常婧美, 王桂堯, 胡圣輝,2, 張永杰, 符金良, 周維政

(1.長沙理工大學 土木工程學院, 湖南 長沙 410114; 2.廣西路橋工程集團有限公司, 廣西 南寧 530011)

灌木根系以其根莖粗大、固土能力強的優(yōu)點在邊坡生態(tài)防護中得到廣泛應用，不同灌木的根系形態(tài)也大不相同，根系與土體間的作用方式不同導致在邊坡加固中的作用機理不同，因此對根系形態(tài)與土體作用力的研究尤為必要。在現(xiàn)有研究中關于影響根系拉拔力與土壤的相互作用的因素，許多學者通過獲得函數(shù)關系更直觀具體的說明相關關系。如曹云生等[1]認為隨著根系直徑的增加，根土界面的摩擦力也逐漸增大；根土摩擦力與土壤含水率呈二次函數(shù)關系。單根根土摩擦力隨著根的埋置深度、加載速率的增大而增大[2]。根系與土壤發(fā)生相對滑動產(chǎn)生的滑動摩擦力、土層相對錯動時根系受剪切作用產(chǎn)生的彈性張力以及機械固持力使土壤的抗剪強度增大[3]。Turmanina[4]通過大量試驗得到季節(jié)與根系的抗拉強度的規(guī)律：冬季>夏季，與含水率相關。陳昌富等[5-6]通過試驗研究得到含根土體存在最佳含根率。由于最優(yōu)含水率的存在，拉拔力隨土體含水率呈二次函數(shù)關系。關于影響根系拉拔力的因素，拉伸速率也是研究重點[7-8]，根系幾何參數(shù)一定時，拉拔速率越大抗拉強度越小，快速拉拔類似于動荷載作用，根系的彈性模量來不及發(fā)揮作用就已經(jīng)被拉斷[9]。關于根系分布與根系和土體間作用機理的研究，國內(nèi)外許多學者通過試驗研究得出如下結論，如李為萍等[10]認為根土復合體抗剪強度為含1 mm根徑<含2 mm根徑<1.5 mm根徑；劉秀萍等[11]認為縱橫交錯的根系分布形態(tài)形成的根土復合體的抗剪強度比單一形態(tài)分布的強度大。對于根系形態(tài)的研究，劉亞斌等[12]認為根系生長有助于改善根土接觸面土體的平整度，根土界面作用力主要取決于根系表明的粗糙程度，根系種類及根系形態(tài)對拉拔參數(shù)的影響也極大。趙曉黎等[13]通過建立根系拉拔模型的研究，認為側根埋深隨主根長度的增大而加深，根系拉拔極限差值隨之增大，對稱側根的根系夾角越大，極限荷載差值越大；Waldron[14]，Norris[15]等通過根系拉拔試驗發(fā)現(xiàn)，根的幾何力學特征影響根系抗拉拔荷載，是分析根土復合體力學效應的關鍵。綜上所述，關于根土間作用力的研究已獲得不錯的進展，已有的關于灌木根系與土體的相互作用的研究主要針對不同根徑、含水率、土壤干密度等因素，關于根系形態(tài)的研究較少，本文研究中針對同一植物根系3種具體的幾何形態(tài)對根土間作用的影響進行定量分析，有助于邊坡防護工程中植物物種的選擇，有效地提高了植物的利用價值。本文通過室外拉拔試驗研究紅葉石楠3種根系形態(tài)與根土間作用力的影響，定量地分析含水率與根系形態(tài)對拉拔力的影響，根系夾角與根系激活時間的關系，以此評價根系形態(tài)對根土間作用力及拉拔機制的影響。該研究成果對促進灌木根系坡面加固技術的創(chuàng)新進步具有理論與指導意義，可為邊坡防護植物物種的選擇與植物價值的充分利用提供理論參考。

1 試驗方法

1.1 試驗土樣及灌木根系

試驗場地為湖南長沙理工生態(tài)防護試驗區(qū)，土壤以紅壤為主，屬于粉質黏土，土體參數(shù)詳見表1。

表1 試驗土體的物理特性指標

由于紅葉石楠根系形態(tài)種類繁多，選取紅葉石楠作為試驗對象，購買一年生長勢相同的幼苗在試驗區(qū)栽種，栽種時間為2016年6月至2017年8月。紅葉石楠拉拔根系如圖1所示。拉拔完成后將根系放入保鮮袋帶回實驗室。試驗有效根系共87株，植物一次性拔出，對根系形態(tài)進行數(shù)量統(tǒng)計。

