黄土区紫花苜蓿根系对土体抗剪性能的影响

2019-05-21李东嵘张超波

中国水土保持科学 2019年2期

周霞，魏杨，李东嵘，蒋静，张超波

(太原理工大学水利科学与工程学院，030024，太原)

近年来，随着我国经济的不断发展，城镇建设的不断优化，交通基础建设的不断扩大，人们在基础工程建设中加剧了对边坡的破坏，诱发了一系列新的地质灾害[1]。边坡的不合理改造和开挖造成了地表植被破坏，加剧水土流失，同时对地质构造较弱和在坡度较大的地方，还会造成不同程度的山体滑坡和崩塌，给人们的生活带来严重危害；因此，加快边坡植被恢复，提高边坡稳定性，减少水土流失，是现阶段急需解决的问题。常见的水土保持措施有工程措施和植物措施[2]。工程措施指的是以保持土体稳定和截排水的建筑工程防护措施，如梯田、护坡、截水沟；植物措施指的是通过保护和合理利用水土资源，采用林草植被措施进行绿化，减少地表土壤侵蚀的一种防护措施。植物措施已经广泛地应用到边坡固土，提高浅层边坡稳定性。植物措施根土护坡的原理是通过利用植物根系与土壤相互缠绕以增加土壤间的固结力，改变土壤之间结构，形成根土复合体，提高边坡稳定性和抗冲刷性[3]。采用这些措施使水土流失得到一定的改善，但很多地区出现土壤含水量低、土壤干层，造成植被衰败或退化的新现象，且在林地比灌草地表现得更明显；因此，灌草成为化解水资源-生态环境矛盾，进行水土流失防治的优先选择。很多学者通过研究认为根土间相互作用能提高土体的抗剪强度[4-9]，这些研究中较多地关注植物类型为乔木[10-11]、寒旱环境灌草植物[12-13]，对黄土区草本根系与土体抗剪性能关系研究较为缺乏。笔者对黄土区草本根系-土复合体进行原位剪切试验，研究不同深度、不同土壤含水量下根土复合体抗剪强度和剪切位移之间的关系，并分析剪切深度对根土复合体抗剪性能的影响，研究结果对于研究不同深度下根土间力学摩擦关系和提高边坡稳定性具有重要意义，可为边坡固土和水土保持提供理论依据。

1 试验区概况

试验区太原位于E 111°30′～113°09′，N 37°27′～38°25′。最高海拔为2 670 m，最低海拔为760 m，地区地貌形态复杂多样，大部分地处黄土高原，有丰富的粉沙质土壤，即黄土，该土体疏散，易被水冲刷，抗冲散力差；太原年均降雨量约为456 mm，四季降雨不均，多集中在7、8月份，占全年降雨量的60%，雨季降水量多，强度大，易形成大雨和暴雨，这些因素造成了水土流失。紫花苜蓿(Medicagosativa)枝叶茂盛，根系发达，根系主要集中在深度0～30 cm土壤中，在该范围内的须根占总量的一半以上[14]，能提高土体的抗冲刷能力[15]。紫花苜蓿地表部分能拦蓄和缓解地表径流对土壤的冲刷，须根多，能与周围土体紧密缠绕，固土能力强，在黄土高原地区具有显著的水土保持效果[16]。

2 材料与方法

2.1 剪切试样制作

试验在太原理工大学水利科学与工程学院实验大厅开展，剪切试验采用填装试样，试验箱尺寸为50 cm×50 cm×50 cm(长×宽×高)；土样取自太原市附近黄土，为保持各试样土体密度、均匀性等相关参数相同，并与自然环境接近，采取分层取样、分层填装压实，每个试样分5层，每层10 cm，试验区土样参数如表1所示。

种植植物为黄土区水土保持先锋草本物种紫花苜蓿，属多年生草本，根粗壮，能深入土层，根茎发达。种植方式采用分行穴种，株距10 cm，种植16株。在自然环境条件下生长5个月后，地上部分株高约为25 cm，地下部分根长为10～30 cm，地上部分试样含水量为63.19%，地下部分试样含水量51.10%。

剪切盒尺寸为20 cm×20 cm×10 cm(长×宽×高)，剪切根系为4株，每株含根量为5～6根左右，剪切根系占总体根系25%，剪切土体面积总占土体的16%。剪切试验采取分层剪切，剪切深度10 cm、20 cm和30 cm，深度20 cm和30 cm的试样上方承压相应的土体重量，根据实际含水量的条件，控制3个含水量范围进行剪试验，3种剪切深度下共9个处理试样，对应3种裸地试样，重复2组，共24个试样。

