长江科学院院报

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2024 , Vol. 41 >Issue 8: 120 - 127

DOI: https://doi.org/10.11988/ckyyb.20230573

岩土工程

灌木根系形态对土体强度影响的大型直剪试验研究

  • 陈婧逸 , 1, 2 ,
  • 陈晓清 , 1, 2 ,
  • 宋东日 1, 2 ,
  • 吕明 1, 2 ,
  • 蒋豪 1, 2
展开
  • 1 中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所 山地灾害与地表过程重点实验室,成都 610299
  • 2 中国科学院大学,北京 100049
陈晓清(1974-),男,四川成都人,研究员,博士,研究方向为山地灾害防治。E-mail:

陈婧逸(1998-),女,河北衡水人,硕士研究生,研究方向为边坡生态防护。E-mail:

Copy editor: 占学军

收稿日期: 2023-05-24

  修回日期: 2023-08-01

  网络出版日期: 2023-12-07

基金资助

国家自然科学基金项目(41925030)

收起

Effect of Shrub Root Morphology on Root-Soil Complex Strength: A Study Based on Large-scale Direct Shear Test

  • CHEN Jing-yi , 1, 2 ,
  • CHEN Xiao-qing , 1, 2 ,
  • SONG Dong-ri 1, 2 ,
  • LÜ Ming 1, 2 ,
  • JIANG Hao 1, 2
Expand
  • 1 Key Laboratory of Mountain Hazards and Earth Surface Processes, Institute of Mountain Hazards and Environment, CAS, Chengdu 610299, China
  • 2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

Received date: 2023-05-24

  Revised date: 2023-08-01

  Online published: 2023-12-07

Fold

摘要

根系形态显著影响根土复合体强度,然而现有研究局限于草本根系根土复合体和室内常规直剪试验。为探究多年生灌木根系形态及空间分布对固土效果的影响,采用大型直剪试验装置(直径400 mm),对原状根土复合体进行了剪切试验。试验中测量了根系形态参数(根面积比RAR、根长密度、根体积密度和根表面积密度)、根土复合体抗剪强度和剪胀特性,探讨了根系沿深度的分布特征、根土复合体剪胀性以及根系形态参数与根土复合体抗剪强度的相关关系。结果表明,根系加剧了根土复合体的剪胀;在4个根系形态参数中,剪切带上的RAR和根表面积密度与根系对剪切强度的贡献之间相关性较好;Wu模型能反映根系固土的本质,却存在强度被高估或低估的问题。研究成果有助于推动植物根系在固土领域的应用。

关键词： 灌木根系形态; 根土复合体; 抗剪强度; 剪胀; 大型直剪

本文引用格式

陈婧逸 , 陈晓清 , 宋东日 , 吕明 , 蒋豪 . 灌木根系形态对土体强度影响的大型直剪试验研究[J]. 长江科学院院报, 2024 , 41(8) : 120 -127 . DOI: 10.11988/ckyyb.20230573

Abstract

The strength of root-soil complex is significantly influenced by the morphology and spatial distribution of the root system. However, current studies have been limited to shear tests of root-soil complexes containing herbaceous roots and conventional indoor direct-shear tests. To investigate the impacts of root morphology and spatial distribution of perennial shrubs on root reinforcement, shearing experiments were conducted on in situ root-soil complex using a large-scale direct-shear apparatus (diameter 400 mm). The root morphological parameters (root area ratio RAR, root length density, root bulk density, and root surface area density), dilatancy and shear strength of the root-soil complex were measured. The distribution characteristics of root system along soil depth, the dilatancy of root-soil complex, and the correlation between root morphological parameters and shear strength were examined. Findings indicate that the root system exacerbates the dilatancy of the root-soil complex. Among the four evaluated root morphological parameters, RAR and root surface area density contribute the most to the shear strength. While Wu’s model effectively reflects the enhancement effect of root system on soil strength, it occasionally overestimates or underestimates the strength. The findings in the present research is conducive to promoting the application of root system in soil reinforcement.

