灌木檸條錦雞兒根-黃土狀鹽漬土界面相互作用力學特性

劉亞斌, 王 芃, 王 舒, 石 川, 朱海麗,3, 李國榮,3, 胡夏嵩,3

(1.巖土鉆掘與防護教育部工程研究中心, 武漢 430074; 2.青海大學 地質工程系,西寧 810016; 3.青藏高原北緣新生代資源環(huán)境重點實驗室, 西寧 810016)

植物通過力學效應和水文效應兩方面的作用，能夠有效地控制水土流失、淺層滑坡等地質災害現(xiàn)象的發(fā)生[1-2]。因植物根系較土體而言具有顯著較高的抗拉強度，故當含有植物根系的土體受到剪切或張拉作用時，在根-土界面摩阻力的作用下，根系能夠將土體內部剪切面上的剪應力和張裂面上的張應力轉化為自身所承受的拉應力，并再次通過根-土界面摩阻力將拉應力傳遞至穩(wěn)定土體，從而起到增強土體抗剪強度和提高邊坡穩(wěn)定性的效果[3-4]。因此，根-土界面相互作用力學特性在很大程度上決定著植物根系的固土護坡效果[5-6]。

有關根-土界面相互作用力學特性研究方面，格日樂等[6]在開展檸條(CaraganamicrophyllaLam.)等6種植物單根抗拉力學特性、根-土復合體抗剪特性及根-土界面摩擦特性等研究的基礎上，通過主成分分析評價了根系固土主要力學因子，研究結果指出在春季土壤干旱時期土壤孔隙水不承壓和夏季暴雨后土壤含水量很高土壤孔隙水承壓兩種自然條件下，根-土界面摩擦特性均為影響根系固土的首要主導力學因子。Ennos[7]指出當根系被拔出土體時其拉應力會通過根-土間的剪應力傳遞給土體，且單根拉應力的分布取決于土體和根的剛度，根的破壞模式則取決于土體強度和根-土界面的黏結力。Zhou[8]和劉躍明[9]等把牽拉土壤中的根時阻礙土體與根相互滑動的作用因素統(tǒng)稱為根-土黏合鍵，并進一步將其分為黏結型根-土黏合鍵、摩擦型根-土黏合鍵和剪切型根-土黏合鍵，同時提出可假設摩擦型根-土黏合鍵的破壞實際上是根-土界面上微觀土層被破壞。邢會文[10]采用電子顯微鏡觀察圖像定量評價了沙地柏(SabinavalgarisAnt.)和沙柳(SalixpsammophilaC. Wang et C. Y. Yang)兩種植物在不同根徑級別條件下表面凹凸度及其差異性。劉亞斌等[11]采用掃描電鏡觀察方法分析了生長期為2 a的灌木植物檸條錦雞兒(CaraganakorshinskiiKom.)和霸王(Zygophyllumxanthoxylonmaxim.)根表面、與根接觸土體表面、未與根接觸土體表面的微觀結構特征及其對根-土界面摩擦特性的影響，研究結果表明灌木根生長過程中對與其接觸的土體表面存在平整化作用，平整化后的與根接觸土體表面粗糙度顯著降低，根-土界面摩擦特性主要取決于根表面粗糙程度。

在根-土界面相互作用力學特性影響因素研究方面，宋維峰[12]、格日樂[13]、邢會文[14]和蘇禹[15]等通過根-土界面直剪試驗，研究了不同植物(灌木和喬木)種類、法向應力、土體密度、土體含水量和土質類型對根-土界面摩擦特性的影響。曹云生[16]、劉小光[17]和鄭力文[18]等則進一步通過單根垂直拉拔試驗系統(tǒng)性地研究了加載速率、埋深、根徑對油松(Pinustabulaeformis)和白樺(Betulaplatyphylla)等木本植物根-土界面摩擦特性的影響，并通過單根拉拔力-位移曲線，探討了根系被拔出土體的力學過程。

