草本植物根系对边坡浅层土体抗剪强度的影响规律研究

摘要 ［目的］研究草本植物根系对边坡浅层土体抗剪强度的影响规律。［方法］以阜新海州露天煤矿为工程依托，采用理论分析方法，建立了草本植物根系与土相互作用的力学模型，深化了草本植物根系固土改性的力学认识；采用直剪试验，选用马唐草与狗尾草为研究对象，研究了不同含根率与不同含水率共同作用下根-土复合体的抗剪强度及其相关参数的变化规律。［结果］根-土复合体的最佳抗剪强度与最优含根率相对应；2种草本植物根-土复合体抗剪强度随正压力的增加而增大，随含水率的增加而降低，在未达到含根率之前，随含根率增加而增大；根-土复合体黏聚力与抗剪强度变化规律相似，根系提高土体的抗剪强度主要体现在土体黏聚力的增加。［结论］该研究可为浅层边坡的固土稳定提供参考。

关键词 草本植物根系；根-土复合体；抗剪强度；黏聚力；边坡

中图分类号 TV861 文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2023）22-0219-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.22.050

Study on the Influence Law of Herbaceous Roots on Shear Strength of Shallow Soil in Slope

LIU Bao-yong1，DAI Te1，WANG Wen-qi2

Abstract ［Objective］ To study the influence of herbaceous plant roots on the shear strength of shallow soil on slopes.［Method］Based on the project of Haizhou open-pit coal mine in Fuxin，a mechanical model of the interaction between herbaceous roots and soil is established by theoretical analysis，which deepened the mechanical understanding of the soil consolidation and modification of herbaceous roots.Selecting Digitaria sanguinalis and Setaria viridis as the research objects，the shear strength of root-soil composite and its related parameters under the superposition of different root contents and different water contents are studied by the direct shear experiment.［Result］The results show that the optimal shear strength of the root-soil composite corresponds to the optimum root content.The shear strength of the root-soil composite of two herbaceous plants increases with the increase of normal pressure，decreases with the increase of the water content，and increases with the increase of root content before reaching the optimal root content;the shear strength variation pattern of the root-soil composite is similar to its cohesion.The roots improve the shear strength of soil mainly by increasing the cohesion of soil.［Conclusion］The study can provide some reference value for the consolidation and stability of the shallow soil of the slope.

Key words Herbaceous roots;Root-soil composite;Shear strength;Cohesion;Slope

露天矿开采后所形成的边帮与排土场是典型的废弃场地，尤其排土场堆积的岩土结构松散、颗粒尺寸不均，胶结性差，在降水冲刷与侵蚀等外因作用下，容易造成水土流失，甚至演变成边坡浅层的局部失稳滑动，给矿山生态环境与安全生产带来较大威胁［1-3］。由于植物根系固土能力明显，且不会对环境造成破坏，已受到广泛的关注和认可。

近年来，许多专家学者在根系固土机理和根系固土控制技术方面进行了大量研究，取得了较多的研究成果。Ennos［4］研究认为，当有外载荷作用在根-土复合体上时，细根趋向于断裂，而粗根可以完整地从土壤中拔出，细根的加固效果得到了充分体现。Lal［5］研究认为，根通过将土体中的剪应力转化为根的拉应力来提供加固作用。Bergado等［6-7］研究认为，当植物根系受到拉伸作用时，根系受到周围凹陷凸起的土颗粒约束与啮合作用，使得根系紧锁其周围土体介质，通过土体之间的啮合、摩擦作用以及根系与其周围土体的相互作用来提高坡面土体抗剪强度。毛旭芮等［8］通过对不同植物根-土复合体的剪切试验，认为根系主要通过影响土体的黏聚力来增强其抗剪强度。Wang等［9］研究认为，根系固土效果与根系结构类型有关，通过对根系分类的方法，揭示不同根系的固土机理。孙庆敏等［10］分析了16种植物根-土抗剪影响因素，认为各因素与土体的黏聚力和内摩擦角的灰色关联程度均较大，其中黏聚力与干密度的关联程度最高。朱锦奇等［11］基于根-土复合体直剪试验和根系拉拔试验，分析了不同生长时期根系的受力机制，定量评估了根系的固土效果。以上研究成果对浅层边坡的固土稳定方面有较好的揭示，但对于水与根系共同作用下的土体抗剪特性的认识相对不足。

为此，基于阜新海州露天煤矿为工程依托，笔者采用理论与直剪试验相结合的方法，研究不同含根率与不同含水率叠加作用下根-土复合体的抗剪强度及其相关力学参数的变化规律，从而揭示草本植物根系对边坡浅层土体抗剪强度的影响规律。

1 草本植物根系固土改性力学分析

在草本植物根系分布的影响范围内，根系如同加筋纤维，对边坡土体产生了附加力的作用，不仅能增加边坡土体的黏聚力，还可在一定程度上限制土体发生侧向膨胀变形，从而提高边坡土体抗剪强度。因此，可按照加筋土原理分析植物根系对边坡土体抗剪能力的改善作用［12］。

如图1a所示，有根系作用的土体可看作为根-土复合体，当边坡浅层土体沿滑面发生剪切失稳时，可采用摩尔-库伦本构模型来描述复合体临界破坏时的剪应力状态，因此，根-土复合体抗剪强度应满足式（1）。

