不同土壤生物工程措施根系附加黏聚力研究

陈鹏 刘煜 吴耕华

摘要 [目的]研究4種不同土壤生物工程措施对边坡土体抗剪强度的提高作用。[方法]设置了一处长40 m的人工边坡，在边坡上使用扦插、灌丛垫、层栽与梢捆4种土壤生物工程措施，并在施工8、12个月后分别开展根系现场调查，在实验室进行单根抗拉试验，并引入RWM模型量化研究4种不同土壤生物工程对边坡抗剪强度的提高作用。[结果]旱柳根系抗拉强度随根系直径增大逐渐减小，能产生显著的根系加筋作用；随着土层深度的增加，根的面积比减小，4种土壤生物工程措施完工12个月后的各径级的根系截面积比率（RAR）相比于8个月后提高43.75%～69.38% ；土壤生物工程可以明显提高边坡的抗剪强度，随着根系的发展，12个月以后各种措施附加黏聚力比8个月时有明显的增长。20 cm土层深度时灌丛垫与梢捆措施附加黏聚力高于扦插和层栽，且根系所产生的附加黏聚力最大，对边坡的浅层土壤的加筋作用优于另外2种措施。20 cm深度以下灌丛垫与梢捆措施根系附加黏聚力逐渐下降，而扦插与层栽措施附加黏聚力逐渐增加，对深层土壤具有一定的锚固作用。[结论]研究可为土壤生物工程技术在农田水利护坡中的广泛应用提供量化评价方法和理论指导。

关键词 农田水利工程；土壤生物工程；河流生态修复；根系固坡

中图分类号 S278 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2018）23-0168-04

Abstract [Objective]The effect of 4 different soil bioengineering measures on the shear strength of slope soil was studied.[Method]An artificial slope of 40 m was set up in the experiment.Four kinds of soil biological engineering measures were used on the slope， including cutting， shrub mat， layer planting and bundling， and the root field investigation was carried out in 8 months and 12 months after construction. Single tensile test was carried out in the laboratory， and RWM model was introduced to quantify the effect of 4 different soil biological engineering on the shear strength of the slope.[Result]The results showed that： the tensile strength of the root system decreased with the increase of root diameter， which could produce a significant root and reinforcement effect. With the increase of soil depth， the area ratio of the root was decreased， and the RAR of the four soil bioengineering measures after 12 months was increased by 43.75% to 69.38% compared with that in 8 months. Soil bioengineering can obviously improve the shear strength of the slope. With the development of the root system， the adhesion of various measures after 12 months is significantly higher than that in August. Scrub pads when 20 cm soil depth and tip add bundle of measures of cohesion is higher than cutting and planting， and the root system produced by the additional cohesive force， the largest of shallow soil on the slope reinforcement effect better than the other two measures. The adhesion cohesion of the root system was gradually decreased with the thickness of the thicknes and the tip bundle， and the adhesion of the cuttings and bedding was gradually increased， which had a certain anchoring effect on the deep soil. [Conclusion]The research results provide quantitative evaluation method and theoretical guidance for the wide application of soil bioengineering technology in farmland water conservancy slope protection.

Key words Irrigation and water conservancy projects；Soil bioengineering；River ecological rehabilitation；Root consolidation

植物根系纤维可以产生对提高边坡稳定性有积极作用的附加黏聚力 [1]。水平方向的植物根系可以通过相互缠绕来束缚土壤，使根系与土体形成具有一定强度的整体，而垂直生长的根系则会穿过浅层土壤，锚固深层土壤，并可以增加土体的迁移阻力[2]。植物根系通过细根（直径≤1 mm）的作用，可以明显地提高土壤水稳性团聚体数量[3]。目前，我国国内对土壤生物工程的研究还远远不够，在当前我国的河岸带生态系统严重退化的背景下，开展以土壤生物工程措施河岸固坡机理的动态研究，使设计标准化，对未来的河岸生态恢复具有重要的意义，利用土壤生物工程的方法稳固边坡是一种必然趋势，它可以满足人们对环境水平的要求。针对目前在土壤生物工程技术应用中存在的对土壤生物工程稳定边坡动态过程及稳固机理研究不透彻的现实，笔者通过现场观测、室内外试验对4种土壤生物工程措施动态进行研究，并引入RWM模型 [4-5]计算分析4种不同土壤生物工程措施对边坡抗剪强度的提高作用，为土壤生物工程技术在农田水利领域中的广泛应用提供量化评价方法和理论指导。

