羅露瑤 宋路 朱海麗 李本鋒 張珂 劉亞斌 李國榮 張玉

摘?要：河岸帶土體的抗剪力學特性是評判河岸穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。為了研究黃河源區(qū)河岸帶的根系參數(shù)對土體抗剪力學特性的影響，以華扁穗草為試驗材料，通過開展不同根長和含根量的重塑根-土復(fù)合體直剪試驗，分析根長和含根量對抗剪強度指標的影響。試驗結(jié)果表明：植被根系能夠顯著提高土體的抗剪強度，當含根量從3%增至24%時，根長為2、4、6 cm的根-土復(fù)合體分別在含根量為15%、18%和21%時達到抗剪強度峰值，分別為23.78、21.44、21.75 kPa;根土復(fù)合體的黏聚力值較素土分別增加了19.2、16.9、17.2 kPa;根-土復(fù)合體內(nèi)摩擦角的最大值對應(yīng)的含根量分別為15%、12%和15%;當根-土復(fù)合體中含根量小于9%時，根長越長，根系增強土體黏聚力的效應(yīng)越強。

關(guān)鍵詞：河岸;根-土復(fù)合體;含根量;根長;重塑直剪試驗;黃河源區(qū)

中圖分類號：TV861;TV882.1?文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.10.009

Influence of Root Paramenters to the Shear Resistance of Soil-Root Composite

LUO Luyao， SONG Lu， ZHU Haili， LI Benfeng， ZHANG Ke， LIU Yabin， LI Guorong， ZHANG Yu

（Department of Geological Engineering， Qinghai University， Xining 810016， China）

Abstract：The shearing mechanical properties of the riparian soil are the key factors for evaluating the bank stability. In order to investigate the influencing of root parameters to the shear behavior of the soil-root composite in the riverbank in the source region of the Yellow River， the direct remolding shear test was carried out and took Blysmus sinocompressus as the experimental material. Different root lengths and root contents were designed to analyze the influence of root length and root content to the shear strength index. The results show that the root system can significantly improve the shear strength of soil. When the root content is increased from 3% to 24%， the root-soil composite with root length of 2， 4 and 6 cm reaches the shear peak at the root content of 15%， 18% and 21% respectively， and the shear peak is 23.78， 21.44 and 21.75 kPa. Comparing with pure soil， the cohesion of root-soil composite is increased by 19.2， 16.9 and 17.2 kPa respectively. When the root length is 2， 4 and 6 cm， the maximum value of the Angle of internal friction is 15%， 12% and 15% respectively. When the root content in the root-soil complex is less than 9%， the longer the root length， the stronger the effect of the root to enhance the cohesion of the soil.

Key words： riverbank; soil-root composite; root content; root length; direct remolding shear test; source region of Yellow River

黃河源區(qū)地處我國青藏高原東北部，區(qū)內(nèi)高寒草甸植被分布廣泛，在地形寬闊平坦處發(fā)育草甸型彎曲河流，在彎道水流作用下，常產(chǎn)生懸臂式崩岸[1-2]。穿插纏繞在土層內(nèi)的植被根系作為一種活性加筋材料，對增強河岸帶土體強度、阻止河岸拉張裂隙的發(fā)育和增強河岸穩(wěn)定性具有重要作用[1-6]。濱河植被的良好發(fā)育有利于曲流河岸的穩(wěn)定橫向遷移，保持曲流兩岸沖淤平衡，對保護源區(qū)內(nèi)的生態(tài)環(huán)境具有深遠的意義[1，4]。近年來，受全球氣候變暖、過度放牧及人為干擾等影響，黃河源區(qū)脆弱的生態(tài)環(huán)境遭受一定程度的影響，高寒草甸出現(xiàn)不同程度的退化[7-9]。分析在彎曲河岸植被變化背景條件下二元結(jié)構(gòu)河岸根土復(fù)合體抗剪切強度的影響因素，對評價河岸穩(wěn)定性、篩選優(yōu)勢護岸植物具有重要意義。