圖1 紅葉石楠室外拉拔根系

1.2 試驗裝置及試驗方法

本研究通過對紅葉石楠根系進行室外拉拔試驗來探討研究區(qū)植物根系形態(tài)對根土間作用力的影響。試驗采用HP-50型艾德堡數(shù)顯推拉力計對植物根系進行拉拔試驗。

試驗開始時采用鐵絲與紅繩將靠近根系的拉拔植物進行有效綁扎，并將拉拔儀與之相連，調整拉拔儀并對試驗植株進行拉拔，通過拉拔儀與電腦相連得到拉拔力與拉拔時間關系曲線。拉拔完成后，在根系周邊土體3個不同深度對根周土壤進行取樣，采用烘干法進行土壤含水率的測試，以平均值作為土壤最終含水率。同時把拉拔試驗的植物根系放入保鮮袋帶回試驗室，清洗干凈后先將Y型根系進行掃描投影，測出Y型根系的夾角，然后將復雜根系進行分解并采用掃描儀進行掃描，提取根系有效照片，采用根系參數(shù)分析軟件WINRHIZO進行幾何參數(shù)提取。

對于數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，本文通過對根周土體含水率的測量，采用Excel統(tǒng)計分析3種根系形態(tài)下最大拉拔力與土壤含水量的關系；對根系二級側根及Y型根系夾角與最大拉拔力的關系進行統(tǒng)計分析；選取不同根系形態(tài)下根系表面積大致相同的根系進行土壤含水率與植物根系拉拔力—時間關系進行統(tǒng)計分析。

1.3 根系形態(tài)統(tǒng)計分析

根據(jù)室外拉拔試驗紅葉石楠根系形態(tài)統(tǒng)計分析，根系形態(tài)可分為水平根、主直根、Y型根。統(tǒng)計分析，紅葉石楠水平根約占1/2，主直根及Y型根各約占1/4(圖2)。

圖2 紅葉石楠根系形態(tài)統(tǒng)計關系

2 試驗結果及分析

2.1 土體含水率與根系拉拔力的關系

根據(jù)紅葉石楠根系的形狀特征，將根系分為Y型根系、主直根系、水平根系3種類型，3種類型根系最大拉拔力隨含水率的擬合曲線如圖3所示。由圖3可知，Y型根系和水平根系最大抗拉阻力隨土壤含水率的增加呈反比函數(shù)關系逐漸減小，而主直根系隨土壤含水率的增加先增大后減小，且最優(yōu)含水率在17.5%左右。分析原因如下，土體含水率較低時，土體呈堅硬狀態(tài)，此時Y型根系及水平根系的破壞模式為根土共同破壞；根系剛開始受力時，由于根系本身存在彈性模量，雖然人工對其施加外力作用，但在土體中的位移約等于0，隨著根系所受外界拉拔力的增加，根系與土體接觸面被逐漸激活，接觸面土體顆粒發(fā)生錯動、轉動，由于根系以側根為主，側根沿地表生長，當根系所受到的外界拉拔力繼續(xù)增大時，根系與土體接觸面繼續(xù)被激活，接觸面土體破壞范圍擴大，直到發(fā)展到地表，所有側根附近土體被破壞，根系逐漸被拔出；含水率越大，根系附近土體破壞越快。主直根系由于主根系向土體深層生長，在受到外界拉拔力時，根系表面附近土體顆粒逐漸出現(xiàn)錯動、轉動，含水率較低時，根系與土體摩擦黏聚性較小，根系直接從土體中拔出，土體破壞較小，隨著含水率的增大，當達到一定程度時，根系與土體黏聚性能達到最佳，根系的拔出伴隨土體顆粒發(fā)生整體破壞，此時根系抗拉拔性最好，隨著土體含水率的進一步增加，土中水逐漸發(fā)揮自身潤滑作用，根系表面與土體的摩擦黏聚效應急劇下降，根系抗拉拔性減小。主直根系最大拉拔力與土體含水率呈現(xiàn)二次函數(shù)分布，分析原因為根土間的作用力與土顆粒表面弱結合水膜的厚度息息相關，水的潤滑作用導致根系與土體間的摩擦系數(shù)減小。一般邊坡失穩(wěn)都是在強降雨后，隨著土體含水率的增大，水分的增加造成土體固結減弱或根與土的分離，降低根土間的結合力，造成邊坡失穩(wěn)破壞。

