李紫娟, 夏振堯,, 張 倫, 高 峰,沈已桐, 楊悅舒,, 肖 海,, 夏 棟,, 許文年,

〔1.三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心, 湖北 宜昌 443002;2.三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(三峽大學(xué)), 湖北 宜昌 443002〕

由于國內(nèi)工程不斷發(fā)展與建設(shè)，形成了大量裸露的邊坡，造成原有的植被破壞，導(dǎo)致嚴(yán)重的水土流失和生態(tài)失衡，加劇了自然災(zāi)害的形成，給人們的生命財(cái)產(chǎn)帶來危害。傳統(tǒng)護(hù)坡加固技術(shù)往往采用噴混凝土、漿砌石等護(hù)坡結(jié)構(gòu)，這些雖然起到保護(hù)邊坡水土流失的作用，但不利于生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和生態(tài)環(huán)境的和諧發(fā)展[1-2]。植被混凝土是一種生態(tài)護(hù)坡技術(shù)，它既能夠加固邊坡，又能夠與自然環(huán)境和諧發(fā)展。植被混凝土是將水泥、土、有機(jī)質(zhì)、添加劑、混合植綠種子按特定比例，加一定量的水充分?jǐn)嚢韬笮纬傻幕旌衔颷3]。水泥作為膠結(jié)材料，能加強(qiáng)植被混凝土拌和物的強(qiáng)度和黏聚性，有機(jī)質(zhì)能增加空隙率，腐爛后能為植物提供各種養(yǎng)分，增加肥力，而添加劑則能改良基材性能，促進(jìn)植物生長[4-5]。植被混凝土中植物主要通過根系的力學(xué)作用(淺根加筋和深根錨固)來加固邊坡。

根—土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度特性研究目的主要是為了解決根系加固機(jī)理。研究表明，根—土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度與以下因素密切相關(guān)：植物的種類、含根量、土壤的含水率、干密度等[6-10]。蔣希雁等[11]利用常規(guī)三軸不固結(jié)不排水試驗(yàn)，通過重塑樣得出，黏聚力與含水率相關(guān)，受含根量影響，并得出根系加筋效應(yīng)公式。蔣必鳳等[12]對草本植物進(jìn)行直剪試驗(yàn)得出，植物根系能夠顯著提高抗剪切強(qiáng)度，其黏聚力與含根率成正相關(guān)關(guān)系，與含水率則相反，但對于內(nèi)摩擦角的影響較小。以上研究主要針對重塑根—土復(fù)合體試樣，且試樣的尺寸較小，難以真實(shí)反映植物根系加固邊坡效果。同時(shí)巖石邊坡常常存在方向各異的裂隙，巖體裂隙里的水分條件要高于其他區(qū)域，干旱脅迫條件下會誘導(dǎo)根系的扎入生長[13]，而裂隙角度及根系對巖面基材剪切特性影響關(guān)注較少。因此，本文選用常用護(hù)坡植物狗牙根、多花木蘭和植被混凝土基材所形成的根—基材復(fù)合體為對象，以無植物基材試樣為空白對照，設(shè)置6種不同的裂隙角度，對試樣養(yǎng)護(hù)90 d后，進(jìn)行原位剪切試驗(yàn)，探討多花木蘭、狗牙根根系對植被混凝土抗剪切強(qiáng)度的影響，以期為水土保持與生態(tài)修復(fù)提供一定的參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)區(qū)狀況

宜昌市位于湖北省西南部，屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候。四季分明，水熱同季，寒旱同季。多年平均降水量1 215.6 mm，平均氣溫16.9 ℃。境內(nèi)地貌類型多樣，地勢起伏大，水系發(fā)育充分，形成黃壤、黃棕壤和棕壤、紅壤4個(gè)地帶性土類以及紫色土、石灰(巖)土、潮土、(山地)草甸土和水稻土5個(gè)非地帶性土類[14]。全市植被良好，森林資源居全省第2位，覆蓋率為48.5%，生物種類呈多樣性。

1.2 試驗(yàn)材料

選取低矮草本植物狗牙根和直立灌木植物多花木蘭，這兩種都是生態(tài)護(hù)坡中常用的物種。狗牙根具有發(fā)達(dá)的根莖和葡匐莖，繁殖力強(qiáng)，抗旱。多花木蘭屬于豆科多年生落葉灌木，分枝多，耐旱，根系發(fā)達(dá)，固土力強(qiáng)。試驗(yàn)土為黃棕壤，取自宜昌市區(qū)，土壤采回后迅速風(fēng)干，去除雜質(zhì)后過2 mm篩待用。土粒相對密度2.65，干篩后1.0～2.0 mm含量占21.34%，0.074～1.0 mm占70.39%，<0.074 mm占8.27%。根據(jù)《水電工程陡邊坡植被混凝土生態(tài)修復(fù)技術(shù)規(guī)范(NB/T35082-2016)》配置植被混凝土基材，黃棕壤土樣與水泥、棕樹鋸末、添加劑混合比例為100∶8∶6∶4，水泥采用P.C 32.5復(fù)合硅酸鹽水泥。