在根系固土研究中，根系被普遍認為是一種纖維加筋材料，植物根系的加筋作用可提高土體抗剪強度[10-12]。劉寶生等[13]認為纖維加筋效果取決于纖維-土界面的力學作用，包括黏聚力和摩擦力。唐朝生等[14]在研究聚丙烯纖維加固軟土強度時，發(fā)現(xiàn)不同的纖維摻量和纖維長度加筋效果不同，且纖維摻量一定時纖維的加筋效果受纖維長度的影響。近年來，國內(nèi)外學者在植物根系影響土體抗剪強度變化方面開展了大量研究。Waldron等[15]通過直剪試驗發(fā)現(xiàn)根-土復(fù)合體的抗剪強度與穿過剪切面的含根量有直接關(guān)系，土的抗剪強度隨根的數(shù)量增加而呈增大趨勢。胡其志等[16]、楊悅舒等[17]、栗岳洲等[18]、王元戰(zhàn)等[19]通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，植物根系對土體抗剪強度的增強作用存在最優(yōu)含根量。此外，Schwarz等[20]利用RBM模型計算根系對土體抗剪強度的增強作用，認為根系長度對根土間拉拔摩擦力的發(fā)揮將產(chǎn)生影響。綜合國內(nèi)外研究，發(fā)現(xiàn)在根系提高土體抗剪強度研究方面，以濱河植被為研究對象的相對較少[3-4]，其中同時考慮根長和根量對土體抗剪強度參數(shù)影響及其最大增強作用方面缺乏深入研究。

黃河源區(qū)河岸帶在不同季節(jié)、不同覆被及不同物質(zhì)組成條件下的穩(wěn)定性具有明顯差異，在同一剖面、不同深度的植物根系含量不同，土體的抗剪強度亦存在差異。為了研究黃河源區(qū)河岸帶在不同深度處的根-土復(fù)合體抗剪力學特性，深入分析根量及根系長度的變化對土體抗剪特性的影響，本研究采用室內(nèi)重塑直剪試驗的方法，開展不同梯度根系含量和根系長度影響因素的直剪試驗，分析二者對根-土復(fù)合體抗剪強度的影響，進而比較根量和根長對抗剪強度參數(shù)的影響程度。此項研究對深入分析黃河源區(qū)河岸崩塌機制、篩選優(yōu)勢護岸植物具有重要意義，可為黃河源區(qū)河岸帶草地恢復(fù)種植方案優(yōu)化提供科學依據(jù)。

1?研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青海省黃南藏族自治州河南縣境內(nèi)的彎曲河流蘭木措曲，其地理坐標為北緯34°26′—35°02′，東經(jīng)101°23′—101°35′。區(qū)內(nèi)海拔高度3 400～4 200 m，年均氣溫在-4 ℃以下，為高原大陸性氣候，屬高寒亞寒帶濕潤氣候區(qū)，多年平均降水量為329～505 mm[21]。區(qū)內(nèi)植被類型簡單，以高寒草甸為主，以寒冷中生、濕中生多年草本植物密叢短根莖嵩草為建群種或優(yōu)勢種，草叢低矮，層次結(jié)構(gòu)簡單，群落覆蓋度大，物種組成豐富，且具有較厚的草結(jié)皮層[22]。區(qū)內(nèi)河流蜿蜒曲折，河岸帶植被類型豐富，其中以華扁穗草、西藏嵩草、金露梅和線葉嵩草為優(yōu)勢植物種。區(qū)內(nèi)河岸二元結(jié)構(gòu)發(fā)育典型，上細下粗，上層根-土復(fù)合體層為粉土，下層砂礫石層為粉土質(zhì)砂或級配不良礫，下層為河岸水流淘刷最為嚴重的部分[23]。

2?試驗材料與試驗方法

2.1?試驗材料

為了使試驗具有代表性，選取蘭木措曲6個河灣凹岸作為土體和根系的取樣點。通過對研究區(qū)河岸帶植被進行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，濱河植物中優(yōu)勢植物華扁穗草分布廣泛，且在垂直剖面方向根量變化較明顯，因此以該種植物根系為研究對象。在野外，首先在各取樣點水平距河岸1.5～2.0 m處，原位挖取一定的土體，并用塑料花盆裝好以便帶回實驗室使用。其次，在原位選擇生長正常的華扁穗草植被區(qū)域，采用現(xiàn)場挖掘法，挖取直徑約為25 cm、高為30 cm的圓柱形根-土復(fù)合體土柱（見圖1），同時注意盡量保持植被根系完整、不受損。將圓柱形根土試樣移置塑料花盆內(nèi)帶回實驗室以備使用?；貙嶒炇液?，將根-土復(fù)合體試樣置于塑料大桶內(nèi)浸泡2～3 h，以便土體與根系分解，同時在盡量不破壞根系的條件下，將試樣置于水池內(nèi)沖洗，獲得干凈的植物根系（見圖2），并用干凈毛巾吸掉根系表面水分，挑選出試驗所需的根系，并用密封袋封裝好放入LRHS-150-Ⅲ型恒溫箱4 ℃保存待用。

2.2?研究區(qū)土體基本物理性質(zhì)

