1、第 xx卷 第 x期 四川大学学报（工程科学版） Vol.xxNo.xxxxx年 x月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering xxxx, xxxx植物根系倾角对土体抗剪强度影响的试验研究王 涵 1,2，周 成 1,2*，刘 伟 1，李红梅 3（四川大学水电学院水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都市 610065； 南京水利科学研究院水利部土石坝破坏机理与防控技术重点实验室，江苏 南京 210024）；3.深圳市益田集团股份有限公司，广东 深圳 518053摘 要：植物是天然的工程师，拥有防止浅层滑坡和地表侵蚀的潜能，并具备低投入、
2、养护、绿色环保和生态平衡等优点。植被护坡技术在西南地区浅层滑坡的预防及治理中有着广泛的应用前景，因此深入了解植被护坡机理具有重要的工程意义。影响植被护坡效应的因素有很多，根-土体系的协同作用机制是当前研究的重点。由于根系的分布模式及倾角不同，根-土体系的强度和变形会有较大差异，因此采用人工根系（草根和灌木根）制备试样并设定根系与剪切面的夹角 值为变量,进而对比不同试样的强度和变形差异。进行了直剪试验，研究草本根系倾角对土体抗剪强度的影响；进行了三轴剪切试验，研究灌木根系倾角对土体抗剪强度的影响。试验结果表明:含根系土样的峰值强度及残余强度均明显高于素土，具有 p 素土 p90p45p135的规
3、律。直剪试验中在 值等于 135时土样抗剪强度最高且表现出应变硬化，其余含根系试样应变软化特征均得到不同程度的抑制。三轴试验中当 值在 135时根系对土体抗剪强度的提高亦最为明显，其残余强度也最大，其余含根系试样抗剪强度也有不同程度提高。试验结果表明，恰当的植物根系倾角能够加强根-土体系的协同作用，从而提高土体抗剪强度。同时由于根-土体系表现出延性破坏的特征，从而保证了土坡安全。研究结果可以应用于生态护坡实践。关键词：浅层滑坡；生态护坡；根系倾角；抗剪强度；草根；灌木根Shear test for root reinforced soil samples considering the inc
4、lination of rootsWANG Han1,2, ZHOU Cheng1,2, LIU Wei1, LI Hong-mei3(1. State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China; 2. Key Lab of Failure Mechanism and Safety Control Techniques of Earth Rock Dam of the Ministry of Water Resources , Nanji
5、ng Hydraulic Research Institute, Nanjing, 210024, China; 3. Shenzhen Yitian Group Co. Ltd, Shenzhen, 518053, China)Abstract: Plants are sophisticated and intelligent natural construction materials. They can be used for enhancing the stability of shallow soil slopes and minimizing surface erosion. It
6、 is evident that the use of plants can be low-cost, sustainable (almost maintenance free) and environmentally friendly. Vegetation used in shallow slope protection has a wide application prospect in southwest China, so it is important to understand the mechanism of vegetation in slope engineering st
7、abilization. The stabilized mechanism is influenced by a lots of factors, in which the synergistic effect of root-soil mass is the focus of current research. Due to the different inclination of roots, the shear strength of root-soil system becomes complicated. Direct and triaxial shear test were per
8、formed on soil sample with different inclinations of artificial roots to investigate the reinforcement effect. Test results indicated that the peak shear strength and the residual shear strength of roots reinforced soil were obviously larger than soil without roots, and follow the laws of p purep90p
9、45p135. In the direct shear test, the largest shear strength has been detected and strain hardening has been observed when the inclination of roots was 135 degree, and strain softening tendency of soil samples with roots has been controlled at different levels. When the inclination of roots was 135
10、degree, the root reinforcement effect was the most obvious and the residual strength was also the largest, shows in the triaxial shear test. It indicated that proper inclination of roots may enhance the synergistic effect between roots and soil, then the strength of root-soil mass has been improved.