Key words： shrub root morphology; root-soil complex; shear strength; dilatancy; large-scale direct-shear test

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0 引言

植被因具有良好的加固土壤、减少水土流失、涵养水源等传统工程措施所不具备的作用,用植被加固边坡已成为一种不可替代的既经济又环保的边坡防治方法[1]。根系深入土壤,一方面形成根土复合体,提高土体的抗剪能力;另一方面延伸到较深土层的垂直粗根对土体起到整体锚固作用。土的抗剪强度指标是稳定性评价的重要参数,因此,针对根土复合体抗剪强度的研究是评价根系固土能力的重要方式。
国内常用的根土复合体强度测试方式是常规的小尺寸直剪试验,比如使用室内常规直剪试验研究土壤含水率、根系形态与层次结构对根土复合体力学性质的影响[2-3]。国外一些学者已经进行了室内大型剪切试验来探究植物根系对土壤的加固作用[4-5]。相比之下,大型剪切试验把根系固土的研究扩展到更大的边坡尺度,且测试时对根系和土壤的扰动小,实验结果更有价值。
目前已有一些关于根系对根土复合体抗剪强度影响的研究。比如利用室内直剪试验或十字板剪切试验,研究根系分布形态(水平、竖直、倾斜、相交及混合)、直径以及含根量对土体强度的影响[6⇓-8];或是采用大型直剪试验装置,研究不同根系倾角对根土复合体强度的影响[9]。以上研究针对草本根系,证实了含根量、根系密度和剪切面上的根面积比(Root Area Ratio,RAR)都与固土效果相关,可用来预测草本根土复合体的强度[10]。综合目前关于根系形态对根土复合体强度影响的研究,试验样本多是重塑土,在试样制备过程中按不同角度、不同排列方式或不同数量将根系置于土壤中。然而以原状土作为研究样本的多为草本根系,缺乏对多年生的乔木或灌木根系形态以及根系固土效果的原状土大型直剪研究。
根系固土的理论研究方面,Wu模型[11]、纤维束模型(Fiber Bundle Model,FBM) [12]等建立了根系直径、抗拉强度等参数与根土复合体抗剪强度的关系。其中Wu模型引入了根面积比(RAR)这一概念,并以此作为预测抗剪强度的基础,体现了根系形态特征对根土复合体抗剪强度的影响。
基于上述问题,本研究使用大型直剪仪对多年生灌木根系进行了直剪试验,并分析根系形态对加固效果的影响。在此过程中测量了根系形态参数、试样抗剪强度和剪胀,研究了根系沿深度的分布特征、根土复合体的剪胀特性、以及根系形态对根土复合体抗剪强度的影响。最后利用RAR来预测根土复合体强度的Wu模型估算强度理论值,对比模型预测值和实测值的差异。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试样准备

试验土壤是取自四川省绵阳市盐亭县的非地带性紫色土。土壤为低液限黏土,液限16%,塑限27%,塑性指数11。试验前在三级竖向应力(3、10、30 kPa)下进行大尺寸素土直剪试验,测定了土壤黏聚力c=12.7 kPa和内摩擦角φ=32.4°。将土壤填充到外径400 mm、内径390 mm的圆柱形PVC桶内,填土高度380 mm,干密度为1.28 g/cm3。为还原野外植被生长的土壤条件,填土时未进行夯实,所有样品放在同样的环境中自然沉降。
试验植物选用紫穗槐,紫穗槐作为一种良好的水土保持植物,被广泛使用于我国的边坡绿化及防护工程。将已生长1 a的紫穗槐幼苗移栽到填好土的容器,期间保留几桶素土不种植物。所有样本的培育方式均一致,植物放在室外生长并接受自然阳光照射,浇水以当地的自然降雨为主,若长期没有降雨则进行人工浇水,除了浇水并未进行任何干预。在容器内生长1 a后选取4桶植被土和1盆素土作为实验样本。

