì)根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的影響，選取最佳含根量0.6 g/60 cm3，以含水量19.4%為中心、含水量3%左右作為間距，相應(yīng)地制備5組不同含水量的試樣進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)每組試樣中的4個(gè)試樣測(cè)定含水量，取其平均值作為該組試樣的含水量。含水量與對(duì)應(yīng)的直剪試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果如圖6—圖9所示。

圖6 不同含水量在相同法向應(yīng)力下的剪應(yīng)力

圖7 相同含水量在不同法向應(yīng)力下的剪應(yīng)力

由圖6—圖9可知，隨著土體含水量的增加，根土復(fù)合體的剪應(yīng)力和黏聚力先增加后減小，變化明顯，而根土復(fù)合體的內(nèi)摩擦角變化不明顯，維持在30.0°左右。這是因?yàn)楫?dāng)土體含水量比最優(yōu)含水量19.4%大或小時(shí)，在同一擊實(shí)次數(shù)(25次)條件下，隨土體含水量接近最優(yōu)含水量，土中孔隙率變小，密實(shí)度增大，土顆粒相互之間的鑲嵌能力增大，土體抵抗變形的能力增強(qiáng)；同時(shí)，土體與根系之間的接觸表面積也增大，使土體與根系能夠充分接觸，根土復(fù)合體的黏聚力C值增大，抗剪強(qiáng)度增加。因此，在土體最優(yōu)含水量的附近進(jìn)行河道植物護(hù)坡防護(hù)壓實(shí)和路堤植物邊坡工程，可提高植物護(hù)坡穩(wěn)定性[14]。

圖8 含根量0.6 g/60 cm3在不同含水量下的黏聚力

圖9 含根量0.6 g/60 cm3在不同含水量下的內(nèi)摩擦角

(3)土體中檉柳根系不同徑級(jí)對(duì)根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的影響。通過(guò)分析土體不同含水量對(duì)根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的影響，控制含水量為19.4%，選取根系徑級(jí)分別為0.8、1.2、1.5、2.4、3.5、4.0、5.0 mm的檉柳，研究檉柳根系徑級(jí)的變化對(duì)根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的影響。直剪試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果如圖10—圖13所示。由圖10—圖13可知，在法向應(yīng)力相同條件下，檉柳根系的加入可提高土體的抗剪強(qiáng)度，而且隨著豎向壓力的增大，抗剪強(qiáng)度提高的幅度更大。一般來(lái)說(shuō)，土壤根系固土包括根系本身固土能力和土壤與根系形成復(fù)合有機(jī)整體2個(gè)方面，即根系的存在能將周?chē)令w粒凝聚在一起，同時(shí)周?chē)耐令w粒可以將根系層層包住，將根系錨固在土壤中，產(chǎn)生顯著的加筋作用，增加土體的黏聚力，提高土體的抗剪強(qiáng)度。同時(shí)，從圖10可看出，隨著根系徑級(jí)的增大，根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度也提高；但是，當(dāng)根系徑級(jí)超過(guò)某一極限時(shí)，根系則會(huì)對(duì)土體的抗剪性能產(chǎn)生負(fù)面影響，即降低土體的抗剪強(qiáng)度、影響根系自身的生長(zhǎng)和發(fā)育[15]。

圖10 不同豎向應(yīng)力下不同根系徑級(jí)的抗剪強(qiáng)度曲線

圖11 根系徑級(jí)與擾動(dòng)土的黏聚力的關(guān)系曲線

圖12 根系徑級(jí)與擾動(dòng)土的內(nèi)摩擦角根系曲線

圖13 不同根系徑級(jí)下擾動(dòng)土抗剪強(qiáng)度關(guān)系曲線

當(dāng)土體的含水率、密度和體積一定時(shí)，根據(jù)圖10、圖11，對(duì)比檉柳根系不同徑級(jí)對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響，分析內(nèi)摩擦角φ和黏聚力C的關(guān)系曲線可看出，在一定程度上，根土復(fù)合體的黏聚力C值隨著根系徑級(jí)增大而增大，二者成正相關(guān)。C值在根系徑級(jí)為3.5 mm時(shí)呈最大；當(dāng)根系徑級(jí)大于3.5 mm時(shí)，C值逐漸減小。分析其原因，認(rèn)為是根系與土體之間的結(jié)合隨著根系徑級(jí)的增大而變?nèi)?，造成根土?fù)合體的抗剪強(qiáng)度下降。

