工程地质学报  2017, Vol. 25 Issue (6): 1438-1448   (2585 KB)    
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  • 收稿日期:2016-10-08
  • 收到修改稿日期:2017-06-26
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    祁兆鑫
    余冬梅
    刘亚斌
    付江涛
    胡夏嵩
    李淑霞
    赵丹
    寒旱环境盐生植物根-土复合体抗剪强度影响因素试验研究
    祁兆鑫①②, 余冬梅, 刘亚斌①②, 付江涛①②, 胡夏嵩①③, 李淑霞①②, 赵丹①②    
    ① 中国科学院青海盐湖研究所, 青海省盐湖地质与环境重点实验室 西宁 810008;
    ② 中国科学院大学 北京 100049;
    ③ 青海大学 西宁 810016
    摘要:为探讨寒旱环境盐生植物根系对增强土体抗剪强度的贡献,本项研究以柴达木盆地尕斯库勒盐湖区及其周边地区作为试验区,选取区内海韭菜(Triglochin maritimum Linn.)、芦苇(Phragmites australis Trin.)、无脉苔草(Carex enervis C.A.Mey.)、赖草(Leymus secalinus Tzvel.)、洽草(Koeleria cristata(L.)Pers.)5种优势盐生草本植物作为供试种,通过野外采集根-土复合体原状和不含根系的素土试样,且由表层向下层分层制取直剪原状试样方法,分别进行复合体和素土试样的室内直剪试验,分析不同取样位置深度处的含水量、垂直压力、根系分布形态、含根量以及根面积比5种因素对根-土复合体抗剪强度的影响。试验结果表明:随着取样深度位置处土体含水量增加,复合体黏聚力c值呈逐渐降低变化规律;5种植物根-土复合体和素土试样垂直压力和抗剪强度之间符合莫尔-库仑准则,5种植物根系起到浅层加筋作用且抗剪强度增幅为3.26%~57.18%。随着海韭菜和芦苇根-土复合体试样的根面积比(RAR)及无脉苔草、赖草和洽草根-土复合体试样含根量的减小,复合体试样黏聚力c值呈降低趋势;根面积比对海韭菜和芦苇根-土复合体黏聚力c值的影响程度,以及含根量对无脉苔草、赖草和洽草根-土复合体黏聚力c值的影响程度均相对大于含水量。5种植物根-土复合体在不同深度处黏聚力c值均显著高于素土黏聚力c值,其增强幅度为9.61%~182.56%,相比较而言,内摩擦角φ值变化相对较小。区内海韭菜根系对土体抗剪强度的增强作用相对较为显著,其次为芦苇、无脉苔草、赖草、洽草。该项研究结果对于进一步评价盐生植物根系增强土体强度作用,以及与试验区地质条件相类似的地区采用盐生植物有效防止水土流失、浅层滑坡等地质灾害具有实际指导意义。
    关键词寒旱环境    盐生植物    根-土复合体    黏聚力    内摩擦角    抗剪强度    
    EXPERIMENTAL RESEARCH ON FACTORS AFFECTING SHEAR STRENGTH OF HALOPHYTE ROOT-SOIL COMPOSITE SYSTEMS IN COLD AND ARID ENVIRONMENTS
    QI Zhaoxin①②, YU Dongmei, LIU Yabin①②, FU Jiangtao①②, HU Xiasong①③, LI Shuxia①②, ZHAO Dan①②    
    ① Qinghai Institute of Salt Lakes, Chinese Academy of Sciences, Key Laboratory of Salt Lake Geology and Environment of the Qinghai Province, Xining 810008;
    ② University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049;
    ③ Qinghai University, Xining 810016
    Abstract: This paper aims to study the contribution of halophytes roots in increasing shear strength of soil in cold and arid environments. The Gasikule Salt Lakes and the surrounding areas in the Qaidam Basin are selected as the test area. Five predominant halophytes(Triglochin maritimum Linn., Phragmites australis Trin., Carex enervis C.A.Mey., Leymus secalinus Tzvel., Koeleria cristata(L.)Pers.) are selected as test species. Direct shear tests are carried out to the samples of soil without roots and root-soil composite system collected in-situ by the method of digging soil from shallow layers to the deep layers of the ground, where layer-by-layer excavation is applied to investigate the effect of moisture content, vertical pressure, the pattern of roots arrangement, root content and root area ratio on shear strength of soil. Results exhibit the following results. With the increasing of soil moisture content, the cohesion force decline. The relationship between vertical pressure and shear strength satisfies Mohr-Coulomb law. The roots play a role in soil reinforcement in shallow layer. The increment amplitude of shear strength is 3.26%~57.18%.With decreasing in root area ratio(RAR)for T.maritimum Linn. and P.australis Trin. and the decreasing in root content for C.enervis C.A.Mey., L.secalinus Tzvel. and K.cristata(L.)Pers., the cohesion force of root-soil composite system decreases. Root area ratio(RAR)has a relatively larger effect on cohesion force of T.maritimum Linn. and P.australis Trin. root-soil composite system than soil moisture content. The effect of root content on cohesion force of C.enervis C.A.Mey., L.secalinus Tzvel. and K.cristata(L.)Pers. root-soil composite system is bigger than soil moisture content, too. The cohesion force of root-soil composite system at different depths is significantly larger than that of non-rooted soil, with the corresponding increment amplitude ranging from 9.61%~182.56%. In contrast, the variation in internal friction angle is relatively small. Reinforcement effect of shear strength for T.maritimum Linn.roots is relatively significant, followed by P.australis Trin., C.enervis C.A.Mey., L.secalinus Tzvel. and K.cristata(L.)Pers. The conclusion plays a role in assessing the reinforcement of roots in increasing shear strength and has an instructive meaning in implementing measures in soil erosion prevention and shallow landslide and other such geological hazards by halophytes in testing site and other regions with similar geological conditions.
    Key words: Cold and arid environments    Halophytes    Root-soil composite system    Cohesion force    Internal friction angle    Shear strength    