τ=σtanφ+c+ΔτR（1）

式中：τ为根-土复合体抗剪强度；σ为无根系土体的正应力；φ为无根系土体的内摩擦角；c为无根系土体的黏聚力；Δτ为根-土复合体的附加抗剪强度。

若主根与坡面土体正交，建立出的简化力学分析如图1b所示［12］。假设土层剪切区厚度为H，单根剪切变形角为θ（切应变），则单根对土体作用下所增加的抗剪强度Δτ为：

式中：T为单根抗拉力；a为单根作用的土体面积；φ为土体内摩擦角。

若在面积为A的土体内有n个根的作用，根的抗拉力分别为T1，T2，…，Tn，剪切变形角分别为θ1，θ2，…，θn，则根系对土体作用下所增加的抗剪强度为：

将式（3）代入式（1）可得由草本植物根系作用下土体的抗剪强度为：

从式（4）可知，根-土复合体抗剪强度的增加，主要体现在黏聚力与法向应力变化。事实上，根-土复合体的内摩擦角也会产生变化，但复合体中的根系占比较小，因此，可认为内摩擦角仍然以土体为主，即根-土复合体的内摩擦角与原始素土相比变化很小，可适当忽略。

2 区域概况与试样制备

2.1 采样区概况 样本采集区位于辽宁省阜新市海州露天矿坑内，且距离地面50 m左右的坡面，如图2所示。该矿地处121°01′～122°56′E，41°41′～42°56′N。全年气温变化较大，多风、少雨且干燥。夏季最高气温可达40.6 ℃，冬季最低气温-28.4 ℃，年均气温7.8 ℃，年降水量为519.3 mm，属于半干旱地区。另外，地下水资源的抽采较为严重，一些地区地下水位仍呈持续下降［13-14］。

海州露天矿经过长期开采，形成了占地面积约7.02 km2的巨大矿坑，整体呈长方形，为西南—东北走向，地面标高为130～170 m，矿坑高程170～180 m，开采深度350 m。该矿南帮最终边坡角约为38°，北帮为18°～20°，矿坑内边帮生态遭到一定程度破坏，以草本植物为主［14］。

2.2 试样制备

海州露天矿坑内坡面以草本植物为主，常见马唐草、狗尾草等多种草本植物，选取坡面最为常见的马唐草与狗尾草为研究对象，其根系均为须根系。剪去地表以上的茎叶部分，挖取带根土体带回实验室。将根系与土体分离，自然风干至根系质量不再发生变化，以消除根系含水量对试验结果的影响。同时，测定土体含水率后过2 mm细筛，并放入烘干箱烘干24 h。

由于有根系土体和无根系土体的天然含水率几乎相同，因此试验所采用不同含水率剪切样可直接在烘干土中加水制备。所采用环刀内径为61.8 mm，高20 mm。将风干后的根系剪成2 cm的小段，设置试样含根率分别为0、0.1%、0.2%、0.3%与0.4%，并将上述4种根-土复合试样的含水率分别控制在9%、11%与13%。试样加水后密封静置，使土体与水充分融合，将根系加入过筛后的烘干土体中，使根系在土体中均匀分布。将配置好的根-土复合试样密封压实静置12 h，每种试验配置4个环刀样，在剪切盒底部依次放入透水石和湿滤纸，对齐上下两盒后插上销钉，将试样以静力压入，在其上依次放湿滤纸和透水石，盖上剪切盒的上盖，开始进行直剪试验（图3）。

3 根-土复合体抗剪能力试验

在含根率为0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%且含水率为9%、11%、13%的组合条件下，设置100、200与300 kPa不同垂直压力进行直剪试验，应力环系数为3.0。试验参照GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》［15］进行。

τ=10×CgR/A（5）

式中：τ为剪应力；Cg为应力环系数；R为位移计读数；A为试样面积。

3.1 根-土复合体抗剪强度变化规律

通过式（5）绘制剪应力与剪切位移关系曲线，由于不同正压力下曲线变化规律相近，故展示向应力为200 kPa的曲线，具体如图4、5所示。从图中可知，根-土复合体剪应力随剪切位移的增加而呈现非线性升高趋势；在正压力与含水率一定的前提下，狗尾草最大剪应力（即抗剪强度）随着根系含量的增加而增大，但马唐草并不完全遵循这一规律，而是当含水率为9%、含根率达到0.3%时，抗剪强度达到最大，说明马唐草的最优含根率为0.3%。这表明每种草本植物需要找到自身的最优含根比例，才能得到其最佳抗剪强度。

通过进一步的数据处理，得到图6、7。从图中可知：2种植物的根-土复合体抗剪强度随正压力的增加而呈现增大趋势；在正压力与含根率相同的前提下，根-土复合体的抗剪强度整体上随含水率的升高而呈现降低趋势。例如，马唐草根-土复合体在正压力为200 kPa且含根率为0.3%时，相比含水率9%的试样来说，含水率11%的根-土复合试样的抗剪强度下降了14.9%，含水率13%试样下降了21.0%；狗尾草在正压力为200 kPa且含根率为0.4%时，相比于含水率为9%试样来说，含水率11%试样抗剪强度下降了18.0%，含水率13%试样抗剪强度下降了19.0%。马唐草含根率在0～0.3%时，其根-土复合体抗剪强度随含根率增加而增大；含根率为0.3%时，其抗剪强度达到最大；含根率大于0.3%时，其抗剪强度下降。如正压力为200 kPa条件下，在含水率9%且含根率为0.3%时，马唐草根-土复合体抗剪强度相比于含根率为0时增加了23.8%。