1.3 試驗(yàn)方案

樣地種植時(shí)間為2018年8月，試驗(yàn)時(shí)間為2018年11月，植物生長期為90 d。本試驗(yàn)采用混凝土試塊代替巖體，為保證巖隙布置形式，在混凝土試塊上預(yù)留大小相同、但不同傾斜程度的3行3列裂隙，裂隙角度設(shè)置成與剪切垂直方向?yàn)?5°，30°，45°，60°，75°和90°的6種角度(圖1)。兩種植物在6種裂隙角度下共12個(gè)處理試樣，對應(yīng)6個(gè)無植物基材對照試樣，重復(fù)3組，共54個(gè)試樣。

圖1 混凝土試塊裂隙角度分布示意圖

試驗(yàn)方案主要分為以下5個(gè)步驟： ①首先對試驗(yàn)場地進(jìn)行整理，將已制備好的尺寸30 cm×30 cm×10 cm的混凝土試塊放入已挖好的溝槽中，相鄰試塊橫向間隔10 cm，縱向間隔20 cm； ②在混凝土試塊上安裝30 cm×30 cm×10 cm的模具以進(jìn)行土壤基材裝填； ③按照《水電工程陡邊坡植被混凝土生態(tài)修復(fù)技術(shù)規(guī)范(NB/T35082-2016)》，對基材進(jìn)行分層裝填。先按照設(shè)定的干密度1.35 g/cm3，稱取一定質(zhì)量的基材土，在基層鋪設(shè)8 cm厚度的植被混凝土，再將剩余的基材土與種子均勻混合，然后在面層平鋪2 cm厚度，進(jìn)行壓實(shí)并拆除模具； ④最后在橫向和縱向間隔的土體上插上木樁，作為標(biāo)識。 ⑤期間進(jìn)行撒水養(yǎng)護(hù)，并開展雜草清除和病蟲害防治工作。因?yàn)橹参锒荚谙嗤臍夂蚝妥匀画h(huán)境下生長，所以土體的含水率基本保持一致。植物養(yǎng)護(hù)90 d后，進(jìn)行根—基材復(fù)合剪切試驗(yàn)。

1.4 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)使用自制原位直剪儀進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置如圖2所示。主要由機(jī)架、剪切盒、千斤頂、液壓泵、數(shù)顯游標(biāo)卡尺，數(shù)顯式推拉力計(jì)、壓力傳感器等部分組成。其中，剪切盒尺寸為30 cm×30 cm，并分為上下剪切盒，最大剪切位移為100 mm。進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，固定在上剪切盒上的壓力傳感器受千斤頂作用，使上剪切盒向前推動(dòng)，對試樣進(jìn)行剪切，并將實(shí)時(shí)推力和位移數(shù)據(jù)傳遞給推拉力計(jì)和游標(biāo)卡尺。具體試驗(yàn)步驟為： ①安裝原位直剪儀，對游標(biāo)卡尺和推拉力計(jì)進(jìn)行復(fù)位置零； ②按照標(biāo)識將試樣周圍的土鏟除，并對試樣進(jìn)行適當(dāng)削切，保證試樣的規(guī)整性，使土體與直剪盒尺寸一致； ③將試樣放置在直剪盒內(nèi)，調(diào)整拍攝設(shè)備支架位置，保證試驗(yàn)過程中能完整清晰地記錄數(shù)據(jù)的變化； ④打開電源開關(guān)，控制千斤頂勻速的對試樣進(jìn)行剪切，當(dāng)剪切位移達(dá)到最大量程時(shí)關(guān)閉電源，停止剪切； ⑤試驗(yàn)結(jié)束后，拆除儀器，并對試驗(yàn)場地清潔打掃。

圖2 原位直剪儀剪切試驗(yàn)裝置及現(xiàn)場剪切過程

1.5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

根據(jù)錄制的影像，用播放器對視頻每秒進(jìn)行截圖，讀取圖片中的位移數(shù)據(jù)和推拉力計(jì)數(shù)據(jù)。按照公式(1)計(jì)算抗剪強(qiáng)度，繪制試樣抗剪強(qiáng)度位移曲線。

(1)

式中：Ft為在t時(shí)刻作用在剪切盒上的剪切應(yīng)力(kN);τt為試樣在t時(shí)刻的抗剪強(qiáng)度(kPa);A為試樣的剪切面積A=0.09 (m2)。剪切破壞過程中，抗剪強(qiáng)度—位移曲線過程線頂點(diǎn)所對應(yīng)的值即為該試樣的抗剪強(qiáng)度。