    0 引言

    随着植物措施在防治水土流失和浅层滑坡等方面的广泛应用,根系增强土体抗剪强度和提高边坡稳定性等方面的研究已成为国内外诸多学者关注的重点。已有大量研究结果表明,含植物根系土体与不含根系素土相比,前者所具有的抗拉和抗剪强度均相对较高,可起到显著增强边坡土体稳定性的作用(格日乐等,2015)。根-土复合体的抗剪特性是研究根系固土机制的关键,而影响根-土复合体抗剪强度因素较多,诸如根系因素包括单根杨氏模量、含水率、根径和根系分布形态、根系密度等,土体因素则主要包含内摩擦角、黏聚力、土体含水率等(田佳等,2016)。目前国内外诸多学者采用室内直剪试验和三轴试验等方法,来研究根系和土壤因素对根-土复合体抗剪强度影响,如Fan et al.(2008)通过对多刺野大麻(Sesbania cannabina Merr.)根-土复合体直剪试验结果表明,复合体含水率为8% ~10%时,复合体黏聚力c值为30kPa,内摩擦角φ值为40°,而含水率为20% ~22%时,复合体黏聚力c值为18kPa,内摩擦角φ值为35°,可见复合体黏聚力c值显著降低,而内摩擦角φ值变化相对较小。刘益良等(2016)对小叶锦鸡儿(Caragana microphylla Lam.)和沙打旺(Astragalus adsurgens Pall.)根-土复合体的室内直剪试验结果表明,复合体抗剪强度随含根量的增加而增大,且含有8根小叶锦鸡儿和沙打旺根系试样黏聚力c值为不含根系素土的7倍和11倍。Zhang et al.(2010)通过对洋槐(Robinia pseucdoacacia)根系在水平根型、垂直根型和水平-垂直根型3种布根方式下进行三轴压缩试验(CD)结果表明,在含水率由12.7%增至20.0%时,根-土复合体抗剪强度降低幅度分别为水平根型复合体为16.43%、垂直根型复合体为25.50%、水平-垂直根型复合体为22.01%。栗岳洲等(2015)通过对大柴旦盐湖区海韭菜(Triglochin maritimum Linn.)、赖草(Leymus secalinus Tzvel.)、毛穗赖草(Leymus paboanus Pilger.)、无脉苔草(Carex enervis C.A.Mey.)4种优势盐生植物根-土复合体直剪试验结果表明,根系增强土体抗剪强度存在最优含根量,复合体内含根量为最优含根量时其黏聚力c值为最大值,海韭菜为27.42kPa,赖草为20.9kPa,毛穗赖草为18.11kPa,无脉苔草为17.84kPa。Bischetti et al.(2005)指出土体抗剪强度增量与根面积比呈正比关系。Mattia et al.(2005)通过对地中海地区的灰绿针草(Lygeum spartum)、四翅滨藜(Atriplex halimus)、洋乳香树(Pistacia lentiscus)3种植物复合体试样进行直剪试验,并采用Wu-Waldron-Model(WWM)模型计算了3种植物复合体抗剪强度值,结果表明复合体抗剪强度值随根面积比(RAR)的减小而降低,灰绿针草RAR由表层的0.09%降至60cm深度处的0%,抗剪强度则由60kPa降至0.3kPa;四翅滨藜RAR由地表的0.055%降至55cm处的0%,抗剪强度则由6kPa降至0.2kPa;洋乳香树RAR由地表的0.060%降至75cm的0%,抗剪强度则由20kPa降至3kPa。以上研究结果表明影响根-土复合体抗剪强度的因素较多,但是有关涉及地表以下不同深度位置处根-土复合体中的含水量、根面积比和含根量等因素,及其对不同深度位置处土体抗剪强度的影响和变化规律等方面还尚需开展进一步深入系统研究。