圖3 紅葉石楠根系最大拉拔力與含水率的關系

土體含水率相同時，Y型根系的最大拉拔力約大于水平根系，主要原因主要由于Y型根系側根存在夾角，且小于水平根系的180°夾角，在根土接觸面土體顆粒破壞分力一致時，Y型根系不僅受到兩分力的合力，而且受到側根周邊土體的反作用力；Y型根系側根與地表的距離更大，土體破壞及根系被拔出越難。土體含水率小于17.5%時，Y型根系與水平根系的最大拉拔力大于主直根系，土體含水率在17.5%-21%時，Y型根系與水平根系的最大拉拔力約等于主直根系，土體含水率大于21%時，主直根系最大拉拔力微大于Y型根系與水平根系。分析原因為在受到外界作用時，根系被拔出無非兩種情況，第一種為拉拔破壞機制(土體對根系的包裹作用減弱促使根系被迅速拔出)；第二種為土體破壞機制(根系拉拔力達

到一定程度時，側根周圍土體承受向上的非均布力，達到土體強度時，根系周邊土體裂縫擴展至地表，土體發(fā)生整體連續(xù)破壞，土體對根系的包裹作用減弱甚至消失，根系被拔出)。含水率較小時，土體呈堅硬狀態(tài)，主直根系被拔出只需要較小的拉拔力，此時根土破壞為拉拔破壞，而對夾角較小的Y型根系在受到外界拉力時，根系節(jié)點微微向上移，根系微微移動，當側根周邊土體微微破壞時，側根即被拔出，盡管單根系受力較小，但根系所受合力較大，此時根土破壞為拉拔破壞，水平根系破壞模式為土體破壞機制，根系的拔出伴隨土體的破壞，拉拔力較大；隨著含水率的增加，主直根系根土破壞仍然為拉拔破壞，而夾角較大的Y型根系與水平根系的根土破壞機制為土體破壞機制，此時根土摩擦黏聚性增加，但土體強度下降。含水率較小時，Y型根系和水平根系的抗拉拔性遠遠大于主直根系；含水率在約等于17.5%時，三種不同根系的抗拉拔性差距不大；在含水率較大時，水平根系的抗拉拔性最差，主直根系和Y型根系的抗拉拔性較好。

2.2 二級側根對最大拉拔力的影響

通過對試驗根系進行分類、處理，截取Y型根系和主直根系的二級側根進行統(tǒng)計分析。將最大拉拔力與二級側根的統(tǒng)計數(shù)進行擬合分析(圖4)。通過對室外拉拔試驗根系的處理，將Y型根系處理干凈，采用投影法對根系夾角進行記錄，并采用量角器量取根系的夾角。將Y型根系的最大拉拔力及根系全段激活時間與夾角進行擬合(圖4)。

圖4 有無須根灌木根系拉拔參數(shù)與根系幾何參數(shù)的關系

由圖4可知，Y型根系的最大拉拔力隨根系夾角的增加逐漸增大，而根系全段激活時間隨根系夾角的增加呈先減小后增大的趨勢；Y型根系及主直根系的最大拉拔力均隨二級側根數(shù)的增加呈線性增加，主直根系最大拉拔力的增加趨勢大于Y型根系。分析原因為Y型根系相比主直根系，破壞模式較特殊，二級側根對拉拔破壞機制的影響程度遠大于土體破壞機制。綜合兩種拉拔破壞機制，隨著根系夾角的增大，根系更容易從土中拔出，但根系與地表包含面積變大，土體整體破壞需要破壞土體面積增加，由于Y型根系拉拔破壞主要是由于根土破壞共同引起，即最大拉拔力隨根系夾角的增加逐漸增加；研究根系全段激活時間時，可以發(fā)現(xiàn)夾角約等于75°時，根系全段激活時間最小，此時根系的拔出破壞與根土共同破壞的疊加作用最低。主直根系全段激活后，根系才會被拔出，而Y型根系的拉拔可能發(fā)生根系被拔出或土體顆粒整體破壞兩種情況。Y型根系拉拔時，一般會伴隨拉拔區(qū)土體的破壞。