11、 The ductile deformation characteristics of root-soil system could help improve the safety of the slope. This research results is valuable for vegetated slope engineering practice.Key words: shallow landslide; vegetated slope; root angle; shear strength; grass roots; shrub roots 收稿日期: xxxxxxxx基金项目：国
12、家自然科学基金（51579167）；水利部行业专项（201301022）；水利部土石坝破坏机理与防控技术重点实验室开放基金（YK915003）。作者简介：王涵 (1994 )，男，重庆开县人，四川大学硕士研究生，从事生态护坡技术研究。*联系作者 E-mail： 。xxx 四川大学学报（工程科学版） xxxx 年西南地区多为丘陵及山地地貌，下层多为岩层或硬土层，上覆松散土层主要是粉质粘土、砂土及碎石土，容易形成浅层滑坡 1。传统护坡方法用于浅层滑坡的预防及治理时存在成本高、耐久性差、不美观等缺点，而植物拥有防止浅层滑坡和地表侵蚀的潜能，并具备低投入、绿色环保和生态平衡等优点，因此植被护坡在浅层滑
13、坡治理当中被越来越广泛地使用 2-4。关于植被与土体的协同作用，特别是根系对土体强度的影响，国内外学者做了一些探索研究工作，建立了根系与土体协同作用的力学模型。Wu 等提出W-W 模型，认为根系对土体强度的提高与根系的平均抗拉强度及其截面积有关 5，但此模型假定所有根系同时发生断裂，这与实际不符，导致计算结果偏大。Fan 和 Su 等考虑根系的拉伸、滑动及断裂等力学响应，建立了位移模型 6，考虑了不同响应下根系对土体强度的贡献，比 Wu 模型更加合理。另外，还有Pollen 的纤维束模型以及 Schwarz 的根束增强模型 7-9，虽然计算更加精确，但是过于复杂导致应用并不广泛。因此学术界目前
14、仍多采用修正的 Wu 模型进行计算 10。此外，还有关于根系固土作用的现场试验及室内试验研究。胡其志等利用狗牙根进行不同含根量的根系混合土试样的直剪试验，得出了相应组合的最优含根率 11。刘治兴等通过试验发现，不同生长期植物根系对土体强度的贡献不同，且随着生长日期的增长植物根系对土体强度的贡献增加 12。刘德涛等研究了根系对可液化砂土的加固作用，证实一定密度的植被对液化有明显的抑制作用，且根系越长抑制作用越明显 13。关于植物根系在土体内部不同分布方式对土体抗剪强度影响研究方面，北京林业大学等单位也做了大量工作 14-19。分析国内外文献，发现目前有关根系在剪切面上的相对倾角对土体抗剪强度影响
15、的研究还很少。为此，本文开展了考虑植物根系倾角对土体抗剪强度影响的剪切试验研究，分析了根系在剪切面上的不同倾角对土体强度的影响。1 试验准备1.1 试验设计定义植物根系与剪切面夹角 值来表示根系的倾角，如图 1 所示，注意 值并非根系与水平面的夹角。直剪和三轴试验设备分别采用 ZJ型应变控制式直剪仪及 TSZ30-2 型三轴试验仪。直剪试验采用如图 1(a)所示的根-土混合体进行饱和固结快剪，根系与剪切面的夹角 取 45、90及 135。为与直剪试验对比，三轴试样进行固结不排水剪切试验(CU 剪)，分别采用竖直、倾斜及水平的埋根方式，以分别对应直剪试验中 取 45、90及 135的情况，如图
16、1(b)所示。在保持每个试样含根率大致相同的前提下，在直剪试样与剪切方向一致的中轴线上安置三根根系；三轴试验中根系均在同一平面平行放置。不仅增加了试验的可操作性，而且一定程度上也方便突出根系与剪切面夹角 值变化对土体抗剪强度的影响。1.2 土料制备采用人工制备土料，将自然风干砂土过 2mm 筛，再向其中掺入 10%的粘土。将所得混合土料放入烤箱中，在 108温度下烘干。取出烘干土料，利用比重瓶试验测量土粒比重。然后在不同含水率情况下进行轻型击实试验，得到土料的最优含水率及最大干密度及相应的孔隙比，结果见表 1。土料级配曲线见图2。图 1 值及埋根方式示意图 :(a)直剪样， (b)三轴样Fig
