毛正君 ，耿咪咪 ，畢銀麗 ，安 寧

（1.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院, 陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 煤炭綠色開(kāi)采地質(zhì)研究院, 陜西 西安 710054；3.陜西省煤炭綠色開(kāi)發(fā)地質(zhì)保障重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安, 710054）

0 引 言

黃河流域是我國(guó)煤炭工業(yè)的主產(chǎn)區(qū)，煤炭產(chǎn)量占全國(guó)70%以上，目前大規(guī)模的現(xiàn)代煤炭開(kāi)采對(duì)黃河流域的生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的影響，出現(xiàn)了頻發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害和多發(fā)的水土流失等一系列突出問(wèn)題，進(jìn)一步加劇了生態(tài)環(huán)境的脆弱化[1-2]。目前，黃河流域煤炭基地的生態(tài)環(huán)境修復(fù)是整個(gè)黃河流域生態(tài)修復(fù)的重要組成部分，必須高度重視黃河流域煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)與治理[2]。SCHW?RZEL[3]、BRYAN 等[4]認(rèn)為我國(guó)實(shí)施的退耕還林、植樹(shù)造林舉措對(duì)黃土高原地區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)取得了明顯成效，也為全球“綠化”作出了巨大貢獻(xiàn)。作為黃河流域重要組成部分的黃土高原是世界上黃土沉積最深厚的地區(qū)之一，同時(shí)其黃土滑坡發(fā)育的密度可以高達(dá)6 個(gè)/km2，每年發(fā)生黃土邊坡淺層破壞可以高達(dá)數(shù)百個(gè)[5]，對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成了嚴(yán)重影響。邊坡淺層破壞一般發(fā)生在坡體表層或坡面下2 m 范圍內(nèi)，其破壞類型有坡面侵蝕、風(fēng)化剝落、溜坍、錯(cuò)落、淺層滑坡等[6]。黃土邊坡淺層破壞可造成黃河流域土地可持續(xù)生產(chǎn)力的損失和破壞，是當(dāng)前研究的重點(diǎn)[7]。在山坡、河岸和人造斜坡上采用植物進(jìn)行加固和“固定”土體具有悠久的歷史。直至今日，對(duì)于防治淺層滑坡和坡面侵蝕，STOKES[8]、VEYLON[9]、HU[10]、RANJAN 等[11]研究依然認(rèn)為植物種植是土木工程措施的生態(tài)替代方案。植物根系能有效增強(qiáng)邊坡淺層土體的抗剪強(qiáng)度，從而起到提高邊坡穩(wěn)定性的作用[12-14]。草本植物生長(zhǎng)迅速，并且在能夠在短期內(nèi)覆蓋整個(gè)邊坡坡面，從而可以快速增強(qiáng)邊坡整體穩(wěn)定性[15-16]。

植物的生長(zhǎng)發(fā)育是各種生理和代謝活動(dòng)的整體表現(xiàn)，是一個(gè)復(fù)雜的、動(dòng)態(tài)演化過(guò)程。因此，植物護(hù)坡也具有復(fù)雜且動(dòng)態(tài)的演化過(guò)程。近年來(lái)，研究人員發(fā)現(xiàn)植物根系對(duì)土體的抗剪強(qiáng)度的增強(qiáng)與植物生長(zhǎng)時(shí)間成正相關(guān)關(guān)系[17-20]。鄭明新[21]、苑淑娟等[22]還研究了不同生長(zhǎng)期植物根系的抗拉拔特性，結(jié)果顯示根系的單根抗拉力隨著根徑的增加呈冪函數(shù)增大。此外，部分學(xué)者研究了植物根系對(duì)土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和可蝕性影響，也發(fā)現(xiàn)了土體抗剪強(qiáng)度隨根系生長(zhǎng)期的推進(jìn)而顯著增加并極大的減少了坡面侵蝕[23-24]?？傊?，研究人員逐步關(guān)注到植物根系的固土護(hù)坡效果與植物的生長(zhǎng)時(shí)間有重要關(guān)系，即植物根系與土體間相互作用的力學(xué)特性具有顯著的時(shí)間效應(yīng)[21,25]。造成根土相互作用力學(xué)特性時(shí)間效應(yīng)的原因是隨著植物生長(zhǎng)時(shí)間的推移，根系分支越多，根系直徑越粗、根系數(shù)量越多，根系與土體之間的接觸面積也越大，使得根土之間的摩擦力增大，進(jìn)而提高了根土之間的相互作用，增加了根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度，從而有利于邊坡穩(wěn)定性[25-26]。