在研究區(qū)6個河灣凹岸分別選擇生長正常的華扁穗草地點位，每個點位均進行含水率、密度和顆粒級配的取樣工作。含水率樣品采用小鋁盒進行取樣，帶回實驗室利用烘干法測定;密度樣品采用小環(huán)刀進行取樣，帶回實驗室利用環(huán)刀法測定;顆粒級配樣品采用篩分法處理。經(jīng)測定，土體密度為1.59 g/cm3，含水率為48.7%，土體類別為粉土。

2.3?試驗方法

2.3.1?含根量及根系長度的測定

野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)研究區(qū)河岸帶根系在縱剖面表現(xiàn)為上部根系多、下部根系少。試驗根系長度根據(jù)小環(huán)刀直徑規(guī)格（內(nèi)徑6.18 cm，高2 cm）設(shè)定為2、4、6 cm三個梯度。含根量的設(shè)置以研究區(qū)自然條件下土體含根量為標準，采用環(huán)刀內(nèi)根系質(zhì)量與干土質(zhì)量的比值作為根-土復(fù)合體試樣中含根量的確定方法。測定研究區(qū)自然條件下的土體含根量的方法：在研究區(qū)6個河灣凹岸分別選擇生長正常的華扁穗草地點位，每個點位取3層，即從地表由上而下0～15 cm作為第1層，15～30 cm作為第2層，30～45 cm作為第3層，每層均利用大環(huán)刀（內(nèi)徑10 cm，高6.37 cm）取原狀根-土復(fù)合體試樣，每層取2組帶回實驗室。將每個環(huán)刀內(nèi)的根系與土體分開，盡量保證根系表面不帶土體，用清水清洗根系，待用毛巾吸掉根系表層水分后稱重，將收集好的土體進行烘干稱重，計算出每個大環(huán)刀取樣的含根量，結(jié)果顯示第1層土體的含根量為21%～22%，第2層土體含根量為10%～14%，第3層土體含根量為2%～5%。根據(jù)研究區(qū)河岸帶土體中含根量的情況，本試驗按等差的方式，依次設(shè)定0%、3%、6%、9%、12%、15%、18%、21%、24%九個含根量。試驗中分別制備3種根系長度、9個含根量水平的根-土復(fù)合體試樣，將制備好的試樣直接進行直剪試驗。具體試驗設(shè)計見表1。

2.3.2?重塑直剪試驗

試樣制備和直剪試驗依照《土工試驗規(guī)程》[24] 進行。根-土復(fù)合體試樣制備的步驟：①將野外帶回的土體進行植物根系的挑選，挑選后稱取土體12 kg，經(jīng)自然風干碾碎，過2 mm篩子;②在清洗干凈的華扁穗草根系中挑選出根徑范圍為0.5～0.6 mm的根系，將其剪為長約2、4、6 cm的根段;③按照試驗設(shè)計的根-土復(fù)合體試樣含水率（45%）、密度（1.55 g/cm3）和含根量，計算出所需干土、水和根系的質(zhì)量并稱量，同時記錄配置每個試樣所需的根的數(shù)量，先將干土和根系充分攪拌均勻，再加水配置成一定比例的根-土復(fù)合體，充分攪拌均勻后，靜置24 h（見圖3）;④充分浸泡后，再次攪拌均勻，按照三瓣模的規(guī)格（內(nèi)徑61.8 mm，高125 mm），每次稱取相應(yīng)質(zhì)量的土體，均分4份后，分4次裝入三瓣膜中，采用分層擊實法分4層擊實，在擊實過程中，每層間的接觸面均需用小刀刮毛;⑤將制備好的試樣進行直剪試驗。

直剪試驗使用ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀，每組試驗由4個試樣組成，每組試樣施加的法向壓強依次為50、100、200、300 kPa。每組試驗結(jié)束后，經(jīng)電腦分析得出黏聚力c值和內(nèi)摩擦角φ值。

3?結(jié)果與分析

3.1?根-土復(fù)合體抗剪強度指標的變化

不同根系長度、根系含量條件下根-土復(fù)合體抗剪強度指標結(jié)果統(tǒng)計見表2。由表2可知，素土的抗剪強度指標黏聚力值最小，為4.58 kPa。在3種根系長度條件下，隨著根-土復(fù)合體中的根系含量的增加，根-土復(fù)合體的黏聚力值均大于素土的黏聚力值。當根長為2 cm、含根量為3%～15%時，根-土復(fù)合體的黏聚力值隨著含根量的增加而持續(xù)增大，最大可達23.78 kPa，增長幅度為364.45%;當含根量大于15%時，黏聚力值隨著含根量的增加而減小;當根長為4 cm和6 cm時，根-土復(fù)合體的黏聚力值同樣表現(xiàn)為隨著含根量的增加呈先增大后減小的變化趨勢，其最大值分別為21.44 kPa和21.75 kPa，增長幅度分別為232.4%和154.39%?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著試樣中根長的增加，根系作用產(chǎn)生的抗剪強度增長幅度呈降低趨勢。