17、. 1 Diagram of inclination of the roots with respect to the failure surface: (a)direct shear test, (b) triaxial shear test.表 1 土料物理参数Table 1 Physical parameters of soil sample指标 (kN/m3) Gs e wop(%) d max(g/cm3)数值 22.05 2.76 0.40 11.93 1.97剪切面根系剪切方向(a)(b) 根系根系根系剪切面剪切面王涵等.植物根系与剪切面的夹角对土体的强度影响研究图 2 土料级配
18、曲线Fig 2 Gradation curve of soil sample为保证试验质量，加大根系与土体的协同作用，采用最大干密度进行制样。向烘干的土料中按照最优含水率掺入 11.93%的水，分级逐次加土和加水以保证水和土混合均匀，充分搅拌后，将土料转入密封的保鲜袋中静置一夜。1.3 根系制备试验采用人造根系，通过初期试验对比细竹签、牛皮纸绳以及爬山虎茎，直剪试验最终采用爬山虎茎制备人工根系。人工根系制备时，采集新鲜的成年爬山虎茎，去掉枝叶，选取顺直部分剪成 60mm 左右的小段，然后利用美工刀将其两端分成 46 瓣，中间留 20mm 的完整部分，主茎直径约为 1.5mm，如图 3 所示。人
19、造根系的两端可以模拟植物细根在土体内部的锚固作用，而中间部分则对应模拟穿过剪切面的主根,从而模拟草根加固土体。三轴试验则采用细竹签制备人工根系，可反映灌木根系加固土体的情况。人工根系制备时，将竹篾削成直径 1mm、长 12cm 的细竹签，表面稍刮毛，然后放入水中浸泡软化。处理之后的细竹签性质与灌木根系十分相似。2 不同根系倾角的剪切试验2.1 直剪试验2.1.1 直剪试样制备根据土体密度，再结合环刀体积，称取相应重量的人工土样。利用推土器将土完全压入环刀当中，并保持压力 3min；取出已经初步制好的土样，用细铁丝在土样中轴线上按照预先选定的角度钻孔，孔径较人造根系的直径稍小；再将人造根系缓缓插
20、入孔中并注意不要带出土粒。在人造根系中间部分完全嵌入土样过后，将其两头露出的分叉部分尽量分开，如图 4所示。再次将环刀放入推土器中压实，并保持压力5min，使试样内部应力重新分配并消散。按照以上方式制作 45、 90、135夹角的试样各三个，并制作三个素土试样，共计 12 个试样。之后，利用饱和器及真空缸对试样进行饱和。三个试样为一组，在试样上下两面各放置一片湿滤纸，两个试样之间需放置透水石，用一个饱和器夹紧。将所有试样的饱和器放入干净的真空缸内，抽真空 4 小时。抽真空后打开真空缸阀门，向缸内吸水，直到预计所有饱和器都被淹没为止。关闭阀门及真空泵，静置饱和一夜。2.1.2 直剪试样安装及剪切
21、取三个根系与剪切面夹角 值一样的试样为一组，共四组试样(素土、=45 、=90、=135)。试样安装时环刀刀口向上，轻轻旋转试样至根系中点连线与剪切方向平行为止，将试样缓缓推入剪切盒中，装好后加压。需注意的是，试验研究对应的是浅层滑图 3 直剪试验人造根系 图 4 直剪试样Fig. 3 Artificial root in DST Fig. 4 Root-soil sample坡情况，试验的正应力不应过大，而直剪试样的尺寸较小，应力梯度不能太小，选取 50、100 和 150kPa的正应力。加压 5min 之后，用洗耳球向下剪切盒内注水至液面淹没剪切面。因为试验土料的主要成分为砂土，次固结效应
22、较小，故不测量其压缩量，且加压半天即可认为试样变形稳定。待试样固结稳定之后，打开电机，以 0.8mm/min 的速度对试样进行剪切，直到读数达到稳定或者位移达到 6mm 为止。2.2 三轴试验2.2.1 三轴试样制备试样直径 6.18cm，高 12.4cm，分六层击实。竖直及倾斜试样中放置三根长 12cm 的人造根系，保证同一类型试样中根系均在同一平面上且倾角相同。水平试样击实时在两层层间放置一长 6cm 的人造根系，共五根，并保证在同一纵剖面上。制取每种类型的试样各 4 个，共 12 个样。三轴试验不设置素土对照样。随后进行真空饱和，抽气 4 小时后浸水，并静置一夜。2.2.2 三轴试样安装
23、及剪切由于没有前述直剪试验的安装角度要求，三轴xxx 四川大学学报（工程科学版） xxxx 年试样饱和后正常安装即可。安装完成后注水加压，对同一组试样围压分别取 25、50、100 和 200kPa。静置直至固结完成。试样固结完成之后，启动电机开始施加轴向荷载，待量力环读数出现峰值之后继续施加3%5%的轴向应变。试样的破坏型态见图 5。3 不同根系倾角的剪切试验结果与分析3.1 直剪试验整理试验所得到的数据，得到不同的 值对应的剪应力- 剪切位移曲线如图 6 所示。分析图 6，可以得出以下规律：(1) 含有根系的土体较不含根系的土体，峰值强度有明显的提高，残余强度也均有一定的提高。其中，峰值强