1.2 试验方案

试验分别对未经植物加固的试样和经过植物加固的试样进行了大尺寸直剪试验,来研究植物根系对土体的加固作用。试验时的垂直应力为3 kPa(对应的覆土深度为0.19 m)。试验设置了5个样品,包括1个素土试样和4个含根试样(表1)。试样编号用植被(V)或素土(B)以及重复次数表示,比如V1表示第一个含植被的试样。需要指出的是,V1、V2、V3和V4不是同一组试验的4个平行试样,而是4个独立的试验。
表1 试验样品及特征参数

Table 1 Characteristics parameters of tested samples

试样
编号		 RAR/
%		 含水率/
%		 总根长/
(103 mm)		 总根体积/
(103 mm3)		 总根表面积/
(103 mm2)
B 28.3
V1 0.395 28.6 143.4 236.1 345.1
V2 0.386 28.5 204.9 224.4 427.3
V3 0.436 28.9 215.3 232.6 458.1
V4 0.241 28.8 114.0 132.6 245.4
试验控制样品剪切带的体积含水量为28.5%±0.4%,目的是使样品具有同样的基质吸力。通过在试样剪切带上(距试样底部200 mm)安装土壤水分传感器(型号EC-5,Decagon 设备公司生产)来监测试样的含水量。

1.3 大型直剪仪

大型直剪仪(图1(a))包括剪切盒、加载系统和位移测量系统3部分。剪切盒部分包括高度200 mm的上剪切盒和高度200 mm的下剪盒,上下剪切盒之间有高度10 mm的空隙作为剪切带。加载系统由滚珠丝杆伺服电机驱动,最大法向推力30 kN,精度0.001 kN。试验时上剪切盒固定不动,荷载施加在下剪切盒上,下剪切盒上配有水平位移传感器。试样中轴线、荷载施加侧的上表面和荷载施加对侧的上表面放有三个垂直位移传感器(图1(b)),分别为LVDT1、LVDT2和LVDT3。
图1 试验仪器

Fig.1 Apparatus used in the test

1.4 试验步骤

(1)剪切前的工作:测量样本的土壤高度,以确定植物生长期间是否发生土壤压实。对含有根系的试样测定植株地上部的特征,包括基径、胸径(高度1.3 m处的直径)、株高,茎、叶放入烘箱用65 ℃烘干48 h测定地上部分的生物量。剪断地上部分,防止试验过程中因蒸腾作用导致土壤水分散失。
(2)剪切过程中的工作:将样本放置在剪切盒内,为保证剪切过程中剪切带处承受剪力的是土壤样本而不是试样种植容器,去除了剪切带上的10 mm PVC环(距试样底部200~210 mm)。剪切过程中没有额外施加竖向荷载,这是为了模拟野外边坡破坏时的真实状态,因为浅层滑坡发生时,除了上覆土层的自重应力并没有额外的应力。以4.5 mm/min 的速率对试样进行剪切,当剪切应变达到20%时停止加载。为了得到应力应变曲线,按下式计算应力和应变:
τ = T A ,
ε = x D 。
式中:τ为试样内部的剪应力(kPa);T为施加的水平荷载(kN);A为直剪剪切面积;ε为剪切应变(%);x为剪切位移(mm); D为试样直径,取值390 mm。
考虑到直剪过程中剪切面积减小(图1(b)),直剪剪切面积A按以下公式计算,即
A = 2 390 2 2 a r c t a n 4 390 / 2 2 - x 2 x - x 4 390 / 2 2 - x 2 2 。
(3)剪切结束后的工作:将样品从仪器中取出。对于根系土试样,清理上剪切盒内附着在根系上的土壤。用游标卡尺测量上下剪切盒之间的平面上的根系直径,用于计算根面积比(RAR),以此代表整个剪切带的根含量,即
R A R = ∑ A r i A s 。
式中:Ari是第i条根在测量面的横截面积(mm2);As是根系土试样在测量面处的横截面积(mm2)。上半部分的根系如图2,可以发现剪切结束后几乎没有根系断裂。按深度([0,80]、(80,180]、(180,280]、(280,380]mm)收集根系并用根系扫描仪扫描根系,获取分辨率为300 dpi的根系图像。
图2 剪切结束后的试样V3