    本项研究以柴达木盆地尕斯库勒盐湖区及其周边地区作为试验区,选取区内周边广泛分布的海韭菜(Triglochin maritimum Linn.)、芦苇(Phragmites australis Trin.)、无脉苔草(Carex enervis C.A.Mey.)、赖草(Leymus secalinus Tzvel.)、洽草(Koeleria cristata(L.)Pers.)5种优势盐生植物作为试验供试种,分别开展了5种盐生植物根-土复合体原状试样室内直接剪切试验,探讨地表以下不同取样深度位置处含水量、垂直压力、根系分布形态、根面积比以及含根量5种因素对复合体抗剪强度的影响。该项研究结果对于研究区以及与区内地质条件相类似的地区,采用盐生植物有效防治水土流失和浅层滑坡等地质灾害,同时对于修复土地沙化、盐渍化荒地生态环境,以及有效地提高边坡稳定性具有理论研究价值和实际指导意义。

    1 研究区概况

    研究区尕斯库勒盐湖区位于柴达木盆地西缘,地理坐标为90°35′~91°07′E,37°57′~38°15′N,发育于柴达木盆地茫崖坳陷的尕斯库勒凹陷中,海拔为2860m左右,湖水深为0.5~0.8m,平均水深为0.65m(叶传永,2013)。区内属典型的内陆干旱气候,表现为气候寒冷,降雨稀少,蒸发强烈,日温差大等特征;区内年平均降水量为13.4mm,年蒸发量为2929.6mm,蒸发量为降水量的220倍左右,属于极度干旱区,区内年平均气温为1.53℃,最大风速可达40m ·s-1(黄麟,2007; 叶传永,2013)。此外,由于研究区属于极度干旱区,区内广泛发育不同程度的盐渍土,且具有溶陷、盐胀和腐蚀性等不良工程地质特性,使得在盐渍荒地上修筑的道路经常发生翻浆、溶陷等病害现象(图 1)。

    图 1 研究区土地盐渍化现象及盐生植物生长情况 Fig. 1 Salinization phenomenon and the growth effect of the halophytes in the testing area a.边坡盐渍化情况;b.盐生植物生长情况;c.不含植物边坡溶蚀现象;d.盐生植物护坡作用

