生态边坡植被对土体抗剪强度的影响研究

张海洋

摘 要：【目的】工程建设中产生大量的裸坡，需要对边坡进行植被恢复。探究植被对边坡土体的力学性质的影响，可为边坡稳定性评价提供参考。【方法】对研究区的根系和土体进行不同比例的混合，并进行直剪试验。【结果】结果表明：随着含水量的增加，土体的黏聚力呈现降低的趋势，根系能够明显增加土体的黏聚力，土体的内摩擦角也会有一定的提高，提高幅度小于黏聚力增加幅度。【结论】植被能够增强土体抗剪强度，生态护坡对边坡防护具有重要意义。

关键词：人工边坡；植被效应；根-土复合体；抗剪强度

中图分类号：TU43      文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2024）05-0104-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.05.022

Study on the Influence of Vegetation on Soil Shear Strength of

Ecological Slope

ZHANG Haiyang

（Henan sitong building services Co.， Ltd.， Luoyang  471000， China）

Abstract： [Purposes] A large number of bare slopes are produced in engineering construction， so it is inevitable to carry out vegetation restoration on the slope， and explore the influence of vegetation on the mechanical properties of the slope soil. The research results will provide reference for the evaluation of slope stability. [Methods] Direct shear test was carried out on the mixture of root and soil in different proportions in the study area. [Findings] The results showed that with the increase of water content， the cohesiveness of soil showed a decreasing trend， the root system could obviously increase the cohesiveness of soil， and the internal friction Angle of soil also increased to a certain extent， and the increase range was smaller than the increase range of cohesiveness. [Conclusions] Vegetation can enhance the shear strength of soil， and ecological slope protection is of great significance for slope protection.

Keywords： artificial slope; vegetation effect; root-soil complex; shear strength

0 引言

近年来人类工程活动增多，尤其是道路工程开挖产生了大量的人工边坡。边坡土体作为一种重塑土，土壤结构遭受破坏，缺乏固结，在降雨等侵蚀动力作用下极易发生水土流失和边坡失稳［1］。在过去的研究中主要采用工程措施对边坡进行加固，但工程措施造价高，容易造成资源浪费，尤其当混凝土老化后产生大量的废渣会破坏原有土体成分。随着人类环境意识的增强，生态工程逐渐被应用到边坡防护中，植被不仅可以绿化环境，其根系与土体相互作用形成根土复合体，能够大大提高土体的抗剪强度［2-3］。植被的存在能够改善周围生态环境，增强边坡土体稳定性。力学加固作用是根系增强土体强度的主要方面，根系固土护坡力学效应可分为加筋和锚固两个方面。植物力学加固的作用表现为根系延伸至土体内部，与土体黏接在一起，共同承担载荷，提高土体的抗剪强度。植物根系力学特性指标与根系结构形态指标是定量描述植物根系固持土能力和增强土体强度、提高边坡稳定性能力的重要参数［4-5］。

近年来，相关学者采用不同的测定方法，开展了根土复合体抗剪强度与根系分布特征关系的研究。李建兴等［6］研究表明随着根长密度、根表面积密度的增大，土壤内摩擦角φ呈显著的对数增长，土壤黏聚力c呈显著的线性增长。Li等［7］采用 COMSOL Multiphysics 研究了植物根系产生的附加黏聚力对边坡稳定性的影响。张锋等［8］通过常规三轴固结不排水试验，研究植物根系在一定含水量和含根量条件下对抗剪强度的影响。格日乐等［9］采用直剪仪对3种植物重塑的根-土复合体及素土进行室内剪切试验，指出随着土壤含水率的增加，根-土复合体抗剪强度及黏聚力均呈现先增大后减少的趋势。朱锦奇等［10］研究表明根系可以同时提高土壤的黏聚力和内摩擦角，根系对土壤的加固效果随土壤含水率的升高而大幅度降低。本研究主要采用人工制备不同含水量和含根量的环刀样，通过控制变量法定量研究含水量和含根量对土体性质的影响，研究内容对边坡治理具有重要意义。

1 試验材料与方法

本研究选取工程中边坡填土为研究对象，探究根系对土体强度的影响。在试验过程中首先对土体进行简单的粗筛，去除土体中的根系及砾石，再经烘箱烘干、碾碎后通过干筛法测量土体颗粒级配。为探究土体中不同含水量和含根量对土体抗剪强度的影响，分别设置6%、9%、12%、15%和18%共计5个梯度的含水量。根系梯度设置6 mg·cm-3、12 mg·cm-3、18 mg·cm-3和无根土进行对照试验。

根系为多种草本根系混合，直径为0.2～5 mm不等。在野外取样后，简单去除表层土壤后用保鲜膜包裹，避免根系脱水失去活性，在室内把根系在水中进行浸泡2 h，完全去除表层的土颗粒，用吸水毛巾去除表层的多余水分。含根量的设置采用根土质量比，即根系质量与土体质量的比值作为根-土复合体试样中含根量的确定方法。将根系与各梯度含水量的土体充分均匀混合后制作环刀样，控制各试验中土体密度相等，为1.3 g/cm3 ， 密度设置参考取样地土体平均密度，制样后进行直剪试验。