抗剪強(qiáng)度常被用以度量土壤抵抗剪切破壞的能力，被認(rèn)為是衡量邊坡穩(wěn)定性能的重要指標(biāo)[20]。常用的測(cè)量根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的室內(nèi)試驗(yàn)包括直剪試驗(yàn)[27-28]、三軸壓縮試驗(yàn)[29-30]、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)[31-32]。由于三軸試驗(yàn)?zāi)軌驀?yán)格控制排水條件、量測(cè)孔隙水壓力、試樣中應(yīng)力分布比較均勻等特點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者通過(guò)三軸試驗(yàn)對(duì)根系增強(qiáng)土體抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了研究[33-34]?；诖?，筆者通過(guò)PVC 管人工種植方式獲取紫花苜蓿-黃土復(fù)合體，并采用三軸壓縮試驗(yàn)（固結(jié)不排水試驗(yàn)、不固結(jié)不排水試驗(yàn)）測(cè)定紫花苜蓿-黃土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)并分析其時(shí)間效應(yīng)。此外，對(duì)比分析了圍壓和含水率對(duì)紫花苜蓿-黃土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的影響作用，并與素黃土進(jìn)行了比較。本研究成果對(duì)黃河流域邊坡穩(wěn)定性和水土保持研究具有重要理論意義和現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1）植物。紫花苜蓿根系發(fā)達(dá)，固土能力強(qiáng)，是黃土高原地區(qū)先鋒植物之一[35-36]。因此選用紫花苜蓿作為研究對(duì)象，試驗(yàn)種子來(lái)自內(nèi)蒙古赤峰市林西縣草原站。

2）黃土。試驗(yàn)所用黃土取自陜西省西安市臨潼區(qū)，地理坐標(biāo)位置為E：109°20′25″，N：34°25′46″，為離石黃土（Q2黃土）。采用Bettersize2600 激光粒度分布儀測(cè)定土樣的顆粒級(jí)配，粒度分級(jí)曲線如圖1所示。

圖1 三軸壓縮試驗(yàn)用黃土顆粒級(jí)配曲線Fig.1 Particle gradation curve of loess used in triaxial compression tests

3）種植容器。試驗(yàn)所用的大種植箱尺寸為39 cm×39 cm×35 cm（長(zhǎng)×寬×高），小種植箱尺寸為39 cm×39 cm×21 cm（長(zhǎng)×寬×高）；PVC 管的內(nèi)徑為67.8 mm，外徑為75 mm；PVC 管接頭內(nèi)徑為75 mm。紫花苜蓿-黃土復(fù)合體種植示意如圖2 所示。

圖2 紫花苜蓿-黃土復(fù)合體種植示意Fig.2 Schematic diagram of alfalfa-loess complex planting

1.2 試驗(yàn)方案

三軸壓縮試驗(yàn)采用中國(guó)南京土壤儀器廠生產(chǎn)的TSZ-1 型三軸儀。為了比較紫花苜蓿-黃土復(fù)合體在不同圍壓狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，同時(shí)由于紫花苜蓿根系分布較淺，因此在試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)考慮了低圍壓狀態(tài)，即分別在低圍壓（10、30、50 kPa）和高圍壓（100、200、300 kPa）條件下進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)。由于試驗(yàn)主要設(shè)置2 種工況，即天然狀態(tài)和飽水狀態(tài)，因此試驗(yàn)考慮進(jìn)行不固結(jié)不排水（UU）試驗(yàn)和固結(jié)不排水（CU）試驗(yàn)。其中不固結(jié)不排水三軸壓縮試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的工況為未發(fā)生降雨，邊坡表層土體處于天然含水率狀態(tài)；固結(jié)不排水三軸壓縮試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的工況為降雨強(qiáng)度較大，邊坡表面土體處于飽和含水率狀態(tài)。

依據(jù)GB/T 50123—2019，剪切至軸向應(yīng)變達(dá)到20%時(shí)停止試驗(yàn)；不固結(jié)不排水（UU）試驗(yàn)的軸向應(yīng)變速率選定為0.4 mm/min，固結(jié)不排水（CU）試驗(yàn)的軸向應(yīng)變速率選定為0.08 mm/min。紫花苜蓿-黃土復(fù)合體三軸壓縮試驗(yàn)過(guò)程，如圖3 所示。

圖3 紫花苜蓿-黃土復(fù)合體三軸壓縮試驗(yàn)過(guò)程Fig.3 Triaxial compression tests of herbaceous root -loess complex