    2 试验材料与方法
    2.1 试验材料

    本项研究所选取的5种优势盐生植物均为多年生草本植物。据野外原位对5种盐生植物根系的生长量指标统计结果表明,芦苇根系可深入至地表以下20cm深度以上,其余4种植物根系主要集中分布在0~25cm。野外采集根-土复合体原状试样方法为:选择正常生长的5种植物,采用剖面挖掘法整体制取直径为40cm,高为30cm的近圆形含盐生植物根系土柱试样,并在未生长植物的区域制取相同尺寸的素土土柱试样作为对照组,用削土刀将试样土柱由外至内削切至规则状,然后轻轻移入内径为38cm,髙为30cm的试样盆内,

    用塑料布将试样盆包紧裹实同时用胶带进行密封后放入试样箱内,以尽可能地防止试样中水分散失且及时运回实验室开展试验;此外,在试样采集和运输过程中,做到避免因振动和挤压等因素对原状试样结构的影响。试验区土体物理和化学性质指标测定结果(表 1),颗粒大小级配曲线(图 2)。

    表 1 试验区土体物理和化学性质指标测定结果 Table 1 Physical and chemical property indexes of soil in the testing area

    图 2 试验区土体颗粒大小分布曲线 Fig. 2 Distribution curve of soil particle in different sizes in the testing area

    2.2 试验方法

    本项研究室内制取根-土复合体原状试样的方法为:对野外采集的根-土复合体原状试样自试样盆表面由上至下依次划分为0~10cm、10~15cm、15~20cm共3层;然后将4个环刀(内径为6.18cm,高为2cm)轻扣于试样表面,刃口朝下,轻敲环刀顶部,待环刀置入试样3/4深度时,再用另一环刀叠置于该环刀上部,轻击上部环刀,使底部环刀全部置于试样中。待同一层位的4个环刀均置入原状试样土柱中后,采用削土刀将环刀所处的含根层与下层分开,用削土刀削平环刀两端,擦净外壁即可得到制备好的直剪原状试样,制取的试样直径为6.18cm,髙为2cm。素土原状试样取样具体方法为:首先采用削土刀刨去试样盆中上部0~10cm表层土体,在10~15cm位置处,按采集根-土复合体原状试样方式制取试样。

    本项研究中复合体与素土试样的室内直剪试验采用南京土壤仪器厂有限公司生产的ZJ型应变控制式直剪仪,法向压力分为P1=50kPa,P2=100kPa,P3=200kPa,P4=300kPa等4级加载,剪切速率设定为2.4r·min-1,取剪切位移为4mm时所对应的剪应力为抗剪强度,按《土工试验规程》(1999)的步骤进行直剪试验。待复合体剪切试验结束后,即从剪切盒中取出试样,用清水将根系洗净,并对根径、根系数量进行统计;然后将统计完毕数量的根系放置于85℃烘箱,烘干至恒重,依次称量5种盐生植物根-土复合体3个不同深度层位根系干质量。鉴于海韭菜、芦苇其根系相对较粗壮,且在土体中多呈近似垂直分布状态,故对这2种盐生植物通过计算其根截面积比(RAR)作为根-土复合体试样中根系的定量依据;相应地,由于赖草、无脉苔草、洽草3种植物根系相对较细小,且多在土体中呈水平或倾斜分布状态,因此对于这3种植物采用含根量(mr)作为根-土复合体试样中根系的定量依据。

    芦苇、海韭菜根-土复合体根截面积比(RAR)按下式计算(Preti et al., 2010):

    $ RAR = \frac{{{A_r}}}{{{A_s}}} = \frac{{\sum\limits_{i = 1}^n {\frac{{{\rm{ \mathsf{ π} }}d_i^2}}{4}} }}{{\frac{{{\rm{ \mathsf{ π} }}d_s^2}}{4}}} \times 100\% $ (1)

    式中,RAR为根面积比(%);Ar为根-土复合体试样横断面上所有根系面积之和(mm2);As为根-土复合体试样的横断面积(mm2);di为单根平均根径(mm);ds为环刀内径(mm),为61.8mm;n为环刀中的根系数量(根)。

    赖草、无脉苔草、洽草根-土复合体含根量(mr)按下式计算(杨亚川等,1996):

    $ {m_r} = \frac{{{m_s}}}{V} $ (2)