在根-土界面相互作用力學模型方面，解明曙[5]從根系與黃土界面摩擦特性分析著手，提出了基于全株拉拔試驗的根-土間綜合靜摩擦系數(shù)計算方法，即綜合μx法，通過該方法得出生長期為5～34 a的喬木白榆(Ulmuspumila)根-土間靜摩擦系數(shù)為0.383～0.775。Schwarz等[19]建立了考慮根-土界面摩擦過程的Root Bundle Model(RBM)模型，通過該模型能夠獲得應變控制變形過程中單根或根系的拉拔力-位移曲線，從而描述單根或根系在被拔出土體過程中的力學行為。周云艷[4]將根系拔出土體的過程看作根系與其周圍土體介質間的剪切滑移過程，指出根-土界面的抗剪強度由界面摩擦作用和黏結作用耦合而成，在此基礎上提出了考慮根-土界面黏聚力和摩擦系數(shù)的根系極限抗拔出力計算公式。

研究區(qū)西寧盆地位于青藏高原東北部與黃土高原西緣交接地帶，盆地及周邊普遍發(fā)育有黃土狀鹽漬土[20-21]，且水土流失、滑坡、崩塌、泥石流等地質災害頻繁發(fā)生[22]。灌木植物是西寧盆地及其周邊地區(qū)主要的天然和人工植被類型，同時亦為區(qū)內生態(tài)恢復、水土保持和固土護坡的優(yōu)勢植物。目前，有關西寧盆地優(yōu)勢灌木植物固土護坡力學特性研究方面主要集中在單根抗拉力學特性[23]、根-土復合體力學特性[24]、根系原位抗拔出特性等方面[25]，而有關區(qū)內灌木植物根-土界面相互作用力學特性的研究還相對較少。此外，已有的有關根-土界面相互作用力學特性影響因素方面的研究，多以土體密度和含水量等土體物理特性指標為因素開展相關研究，而有關土體含鹽量對根-土界面相互作用力學特性影響規(guī)律方面的研究還鮮有報道?；诖耍卷椦芯客ㄟ^單根拉拔試驗，較為系統(tǒng)性地評價了土體密度、含水量、含鹽量以及根徑對單根最大抗拔出力的作用規(guī)律，在此基礎上提出垂直單根最大抗拔出力計算模型，并結合拉拔試驗結果探討上述因素對根-土界面相互作用力學特性及單根最大抗拔出力的影響機理。本項研究對于探討黃土區(qū)灌木植物根系固土護坡力學機理，以及科學有效地防治黃土狀鹽漬土地區(qū)水土流失、淺層滑坡等地質災害現(xiàn)象具有理論意義和實際應用價值。

1 試驗材料與方法

該研究選取西寧盆地常見的護坡灌木植物檸條錦雞兒根系作為試驗材料。檸條錦雞兒為豆科錦雞兒屬多年生落葉灌木，根系為主直根型，根系發(fā)達，主根深，側根多，屬主根側根均衡發(fā)育型灌木[11]。檸條錦雞兒具有很強的抗寒、抗旱、耐風蝕能力，能在高寒地區(qū)的沙地和土坡中正常生長[26]。該種為寒冷和干旱地區(qū)水土保持、穩(wěn)定邊坡的優(yōu)良灌木[11]。該項研究中，根系于2020年9月采集自西寧市湟中區(qū)顧家?guī)X村東側村道失穩(wěn)路塹邊坡處，地理坐標為東經101°43′19″，北緯36°44′24″。因夏季降雨導致該處部分黃土邊坡局部失穩(wěn)，使生長于坡頂且鄰近坡面的檸條錦雞兒根系暴露出土體，便于采集。在野外將檸條錦雞兒根系處理成長度為40～50 cm的順直根段，然后帶回實驗室備用。試驗所需黃土狀鹽漬土試樣采集自西寧市長嶺溝，土體物理特性指標詳見表1。土體試樣取回實驗室后，烘干碾散后過2 mm篩備用。