Fig.2 Sample V3 after shearing

2 试验结果与分析

2.1 根系垂直分布特征

根系形态影响植物对边坡的加固效果。根系较粗并垂直生长穿过剪切带的植物对边坡稳定性具有更明显的贡献。剪切结束后清理了附着在根系上的土壤并用水冲洗,获得完整根系(图3(a))。根系黄褐色,在桶内生长均匀,较粗根系向地生长,较细的须根向四周生长,根系上生长有根瘤,为豆科植物特有。大田中种植的紫穗槐根系具有明显的深、直特性,主根优势明显,向地性明显[13]。种植紫穗槐的PVC桶限制了根系生长,桶底有大量根系堆积尤其是细根,比较粗的根系接触桶底产生分支,这与实际边坡上植物根系向下生长,穿过上覆土层触碰基岩后细根堆积、粗根分支的现象相似。
图3 紫穗槐根系

Fig.3 Root system of Amorpha fruticose

通过植物根系表型分析系统V2.3.0分析了根系长度、根系表面积和根系体积(图3(b))。图中直径不同的根系以不同颜色表示,蓝色表示直径0~1 mm的根系,绿色表示直径1~2 mm的根系。根系形态的垂直分布是由同一土层深度内4个植物样品的根系数据平均化所得。
根长密度是单位体积土壤内根系的长度,反映了土壤中根系的延伸、穿插能力;根表面积密度是单位体积土壤内根系的表面积,反映根系和土壤接触的紧密程度,被视为表征土体抗剪强度的重要参数[14]。研究表明,根系在土壤内延伸缠绕会提高土壤的内摩擦角和黏聚力,从而提高土体强度[15]。本研究中,根系长度、根系表面积和根系体积沿深度没有明显的分布规律(图4)。在(280,380]mm深度内总根长最长,占试样内部总根长的54.3%,这同样与桶底根系大量堆积的现象有关。[0,80]mm和(180,280]mm深度内总根长相近,(80,180] mm深度内的根长比这2个深度内的根长略大。根系体积由大到小对应范围依次为[0,80]、(80,180]、(280,380]、(180,280]mm。根系表面积由大到小对应范围依次为(280,380]、(80,180]、[0,80]、(180,280]mm。
图4 根系长度、体积、表面积随深度的分布

Fig.4 Distribution of root length, volume and surface area with depth

按照5个根径等级([0,1]、(1,2]、(2,5]、(5,10]、>10 mm)研究了不同深度内粗细根的分布情况(图5)。大多研究中将直径≤2 mm的根系归为细根。细根主要负责从土壤中吸收水养资源,粗根木质化程度高,起到支撑植株、传输水养以及贮存营养物质的作用[13]。在从浅到深各个土层深度内,细根都比粗根具有更大的根长密度和根表面积密度。由图5(a)可知,从浅到深4个深度范围内,细根的根长密度分别占各深度内总根长密度的86.22%、91.85%、92.76%和97.54%。由图5(c)可知,根表面积密度分别占各深度内总根表面积密度的39.94%、54.05%、57.89%和84.90%。虽然各深度内细根的根长密度明显比粗根更大,但由于细根直径极小,并不能贡献较大的体积,所以各土层内的根系体积密度都是粗根占更大比例,由图5(b)可知,从浅到深各个土层内分别是91.37%、85.46%、81.72%和50.65%,尤其是直径(2,5]mm和(5,10]mm的根系。相比于[0,80]mm、(80,180]mm和(180,280]mm深度,细根的根长密度、根体积密度和根表面积密度在(280,380]mm深度时发生了明显的增长,而粗根没有明显增大,这印证了桶底堆积的根系以细根为主。而一些大田试验结果表明紫穗槐细根含量随土壤深度增加而减少[13],这是由于田间表层土壤松软,透气性好、养分条件更优越,因此植物会在浅表层产生更多细根。
图5 不同径级根系随深度的分布