    式中,mr为复合体含根量(mg ·cm-3);ms为复合体内所含干根质量(mg);V为复合体体积即环刀体积为60cm3

    2.3 数据分析

    运用灰色关联分析方法对影响原状复合体抗剪强度的主要因素进行分析,选取复合体黏聚力c值为参考数列Xikk=1,2,…,n。影响复合体抗剪强度的因素含水量、根面积比和含根量为比较数列Xjkk=1,2,…,n。根据公式|Δij(k)|=Xik-Xjkk=1,2,…,nij,求参考数列与比较数列对应数值的绝对差值,并找出|Δij(k)|中的最大值Δmax和最小值Δmin。求参考数列在不同深度的灰色关联系数ξij(k)和灰色关联度γij(张晓明等,2007)。其中,

    $ {\xi _{ij}}\left(k \right) = \frac{{{\Delta _{\min }} + \rho {\Delta _{\max }}}}{{\left| {{\Delta _{ij}}\left(k \right)} \right| + \rho {\Delta _{\max }}}}, k = 1, 2, \cdots, n $ (3)

    式中,ρ为分辨系数,本文取0.5;

    $ {\gamma _{ij}} = \frac{1}{n}\sum\limits_{k - 1}^n {{\xi _{ij}}\left(k \right)}, k = 1, 2, \cdots, n $ (4)

    3 结果与分析
    3.1 含水量对根-土复合体抗剪强度的影响

    表 2所示为区内5种盐生植物根-土复合体在地表以下0~20cm深度不同含水量下,黏聚力c值和内摩擦角φ值的试验结果。由该表可知,随着取样位置深度的增加,土体含水量逐渐增大,5种盐生植物根-土复合体黏聚力c值呈逐渐减小的变化规律,但内摩擦角φ值无明显变化规律。在地表以下15~20cm深度,海韭菜、芦苇、无脉苔草、赖草、洽草土体含水量增长率分别为42.19%、23.7%、24.9%、14.12%、38.56%,而黏聚力c值则分别降低了40.90%、26.18%、40.39%、25.44%、39.04%,这种黏聚力c值降低的主要原因在于随着试样中土体含水量增加,土中孔隙水压力增大,根-土间的有效应力减小,试样中土粒与土粒、土粒与根系之间的黏聚力,以及根系与土体之间的黏合力等均呈减小的变化规律(杨亚川等,1996),致使复合体黏聚力c值随即降低,结果使得根-土复合体的抗剪强度逐渐降低。

    表 2 试验区5种植物根-土复合体在3种不同含水量条件下的抗剪强度指标试验结果 Table 2 Shear strength indexes for the five types of halophyte rooted soil under three moisture content conditions in the testing area

    3.2 垂直压力对根-土复合体抗剪强度的影响

    图 3所示为试验区5种盐生植物根-土复合体和素土试样抗剪强度与垂直压力关系。由该图可知,随着垂直压力的增大,5种植物根-土复合体抵抗剪切变形的能力随之增大,根-土复合体抗剪强度与垂直压力呈线性正相关关系,抗剪强度与垂直压力之间符合莫尔-库仑准则;同时,在P1=50kPa,P2=100kPa,P3=200kPa,P4=300kPa 4级垂直压力作用下,复合体试样的抗剪强度均显著大于不含根系素土抗剪强度,即表现在地表以下10~15cm深度位置处,在300kPa垂直压力作用下,海韭菜、芦苇、无脉苔草、赖草、洽草根-土复合体抗剪强度较不含根系素土分别提高了12.96%、11.52%、8.40%、9.12%、8.10%,反映出区内5种植物根系加筋作用使得土体的抗剪强度得以显著提高。此外,由图 3还可知,区内5种植物根-土复合体的抗剪强度随着取样深度的增加呈逐渐降低趋势,例如在100kPa垂直压力下,海韭菜、芦苇、无脉苔草、赖草、洽草的根-土复合体在地表以下15~20cm深度位置处的抗剪强度较地表以下0~10cm处分别降低了26.44%、12.10%、13.81%、14.09%、20.49%,反映了区内5种草本植物根系依靠其自身抗拉强度和增加与土颗粒间的摩擦阻力来抵抗土体变形,可有效地起到浅层加筋的作用(王磊,2011);同时,海韭菜根-土复合体在4级垂直压力下其抗剪强度相对较大,其次为芦苇、无脉苔草、赖草,洽草相对较小,反映出区内海韭菜根系固土能力相对较为显著,而洽草相对较弱。