1.3 試樣制備

1）植被種植。采用PVC 管人工種植含紫花苜蓿根系的黃土試樣的具體步驟：首先，在種植箱內(nèi)鋪一層5 cm 左右的土，將切割好的PVC 種植管插入種植箱內(nèi)，并在PVC 種植管中裝滿黃土；其次，在PVC種植管上端澆水浸潤(rùn)土體后靜置一段時(shí)間，繼續(xù)填滿黃土并澆水浸潤(rùn)，直至黃土裝滿PVC 種植管澆水后不再下沉；再次，在每根PVC 種植管中撒入10～20 顆種子，種植深度為1.5～2.0 cm，當(dāng)種子發(fā)芽后，進(jìn)行間苗，保證每根PVC 管中有10 株紫花苜蓿；最后，給PVC 管中均澆入200 mL 的水。在澆水時(shí)，試驗(yàn)設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)為通過(guò)肉眼觀察PVC 種植管中黃土表面是否變干，如變干則給PVC 管中加入定量的水，以保證PVC 種植管中含水率保持在16.5%左右。此外，試驗(yàn)設(shè)計(jì)在每隔10～15 d 拍照記錄紫花苜蓿生長(zhǎng)情況。

2）紫花苜蓿生長(zhǎng)期設(shè)計(jì)。紫花苜蓿生長(zhǎng)期設(shè)計(jì)為60、90、120、150 d 4 個(gè)階段。

3）三軸壓縮試驗(yàn)試樣制備。首先，將PVC 種植管從種植箱中取出；其次，為了從PVC 種植管中完整取出含紫花苜蓿根系黃土試樣，用細(xì)鐵簽沿PVC種植管內(nèi)壁捅穿土體，使土體與PVC 種植管完全分離；再次，用刀割斷扎帶，將PVC 種植管慢慢地從土體外圍取下；再次，對(duì)取出的含紫花苜蓿根系土體進(jìn)行修整，使其能夠放入切土盤內(nèi)；再次，按照GB/T 50123—2019，確保含根系黃土試樣直徑為39.1 mm，高度為80 mm；最后，剪去含紫花苜蓿根系黃土試樣上表面植物，且對(duì)試樣上下兩端進(jìn)行修整。由于此次試驗(yàn)包含2 種規(guī)格長(zhǎng)度的PVC 管，其中素土與生長(zhǎng)期為60、90 d 的植物根系-黃土復(fù)合體取自長(zhǎng)度20 cm 的PVC 管中，而生長(zhǎng)期為120、150 d 的植物根系-黃土復(fù)合體取自長(zhǎng)度為40 cm 的PVC 管中。因此在取樣時(shí)，統(tǒng)一取20 cm 長(zhǎng)PVC 管的中部，40 cm長(zhǎng)PVC 管的上半20 cm 的中部。

1.4 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)求解

根據(jù)GB/T 50123—2019，如果各個(gè)應(yīng)力圓之間無(wú)明顯規(guī)律，難以繪制各莫爾圓強(qiáng)度包絡(luò)線，可按應(yīng)力路徑取值，即以為縱坐標(biāo)，為橫坐標(biāo)，然后繪制應(yīng)力圓，作通過(guò)各圓之圓頂點(diǎn)的平均直線，根據(jù)直線的傾角及在縱坐標(biāo)上的截距，應(yīng)按下式計(jì)算：

式中：α為平均直線與p軸的傾角，（°）；b為平均直線在q軸上的截距，kPa；φ為內(nèi)摩擦角，即總應(yīng)力圓強(qiáng)度包線與σ軸的夾角，（°）；c為黏聚力，即總應(yīng)力圓強(qiáng)度包線與τ軸的截距，kPa； φ′為有效內(nèi)摩擦角，即有效應(yīng)力圓強(qiáng)度包線與σ軸的夾角，（°）；c′為黏聚力，即有效應(yīng)力圓強(qiáng)度包線與τ軸的截距，kPa。

有學(xué)者認(rèn)為，對(duì)于利用應(yīng)力路徑取值得到的應(yīng)力圓各圓頂點(diǎn)的數(shù)據(jù)，可利用最小二乘法對(duì)應(yīng)力圓各圓頂點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸，當(dāng)線性相關(guān)系數(shù)>0.95 時(shí)，認(rèn)為與包絡(luò)線高度線性相關(guān)[37-39]。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不固結(jié)不排水試驗(yàn)