表1 土體物理特性指標

該項研究以土體密度、含水量、含鹽量和根徑4種因素作為變量，開展單因素變化條件下的單根拉拔試驗。開展不同土體密度條件下的單根拉拔試驗時，設置5個土體密度梯度分別為1.20，1.30，1.40，1.50，1.60 g/cm3，土體含水量和含鹽量分別恒定為14.00%和0.59%；開展不同土體含水量條件下的單根拉拔試驗時，設置5個土體含水量梯度分別為6.00%，10.00%，14.00%，18.00%，22.00%，土體密度和含鹽量分別恒定為1.40 g/cm3，0.59%；開展不同土體含鹽量條件下的單根拉拔試驗時，設置4個土體含鹽量梯度分別為0.59%，1.00%，1.50%，2.00%，土體密度和含水量分別恒定為1.40 g/cm3，14.00%。試驗采用無水硫酸鈉(Na2SO4)作為配置不同含鹽量土體試樣的易溶鹽添加材料。配置時，直接在最低含鹽量梯度烘干土體中定量添加無水硫酸鈉(Na2SO4)粉末，使土體含鹽量達到試驗要求。以上試驗中，每個條件下的拉拔試驗均選擇平均根徑相近似的3根單根根段重復3次，并以3次試驗平均值作為該試驗條件下的單根最大抗拔出力進行數(shù)據分析。開展不同根徑條件下的單根拉拔試驗時，土體含水量、含鹽量和密度分別恒定為14.00%，0.59%和1.40 g/cm3，共選擇19根平均根徑范圍為2.74～9.57 mm的根段進行試驗。上述試驗中，單根平均根徑指入土段根段每5 cm根徑測量值的平均值，采用游標卡尺測定。

單根拉拔試驗開始前，首先將提前配置好的一定含水量和含鹽量的土體試樣按質量分成5份，然后采用分層擊實法將各份土體依次置入試驗桶內(試驗桶直徑35 cm、高為35 cm)，控制試驗桶內土體試樣深度為25 cm。擊實過程中，每層土體厚度控制在(5.00±0.30) cm。在將上一層土體放入試驗桶之前，需使用刮刀刨毛下一層土體表面。為使土體和根段充分接觸，在試驗桶內置入土體試樣的過程中，亦同時置入根段，具體操作方法如下：在最下一層土體置入試驗桶的同時，將根段放置在試驗桶中心，根段底部接觸試驗桶底面，然后壓實根周土體至設定高度，再依次置入上層土體。上述試樣準備過程中需保持根段處于鉛直狀態(tài)。單根拉拔試驗采用的拉拔儀器為HP-K型數(shù)顯式推拉儀，儀器最大負荷1 kN，精度±0.50%，分度值為0.000 1 kN。拉拔試驗過程中，為盡量避免人為誤差，所有試驗均由同一人完成根系拉拔操作。當根段發(fā)揮出最大抗拔出力時結束拉拔試驗。

2 結果與分析

2.1 單根最大抗拔出力與土體密度的關系

由圖1可知，在根徑為(3.97±0.19) mm，土體含水量(14.00%)和含鹽量(0.59%)一定的情況下，隨著土體密度由1.20 g/cm3增長至1.60 g/cm3，單根最大抗拔出力由(28.60±2.83) N增長至(114.33±7.17) N，增幅可達299.76%。隨著土體密度的逐漸增大，單根最大抗拔出力呈指數(shù)函數(shù)增長趨勢。由相關分析可知，單根最大抗拔出力與土體密度的相關系數(shù)為0.93，屬于高度正相關關系[27]。此外，有關植物單根抗拔出力與土體密度的關系，與本項研究結果相類似的相關研究主要表現(xiàn)為：鄭力文等[18]通過單根垂直拉拔試驗研究了土體干密度對油松根-土界面摩擦特性的影響，試驗結果表明在土體含水量為12.72%的情況下，隨著土體干密度由1.32 g/cm3增長到1.52 g/cm3，單根最大抗拔出力呈逐漸增大的變化趨勢。李東嶸[28]通過垂直拉拔試驗得出在土體含水量為9.89%，土體密度由1.25 g/cm3增長到1.52 g/cm3條件下，紫花苜蓿(MedicagosativaL.)和沙棘(Hippophaerhamnoides)單根最大抗拔出力均隨著土體密度的增大呈正冪函數(shù)關系。