采用Excel處理數(shù)據(jù)并繪制相應(yīng)圖表，利用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)分析軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(LSD法)，以p<0.05作為顯著性差異水平。

2 結(jié)果與分析

2.1 根-基材復(fù)合體剪切破壞過程

根—基材復(fù)合體的剪切破壞過程呈現(xiàn)典型的軟化特性(圖3)，這與周躍等[15]有根土體達(dá)到一定位移量時(shí)，剪切應(yīng)力接近零有所區(qū)別，本試驗(yàn)存在殘余變形階段，此時(shí)土體仍具有一定的抗剪強(qiáng)度，但隨著剪切位移的遞增，變化幅度較小。這可能與植物種類有關(guān)，多花木蘭和狗牙根根系發(fā)達(dá)，根系分布范圍更廣。剪切初始階段，隨著剪切位移的增加，抗剪強(qiáng)度增長迅速，曲線呈線性增加，根系開始受力，發(fā)生彈性變形。隨后速率減小，隨著剪切位移的增加，逐漸達(dá)到峰值，根系網(wǎng)絡(luò)被破壞，植物根系被拔出或者斷裂。當(dāng)位移繼續(xù)增大時(shí)，由于未剪斷的根系對剪切面上下土體的連接作用，抗剪強(qiáng)度—位移曲線下降相對較為平緩，隨后趨于穩(wěn)定。無植物的空白樣，其抗剪強(qiáng)度在受剪后即刻便達(dá)到峰值，隨后迅速下降，在一定范圍內(nèi)浮動(dòng)，此時(shí)試樣沿著破壞面發(fā)生滑移摩擦。

注：圖中誤差線以標(biāo)準(zhǔn)誤表示。下同。

2.2 不同植物根系對植被混凝土抗剪切強(qiáng)度的影響

多花木蘭、狗牙根根—基材復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度—位移曲線明顯高于空白樣，抗剪強(qiáng)度顯著提高(圖3)。同一裂隙條件下，極限抗剪強(qiáng)度表現(xiàn)為：多花木蘭>狗牙根>空白樣(圖4)。兩種植物基材試樣極限抗剪強(qiáng)度無明顯性差異，但均與無植物基材試樣結(jié)果存在顯著性差異(p<0.05)。狗牙根和多花木蘭根—基材復(fù)合體平均極限抗剪強(qiáng)度分別為13.58～17.75 kPa，14.71～18.66 kPa，空白樣平均極限抗剪強(qiáng)度為10.15～10.90 kPa，抗剪強(qiáng)度增量為3.44～7.91 kPa。在植物生長過程中，多花木蘭根系可以穿過基材伸入更深處的巖隙中，增加土體的遷移阻力，而狗牙根根系數(shù)量多，直徑小，易在土中形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因此根—基材復(fù)合體抗剪強(qiáng)度相較于空白樣明顯增加。狗牙根根系為須根系，根系數(shù)量明顯多于多花木蘭根系的數(shù)量，而多花木蘭為直根系，根系直徑較大，根系直徑越大，單根抗拉力就越大[16]，提供的抗剪切力也越大，因此多花木蘭增強(qiáng)植被混凝土抗剪強(qiáng)度效果更佳。

注：不同字母表示不同試樣種類間差異達(dá)顯著水平(p<0.05)。下同。

空白樣在8～11 mm時(shí)出現(xiàn)峰值位移，含根試樣該位移為20～36 mm，位移增量12～27 mm，平均增幅為120.33%～319.32%。同一裂隙條件下，含根土體和空白樣峰值位移存在顯著性差異(p<0.05)。含根土體的峰值位移相較空白樣有明顯延后，這與Comino[17]根—土復(fù)合體剪切位移增量為93%～1544%的結(jié)論相似。植物根系在土體中相互纏繞，構(gòu)成根系網(wǎng)絡(luò)，將土壤束縛形成具有一定強(qiáng)度的整體[18]。受剪時(shí)，土壤和根系之間會發(fā)生錯(cuò)動(dòng)或有相互錯(cuò)動(dòng)的趨勢，為了抵抗剪切變形，根系被伸長，根內(nèi)產(chǎn)生拉力，根—基材界面的摩擦作用和根系的抗拉作用在剪切過程中逐步轉(zhuǎn)化為根—基材復(fù)合體的抗剪能力，延緩了基材變形破壞發(fā)生的位移[19]。而空白樣一旦發(fā)生位移就意味著剪切能力的全部發(fā)揮，土壤顆粒之問的黏結(jié)作用被破壞，抗剪能力達(dá)到最大[20]。

