植草根系的加筋效果及机理研究

郝嘉阳,许朝阳

(1.北京新东方扬州外国语学校，江苏 扬州 225006； 2.扬州大学建筑科学与工程学院，江苏 扬州 225009)

1 概述

利用植物护坡避免滑坡或水土流失，在土木和环境工程中得到越来越多的推广。国内外的学者们也对植物护坡进行了一系列的研究，郑启萍等[1]对不同含根量的重塑根土复合体进行直剪试验，得出在相同含水率和密度条件下，土体的抗剪强度和粘聚力随含根量的增加而增加。陈昌富等[2]通过三轴试验研究了草根加筋土抗剪强度的变化规律及筋材的加筋机理。言志信等[3]将土壤与植物根系之间的相互作用归结为附着粘结型、摩擦型和剪切型三种模式，并指出草本植物根系通过根土之间的摩擦作用将边坡滑动面上的剪切应力转化为根的拉应力。吴宏伟等[4]采用离心机模型试验和人造根，模拟了不同形状根系的力学加筋作用，揭示了根系形状对边坡的变形与破坏机理的影响。

前人的研究主要探究了根系形状、含量对提高土坡稳定的影响，而实际根系的加筋作用受根系特性影响明显，原状根土与重塑根土间的受力性能差别较大，但目前研究较少。本试验对原状根系土和重塑根系土进行直剪试验，比较两种土样的抗剪强度，并分析根土之间相互作用的机理。

2 剪切试验

2.1 试样制作

本试验土体取自扬州沿江典型粉土，原状粉土的性质见表1。试验采用应变控制式直剪仪，试验根系主要采用当地最常见的巴根草根系，巴根草根系为木质须根，根常系发达，固坡性能优异，在护坡工程中较常采用，根据根直径将其分为极细根(<1 mm)，细根(1 mm～2 mm)，中根(2 mm～5 mm)，粗根(>5 mm)[5]，本试验测得巴根草根系多为细根，较少为中根和粗根，试样直接用环刀在野外取样。

表1 原始粉土的主要物理性质

2.2 试验方案

采用应变控制试直剪仪进行快剪试验。首先选取不同含根量原状试样各一组，测定其抗剪强度。然后对直剪试验破坏后的试样进行根土分离，再进行重塑，尽量保持根系的原有形貌与走向，得到含根重塑试样，分别测定其抗剪强度。最后，测定无根重塑土的抗剪强度，以与前面的试验结果形成比较。

为计算加筋作用与含根量的关系，引入根质量加筋率，由式(1)计算。

(1)

其中，Rt为土样根质量加筋率；mr为土样中根系总质量；ms为土样的干土质量。

根据加筋率和试验结果，试样大致分为三组：A组试样根质量加筋率较小：Rt<0.2%，B组试样的根质量加筋率：0.2%1%。

3 试验结果分析

3.1 巴根草试样试验结果

选取巴根草试样进行快剪试验，依照含根质量的不同，土样的剪应力(τ)—剪切应变(s)关系曲线如图1所示。

比较图1不同含根量土样在不同垂直压力条件下的τ—s关系曲线，对于Rt<0.2%A组试样，如图1(a)～图1(d)所示，其共同特征是含根原状土、含根重塑土和无根重塑土的残余应力趋于一致。对于0.2%1%C组试样，如图1(h)～图1(j)所示，其特征表现为，剪切前期，强度相差不大，但后期含根重塑土的残余强度最大，而原状土和无根重塑土的残余强度则趋于一致。

3.2 原因分析

为了更直观地研究根系与根周土体之间的相互作用，采用了数码电子显微镜对直剪破坏土样中的根系进行了观察，观察发现，一些土壤颗粒或附着于根毛之上，与根系表面纹理相互嵌合，或被极细根穿插裹挟,如图2所示，故根系表面的触须可胶结土颗粒，根土间存在复杂的生物化学作用。

对于A组试样，由于含根率低，根系的加筋作用不明显，故原状土和重塑土的最终残余强度趋于一致。对于C组试样，经挖开观察发现，根系密集处，根土反而呈松散状态，故过高的含根量破坏了土体骨架的结构性，说明根系加筋体系中，土骨架提供主要的抗剪强度，根系起束缚增强作用，故而当含根重塑土样在重塑后，由于根系聚集处被挤入填充进一些土壤，形成了根土复合体结构，其残余应力反而高于原状土。对于含根量适中的B组试样，根系构成了土骨架的筋骨，紧密地将土体束缚住。受剪时，原状土一方面利用网络作用增强土体的整体性，另一方面根土间的生物化学作用，可进一步增强根土复合体的抗剪强度，故原状土强度最高，含根重塑土利用根土复合结构，其抗剪强度和残余强度较无根土均增大。

4 结语

对含巴根草根原状粉土以及其重塑土进行直剪试验，并对根系进行仔细观察，得到以下结论：根系的加筋效果和根系的含根量关系密切。一方面，根土间存在复杂的生物化学作用，使得根和粉土细粒间相互嵌合、包裹和吸附，并增大了根土间的接触面积；另一方面，根系的空间网状结构可将土骨架束缚成一个更为稳固的整体，从而提高土体抗剪强度。对于中粗根系，当根质量加筋率较小(试验中Rt<0.2%)时，根系的加筋增强作用不明显；当根质量加筋率适量时，根土间的生物化学作用和根系的网状结构，对土体加筋作用明显，使得抗剪强度和残余强度的排序为原状土>重塑含根土>重塑无根土；当根质量加筋率较多(试验中Rt>1%)时，密集的中粗根反而导致土壤原状结构破坏，土体强度降低。