表1 土壤物理性质参数表Tab.1 Soil physical properties parameter list

2.2 剪切试验装置

用于试验的自制原位直剪仪器如图1所示，主要由框架、直剪盒、千斤顶、液压泵、位移传感器、压力传感器、记录仪等部分组成。其中，剪切盒尺寸为20 cm×20 cm×10 cm(长×宽×高)，剪切面积为0.04 m2。位移传感器最大剪切位移为100 mm，精度为0.1%。压力传感器最大荷载为3 kN，精度为0.1%。采用液压千斤顶匀速加载，加载速度为3 mm/s。

图1 剪切试验装置Fig.1 Device for shear tests

2.3 剪切试验步骤

剪切试验过程分为以下6步：1)整平场地，割除植物地上部分，在容器中央放置尺寸为20 cm×20 cm×10 cm(长×宽×高)的剪切盒，挖除和修整剪切盒周围土体；2)安装、检查原位剪切仪器，将拉力传感器和位移传感器调整好位置并归零；3)使用SS-TRS402土壤水分测定仪测定试样剪切土层的土壤含水量；4)试验分3层剪切：0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm，启动液压千斤顶，匀速对剪切盒施加水平推力，即开始剪切土样试验；5)记录数据，观察记录仪上实时曲线，当荷载达到峰值后，随着剪切位移的增加，荷载减小直至达到平稳，说明土样处于完全破坏状态，停止试验；6)移除仪器，详细统计和记录剪切破坏土样特征及剪切面处根系分布与破坏情况。

2.4 数据分析

抗剪强度反映了植物根系抵抗剪切滑动的能力，试样剪切破坏时的抗剪强度计算式为

(1)

式中：F为水平推力，N；A为剪切截面积，mm2，τ为抗剪强度，kPa。抗剪强度增量计算式为

Δτ=τ-τ素土。

(2)

抗剪强度增幅计算式为

(3)

3 结果与分析

3.1 根土复合体剪切破坏过程

选取剪切深度20 cm试样研究根土复合体剪切破坏过程，剪切根系数为4株，土壤含水量约为27.15%。由图2试样应力应变关系曲线图可知，裸地试样和根土复合体试样剪切破坏过程均经历3个阶段：弹性变形阶段(OA和OA′阶段)、塑性变形阶段(AB和A′B′阶段)和完全破坏阶段(BC和B′C′阶段)。OA阶段，随着荷载逐渐增加，剪切位移增加量较小，应力应变关系近似直线，土壤受剪产生的剪应力开始转移给根系，使得根系发生弹性变形，该阶段为试样弹性变形阶段；AB阶段，随着荷载逐渐增大，剪切位移逐渐增大，根系承担的剪应力也逐渐增大，根系和土壤之间产生相互错动趋势，接近根系自身抗拉强度或根土界面摩擦力，该阶段为试样塑性变形阶段。在塑性变形阶段，AB段斜率比A′B′段大，显示根土复合体试样的剪切力明显大于裸地试样，土体发生滑动趋势时，土壤和根系都会发生不同程度的变形。由于二者的变形存在一定的差异，所以土壤和根系之间会发生错动或有相互错动趋势，而土壤和根系之间的错动会受到土壤摩擦阻力的抵抗，使得土壤中的部分剪应力转移给植物根系，根系受拉，形成弹塑性变形，说明根系的存在显著提高了土体抗剪能力[17-18]。在破坏阶段，BC段斜率大于接近水平B′C′段斜率，裸地试样在B′点几乎达到完全破坏；剪切力从B点增大到C点超出土壤抗剪能力，根系最终拔出或断裂，根土复合体在C点发生完全破坏。

图2 试样剪切应力应变曲线Fig.2 Shear stress strain curve of samples

3.2 苜蓿根土复合体的增强效应

剪切试样包括裸地试样W0：W01含水量21.9%和剪切深度S1(0～10 cm)、W02含水量24.1%和剪切深度S2(10～20 cm)、W03含水量32.9%和剪切深度S3(20～30 cm)。剪切深度S1(0～10 cm)，根土复合体试样W1有：W11试样含水量19.0%、W12试样含水量27.8%和W13试样含水量32.4%。剪切深度S2(10～20 cm)，根土复合体试样W2有：W21试样含水量23.5%、W22试样含水量27.3%和W23试样含水量31.3%。剪切深度S3(20～30 cm)，根土复合体W3有：W31试样含水量30.2%、W32试样含水量32.5%和W33试样含水量36.9%。