2.3 根系形態(tài)與拉拔參數(shù)間的關系

由于根系在土體中的形態(tài)變化萬千，不同形態(tài)的根系對土體加固狀態(tài)有何影響。根據(jù)紅葉石楠根系的形狀特征，將根系分為Y型根系、主直根系、水平根系3種類型。3種類型根系拉拔參數(shù)與根系表面積的擬合曲線如圖5—6。由圖5—6可知，3種根系的拉拔參數(shù)隨根系表面積的增加呈對數(shù)或冪函數(shù)形式增加，且增加趨勢幾乎相同。分析原因為同一種根系的微觀組成成分相同，根系表面積相同時，根系拉拔參數(shù)變化不大。

圖5 根系拉拔力與根系表面積的關系

圖6 根系單位面積拉拔力與根系表面積的關系

2.4 根系形態(tài)與拉拔力-時間的關系

灌木根系在不同含水率下的拉拔力與時間的關系如圖7所示。由7圖可知，隨著拉拔時間延長，根系與土體接觸面開始逐漸被激活，拉拔力逐漸增加，當根土接觸面強度完全被激活時，根系拉拔力達到最大值，隨著拉拔位移的進一步增加，土體對根系的黏聚摩擦作用逐漸減弱，出現(xiàn)兩種拔出情況： ①土體對根系的包裹作用減弱促使根系被迅速拔出。 ②根系拉拔力達到一定程度時，側根周圍土體承受向上的非均布力，達到土體強度時，根系周邊土體裂縫擴展至地表，土體發(fā)生整體連續(xù)破壞，土體對根系的包裹作用減弱甚至消失，根系被拔出。拉拔力—位移曲線因人為手動拉拔，有一定的誤差，拉拔曲線出現(xiàn)波動。由圖7可知，灌木根系拉拔力—時間曲線主要呈兩種形式，第1種形式呈緩慢上升、上下波動和急劇下降3個階段，即拉拔硬化型；第2種形式呈緩慢上升、緩慢下降2個階段，即拉拔軟化型。由圖7可知，主直根系的拉拔力—時間曲線在含水率為10%，20%，25%時，拉拔曲線呈拉拔硬化型；含水率為15%時，拉拔曲線呈拉拔軟化型；水平根系的拉拔力—時間曲線在含水率為15%和17.5%時，拉拔曲線呈拉拔硬化型；含水率為20%，22.5%，25%時，拉拔曲線呈拉拔軟化型；Y型根系的拉拔力—時間曲線在含水率為15%，17.5%時，拉拔曲線呈拉拔硬化型；含水率為20%，22.5%，25%時，拉拔曲線呈拉拔軟化型。分析原因為主直根系在含水率為10%時，由于低含水率不足以使土粒與根系間形成有效的結合水膜，產(chǎn)生的膠結力的大小不足以抵抗根系拔出力，因此根系容易被激活，根系激活后被迅速拔出，拉拔力—時間曲線呈拉拔硬化型；當含水率為20%，25%時，土粒間的結合水膜變厚，水分子間產(chǎn)生的潤滑作用會削弱甚至消除結合水膠結作用，從而使根土之間的結合力降低，根系同樣容易被激活，根系激活后被迅速拔出，拉拔力—時間曲線呈拉拔硬化型；當含水率為15%時，接近拉拔根系最優(yōu)含水率，根土間黏聚力由生物黏聚力、根土摩擦力和結合水形成的膠結力共同組成，因此測得的黏聚力值會明顯增大，根系全段激活后，根土間殘余的摩擦黏聚力繼續(xù)抵抗外界拉拔力，拉拔力—時間曲線呈拉拔軟化型。水平根系和Y型根系在含水率為15%，17.5%時，接近拉拔根系最優(yōu)含水率，同樣由于結合水的膠結作用會增大根土間黏聚力值，且根系分布中與拉拔力的作用方向為非平行關系時，根系拔出過程中還需克服上覆土體的重力作用，因此根系拉拔破壞需要更大的拉拔力，但在達到根土摩擦最大拉拔力時，根系周邊土體被側根根系擠壓導致破壞，根土黏聚力急劇減小甚至消失，根系被迅速拔出，拉拔力—時間曲線呈拉拔硬化型；當含水率為20%，22.5%，25%時，土粒間的結合水膜變厚，水分子間產(chǎn)生的潤滑作用會削弱甚至消除結合水膠結作用，從而使根土之間的結合力降低，根系最大拉拔力相應減小，但此時土體破壞強度隨著土體含水率的增加而減小，側根根系擠壓土體導致土體逐步破壞，根系逐漸被拔出，拉拔力—時間曲線呈拉拔軟化型。

