熊光城 谢晓靓 陈鹏 马瑞雪 万艳雷 冯晶红 颜丹 唐强 刘裕如

摘要 为了定量化分析扦插措施根系对边坡稳定性的贡献，采用固结不排水三轴剪切试验研究不含根土体及根-土复合体的抗剪强度，并使用数显土壤紧实度仪对边坡的紧实度进行测量，分析新生根系对边坡紧实度的影响。结果表明：加根土的强度和抗变形能力增强。扦插措施新生根系能有效提高土体的黏聚力，其对内摩擦角的影响不明显，而对边坡土壤紧实度的改善作用显著。

关键词 扦插措施;根-土复合体;紧实度

中图分类号 S 181文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2022）04-0199-02

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.04.051

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Mechanical Enhancement Effect Analysis of Root System by Cutting Measures on Reinforcing Soil

XIONG Guang-cheng1，XIE Xiao-liang1，CHEN Peng2，3 et al （1.Yangtze River Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan，Hubei430010;2. School of Civil Engineering，Architecture and Environment，Wuhan，Hubei430068;3. CCCC Second Highway Survey，Design and Research Institute Co.，Ltd.，Wuhan，Hubei 430058）

Abstract In order to make a quantitative analysis of the contribution of root system by cutting measures on the slope stability，consolidated and undrained triaxial compression test was conducted to study the shear strength of soil without roots and root-soil complex. The compactness of the slope was measured by using digital soil compactness meter. And the influences of new root system on the compactness of slope were analyzed. The results showed that the strength and deformation resistance of soil with roots were enhanced. New root system by cutting measures could effectively improve the cohesion of soil，and had no obvious influence on the internal friction angle.New root system by cutting measures had a significant improvement effect on the soil compactness of slope.

Key words Cutting measures;Soil-root complex;Compactness

基金項目 水利部珠江河口动力及伴生过程调控重点实验研究基金项目（〔2017〕KJ08）。

作者简介 熊光城（1987—），男，湖北黄冈人，工程师，从事水环境水生态治理方面的研究。 *通信作者，讲师，硕士，从事边坡生态防护、河道生态治理方面的研究。

收稿日期 2021-06-18;修回日期 2021-06-29

植物根系对边坡稳定性的影响在于植物根系能与土体颗粒发生相互接触、穿插和缠绕等现象，形成一种天然的根-土复合体，进而改变了边坡土壤性质[1-2]。植物根系能增强坡体的稳定性，取决于根-土复合体的强度[3-5]。目前大量研究通过直剪和三轴剪切试验对根系的抗剪强度进行评价，主要包括根系放置方式[6]、含根量[7]、植物品种[8-9]、坡度[10]等因素对根-土复合体抗剪强度的影响。

扦插措施是边坡治理，特别是土壤生物工程中常用的技术方法。新生根系的生长和分布特征除了受土壤理化特性的影响外，还与其扦插角度、长度、直径及密度等有直接的关系[11]。这些施工方法将影响根系体积占试样体积的百分比（统称含根率），进而对根-土复合体的抗剪强度产生一定的影响。笔者利用固结不排水三轴剪切试验及紧实度试验，对扦插措施中根-土复合体固土的力学增强效应进行分析，旨在为扦插措施在边坡中的应用提供一定的理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料与仪器

供试根系材料取自武汉市湖北工业大学校区实验基地人工设置的人工边坡，坡长40 m，高1 m，坡度约45°。在人工边坡利用旱柳（Salix matsudana）新鲜活枝构建扦插措施，待植物生长1年后，收集0～10 cm土层的根系，经分析根系平均直径为（4.19 ± 0.71）mm。同时，收集土壤并带回实验室，使用TSZ30-2.0型台式三轴仪全自动操作固结不排水三轴剪切试验。

1.2 试验方法 将收集的土壤依据SL 237—1999土工试验规程[12]进行试验土柱制备，用于测定土壤抗剪强度相关的参数。试验土柱直径39.1 mm，高80.0 mm，根据土壤饱和度计算公式和常规物理力学性质指标，设定试验土柱的干密度为1.45 g/cm3，含水率为35%，从而得出每个试验土柱的质量为180.5 g。将土壤平均分成5份，依次加入击实器内击实处理。为了模拟不同含根率（根系体积占试样体积的百分比）对根-土复合体强度的影响，以混合放置的方式将含根率分别为8%、15%、20%、25%、35%的根系放置于试样内。围压分别设定为100、200、300 kPa，加载速率为0.05 mm/min，对试验土柱开展固结不排水三轴剪切试验。