1 材料与方法

1.1 植物材料

试验对象选择当地常见树种旱柳（Salix matsudana Koidz），旱柳的根系十分发达且生长很快，容易繁殖，喜光且耐寒，在湿地、旱地中都可以生长，但是在湿润且排水良好的土壤上生长最佳，其对虫害与大气污染的抵抗性也很强。

1.2 研究区域

试验点位于湖北省武汉市湖北工业大学土木工程建筑与环境学院南区试验基地（30°28′32.05″N，114°18′4.75″E），属于亚热带季风性湿润气候区，雨量十分充沛且日照充足，具有夏高温、冬季稍凉湿润等特点。设置一处长40 m的人工边坡，在边坡上使用扦插、灌丛垫、层栽与梢捆4种土壤生物工程措施。

1.3 方法

1.3.1 根系截面积比率（RAR）调查。

RAR是在一个水平的断面或者垂直断面根系的截面面积占总断面面积的比率。采用“剖面法”测定，在4种措施坡面上分别选取9株新生植株作为样本，在距离植株根部50 cm处挖出一个50 cm×50 cm的剖面，将坡面铲平，再用10 cm×10 cm大小的单元网格划分剖面，然后按照0～2、2～3、3～4、4～5 mm 4个不同的根径级记录各个径级的根系截面积，再计算根系面积比。

1.3.2 单根抗拉试验。

随机选取生长良好且完整无损的根系进行单根抗拉试验，试验采用 RGM-6010电子万能试验机，将根系置入两端的夹具夹紧，并控制两端夹具的距离是根径的50 倍，下端夹具固定不动，上端夹具匀速向上运动，直至根系被拉断，记录不同根茎级下根系的抗拉强度、根系位移变化量等参数。

1.3.3 根系附加黏聚力计算方法。

2 结果与分析

2.1 不同措施根系面积比

不同土层的根系含量不同，不同植物根系对土体的锚固与加筋作用效果也不相同，所以不同土层新生的植物根系对边坡稳定性的影响程度不同。通过剖面法调查4种不同土壤生物工程措施完工8个月和12个月后不同径级根截面积比随土层深度变化如图1～4所示。

随着土层深度的增加，根的面积比减小，到50 cm以下时根的含量已经很少了，4种土壤生物工程措施完工12个月后的各径级的RAR相比于8个月后提高43.75%～69.38%。其中，扦插措施与层栽措施在30 cm以下土层深度提高较明显，且多为直径大于2 mm的粗根，而灌丛垫与梢捆措施新生根系主要集中在0～30 cm深度的土层中，并且灌丛垫措施根径≤1 mm的细根含量占总根量的32.8%，须根系最为发达，梢捆次之，细根含量占总根量的20.4%。

2.2 单根抗拉强度

为了进一步探讨根系拉力与根系直径的关系，作出直径为0～2、2～3、3～4、4～5 mm 的旱柳根系抗拉强度随根系直径变化的关系曲线并进行拟合分析，如图5～8所示。由图5～8可知，根系抗拉强度随着根系直径的增大而逐渐减小，式中y为抗拉强度（MPa），x为根系直径（mm）。

由图5～8可知，根系直径越大，最大抗拉力也越大，抗拉强度则越小，且这一特性在不同的试样变化趋势都相同。根系的受力状态呈现弹塑性材料特征，试样位移随时间增长而逐渐增大，在拉伸过程中位移有突变，随着根系直径的增加，抗拉强度的递减幅度逐渐减小，细小的根不但具有较大的抗拉强度，而且同样RAR下的细根数远远多于粗根，所以细根比粗根具有更大的表面积，与土壤的接触面积大，摩擦力较大从而抵抗拉脱的能力强。且直径介于0～2 mm的根系平均单根抗拉强度为20.172 MPa，為一级钢屈服强度的8.5%，能产生显著的根系加筋作用，直径>2 mm的根系平均单根抗拉强度为15.040 MPa，为一级钢屈服强度的6.4%，能产生一定的锚固作用。