圖4 為UU 條件下素黃土和紫花苜蓿-黃土復(fù)合體在不同生長(zhǎng)期下應(yīng)力-應(yīng)變曲線及其總應(yīng)力路徑。由圖4 可見(jiàn)，峰值強(qiáng)度與圍壓的大小相關(guān)，表現(xiàn)為峰值強(qiáng)度隨圍壓的增加而增大；不同生長(zhǎng)期下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線整體形態(tài)較為相似，即低圍壓狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線基本都呈現(xiàn)弱應(yīng)變硬化型，而高圍壓狀態(tài)下則都呈現(xiàn)強(qiáng)應(yīng)變硬化型。

圖4 UU 條件下素黃土和紫花苜蓿-黃土復(fù)合體在不同生長(zhǎng)期下應(yīng)力-應(yīng)變曲線及其總應(yīng)力路徑Fig.4 Stress-strain relationship and total stress path of plain loess and alfalfa-loess in different growth periods under unconsolidated and undrained test

UU 條件下素黃土和紫花苜蓿-黃土復(fù)合體的總應(yīng)力路徑都趨近于一條直線，在不同的圍壓下，總應(yīng)力路徑直線的斜率基本相同，兩兩之間趨于平行，總應(yīng)力路徑的密集點(diǎn)總是出現(xiàn)在直線的右上方。

2.2 固結(jié)不排水試驗(yàn)

圖5 為CU 條件下素黃土和紫花苜蓿-黃土復(fù)合體在不同生長(zhǎng)期下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和超孔隙水壓力-應(yīng)變曲線。從圖5 可以看出，飽和試樣的剪切過(guò)程中，無(wú)論是素土還是根土復(fù)合體，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線和超孔隙水壓力-應(yīng)變曲線都表現(xiàn)出相似的變化特征，即在軸向應(yīng)變小于4%時(shí)，主應(yīng)力差和超孔隙水壓力迅速增加；之后隨著軸向應(yīng)變的增大，主應(yīng)力差和超孔隙水壓力逐漸趨于穩(wěn)定。

圖5 CU 條件下素黃土和紫花苜蓿-黃土復(fù)合體在不同生長(zhǎng)期下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和超孔隙水壓力-應(yīng)變關(guān)系Fig.5 Stress-strain relationship and excess pore water pressure-strain relationship between plain loess and alfalfa-loess complex in different growth periods under consolidated undrained test

圖6 為CU 條件下素黃土和紫花苜蓿-黃土復(fù)合體在不同生長(zhǎng)期下的總應(yīng)力路徑和有效應(yīng)力路徑。與圖4 對(duì)比可見(jiàn)，CU 與UU 條件下總應(yīng)力路徑特點(diǎn)基本一致，CU 的總應(yīng)力路徑密集點(diǎn)更緊密且數(shù)值小于UU。由圖6 可見(jiàn)，固結(jié)不排水試驗(yàn)的有效應(yīng)力路徑曲線的形狀大致呈倒扣的半“U”形，與其總應(yīng)力路徑相比有效應(yīng)力路徑密集點(diǎn)的縱坐標(biāo)基本一致，橫坐標(biāo)整體向左平移了超孔隙水壓力大小的距離。

圖6 CU 條件下素黃土和紫花苜蓿-黃土復(fù)合體在不同生長(zhǎng)期下的總應(yīng)力路徑和有效應(yīng)力路徑Fig.6 Total stress path and effective stress path of plain loess and alfalfa-loess complex in different growth periods under consolidated undrained test

2.3 峰值強(qiáng)度

依據(jù)GB/T 50123—2019，對(duì)于應(yīng)變軟化的試樣選擇應(yīng)力-應(yīng)變曲線的峰值點(diǎn)作為破壞點(diǎn)，對(duì)于應(yīng)變硬化的試樣選擇軸向應(yīng)變?yōu)?5%時(shí)的主應(yīng)力差作為峰值強(qiáng)度。

圖7 和圖8 分別為不固結(jié)不排水（UU）和固結(jié)不排水（CU）條件下素黃土與不同生長(zhǎng)期紫花苜蓿-黃土復(fù)合體峰值強(qiáng)度-圍壓關(guān)系。由圖7 和圖8 可見(jiàn)，UU 和CU 試驗(yàn)中不論是素黃土還是不同生長(zhǎng)期（60、90、120、150 d）紫花苜蓿-黃土復(fù)合體的峰值強(qiáng)度總是隨著圍壓的增大而增大；低圍壓狀態(tài)下素黃土與紫花苜蓿-黃土復(fù)合體的峰值強(qiáng)度離散性小，高圍壓狀態(tài)下素黃土與紫花苜蓿-黃土復(fù)合體的峰值強(qiáng)度離散性大，這可能是因?yàn)椴煌L(zhǎng)期下的根系對(duì)土體的增強(qiáng)作用不一致，再加上圍壓的增加，從而使得黏聚力存在差異。