圖7 3種根系形態(tài)的拉拔力-時間曲線

3 討 論

3.1 根系夾角與拉拔力的討論

多種灌木根系與土壤相互作用的研究已比較廣泛，提供了必要的借鑒作用。劉亞斌等[16]通過研究得出根土間摩擦力主要由主根根系提供，側根主要是增大根土間摩擦力及對應的根系位移，本文結論與此一致，含有側根的紅葉石楠拉拔力大于主直根系，文中又進一步定量研究了根系夾角與拉拔力的關系，得到夾角越大拉拔力越大，原因為根系夾角越大，需要破壞的根土共同面積越大。為根系拉拔模型的研究提供了借鑒作用。

3.2 土壤含水率與根系拉拔力的討論

劉小光等[6]通過對根系拉拔力與土壤含水率的關系研究后發(fā)現(xiàn)，根系最大拉拔力與土壤含水率呈二次函數(shù)關系，本文研究發(fā)現(xiàn)主直根系隨土壤含水率的增加先增大后減小，呈二次函數(shù)關系，與已有結論相一致，本文進一步得出Y型根系和水平根系最大抗拉阻力隨土壤含水率的增加逐漸遞減，無峰值出現(xiàn)，分析出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因為Y型根系及水平根系的破壞模式為根土共同破壞，根系與接觸面土體顆粒發(fā)生錯動、轉動，含水率越大，根系附近土體破壞越快；主直根系根土間的作用力與土顆粒表面弱結合水膜的厚度息息相關，隨著含水率增加，根土間黏聚力達到最大值，含水率繼續(xù)增大，水的潤滑作用導致根系與土體間的摩擦系數(shù)減小。

3.3 根系形態(tài)與固坡效果的討論

在實際工程應用中，以主直根系為主的植被在邊坡防護中應用較少，由于須根較少，在根系被拔出的過程中僅需要克服主直根系與土體間的黏聚力，錨固能力差導致邊坡易由淺層失穩(wěn)發(fā)展成深層破壞；應用較多的灌木種類普遍含有較豐富的主直根系并伴有大量須根，在受到外界作用力時，需同時克服主根和須根與土體間的黏聚力和摩擦力，抗拉阻力處于居中水平；含有多種根系分布形式，且二級側根比較發(fā)達的灌木種類，根系的受力形式豐富多彩，在受到外力作用時不僅需要克服主根及須根與土體的摩擦黏聚力，而且需克服主根與須根之間由于節(jié)點產(chǎn)生的特殊拉拔力，當三者均被克服時根系逐漸被拔出，其在邊坡中的錨固力處于最大水平，最適合于邊坡防護工程。通過以上論述在一定程度上驗證了以紅葉石楠為代表的多根系形態(tài)的灌木在邊坡工程防護中應用的效果及價值。

4 結 論

(1) 紅葉石楠根系以水平根居多，約占1/2，主直根及Y型根其次，各約占1/4。

(2) Y型根系和水平根系最大拉拔力隨含水率的增加呈對數(shù)、指數(shù)減小，而主直根系隨含水率的增加呈先增大后減小的趨勢，且最優(yōu)含水率在17.5%左右。

(3) Y型根系的最大拉拔力隨根系夾角的增加逐漸增大，而根系全段激活時間隨根系夾角的增加呈先減小后增大的趨勢，在夾角為75°時最容易被激活；Y型根系及主直根系的最大拉拔力均隨二級側根數(shù)的增加呈線性增加，主直根系最大拉拔力的增加趨勢大于Y型根系。

(4) 3種根系的最大拉拔力隨根系表面積的增加呈對數(shù)或冪函數(shù)形式增加，且增加趨勢幾乎相同；根系形態(tài)對拉拔參數(shù)的影響不大。

(5) 主直根系在含水率為10%，20%和25%時，拉拔曲線呈拉拔硬化型，含水率為15%時，拉拔曲線呈拉拔軟化型；水平根系和Y型根系在含水率為15%和17.5%時，拉拔曲線呈拉拔硬化型，含水率為20%，22.5%，25%時，拉拔曲線呈拉拔軟化型。