2.3 不同措施根系附加黏聚力

试验以直径小于5 mm的根系为研究对象，按照0～2、2～3、3～4、4～5 mm 4组不同的根径级记录各径级的根截面积，然后计算根系截面积比率。基于根系的抗拉强度与截面积比率，用式（2）计算根系的附加黏聚力，结果如图9所示。由研究结果可知，根系可以明显地提高边坡的抗剪强度，随着根系的发展，12个月以后各种措施附加黏聚力比8个月时有明显的增长，平均增长率达到了21.8%。20 cm土层深度时灌丛垫与梢捆措施附加黏聚力高于扦插和层栽，且根系所产生的附加黏聚力最大，对边坡的浅层土壤的加筋作用优于另外2种措施。20 cm深度以下灌丛垫与梢捆措施根系附加黏聚力逐渐下降，而扦插与层栽措施附加黏聚力逐渐增加，超过了灌丛垫和梢捆措施，且在30 cm深度时达到最大，对深层土壤具有一定的锚固作用，随着土层深度增加至50 cm深度时，根系所产生的附加黏聚力逐渐减少，根系对边坡抗剪强度的提高作用逐渐减少。

3 结论与讨论

（1）直径<2 mm的根系平均单根抗拉强度为20.172 MPa，为一级钢屈服强度的8.5%，能产生显著的根系加筋作用；直径>2 mm的根系平均单根抗拉强度为15.040 MPa，为一级钢屈服强度的6.4%，能产生一定的锚固作用。旱柳植物根系的最大抗拉力随着根系直径增大而逐渐增大，抗拉强度随根系直径增大逐渐减小。该试验定量分析了旱柳根系抗拉力、抗拉强度与根系直径之间的关系，拟合出了相应的函数关系式，为旱柳植物根系固土护坡提供了重要的理论依据。

（2）随着土层深度的增加，根的面积比减小，到50 cm以下时根的含量已经很少了，4种土壤生物工程措施完工12个月后的各径级的RAR相比于8个月后提高43.75%～69.38%。其中，扦插措施与层栽措施在30 cm以下土层深度提高较明显，且多为直径大于2 mm的粗根，而灌丛垫与梢捆措施新生根系主要集中在0～30 cm深度的土层中，并且灌丛垫措施根径≤1 mm的细根含量占总根量的32.8%，须根系最为发达，梢捆次之，细根含量占总根量的20.4%。

（3）土壤生物工程可以明显地提高边坡的抗剪强度，随着根系的发展，12个月以后各种措施附加黏聚力比8个月时有明显的增长，平均增长率达到了21.8%。20 cm土层深度时灌丛垫与梢捆措施附加黏聚力高于扦插和层栽，且根系所产生的附加黏聚力最大，对边坡浅层土壤的加筋作用优于另外2种措施。20 cm深度以下灌丛垫与梢捆措施根系附加黏聚力逐渐下降，而扦插与层栽措施附加黏聚力逐渐增加，超过了灌丛垫和梢捆措施，且在30 cm深度时达到最大，对深层土壤具有一定的锚固作用。随着土层深度的增加至50 cm深度时，根系所产生的附加黏聚力逐渐减少，根系对边坡抗剪强度的提高作用逐渐减少。

旱柳根系发达，具有较强的抗拉强度，适合用于岸坡植被生态恢复与防止土壤侵蚀、水土流失，其根系具有较强的加筋作用，可代替部分工程措施，随着植物的生长可以逐渐形成密集的灌丛，根系分布范围也会越来越广，从而达到稳固岸坡、抵抗坡面侵蚀的作用效果。

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