圖7 UU 試驗(yàn)素黃土與不同生長(zhǎng)期紫花苜蓿-黃土復(fù)合體峰值強(qiáng)度-圍壓關(guān)系Fig.7 Peak strength-confining pressure relationship between plain loess and alfalfa-loess complex samples in different growth periods of UU test

圖8 CU 試驗(yàn)素黃土與不同生長(zhǎng)期紫花苜蓿-黃土復(fù)合體峰值強(qiáng)度-圍壓關(guān)系Fig.8 Peak strength-confining pressure relationship between plain loess and alfalfa-loess complex samples in different growth periods of CU test

2.4 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

由于試驗(yàn)結(jié)果所得的各個(gè)應(yīng)力圓之間無(wú)明顯規(guī)律，難以繪制強(qiáng)度包絡(luò)線。出現(xiàn)這種情況的原因可能是因?yàn)樵谂嘤^(guò)程中需要給試樣持續(xù)不斷地澆水，培育時(shí)間較長(zhǎng)的試樣澆的水也就更多，且由于黃土對(duì)水有很強(qiáng)的敏感性，因此會(huì)對(duì)黃土強(qiáng)度造成較大影響。因此選用最小二乘法求抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

素黃土與不同生長(zhǎng)期紫花苜蓿-黃土復(fù)合體三軸壓縮試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的擬合結(jié)果，見(jiàn)表1。CU試驗(yàn)中生長(zhǎng)期為60 d 的紫花苜蓿-黃土復(fù)合體試驗(yàn)結(jié)果無(wú)法在全圍壓狀態(tài)下得到合理的擬合結(jié)果，因此對(duì)于生長(zhǎng)期為60 d 的紫花苜蓿-黃土復(fù)合體僅列出了低圍壓擬合結(jié)果和高圍壓擬合結(jié)果。

表1 素黃土與不同生長(zhǎng)期紫花苜蓿-黃土復(fù)合體三軸壓縮試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)擬合結(jié)果Table 1 Fitting results of shear strength index of plain loess and alfalfa-loess complex in different growth periods under triaxial compression test

由表1 可知，在低圍壓、高圍壓和全圍壓狀態(tài)下UU 試驗(yàn)的擬合結(jié)果中，c隨著紫花苜蓿生長(zhǎng)期單調(diào)增大，φ與紫花苜蓿生長(zhǎng)期無(wú)明顯關(guān)系。在低圍壓狀態(tài)下CU 試驗(yàn)的擬合結(jié)果中，c值隨著紫花苜蓿生長(zhǎng)期單調(diào)增大，φ值除了生長(zhǎng)期為90 d 時(shí)存在異常值之外總體趨勢(shì)呈單調(diào)增大，c′值除了生長(zhǎng)期為150 d時(shí)存在異常值之外總體趨勢(shì)呈單調(diào)增大，φ′值與紫花苜蓿生長(zhǎng)期無(wú)明顯關(guān)系；在高圍壓狀態(tài)下CU 試驗(yàn)的擬合結(jié)果中，c值和φ值與紫花苜蓿生長(zhǎng)期無(wú)明顯關(guān)系，c′值除了生長(zhǎng)期為90 d 時(shí)存在異常值之外總體趨勢(shì)呈單調(diào)增大，φ′值與紫花苜蓿生長(zhǎng)期無(wú)明顯關(guān)系。

3 討 論

3.1 草本植物-黃土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的時(shí)間效應(yīng)