Fig.5 Distribution of root system with depth for different diameter classes

2.2 素土和含根土的应力-应变规律

试样剪切过程的应力-应变曲线见图6。从应力-应变曲线形态来看,素土的剪切破坏经历了两个阶段:①达到抗剪强度前试样内剪应力不断增大累积的过程,②剪应力达到抗剪强度后的土体塑性流动阶段(土力学中的临界状态),在此过程中样品内的剪应力稳定在这一水平。而含根试样剪应力的在试验过程中一直增大,只是试验初期和后期的应力增长速率不同,初期小应变范围内较大,后期较小。这表明根系改造了土体性质,土体承受剪切力时内部的应力发展发生变化。含根试样的土体基质破坏后仍然有根系提供抗剪力[16],此时根系的抗拉强度转化为根土复合体的抗剪强度,表现在应力-应变曲线上经历了斜率转折点后应力还在稳定上升。此外,研究中样品的剪应力一直增大,在试验的应变范围内未出现峰值。Ghestem等[17]将根土复合体应力应变曲线有无峰值归因于根系形态的不同,峰值型曲线常常出现在垂直根系发达的植被土试样,而无峰值的曲线多见于侧根均匀分布的植物,比如本研究中使用的紫穗槐。此外,这还与土壤松散程度、植物年龄、物种、试样水分含量或剪切进行的应变范围有关。
图6 素土试样和含根试样的应力-应变曲线

Fig.6 Relationship between shear stress and strain for root-soil complex and bare soil samples

取试验结束时(剪应变为20%)试样内部的剪应力作为抗剪强度,试样B、V1、V2、V3和V4的抗剪强度分别为13.27、47.83、44.80、77.02、30.41 kPa。与素土相比,4个含根试样的抗剪强度分别提高了260%、238%、480%和129%,这表明植物根系显著地提高了土体的抗剪强度。此外,试样B1、V1、V2、V3和V4的初始剪切模量分别为417.43、684.15、683.67、1 003.45、749.23 kPa,3个含根试样的初始剪切模量分别比素土提高了64%、64%、140%和79%,这表明植物根系显著提高了土体的剪切刚度。抗剪强度是材料抵抗剪切破坏的极限强度,刚度则被解释为材料抵抗变形的能力。与素土不同,根土复合体剪切过程中,除了有土体本身的抗剪力,还有根系抗拉力和土根间的摩擦力提供抗力。这使土体抵抗变形和破坏的能力增大,即在同样的荷载条件下,根土复合体会产生更小的变形并且更不容易发生破坏。土体中的根系起到加筋作用,根系与土体结合形成根土复合体。根土复合体抗剪强度越大,表明根系对边坡的加固效果越明显。
此外,本研究分析了根系形态参数与抗剪强度增量(ΔSr)间的关系(图7)。本研究中含根试样剪切带上的根面积比(RAR)、试样内根系的总根长密度、根体积密度和根表面积密度均与抗剪强度增量之间有明显的正相关关系,这都反映了土体内部根系含量越多,根系的加固效果越明显。在4个根系形态参数中,本研究中植物的加固效果受RAR和根表面积密度的影响比较明显。对比各形态参数和ΔSr之间的相关性发现,RAR(R2=0.70)=根表面积密度(R2=0.70)>根长密度(R2=0.60)>根体积密度(R2=0.50),所以在4个根系形态参数中,剪切带上RAR的大小以及整个试样内的根系表面积密度能够比较好地表征根系对剪切强度的贡献程度。为明确粗根(根系直径d>2 mm)和细根(d≤2 mm)对剪切强度的影响,分别对粗根和细根的形态参数与ΔSr进行了相关性分析。结果表明,粗根的RAR、根长密度和根表面积密度与ΔSr的相关性比细根更高,细根的根体积密度与ΔSr的相关性比粗根更高。此外,根系触碰桶壁后会改变原本的延伸方向从而改变分布规律,但这不会对其他根系形态参数与根系提供的剪切抗力间关系的揭示产生影响,故本文未深入考虑这种桶壁限制根系侧向生长的问题。
图7 根系提供的抗剪强度增量ΔSr与根系形态参数间的关系