24、度大体上表现出 p 素土 p90 p45 p135的规律。(2)根系、土体混合试样的剪应力- 剪切位移关系呈现出应变软化的特征，以 =45软化最为明显。随着 值得增加，应变软化趋势逐渐减弱，且当根系与剪切面夹角 达到 135时其软化趋势几乎不明显。整体而言, 残余强度表现出 r 素土 r90 r45 r135的规律。图 7 给出了试验获得的抗剪强度包线，据此得到不同的根系倾角 对应的抗剪强度参数 c、 值见表2。可以发现含根系土体较素土的 c、 都有一定的提高，其中 =90时效果最弱，=135时效果最好。含根系的不同试样组较素土的强度提高百分比如表 3 所示。图 5 根系复合土三轴试样破坏型态
25、：(a)竖直根系 (b)倾斜根系 (c)水平根系Fig 5 Rooted samples after triaxial shear tests: (a) vertical root, (b) inclined root, (c) horizontal root.(a) 素土(b) =45(c) =90(d) =135图 6 根系与剪切面不同夹角 试样的剪应力-剪切位移曲线Fig. 6 Shear stress-shear displacement curves of samples with different 根据表 3 可以看出，对比素土，含根系土的 c 值王涵等.植物根系与剪切面的夹角对
26、土体的强度影响研究提高较大，而 值提高的百分比较小，对于根系与剪切面夹角 =90和 =45的试样而言， 值的提高几乎可以忽略。但是 c 值则受根系作用影响较大，其中 =90时 c 值提高了 4.19%，而 =45和 =135时的试样，c 值分别提高了 31.38%和 46.76%。图 7 直剪试验不同 值根-土混合体抗剪强度Fig. 7 Shear strength of root-soil samples with different in direct shear test表 2 直剪试验各组试样 c 和 值Table 2 Values of c and of different samp
27、les in direct shear test 素土 45 90 135c（kPa） 7.87 10.34 8.20 11.55() 30.46 32.96 31.67 33.94表 3 直剪样含根系土较素土 c 和 值增量百分比Table 3 Values of c and of the root reinforced soil in comparison with that of the soil 45 90 135c（ %） 31.38 4.19 46.76（%）8.21 3.97 11.42为了进一步论证不同 值对土体强度的影响，将不同正应力下各种根系倾角试样的剪应力-剪切位移曲线绘
28、于图 8。从图 8 中可以得到以下认识：(1) 在剪切初期，即当位移小于 1.5mm 左右时，含根系土与素土的曲线变化趋势基本相同，数值也大致相近。但是当位移达到 1.5mm 后，根系的作用开始凸现，含根系土样内部剪力持续上升，素土样则很快达到峰值并出现应变软化。(a) n=50kPa(b) n=100kPa(c) n=150kPa图 8 不同正应力下各种试样剪力-剪切位移曲线Fig. 8 Shear stress-shear displacement curves of samples under different normal stress(2) 在变形初期，=90 和 =45的试样承受
29、的剪应力要大于 =135试样承受的剪应力。但是随着变形的增加，=135试样承受的剪应力逐渐超越前述两种情况所承受的剪应力，最终表现出 =135对应试样的峰值强度大于另外两种试样。对 =90的试样而言，在前期变形中土体先被剪坏，此时根系的锚固作用并未得到充分发挥，故其峰值强度较低。值得注意的是，随着变形增加，特别是当变形达到 5mm 后，xxx 四川大学学报（工程科学版） xxxx 年土样的残余强度出现上升的趋势，说明此时根系处于拉剪状态，其锚固作用得到了充分的发挥。当 =45时，根系一直处于压剪状态，虽然根系对土体也有一定的加筋作用，但是当剪切位移达到 2.5mm 后，根系与土体的协同作用遭到