試驗(yàn)結(jié)果表明：紫花苜蓿-黃土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度相對(duì)于素黃土有顯著提高，且隨紫花苜蓿生長(zhǎng)期的增加整體上呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。由表1 可見(jiàn)，在UU 試驗(yàn)中，低圍壓狀態(tài)下紫花苜蓿-黃土復(fù)合體黏聚力隨生長(zhǎng)期較素黃土分別增加了7.02%、18.81%、26.09%和36.41%；高圍壓狀態(tài)下分別增加了3.74%、13.96%、25.16%和29.33%；全圍壓狀態(tài)下分別增加了14.84%、18.38%、24.38%和29.31%；在CU 試驗(yàn)中，低圍壓狀態(tài)下紫花苜蓿-黃土復(fù)合體黏聚力較素黃土分別增加了27.62%、50.87%、77.62%和158.14%，但高圍壓狀態(tài)和全圍壓狀態(tài)下沒(méi)有規(guī)律性；有效黏聚力在高圍壓、低圍壓和全圍壓狀態(tài)下均與生長(zhǎng)期沒(méi)有明顯關(guān)系。造成這種結(jié)果的原因，可能是由于植物的生長(zhǎng)過(guò)程中需不斷澆水，使得土顆粒間的膠結(jié)連接被破壞，顆粒間變?yōu)橐渣c(diǎn)接觸為主，從而使結(jié)構(gòu)連結(jié)強(qiáng)度迅速降低，鑲嵌的緊密排列變?yōu)榧芸盏乃缮⑴帕?，使得土體孔隙增大[40-41]，從而破壞土體的結(jié)構(gòu)性，使得土體自身的強(qiáng)度降低。此外，植物根系淺埋段由于上覆土體自重壓力較小，無(wú)法抵御根系膨壓作用，導(dǎo)致土體疏松且強(qiáng)度降低；植物根系深埋段由于上覆土體自重壓力較大，可以抵御植物根系膨壓作用，使得土體進(jìn)一步致密且強(qiáng)度增加；隨著植物根系發(fā)育深度逐漸增大，深埋與淺埋分界面的變化，使得草本植物根系-黃土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的時(shí)間效應(yīng)不顯著。

植物根系主要是通過(guò)對(duì)土體錨固、加筋以及改善土體物理化學(xué)性質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)改善土體抗剪強(qiáng)度[17]。但植物不同生長(zhǎng)階段根系生物物理性質(zhì)的變化將會(huì)間接影響其對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度的增強(qiáng)效果，因此根系與土體間相互作用的力學(xué)特性具有顯著的時(shí)間效應(yīng)[20,25]，其主要表現(xiàn)在摩擦強(qiáng)度和黏聚強(qiáng)度兩方面：①隨著植物生長(zhǎng)期的增加，主根入土深度越深，對(duì)土體錨固作用越強(qiáng)；同時(shí)，植物根徑越粗、根數(shù)越多、根面積比（RAR）越大，根系對(duì)四周土體產(chǎn)生膨壓作用，使植物根系和土之間的接觸更加緊密，增大了根系和土體之間的接觸面積，根系與土體間的摩擦阻力也越大，使得根土間的摩擦強(qiáng)度越大，進(jìn)而根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度越大[25-26]。②黏聚強(qiáng)度主要取決于土粒、根土間的各種物理化學(xué)作用力，如庫(kù)侖力（靜電力）、范德華力、膠結(jié)作用力等；隨植物生長(zhǎng)期增加，植物根系在土中盤根錯(cuò)節(jié)，使土體與根系緊密結(jié)合，使得土顆粒間的靜電力和范德華力明顯增大；同時(shí)，植物根系分泌更多的粘液、有機(jī)膠質(zhì)等有機(jī)質(zhì)，有效增強(qiáng)了根系和土體之間的膠結(jié)作用。

3.2 圍壓對(duì)草本植物-黃土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的影響

由于所選取的草本植物為紫花苜蓿，其種植當(dāng)年根系主要分布于地下淺表層以內(nèi)。基于此，分別設(shè)置了低圍壓狀態(tài)（10、30、50 kPa）和高圍壓狀態(tài)（100、200、300 kPa），以對(duì)比分析在不同圍壓狀態(tài)下紫花苜蓿-黃土復(fù)合體的強(qiáng)度特性，從而評(píng)價(jià)不同圍壓狀態(tài)下草本植物根系對(duì)土體的加筋效果。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：無(wú)論圍壓高低，在相同軸向應(yīng)變條件下，主應(yīng)力差整體上隨圍壓的增加而增加，表明圍壓的存在可有效限制變形，增強(qiáng)土體的抗剪能力；低圍壓狀態(tài)下的素黃土及不同生長(zhǎng)期紫花苜蓿-黃土復(fù)合體黏聚力明顯小于高圍壓狀態(tài)；低圍壓狀態(tài)下的試驗(yàn)較為成功，其結(jié)果較為準(zhǔn)確，相對(duì)于高圍壓狀態(tài)更符合實(shí)際。