Fig.7 Relationship between the shear strength incre-ment ΔSr provided by the root system and the morphological parameters of root system

2.3 竖向变形规律

从试验结束后的试样上表面的形态和垂直位移测量的结果(图8)来看,施加剪切荷载一侧(竖向应变3)的土体剪缩,另一侧(竖向应变2)的土体体胀。竖向应变1的变化反映出试样垂直于剪切方向的中心轴上呈现体胀的趋势。4个含根试样的体应变1和体应变2都大于素土试样,4个含根试样的体应变3经历了先低于素土后高于素土的变化。
图8 素土试样和含根试样的竖向应变-剪应变关系曲线

Fig.8 Curves of vertical strain versus shear strain of bare soil and root-soil complex samples

计算了样品平均剪胀率随剪切应变的变化
t a n ψ = d y - d x 。
式中:ψ是剪胀角(°),计算时选取dx=2 mm; y -是试样平均竖向位移(mm),根据测试的3个竖向位移计算,即
y - = 2 y 1 + y 2 + y 3 4 。
式中y1、y2和y3分别表示竖向位移1、竖向位移2和竖向位移3。
剪切过程中剪胀角随剪应变的变化如图9所示。不论是素土还是含根土都在剪切过程中发生体胀,只是含根试样的体胀更加显著。从最大剪胀角来看,V4>V3>V2>V1>B1。这都表明植物根系并没有起到阻止试样的竖向变形的作用,甚至加剧了竖向变形。
图9 剪切过程中剪胀角随剪应变的变化

Fig.9 Variation of angle of dilatancy with shear strain during shearing

从剪切过程的应力-应变曲线(图6)可知,承受同样的剪应力时,含根试样在水平方向上的变形比素土更小。或许正是由于根系造成了含根试样在水平方向上难于变形,而试验过程中没有施加垂直荷载,竖向变形不受限制,所以含根试样内部因剪切积累的能量更多地通过试样垂向上的变形来释放,从而导致含根试样在垂直方向的位移比素土试样更加明显。

3 基于RAR的理论强度(Wu模型)估算

根土力学模型作为根系固土机制研究中最基础的部分,能有效量化和评估根系对土体的加固效果。20 世纪 70 年代以来,国内外学者对根土力学模型进行了广泛研究。其中Wu模型[11]是最早的根系固土模型之一,模型通过根系抗拉强度和剪切面上根系面积比RAR来估算含根系土体的抗剪强度。正如2.2节以及前人研究结果中指出的[16,18],在众多根系形态参数中,剪切带上RAR与由根系提供的土体抗剪强度增量存在很好的相关关系。这体现了用Wu模型预测根土复合体强度的合理性。
试验中测量了剪切面上的根系直径,故可以用Wu模型计算一个含根试样的强度理论值。Wu模型以摩尔-库伦准则为基础,认为根系对土壤的加固可以被表示为一种附加黏聚力,被称作是根系内聚力或根系引起的黏聚力,其与根土复合体的抗剪强度关系表达式为
τ s = c + σ t a n φ + Δ S r 。
式中:τs是根土复合体的抗剪强度(kPa);c是土壤黏聚力(kPa);φ是土壤内摩擦角(°);σ是竖向应力(kPa)。
Δ S r = t r s i n θ + c o s θ t a n φ 。
式中: θ为根系断裂时与垂直方向的夹角(°);tr是由根系提供的拉伸强度(kPa),一般情况下,取sinθ+cosθtanφ=1.2[11]。
t r = ∑ T r i A r i A s 。
式中 T r i是第i条根的抗拉强度(kPa)。
用Wu模型计算了3个含根试样的抗剪强度理论值,其中根系抗拉强度取自白璐翼紫穗槐根系抗拉试验的结果tr=48.55d-0.82[19]。现有的研究已经表明植物生长条件和测试时的加载速率不会显著影响根系的生物力学特性[20-21]。模型计算得到的4个含根试样的抗剪强度分别是64.17、65.68、77.02、52.17 kPa。其中,V1、V2和V4的抗剪强度实测值均小于模型预测值,而根系含量最大的V3试样抗剪强度实测值大于模型预测值。从抗剪强度增量(图10)来看,试样V1、V2、V3和V4的模型预测值分别是试验测试值的1.47倍、1.66倍、0.96倍和2.27倍。这表明本研究中Wu模型高估了剪切带上根系含量较少的3个试样的强度,却低估了根系含量最多的试样强度。
图10 根系固土效果的实测值和预测值比较