圖1 單根最大抗拔出力與土體密度關系

2.2 單根最大抗拔出力與土體含水量的關系

由圖2可知，在根徑為(4.42±0.16) mm，土體密度(1.40 g/cm3)和含鹽量(0.59%)一定的情況下，當土體含水量由6.00%增長到22.00%時，單根最大抗拔出力由(152.80±10.07) N降低至(31.50±5.53) N，降幅達到79.38%。隨著土體含水量的逐漸增大，單根最大抗拔出力呈指數(shù)函數(shù)降低趨勢。由相關分析可知，單根最大抗拔出力與土體含水量的相關系數(shù)為-0.96，屬于高度負相關關系[27]。

有關植物單根抗拔出力與土體含水量的關系，與本項研究結果相類似的相關研究主要表現(xiàn)為：張興玲等[29]通過水平拉拔試驗研究了檸條錦雞兒根系最大抗拔出力與黃土含水量的關系，試驗結果表明，在不同的垂直壓力條件下(1.22～51.22 kN)，隨著土體含水量的增加，根系最大抗拔出力呈逐漸降低趨勢。周霞[30]通過原位拉拔試驗研究了紫花苜蓿單根抗拔出力與黃土含水量的關系，結果表明單根最大抗拔出力隨土體含水量的增大呈冪函數(shù)減小趨勢。此外，曹云生[16]、鄭力文[18]和楊聞達[31]等學者的研究指出，隨著土體含水量的逐漸增大，單根最大抗拔出力呈先增大后減小的變化趨勢；Mickovski等[3]的試驗研究亦得到在含水量較高的土體中的單根最大抗拔出力高于干土的結果。以上研究成果與本項研究成果存在一定的差異性，究其原因，與試驗土體類型存在差異性有關。以上學者的試驗采用的是砂壤土[16,18]、砂土[3]或黏土[31]，而本項研究中采用的黃土狀鹽漬土土質類型為粉土。在不同的土體類型中，水分的分布特征及其對土體物理力學特性的影響存在差異性，因此會導致根-土界面相互作用力學過程的差異。

圖2 單根最大抗拔出力與土體含水量關系

2.3 單根最大抗拔出力與土體含鹽量的關系

由圖3可知，在根徑為(4.42±0.16) mm，土體密度和土體含水量恒定為1.40 g/cm3，14.00%時，隨著土體含鹽量由0.59%增長至2.00%，單根最大抗拔出力呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，且在含鹽量為1.00%時，單根最大抗拔出力達到峰值，為(61.20±0.94) N。單根最大抗拔出力與土體含鹽量的關系符合二次函數(shù)關系。

圖3 單根最大抗拔出力與土體含鹽量關系

2.4 單根最大抗拔出力與根徑的關系

單根最大抗拔出力和根徑的關系見圖4。由圖4可知，在土體密度、含水量和含鹽量分別為1.40 g/cm3，14.00%和0.59%時，在根徑為2.74～9.57 mm范圍內，隨著單根根徑逐漸增大，單根最大抗拔出力表現(xiàn)出逐漸增大的變化趨勢，由25.20 N增長到97.10 N，二者間呈線性函數(shù)關系。通過進一步開展相關分析可知，單根最大抗拔出力與根徑的相關系數(shù)為0.78，屬于中度正相關關系[27]。此外，有關植物單根抗拔出力與根徑的關系，與本項研究結果相類似的相關研究主要表現(xiàn)為：曹云生等[16]采用不同根徑的油松單根開展了單根拉拔試驗，結果表明隨著單根根徑的增大，單根最大抗拔出力呈線性增長趨勢。