三軸壓縮試驗(yàn)中對(duì)巖土體施加不同的圍壓，其目的在于模擬試樣在不同埋深下所處的地應(yīng)力條件，且圍壓的高低對(duì)土體的變形性能及力學(xué)指標(biāo)存在著影響[42-44]。但目前大多數(shù)對(duì)于含草本植物的根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的研究大多都以高圍壓狀態(tài)為主，較少結(jié)合根系生長(zhǎng)深度的實(shí)際情況考慮試驗(yàn)圍壓的設(shè)定，其原因可能是在低圍壓狀態(tài)下的三軸壓縮試驗(yàn)中，試驗(yàn)結(jié)果的可靠性和精度容易受到外界因素的影響[45]。但在實(shí)際情況中，草本植物根系分布深度大多較淺，主要集中于地表以下40 cm 深度范圍內(nèi)，超過(guò)該范圍根系含量顯著降低，對(duì)土體的加筋效果不顯著[44]，若采用高圍壓對(duì)含草本植物根系的根土復(fù)合體進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)明顯不符合實(shí)際情況[44]。因此，在進(jìn)行含草本植物的根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定合適的圍壓狀態(tài)，以避免對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響。

3.3 含水率對(duì)草本植物-黃土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的影響

不固結(jié)不排水三軸壓縮試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的工況為未發(fā)生降雨，邊坡表層土體處于天然含水率狀態(tài)；固結(jié)不排水三軸壓縮試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的工況為降雨強(qiáng)度較大，邊坡表面土體處于飽和含水率狀態(tài)。素黃土與不同生長(zhǎng)期紫花苜蓿-黃土飽和含水率較天然含水率的黏聚力和內(nèi)摩擦角降低值，見(jiàn)表2。結(jié)合表1 與表2 結(jié)果可見(jiàn)，隨著含水率的增加，草本植物-黃土復(fù)合體黏聚力和內(nèi)摩擦角均呈下降的趨勢(shì)。在相同圍壓狀態(tài)下，草本植物-黃土復(fù)合體的黏聚力的降低值總體上高于素土；隨植物生長(zhǎng)期增加，草本植物-黃土復(fù)合體黏聚力降低值整體上呈逐漸增大趨勢(shì)，而內(nèi)摩擦角整體上呈先增大后減小的趨勢(shì)。

表2 素黃土與不同生長(zhǎng)期紫花苜蓿-黃土飽和含水率較天然含水率的黏聚力和內(nèi)摩擦角降低值Table 2 Compared with natural water content, cohesion and internal friction angle of plain loess and alfalfa-loess complex in different growth periods decreased in saturated water content

含草本植物根系的邊坡淺表部，在天然狀態(tài)下土顆粒之間連接強(qiáng)度較大，骨架顆粒排列緊密，孔隙空間小，吸力較大，且由于草本植物根系的膨脹作用，使得土體間孔隙相對(duì)更小，從而提高邊坡淺表部土體強(qiáng)度。但是，隨著降雨強(qiáng)度和降雨時(shí)間的增加，邊坡淺表部土體內(nèi)部含水率不斷增加，土體內(nèi)部的易溶鹽以及草本植物根系分泌物不斷被溶解，使得根土復(fù)合體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度減小，且結(jié)合水膜厚度增大，土顆粒的間距增加且根系與土顆粒之間的接觸面積減小，使得土顆粒間、根-土之間的摩擦力降低，連接強(qiáng)度減弱，進(jìn)而導(dǎo)致含草本植物根系的邊坡淺表部強(qiáng)度顯著降低[46-49]。此外，伴隨著植物的生長(zhǎng)，植物地上部分越來(lái)越高大，導(dǎo)致植物自重加大，并且植物地上部分對(duì)降雨的吸附量也越來(lái)越大，這都不利于邊坡的穩(wěn)定性。

3.4 含人工種植根與含自然生長(zhǎng)根、含人工插入根的根土復(fù)合體試樣差異

植物根系的加固效果常受到根系的幾何形態(tài)及分布特征的影響[50-51]。草本植物根系大部分分布在地表淺層部位，地表表層密集分布的根系對(duì)含草本植物根系黃土抗拉強(qiáng)度的提高很重要，隨著植物的長(zhǎng)大而不斷的生長(zhǎng)和分支，提供了良好的抗彎和抗剪強(qiáng)度，對(duì)防治邊坡淺層破壞更有效[52]。