Fig.10 Comparison of enhanced soil shear strength between modelling and test results

这与以往研究中Wu模型通常因其对根土复合体抗剪强度绝对高估而受到批判不同 [21-22]。文献[21]和文献[ 22]中认为Wu模型假设达到强度极限时所有根系同时断裂,由此计算得到的根系黏聚力与实际值相比偏高,因此高估了根系的固土效果。根据Hsieh等[23]的研究,试验的尺寸效应会影响抗剪强度的测试结果,大尺寸直剪测试的抗剪强度大于室内小型直剪试验。所以可能是大尺寸直剪得到了比较高的根土复合体抗剪强度,与模型计算的理论结果偏差较小或超过了理论值。虽然在Wu模型对根土复合体强度预测准确性上本研究与前人研究有所偏差,但依旧不可否认Wu模型能够反映根系对土体加固的物理本质,并有效量化根系对土体抗剪强度的贡献。已有学者对Wu模型的修正做出努力,比如使用较低的根系力学特征来抵消Wu模型自身带来的高估,或是引入了修正因子,但都没有突破“根土复合体的剪应力等于根系和土壤作用简单叠加”这一局限,未来可以从根土间相互作用着手对Wu模型尝试加以完善。

4 结论

植物根系能有效提高土体的抗剪性能,本文对素土以及含多年生紫穗槐根系的土体试样进行了大尺寸直剪试验。分析了根系的分布特征,分析了根系形态参数对根系加固效果的影响,并验证了根系加固的力学模型。得出以下结论:
(1)从浅到深各个土层深度内,细根(<2 mm)都比粗根(≥2 mm)具有更大的根长密度和根表面积密度,细根的根长密度分别占由浅到深各深度内总根长密度的86.22%、91.85%、92.76%和97.54%,根表面积密度分别占总根表面积密度的39.94%、54.05%、57.89%和84.90%。但各土层内的根系体积密度都是粗根占更大比例,分别是91.37%、85.46%、81.72%和50.65%。
(2)紫穗槐根系显著提高了土体的抗剪强度和刚度。根面积比RAR、根长密度、根体积密度和根表面积密度四个根系形态特征参数都与根系提供的抗剪强度(ΔSr)间呈正相关关系。其中,RAR和根表面积密度与ΔSr间的相关性比较好。因此,RAR和根表面积密度能很好地预测由根系提供的土体抗剪强度增量。
(3)根系增大了剪切中土体的竖向变形。本研究中无论是素土还是含根土,都随着剪应变增大而表现出施加剪切荷载一侧的土体剪缩,另一侧体胀。但就试样整体变形情况来看,素土和含根土都呈现体胀。从试样的最大剪胀角与根系含量的关系来看,根系加剧了土体体胀。
(4)Wu模型能有效地反映根系对土体的加固作用,但会存在高估或低估根系贡献的问题。含根量较少时,Wu模型高估了根系加固土体的能力,含根量较多时,Wu模型低估了根系加固效果。对于两个剪切带上RAR低的含根试样,Wu模型预测的抗剪强度增量分别是实测值的1.47倍、1.66倍、和2.27倍;对于RAR高的试样,Wu模型预测的抗剪强度增量是实测值的96%。

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