圖4 單根最大抗拔出力與根徑關系

3 垂直單根最大抗拔出力計算模型

諸多研究結果表明，根-土界面摩擦特性服從摩爾-庫侖理論[10,12]，即根-土界面抗剪強度由黏聚力和界面摩擦角耦合構成[4]。結合已有的研究[4,8-9]，本研究指出對于垂直單根，可將單根最大抗拔出阻力主要來源分為以下5種類型，即：根-土界面化學黏著力、表觀黏聚力、靜摩擦力、動摩擦力，以及根周土體抗剪強度。其中，根-土界面化學黏著力是指在根系生長過程中根表面分泌的化學物質(包括有機酸、糖類、氨基酸和高分子分泌物等)以及土體中易溶鹽和有機質等成分所產生的膠凝作用；根-土界面表觀黏聚力則包括土顆粒和根表面接觸位置毛細水表面張力作用所引起的濕吸力[32]和因根-土界面凹凸不平相互嵌固咬合所引起的強度[33]；根-土界面靜摩擦力由根-土界面間正應力和界面粗糙程度決定，當根-土間剪應力超過最大靜摩擦力時，根-土間發(fā)生相對滑動，根-土界面摩擦力由靜摩擦力轉化為動摩擦力。此外，當局部根段根-土界面上的剪切強度高于根周土體抗剪強度時，根周土體會先于根-土界面發(fā)生剪切破壞，故該部分根段上的抗拔出阻力實際上由土體抗剪強度提供，這也是試驗中部分被拔出土體單根表面附著有土體的原因。上述抗拔出阻力中，根-土界面化學黏著力、表觀黏聚力，以及局部根周土體黏聚力組成了根-土界面間的實際黏聚力；而根-土間的靜摩擦強度和土體內摩擦強度則貢獻了根-土界面間的靜摩擦阻力。

在上述理論分析的基礎上，垂直單根最大抗拔出力計算模型推導過程如下：首先，由于根-土間的實際黏聚力由根-土界面化學黏著力、表觀黏聚力，以及局部根周土體黏聚力組成，為便于簡化計算，本文將根-土間的實際黏聚力定義為根-土間綜合黏聚力，以crs表示。同理定義φrs為根-土間綜合摩擦角，表示根-土間的靜摩擦力對應的摩擦角和根周土體內摩擦角的綜合作用值。根-土間摩擦強度可由式(1)表示。

τrs=crs+σrstanφrs

(1)

式中:τrs為根-土界面抗剪強度(kPa);crs為根-土間綜合黏聚力;σrs為作用在根-土界面上的法向應力;φrs為根-土間綜合摩擦角(°)。

對于垂直生長于土體中的單根而言，其表面所承受正應力來自土體靜止土壓力作用，因此，埋深為z的根-土界面單元上的抗剪強度可表示為：

τrs=crs+K0γztanφrs

(2)

式中:K0為靜止土壓力系數(shù);γ為土體重度(kN/m3)；z為根-土界面單元距地表距離(m)。

假設根系垂直埋置深度為l，根徑為D，則單根最大抗拔出力計算模型如下[式(3)是在周云艷[4]提出的根系極限抗拉拔力計算模型基礎上，考慮靜止土壓力作用的條件下提出的]：

crsπDl+tanφrsK0πDγl2/2

(3)

在已知根系垂直埋置深度的前提下，通過式(3)計算單根最大抗拔出力時存在兩個未知量，即根-土間綜合黏聚力和根-土間綜合摩擦角。由于根-土界面剪切過程的復雜性，因此很難定量確定根-土界面黏聚力、摩擦角和根周土體黏聚力、內摩擦角在根-土間綜合黏聚力和根-土間綜合摩擦角中的分配比例。因此，通過根-土界面直剪試驗獲得根-土間綜合黏聚力和根-土間綜合摩擦角，并以此作為單根最大抗拔出力計算參數(shù)則較為合理。公式(3)使用的前提是根-土界面摩阻力與拉拔力滿足靜力平衡條件，不考慮根系與土體的彈塑性特性。