目前大多采用將野外采集的植物根系插入重塑土中制備含人工插入根的根土復(fù)合體試樣，來(lái)進(jìn)行抗剪強(qiáng)度測(cè)定試驗(yàn)。含人工插入根的根土復(fù)合體試樣通常是將規(guī)則的、粗大的、遴選的根系插入土壤，不具有發(fā)達(dá)的根系網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[53-54]，類似于加筋土，不能完全的、充分的、徹底的模擬出根-土之間的相互作用。為了模擬出植物根系實(shí)際的生長(zhǎng)情況，并更好的分析根-土的相互作用下的根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度，擬采用PVC 管制備含人工種植根的根土復(fù)合體試樣，此方法與胡夏嵩[55]、FORESTA[30]及GHESTEM等[56]通過(guò)人工種植獲取根土復(fù)合體試樣的方法類似。雖然與植物自然生長(zhǎng)方式相比，側(cè)根的生長(zhǎng)可能會(huì)受到限制，但是采用PVC 管人工種植方式的優(yōu)點(diǎn)在于可以盡量在不擾動(dòng)的情況下將PVC 管中的根土復(fù)合體直接制成三軸試樣，避免破壞根-土之間的接觸關(guān)系[55]。與含人工插入根的根土復(fù)合體試樣相比，采用PVC 管人工種植方式獲取的根土復(fù)合體試樣測(cè)得的試驗(yàn)結(jié)果將更能完全反映根系固土機(jī)制。

含人工種植根的根土復(fù)合體試樣制備，是將植物種植在種植管或種植箱中，其根系的生長(zhǎng)速度和方向與自然條件下根系的生長(zhǎng)情況基本一致[57]。與含人工種植根的根土復(fù)合體試樣相比，含自然生長(zhǎng)根的根土復(fù)合體試樣中根系在生長(zhǎng)過(guò)程中不會(huì)受到種植管或種植箱的限制，根系更為發(fā)達(dá)，但是難以精確確定所選樣本植物的生長(zhǎng)期，無(wú)法控制降雨量和光照條件，同時(shí)在取樣時(shí)難度大、成本高且容易擾動(dòng)，從而最終對(duì)相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生了影響。對(duì)于含人工種植根的根土復(fù)合體試樣制備，以上缺點(diǎn)都可以通過(guò)人為控制克服。

總之，通過(guò)人工種植方式制備根土復(fù)合體試樣，既可以避免含人工插入根的根土復(fù)合體試樣不能完全的、充分的、徹底的模擬出根-土之間的相互作用的缺點(diǎn)，也可以克服含自然生長(zhǎng)根的根土復(fù)合體試樣難以確定植物生長(zhǎng)期、無(wú)法控制種植條件以及制樣難、成本高和易擾動(dòng)的缺陷。

4 結(jié) 論

1）與素黃土相比，紫花苜蓿-黃土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度顯著提高。在UU 試驗(yàn)中，紫花苜蓿-黃土復(fù)合體試樣黏聚力顯著高于素黃土，且增長(zhǎng)速率隨生長(zhǎng)期增加而增大，內(nèi)摩擦角無(wú)明顯規(guī)律；在CU 試驗(yàn)中，低圍壓狀態(tài)下紫花苜蓿-黃土復(fù)合體試樣黏聚力顯著高于素黃土，且增長(zhǎng)速率隨生長(zhǎng)期增加而增大，內(nèi)摩擦角無(wú)明顯規(guī)律；高圍壓狀態(tài)下黏聚力和內(nèi)摩擦角均無(wú)明顯規(guī)律。

2）對(duì)比分析了低圍壓狀態(tài)（10、30、50 kPa）和高圍壓狀態(tài)（100、200、300 kPa）下紫花苜蓿-黃土復(fù)合體的強(qiáng)度特性，發(fā)現(xiàn)低圍壓狀態(tài)下的試驗(yàn)結(jié)果較為準(zhǔn)確，相對(duì)于高圍壓狀態(tài)更符合實(shí)際。

3）對(duì)于同一生長(zhǎng)期紫花苜蓿-黃土復(fù)合體，飽和含水率的黏聚力顯著低于天然含水率的；隨著生長(zhǎng)期的增加，飽和含水率的黏聚力較天然含水率的降低幅度整體上越來(lái)越大，而內(nèi)摩擦角整體上呈先增大后減小的趨勢(shì)。

致謝：本文試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及其撰寫過(guò)程中，得到了中國(guó)工程院王雙明院士和彭蘇萍院士的指導(dǎo)和幫助，在此一并表示感謝。