1.3 土壤紧实度调查 在裸露边坡及扦插边坡分别选取9个点，并使用SC900数显土壤紧实度仪测量土壤紧实度。

1.4 数据处理

试验数据使用 Excel 2013软件制表;使用Origin 2017软件绘图;采用SPSS 22.0统计软件进行单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 主应力差与轴向应变的关系

不含根土体（含根率为0）和不同含根率的试验土柱在围压分别为100、200、300 kPa 条件下的主应力差-轴向应变关系如图1所示。从图1可以看出，不含根土体与不同含根率试验土柱的主应力差随轴向应变的变化趋势基本一致。与不含根土体相比，不同含根率试验土柱的主应力差增加较多。当改变围压时，随着围压的增大，主应力差增大，即增大围压能有效提高土体的强度;当含根率增加时，不同含根率试验土柱与不含根土体的主应力差逐渐增大。当轴向应变达到19%时，不同含根率试验土柱主应力差较不含根土体明显增大，表明当土体达到一定的轴向应变时，根-土复合体的强度才能发挥作用。当主应力差相同时，不同含根率试验土柱的轴向应变小于不含根土体，且主应力差随着含根率的升高而增加，表明加根土（即不同含根率试验土柱）的强度和抗变形能力增强。这与陈鹏[13]研究结果相一致。

2.2 抗剪强度参数对比

试验土柱黏聚力（c）和内摩擦角（φ）由三轴剪切试验摩尔圆及强度包线应用软件绘制的摩尔应力圆及不同围压下破坏应力圆的包络线而得到，计算结果如表1所示。

由表1可知，与不含根土体（含根率为0）相比，含根土的内摩擦角表现出一定的增长，但整体上变化不大，这与其他研究[3，10]

有类似的结果。含根率越高，含根土黏聚力越大。当含根率为8%时，含根土黏聚力与不含根土体相比仅提高1.86 kPa;当含根率为35%时，含根土黏聚力与不含根土体相比增加12.39 kPa。这表明土体黏聚力的提高受含根率的影响，含根率增加，土体的黏聚力相应提高，进而土体的抗剪强度增强。这与前人的研究结果[14-15]相一致，即土壤的黏聚力与根系的黏聚力作用机理不同，前者来自土壤颗粒之间的摩擦作用，后者则与土体颗粒相互接触、穿插和缠绕力相关，故后者的弹性模量远大于前者的弹性模量，使得抗拉强度远大于前

者，因而当前者因剪切发生破坏时，根-土复合体一起抵抗变形，从而增强了土体的抗剪强度。

2.3 边坡紧实度分析

边坡土壤抵抗外力的压实及破碎能力很大程度上取决于边坡土壤紧实度。研究表明，土壤紧实度与土壤崩解速率呈极显著负相关[16-18]。由图2可知，裸露边坡土壤紧实度为56.59 Pa，扦插边坡土壤紧实度为220.48 Pa，可见扦插边坡比裸露边坡提高163.89 Pa。ANOVA方差分析表明，仅生长1年后扦插措施新生根系对边坡土壤紧实度的改善作用显著（P<0.001）。

3 结论

通过固结不排水三轴剪切试验研究了一年生扦插措施根-土复合体重塑的强度特性，并在原位人工边坡对其紧实度进行调查，得出以下主要结论：

（1）不含根土体与不同含根率试验土柱的主应力差随轴向应变的变化曲线类似。在相同的主应力差条件下，含根土的轴向应变比不含根土体要小。含根率越高，主应力差越大，表明含根土能够有效增强土体强度和抗变形能力。

（2）根系能够有效提高土体的抗剪强度。扦插措施新生根系能有效提高含根土的黏聚力，当含根率为35%时含根土黏聚力增加12.39 kPa。根系对含根土内摩擦角的影响不明显。

（3）扦插措施新生根系对边坡土壤紧实度的改善作用显著，仅生长1年后裸露边坡的土壤紧实度提高了163.89 Pa。

通过该研究总结了含根率对根-土复合体抗剪强度的影响以及根系生长1年后对边坡紧实度的提高作用。在应用扦插措施时，可通过改变其扦插方式和密度等改变其在土体中的含根率，以达到更高的抗剪强度。该研究结果可为各类生态边坡治理提供理论依据。

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