30、破坏，试样强度迅速降低。当 =135时，根系一直处于拉剪状态，根系对土体的锚固作用得到充分发挥；与其他试样相对比可以发现，此时变形越大根系对土体的加强越明显。(3) 变形后期，=135时试样的残余强度较其他情况要高得多，而 =90和 =45的残余强度趋于一致，但是其数值仍然高于素土的残余强度。显然，实际工程中植物根系提高滑坡体的残余强度，对避免二次滑坡发生有重要贡献。3.2 三轴试验绘制不同围压下三轴试验应力-应变曲线，见图9。从图 9 可以看出，在三种不同的根系倾角情况下三轴试验获得峰值强度的变化趋势与直剪试验大体相同峰值强度倾斜试样(90)竖直试样(45)水平试样( 135)。但是残余强度
31、表现出的趋势与直剪试验略有区别，三轴试验中倾斜根系(=90)并没有表现出较高的残余强度，也没有表现出回升趋势，而且三种类型试样破坏后强度下降均比较明显，这可能是由于人造根系在土样内部发生了错动造成的。此外，三轴试验再次验证了当根系与剪切面夹角 =135时根系对土体的加固作用最为明显，=45次之，=90加固作用最弱。利用 Mohr 圆作图法得到的三轴试样强度参数见表 4。分析表 4 可以发现：(1) 相较于素土，三轴试验中含根系土体的c、 值均有一定程度的提高，而且提高的程度远大于直剪试样（虽然三轴试验抗剪强度指标不宜与直剪试验直接比较） 。这是因为竹签抵抗变形的能力强于爬山虎茎，加上试样的尺寸
32、效应，三轴试样中土体与根系的接触强度大于直剪试样，现实情况下灌木根系对土体的加固能力的确大于草本根系 20。(a)3=25kPa(b) 3=50kPa(c) 3=100kPa(d) 3=200kPa图 9 三轴试验应力应变曲线Fig. 9 Stress-strain curves of triaxial shear test表 4 三轴试样强度参数Table 4 Values of c and of different samples in triaxial shear test试 样 c (kPa) ()素土( 直剪) 7.87 30.46竖 直 38.9 36.16倾 斜 37.8 35.
33、48水 平 66.4 35.72(2)含根系试样 c 值远大于素土，且水平试样(135)尤为明显，提升了约 8 倍。较竖直和倾斜试样而言，水平试样 c 值也提升近 1 倍。三轴试验也证实植被根系与剪切面夹角对根系的固土作用有直接的王涵等.植物根系与剪切面的夹角对土体的强度影响研究影响。另外，实验过程中没有出现根系被拉断的情况，但是图 5(a)中标记出来的位置显示了三轴样中根系的变形情况。在通过剪切面的部位出现了扭曲，说明根系的确承担了相当大的剪切力，意味着在有限元计算的时候，当根系刚度比较大的时候可能不宜再把根系用杆单元来模拟了。4 结语通过试验以及数据分析，可以得到以下结论：(1) 根系与剪
34、切面的夹角 值对土体抗剪强度有明显的影响。对于土体强度的提高宏观上表现出p90p45p135。当 值达到 135的时候，土体的 c 值较素土可以提高近 50%，而采用灌木根系加固时甚至可以达到 800%。如果在潜在的浅层滑坡区域构建植被护坡，可以通过特定的种植方式和水肥供给来影响根系的生长形态，使其与滑坡剪切面的夹角尽量呈钝角，从而增加土体强度，预防浅层滑坡的发生。(2) 根系的作用需要一定的位移才能得到充分体现。因此宜采用柔性护坡与植被护坡相结合的工程措施，在释放坡体变形的同时发挥根系的锚固作用，从而保持浅层滑坡体的稳定。例如在石笼挡墙护脚的坡面上种植植被，由于乔木锚拉石笼挡墙允许边坡一定的
35、变形，这就给根系发挥锚固作用提供了变形空间，同时减小了滑坡推力或者石笼挡墙上的土压力。(3) 含根系土体的残余强度普遍高于素土。直剪试验中 =135的试样几乎没有应变软化趋势，也就是说这种情况下由于根系和土体的协同作用，土体经过较大的变形依然能够保持较高的强度和延性破坏的特征，在实际工程中有重要应用价值。参考文献：1 Yang Yonghong，Wang Chenghua，Liu Shuzhen，et al. Experimental research on improving shear strength of soil in surface landslide by root system
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