目前，大多數(shù)學者認為根系增強土體的強度主要體現(xiàn)在其對黏聚力的影響上[10-12，19]，對于重塑試樣和實際根土復(fù)合體黏聚力值的差異，相關(guān)試驗研究還比較缺乏。李本鋒等[23]、李光瑩等[25]和劉昌義等[26]在研究區(qū)及其周邊地區(qū)進行了高寒草甸植物根土復(fù)合體的原位取樣及其抗剪強度測定，其中：李本鋒等[23]以華扁穗草和垂穗披堿草為優(yōu)勢植物種的草地為研究對象，通過進行原位制取含根土體直剪試樣，測定根土復(fù)合體黏聚力為21.43～29.45 kPa;而李光瑩等[25]、劉昌義等[26]采用相同試驗方法，測定以小嵩草、紫花針茅為優(yōu)勢植物種草地的黏聚力分別為16.01～20.42 kPa和36.97 kPa。對比本試驗結(jié)果可知，重塑直剪試驗測定的黏聚力值相對偏低，且降低幅度在38.69%～76.11%范圍內(nèi)，這與王元戰(zhàn)等[19]人提出的原狀根土體剪切強度較重塑草根加筋土強度要高的結(jié)論類似。其主要原因與重塑試樣土體與根系接觸相對不牢固，且土體自身膠結(jié)結(jié)構(gòu)被破壞有關(guān)。

由表2可知，根長為2 cm時，根-土復(fù)合體的內(nèi)摩擦角φ隨著含根量的增加總體呈增大趨勢，且在含根量為15%時，內(nèi)摩擦角最大，為24.43°;根長為4 cm時，根-土復(fù)合體的內(nèi)摩擦角在含根量為3%～12%時呈波動上升趨勢，并達到最大值24.40°，隨后呈波動下降趨勢;根長為6 cm時，根-土復(fù)合體的內(nèi)摩擦角隨含根量的增加總體呈波動變化趨勢，在含根量為15%處最大，為22.00°。由此可見，在含根量為12%～15%時，研究區(qū)土體與根系間的內(nèi)摩擦角達到最大。

由圖4可知，在同一根系長度條件下，根-土復(fù)合體的黏聚力隨著含根量的增加呈先增大后減小的趨勢，這說明根-土復(fù)合體中存在最優(yōu)含根量使其抗剪強度達到峰值。根長為2 cm時，根-土復(fù)合體在含根量為15%時黏聚力最大，為23.78 kPa，這說明根長為2 cm時最優(yōu)含根量為15%;根長為4 cm時，根-土復(fù)合體在含根量為18%時黏聚力最大，為21.44 kPa;而根長為6 cm時，根-土復(fù)合體在含根量為21%時黏聚力最大，為21.75 kPa。這表明隨著根系長度由2 cm增加為4、6 cm時，最優(yōu)含根量由15%增加至18%和21%，呈現(xiàn)最優(yōu)含根量增大的趨勢。在最優(yōu)含根量條件下，根長為2 cm時根土復(fù)合體黏聚力值最大，其次為根長6 cm時， 最小為根長4 cm時。最優(yōu)含根量的確定，有助于優(yōu)化黃河源區(qū)河堤和路塹邊坡植被護坡及草地人工生態(tài)恢復(fù)的建設(shè)方案，確定優(yōu)勢植物種和種植密度，促使地下根系含量等于或接近最優(yōu)含根量，從而使根系增強土體的能力最強。圖4?不同根系長度下土體黏聚力c與根系含量的關(guān)系

根-土復(fù)合體抗剪強度隨含根量增大出現(xiàn)峰值，其原因是隨著土體中根系的增多，根系與土體間接觸的總面積增大，根土相互作用增強，從而使抗剪強度指標增大，而當含根量達到一個極值后，土體中根系數(shù)量明顯增多，根系不能全部與土體充分接觸，根系與土體的黏結(jié)作用力減弱，從而表現(xiàn)為黏聚力下降。當根-土復(fù)合體試樣中含根量相同時，根長越短，根系數(shù)量越多。因此，根長為2 cm試樣的土體與根系表面之間的界面作用力最先達到最佳狀態(tài)，其次是根長為4 cm的試樣，最后為根長為6 cm的試樣。