由图3可知，坐标X轴为土壤含水量，Y轴为极限抗剪强度和剪切位移，同一土层中，苜蓿根系对土体极限抗剪强度和剪切位移的增强值随土壤含水量增加而降低。图3(a)剪切深度S1时，苜蓿根土复合体试样W11、W12和W13极限抗剪强度比裸地试样W01分别增加了89.41%、63.68%和49.61%，剪切位移比裸地试样W01分别增加了55.33%、50.90%和41.70%。图3(b)剪切深度S2时，试样W21、W22和W23极限抗剪强度比试样W02分别增加了73.23%、60.25%和43.10%，剪切位移比裸地试样W02分别增加了33.25%、29.94%和28.21%。图3(c)剪切深度S3时，W31、W32和W33试样极限抗剪强度比W03试样分别增加了36.29%、25.79%和11.38%。裸地试样在剪切位移约为40～50 mm时抗剪强度达到峰值，而根土复合体在剪切位移约为60～70 mm时达到峰值，表明剪切时根系的存在增加了土体剪切变形能力，这对于提高边坡稳定性具有重要意义。总体而言，苜蓿根系不仅能增强土体抗剪强度，而且能提高土体剪切变形能力，但土壤含水量对苜蓿根系的这种增强效应产生负面影响。

3.3 不同深度的苜蓿根土复合体抗剪性能

从图4(a)中可以看出，坐标X轴为剪切深度，Y轴为极限抗剪强度增幅，苜蓿根系对土体极限抗剪强度的平均增幅随剪切深度增加而逐渐减小，剪切深度S2、S3中极限抗剪强度平均增幅比剪切深度S1中增幅分别减少8.70%和43.08%。图4(b)中可以看出：坐标X轴为剪切深度，Y轴为剪切位移增幅，苜蓿根系对土体剪切位移的平均增幅也随剪切深度增加而逐渐减小，剪切深度S2、S3中剪切位移平均增幅比剪切深度S1中剪切位移平均增幅分别减少18.71%和40.59%。因此，苜蓿根系对土壤限抗剪强度和剪切位移的整体增强效果随土壤剪切深度增加而减小。

4 讨论

根土复合体的抗剪强度是评价根系边坡固土的重要指标，抗剪强度值越大，越有利于边坡稳定。本研究中，对不同深度苜蓿根土复合体剪切发现，剪切深度越大，极限抗剪强度增幅和剪切位移越小。这与格日乐等[19]研究结果相似，即剪切深度为30 cm时，根土复合体抗剪强度和剪切位移相比裸地对照试样无明显提升，而在剪切深度10 cm和20 cm下苜蓿根土复合体抗剪强度随土壤含水量的增大而减小。主要原因可能有2点：一是由于植株生长周期短，植株根系深入30 cm土壤深度的较少，因而根系增强效果较弱；二是本研究中随着剪切深度增大，土壤含水量逐渐增加，根系固土能力被削弱[20]，一定量的水分能使土粒和水分之间形成水膜，将土壤和根系形成良好的连接体，增强土壤和根系的固土能力。但过量的水分促使土壤体积增大，黏聚力降低，使得根土复合体的抗剪能力下降[19]。这表明根系能提高土体抗剪强度且对于浅层土体影响明显。

W01：Sample without roots while soil moisture content 21.9% at shear depth S1 0-10 cm. W11：Sample with roots while soil moisture content 19.0% at shear depth S1 0-10 cm. W12：Sample with roots while soil moisture content 27.8% at shear depth S1 0-10 cm. W13：Sample with roots while soil moisture content 32.4% at shear depth S1 0-10 cm. W02：Sample without roots while soil moisture content 24.1% at shear depth S2 10-20 cm. W21：Sample with roots while soil moisture content 23.5% at shear depth S2 10-20 cm. W22：Sample with roots while soil moisture content 27.3% at shear depth S2 10-20 cm. W23：Sample with roots while soil moisture content 31.3% at shear depth S2 10-20 cm. W03：Sample without roots while soil moisture content 32.9% at shear depth S3 20-30 cm . W31：Sample with roots while soil moisture content 30.2% at shear depth S3 20-30 cm. W32：Sample with roots while soil moisture content 32.5% at shear depth S3 20-30 cm. W33：Sample with roots while soil moisture content 36.9% at shear depth S3 20-30 cm.图3 不同含水量下根土复合体试样Fig.3 Samples with roots under different moisture content

W1：Sample with roots at shear depth 0-10 cm. W2：Sample with roots at shear depth 10-20 cm. W3：Sample with roots at shear depth 20-30 cm. S1：Shear depth 0-10 cm. S2：Shear depth 10-20 cm. S3：Shear depth 20-30 cm.图4 不同剪切深度下W1、W2和W3根土复合体试样Fig.4 W1, W2and W3samples with roots under different shear depth