2.3 根系在不同裂隙分布對植被混凝土剪切應(yīng)力的影響

多花木蘭和狗牙根根系基材極限剪切應(yīng)力隨著裂隙角度的增加呈先增加后減小的趨勢(圖5)。有根基材極限剪切應(yīng)力在不同裂隙角度間存在顯著性差異(p<0.05)，而對于無根基材不存在顯著性差異(p>0.05)，這表明裂隙角度對于含根基材極限剪切應(yīng)力具有明顯影響。在角度為60°時(shí)，兩者的極限剪切應(yīng)力平均增幅達(dá)到最大值，角度90°時(shí)平均增幅最小。狗牙根根—基材復(fù)合體極限剪切應(yīng)力增幅為33.87%～65.18%，多花木蘭根—基材復(fù)合體極限剪切應(yīng)力增幅為44.94%～73.65%。裂隙角度15°，30°，45°，75°，90°中狗牙根和多花木蘭平均極限剪切應(yīng)力增幅相比60°時(shí)增幅分別減小了24.27%，18.21%，12.23%，24.56%，31.31%；26.33%，18.65%，9.89%，20.33%，28.71%?？梢妿r面裂隙角度對極限剪切應(yīng)力的影響是不可忽略的。有根基材的殘余剪切應(yīng)力則在一定的區(qū)域里波動(dòng)，裂隙角度影響不明顯，狗牙根—基材復(fù)合體殘余剪切應(yīng)力在不同裂隙角度間存在顯著性差異(p<0.05)，而對于多花木蘭和無根基材復(fù)合體在不同裂隙角度間不存在顯著性差異(p>0.05)，殘余剪切應(yīng)力在一定的區(qū)域里波動(dòng)。具體表現(xiàn)為狗牙根根—基材復(fù)合體殘余剪切應(yīng)力在0.5～0.7 kN范圍內(nèi)波動(dòng)，多花木蘭根—基材復(fù)合體殘余剪切應(yīng)力在0.6～0.7 kN之間。受根系加筋的影響，有根基材的殘余剪切應(yīng)力曲線總是高于較空白樣有一定的增幅，狗牙根根—基材復(fù)合體和多花木蘭根—基材復(fù)合體殘余剪切應(yīng)力平均增幅分別為4.21%～35.94%，26.65%～55.84%。

圖5 不同植物不同布置情況下的極限剪切應(yīng)力與殘余剪切應(yīng)力變化

進(jìn)行生態(tài)修復(fù)時(shí)，為了保持基材在巖體上的穩(wěn)定性，除了在施工時(shí)采取一定的工程措施，防止基材的脫落、滑落等問題，不斷生長的植物根系還能穿過基材扎入到巖體的裂隙中，產(chǎn)生錨固作用，使根—基材復(fù)合體與巖體間的作用力增強(qiáng)，增強(qiáng)保持基材的穩(wěn)定。植物對巖隙形態(tài)結(jié)構(gòu)具有適應(yīng)性，巖體的裂隙分布形式不同，根系扎入到巖體中后對基材的穩(wěn)定性影響存在差異。冀曉東等[21]通過試驗(yàn)得出根系復(fù)合布置時(shí)對土壤的增強(qiáng)作用最顯著，水平布置時(shí)最次。王保輝等[22]通過對3種不同根系布置形式(方形、梅花形、環(huán)形)的土體進(jìn)行剪切試驗(yàn)得出，當(dāng)根—土面積置換率較小時(shí)，布置形式對抗剪強(qiáng)度的影響是不同的。且當(dāng)植物受剪切力時(shí)，若植物根系與剪切面成銳角，土體的抗剪強(qiáng)度能最大限度地增強(qiáng)[23]，從而使不同的裂隙分布的根—基材復(fù)合體抗剪強(qiáng)度存在差異。

3 結(jié) 論

(1) 狗牙根和多花木蘭根—基材復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度和殘余抗剪強(qiáng)度均明顯大于無根基材，抗剪強(qiáng)度增量為3.44～7.91 kPa。植物根系可顯著提高基材的抗剪能力，多花木蘭根系增強(qiáng)效果更佳。

(2) 根—基材復(fù)合體的峰值位移均較空白樣相對滯后，增量為12～27 mm，平均增幅為120.33%～319.32%，試樣能夠承受更大的變形。

(3) 對于同種類型的植物來講，根—基材復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度隨著裂隙角度的增加呈先增加再逐漸減小的趨勢，在60°時(shí)抗剪強(qiáng)度最大，表明不同裂隙的分布方式對提高基材的抗剪強(qiáng)度的作用也是完全不同的，但對于殘余抗剪強(qiáng)度，則在一定范圍內(nèi)浮動(dòng)，裂隙分布影響不明顯。

本研究主要關(guān)注根系及裂隙角度對基材原位剪切特性影響，僅考慮了有無根系情況，未考慮植物生長階段以及根系具體狀況。因此后續(xù)可以對試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化，更真實(shí)的反映野外情況，為水土保持與生態(tài)修復(fù)提供更科學(xué)的理論依據(jù)。