3.2?根長和含根量對根-土復(fù)合體黏聚力的影響

為了對比根長、含根量變化對根-土復(fù)合體抗剪強度指標的影響，繪制了含根量、根長與黏聚力關(guān)系的氣泡圖（見圖5）。本試驗選擇的根徑大小差異較?。?.5～0.6 mm），假設(shè)當根長增長一倍時，相同體積試樣內(nèi)含根量增加一倍，但其根數(shù)保持不變;而當剪切試樣內(nèi)根長不變、含根量增加一倍時，可視為其根數(shù)增加了一倍。圖5為2組根數(shù)不變、根長增加與根長不變、根數(shù)增加兩種情況下的黏聚力變化情況。其中：水平方向氣泡表示根長不變、根數(shù)增加時的黏聚力值變化，斜方向表示根數(shù)不變、根長增長條件下的黏聚力值變化情況。第1組中，當根土復(fù)合體中根長為2 cm、含根量為3%改變?yōu)楦L為4 cm、含根量為6%時，試樣的根數(shù)不變，根長增加1倍;同理，根長為6 cm、含根量為9%時，根長增加至2倍。由圖5可知，隨著根長增加1倍和2倍，黏聚力值分別增加了8.15 kPa和12.36 kPa;而當根長不變，根數(shù)相應(yīng)增加1倍和2倍時（即根長均為2 cm，根量由3%增加至6%和9%），黏聚力分別增加了7.40 kPa和9.43 kPa。對比二者的黏聚力值變化可知，根長和根量增加同等倍數(shù)時，根數(shù)不變，根長增加1倍和2倍時的黏聚力值更高，由此說明在含根量為3%、6%和9%時，根土復(fù)合體中根長對復(fù)合體黏聚力的增強效應(yīng)更顯著。對于第2組數(shù)據(jù)（含根量分別為6%、12%和18%），可以發(fā)現(xiàn)當根數(shù)不變，根長分別由2 cm增加至4 cm和6 cm時，其黏聚力值較根量由6%增加至12%和18%時，表現(xiàn)為先減小后增大的變化特點。產(chǎn)生這種變化的原因主要是當復(fù)合體中的根長為2 cm，其含根量從9%增加至15%時，其黏聚力值出現(xiàn)激增的現(xiàn)象（見圖4），從而表現(xiàn)為根量較根長對土體的增強效應(yīng)明顯。綜合以上2組數(shù)據(jù)的對比，說明當復(fù)合體中含根量相對較少時（小于9%），根長越長，根系增強土體黏聚力的效應(yīng)越強。

含根量相對較小時，若根-土復(fù)合體發(fā)生變形或剪切破壞，則土體中的根系處于受拉狀態(tài)。對于較短的根系，土體與根系表面之間的界面作用力相對較小，根系更容易發(fā)生相對滑動或在受剪切面上被拔出;根系較長時，根系錨固長度亦較長，土體與根系表面之間的界面作用力相對較大，根系發(fā)生相對滑動或在受剪切面上被拔出越不易[14]，由此發(fā)揮的抗拉增強作用越明顯。結(jié)合研究區(qū)實際，對于河岸下部土體，由于其根土復(fù)合體的平均含根量小于9%，因此根長越長的植物對河岸的抗剪能力增強越強。

4?結(jié)?論

（1）研究區(qū)根-土復(fù)合體在根長為2、4、6 cm，含根量由3%增加至24%時，分別在含根量為15%、18%、21%時達到剪切峰值23.78、21.44、21.75 kPa，表明復(fù)合體中根長不同時，其最優(yōu)含根量存在差異，并隨根長的增加而增大。

（2）植被根系可增強土體的黏聚力，當達到最優(yōu)含根量時，根長為2 cm的復(fù)合體黏聚力值較素土增加19.2 kPa，增幅為419.21%;而當根長為4 cm和6 cm時，根系產(chǎn)生的黏聚力增強值分別達到16.9 kPa和17.2 kPa，較素土增幅分別為368.12%和374.89%;當根土復(fù)合體的根長為2、4、6 cm時，其內(nèi)摩擦角分別在含根量為15%、12%、15%時達到最大。

（3）當根-土復(fù)合體中含根量小于9%時，根長越長，根長增強土體黏聚力的效應(yīng)較根量的影響效應(yīng)越強。研究區(qū)河岸下部根土層平均含根量小于9%，在根數(shù)不變的條件下，根長越長的植物對河岸的抗剪能力增強效應(yīng)越強。

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【責任編輯?許立新】