4 討 論

研究結果表明，在土體含水量、含鹽量和根徑一定的條件下，隨著土體密度的增大，單根最大抗拔出力隨之增大。這是因為隨著土體密度增大，土體孔隙度降低，顆粒間的排列更為緊密，嵌固更為牢固，土體自身抗剪強度亦隨之提高。同時，根-土界面上根表面和土顆粒接觸面積會增大。因此，根-土界面咬合作用更為有效，表觀黏聚力和靜摩擦力均增大，故單根最大抗拔出力表現(xiàn)出隨土體密度增大指數(shù)函數(shù)增長的趨勢。

該項研究結果表明，在土體密度、含鹽量和根徑一定的情況下，隨著土體含水量的增加，單根最大抗拔出力呈指數(shù)函數(shù)降低趨勢。這是因為該項研究采用重塑土試樣進行試驗，因此土體孔隙類型主要以粒間小孔隙為主，由于在含水量較低(該項試驗為6.00%)的情況下，小孔隙處顆粒以及土顆粒與根表面接觸相對緊密，故土顆粒間和根-土界面間由易溶鹽黏結所形成的黏結力和毛細水表面張力作用所引起的濕吸力相對較大。隨著土體含水量的增高，濕吸力下降的同時由于可溶鹽的溶解，導致根-土界面黏聚力和土體黏聚力均降低[34]，其結果是根-土間綜合黏聚力降低。與此同時，隨著含水量增加，黏土顆粒表面結合水層厚度會增大，且根-土界面間和顆粒間會產生自由水，并進一步溶解土體中的易溶鹽并形成膠體溶液，在根-土界面和土顆粒之間產生潤滑作用，從而降低其摩擦特性，導致根-土界面摩擦強度降低。因此，總體而言，在其他條件一定的條件下，隨著土體含水量增加，單根最大抗拔出力逐漸降低。

含鹽量對單根最大抗拔出力的影響，與土體中易溶鹽相態(tài)變化存在關系。該項研究中，在土體含水量(14.00%)、密度(1.40 g/cm3)和根徑一定的條件下，當土體含鹽量相對較低時，土體中的易溶鹽會溶解于土顆粒間的自由水中，以液相的形式存在；隨著含鹽量進一步增大，當超過溶解度時，易溶鹽就會析出形成固態(tài)顆粒，這些固態(tài)易溶鹽顆粒會在根-土界面和土體顆粒之間起到膠結和嵌固作用，可提高根-土界面和土體的黏聚力和摩擦特性，從而提高單根最大抗拔出力；而當含鹽量進一步增大時，隨著更多的固體易溶鹽形成，當易溶鹽顆粒結晶應力超過根-土界面和土顆粒間的抗拉強度時，就會破壞根-土界面和土顆粒間的黏結和摩擦作用，從而使單根最大抗拔出力降低。

由公式(3)可知，無論是根-土界面間的黏結強度還是摩擦強度，均與根徑呈正比。因此，在土體密度、含水量、含鹽量和埋深一定的情況下，隨著根徑的增大，單根最大抗拔出力呈線性增大的變化趨勢。

5 結 論

(1) 隨著土體密度、含水量、含鹽量的增大，單根最大抗拔出力分別呈指數(shù)函數(shù)增長、指數(shù)函數(shù)降低和先增大后減小的二次函數(shù)關系；隨著單根根徑的逐漸增大，單根最大抗拔出力呈線性增大的變化趨勢。

(2) 垂直單根最大抗拔出阻力主要來源于根-土界面化學黏著力、表觀黏聚力、靜摩擦力、動摩擦力，以及根周土體抗剪強度；根-土界面化學黏著力、表觀黏聚力，以及局部根周土體黏聚力組成了根-土間的實際黏聚力，而根-土間的靜摩擦強度和土體內摩擦強度則貢獻了根-土界面間的靜摩擦阻力。可通過根-土界面直剪試驗獲得根-土界面綜合黏聚力和綜合摩擦角。