通過(guò)根系質(zhì)量變化與根系徑級(jí)相對(duì)應(yīng)的質(zhì)量變化對(duì)比可知，內(nèi)摩擦角φ值的變化和黏聚力C值的變化基本相符，說(shuō)明存在最優(yōu)含根量，即在最優(yōu)含根量以下時(shí)，抗剪強(qiáng)度與根系質(zhì)量呈正相關(guān)；但最優(yōu)含根量以上時(shí)，抗剪強(qiáng)度與根系質(zhì)量呈負(fù)相關(guān)。

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

(1)根系與土體形成根土復(fù)合體，在一定程度上能夠提高土體的抗剪強(qiáng)度，改善土體的力學(xué)特性。較均勻的含根系土體抗剪強(qiáng)度也符合摩爾—庫(kù)侖強(qiáng)度曲線，并且根土復(fù)合體的黏聚力C值均高于無(wú)根系土體的黏聚力C值，內(nèi)摩擦角φ值變化規(guī)律不明顯。

(2)根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度隨含根量的增加而增大，但當(dāng)根系含量達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，超過(guò)此數(shù)值的根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度隨含根量的增加有下降趨勢(shì)，即存在最佳含根量。

(3)在最優(yōu)含水量的條件下，根土復(fù)合體的黏聚力和剪應(yīng)力達(dá)到最大值，因此，在土體最優(yōu)含水量的附近進(jìn)行河道植物護(hù)坡防護(hù)壓實(shí)和路堤植物邊坡工程，可提高植物護(hù)坡穩(wěn)定性效果。

(4)在一定程度上，根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度隨根系徑級(jí)的增大而增大；但當(dāng)根系徑級(jí)達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，超過(guò)這個(gè)數(shù)值極限，則隨著徑級(jí)的增大其抗剪強(qiáng)度逐漸減小。

(5)通過(guò)根系質(zhì)量變化與根系徑級(jí)相對(duì)應(yīng)的質(zhì)量變化的對(duì)比可知，內(nèi)摩擦角φ值的變化和黏聚力C值的變化基本相符，說(shuō)明存在最優(yōu)含根量，即在最優(yōu)含根量以下時(shí)，抗剪強(qiáng)度與根系質(zhì)量呈正相關(guān)；但最優(yōu)含根量以上時(shí)，抗剪強(qiáng)度與根系質(zhì)量呈負(fù)相關(guān)。

通過(guò)以上試驗(yàn)的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)檉柳根系的采用不僅對(duì)邊坡的表層土具有一定的加固作用，而且檉柳植被可以改善生態(tài)環(huán)境，有利于生態(tài)護(hù)坡的穩(wěn)定。

5.2 建議

(1)將生態(tài)護(hù)坡植被應(yīng)用于治理濱岸地區(qū)海水入侵，其根土復(fù)合體提高土體抗剪強(qiáng)度的研究是綜合性研究，本文只是研究灌木種類檉柳根系對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響，在實(shí)際工程應(yīng)用中，需要各種喬木、灌木和草本綜合混播，其混播情況對(duì)根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的影響有待于進(jìn)一步深入研究。

(2)植物在不同的生長(zhǎng)發(fā)育階段，其根土復(fù)合體存在顯著的時(shí)空特征，根與土相互作用的力學(xué)特性或根對(duì)土的增強(qiáng)作用效果不同，因此，植物不同生長(zhǎng)期的根土復(fù)合體相互作用力學(xué)特性需要深入研究評(píng)價(jià)，以確定其對(duì)加固邊坡的貢獻(xiàn)。

(3)為提高生態(tài)護(hù)坡技術(shù)在治理海水入侵方面的效果，其植物護(hù)坡技術(shù)除考慮植物本身外，還應(yīng)考慮影響邊坡穩(wěn)定性的地形、氣候、地質(zhì)和水文條件等自然因素。