2 结果分析

通过干筛法可知（如图1所示），土壤最大土粒直径不超过40 mm，1～10 mm土粒含量最多，占总质量的45.64%，粒径小于0.5 mm土壤占总质量的22.39%，研究区土体为级配良好的砂土。通过干筛法可知，土壤中含有大量的团聚体，在碾碎过程中很难使团聚体中的土粒完全分离，导致土壤颗粒粒径偏大。

对裸土烘干后配置相应含水量的环刀，并进行直剪试验，垂直压力梯度设置为50 kPa、100 kPa、150 kPa和200 kPa，试验结果如图2所示，抗剪强度指标见表1。土壤含水量对土体抗剪强度影响较大且规律明显，随着含水量的增加，土体抗剪强度呈现下降的趋势。土体黏聚力和内摩擦角也呈现不同程度的变化规律：随着含水量的增加，土体黏聚力呈现下降的趋势，相较于含水量为6%的土体，含水量为9%、12%、15%和18%的土体黏聚力分别降到6%含水量土体的92.95%、91.33%、79.13%和78.59%；当含水量增加到12%以上时，土体黏聚力降低最为明显；随着含水量的增加，土体内摩擦角也呈现出降低的趋势，但幅度不明显。

含根量为6 mg·cm-3土体直剪试验结果如图3所示，抗剪强度指标见表2。根系对土体强度具有一定的增强作用，根系与土体相互作用形成根土复合体，对土体的强度具有促进作用。相较于裸土，根系含量为6mg·cm-3土体在不同含水量条件下均有提高，尤其表现在黏聚力上，含水量为6%、9%、12%、15%、18%的土体黏聚力分别为裸土的1.22、1.18、1.08、1.30、1.21倍，内摩擦角也有一定的提高，提高幅度為裸土的1.06～1.12倍。

为探究根系含量对土体强度的提高，继续对含根量为12 mg·cm- 3土体在各含水量梯度下进行直剪试验，试验结果如图4所示，抗剪强度指标见表3。相较于裸土，含根量为12 mg·cm- 3的土体黏聚力在不同含水量条件下分别为裸土的1.38、1.25、1.30、1.47、1.28倍，内摩擦角为裸土的1.07～1.29倍。

相较于裸土，含根量为18 mg·cm- 3的土体黏聚力在不同含水量条件下分别为裸土的1.30～1.61倍（见表4），内摩擦角为裸土的1.18～1.40倍，黏聚力增加幅度有所降低，如在含水量为6%的土体中，随着根系含量的增加，土体黏聚力反而略微降低（如图5所示）。本研究认为根系增强土体是存在最优含根量的。当含根量较小时，随着含根量增大，土体强度得到提高，而当含根量继续增大时，土体强度反而出现降低的趋势。分析认为根系过多时会影响土体之间的黏结作用，导致土体密度会降低，最终导致土体强度降低。

3 讨论

根据已有的根系固土力学模型，主要认为根系能够增强土体的表观黏聚力，这也与本研究结论相一致。根土复合体中存在最优含根量，使得根系加固土体效果最为明显。除此之外，根系增强土体抗剪强度还与根系的种类、不同根系的抗拉强度有关。根系的空间分布也对土体强度具有重要的影响，这也是今后的研究内容。本试验采用的重塑土和人工加入根系的方法，得出的土体抗剪强度偏小，重塑土破坏了土体结构，且根系具有活性，能够分泌物质使得土体胶结程度更好。在野外条件下，根系会渗透延伸到土体中，形成空间网状结构，对土体的增强效果更为明显。因此，实际情况下，植被根系对土体的抗剪强度提高更为明显。格日乐［9］、何伟鹏等［5］的研究表明黏聚力随含根量先增加后减少，而本次研究黏聚力随含根量的增加黏聚力逐渐增大，但增加速度也呈降低的趋势，整体研究规律也与已有研究结论呈现一致性。

4 结论

①研究区土壤最大土粒直径不超过40 mm，1～10 mm土粒含量最多，占总质量的45.64%，粒径小于0.5 mm土壤占总质量的22.39%，土体为级配良好的砂土。

②对于不含根系的裸土，随着含水量的增加土体黏聚力呈现下降的趋势，当含水量增加到12%以上时，土体黏聚力降低最为明显，随着含水量的增加，土体内摩擦角也呈现降低趋势。

③根土相互作用形成根土复合体对土体强度有明显的提高作用，对提高边坡稳定性具有重要的作用。含根量为6 mg·cm- 3的土体黏聚力为裸土1.2倍。

④随着含根量的增加，土体黏聚力均呈增加趋势，当含根量增加到12 mg·cm-3以上时增加幅度逐渐减小。根土复合体存在最优含根量使得土体强度最高。

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