    图 3 试验区5种盐生植物根-土复合体和素土试样抗剪强度与垂直压力关系 Fig. 3 Relationship between shear strength and vertical pressures of the five types of halophyte rooted soil and non-rooted soil in the testing area a.海韭菜根-土复合体;b.芦苇根-土复合体;c.无脉苔草根-土复合体;d.赖草根-土复合体;e.洽草根-土复合体

    3.3 根系密度对根-土复合体抗剪强度的影响

    试验区海韭菜和芦苇根-土复合体在地表以下0~20cm深度位置处,不同根面积比(RAR)条件下的抗剪强度指标试验结果(表 3)。由该表可知,海韭菜和芦苇根-土复合体的黏聚力c值随根面积比(RAR)的减小表现出降低的变化规律,相比较而言内摩擦角φ值未表现出明显变化规律。这种复合体黏聚力c值随根面积比(RAR)减小而降低的变化规律表现在取样深度为地表以下0~10cm时,根面积比(RAR)相对较大,其相应的黏聚力c值亦较大,海韭菜和芦苇根-土复合体试样在地表以下15~20cm取样深度位置处的根面积比(RAR)较地表以下0~10cm取样深度位置处减小了53.94%和59.01%,其黏聚力c值降低了40.90%和26.17%。这表明了区内呈垂直分布的海韭菜和芦苇根系,其中的芦苇根径相对较粗,海韭菜根系数量相对较多,则根系与土体间的接触面积增大,使得试样中根系与土体间的黏结力增加,使试样的横向约束力及轴向应力增加(虎啸天等,2015; 刘益良等,2016吕春娟等,2016),故试验区地表以下0~10cm深度位置处的黏聚力c值显著大于地表以下15~20cm。

    表 3 试验区两种植物根-土复合体在不同根面积比条件下的抗剪强度指标试验结果 Table 3 Shear strength indexes of rooted soil for T.maritimum and P.australis underthree RAR conditions in the testing area

    此外,无脉苔草、赖草和洽草根-土复合体在地表以下0~20cm深度位置处,不同含根量条件下的抗剪强度指标试验结果(表 4)。由该表可知,随着取样深度位置的增加,3种植物根-土复合体试样中的含根量呈逐渐减少的变化规律,其黏聚力c值亦呈逐渐降低的变化规律,而内摩擦角φ值未表现出明显变化规律。无脉苔草、赖草和洽草的根-土复合体试样在地表以下0~10cm深度位置处的含根量分别为15~20cm深度位置的1.60倍、1.64倍和1.75倍,所表现出的黏聚力c值则分别为1.68倍、1.34倍和1.64倍,这在一定程度上说明了在一定深度范围内试样中含根量愈大,则相应的黏聚力c值亦愈大,反映出了随含根量的增加使得根系在试样中所占体积亦得到增加,根系的加筋作用显著增大,表现在根-土复合体黏聚力得到显著增加,从而提高土体抗剪强度。另外,由以上含水量、垂直压力、根系密度等3个影响因素对复合体抗剪强度的影响结果可知,在制取根-土复合体试样的过程中,位于表层以下0~10cm、10~20cm、20~30cm深度位置处复合体试样中的含根量、根面积比等地下根系生长量指标,这些根系生长量指标表现出随着取样深度的增加呈减少趋势,因此使得复合体的抗剪强度也随之呈减小规律,且表现出根系在上述的3个因素中具有相对显著增强土体抗剪强度的作用。

    表 4 试验区3种植物根-土复合体在3种不同含根量条件下的抗剪强度指标试验结果 Table 4 Shear strength indexes of rooted soil for C.enervis, L.secalinus and K.cristata under three root content conditions in the testing area

    3.4 原状复合体抗剪强度主要影响因素灰色关联法分析

    本项研究选取含水量、根面积比和含根量作为影响复合体抗剪强度的因素,通过室内试验测定,其测定结果(表 5)。

    表 5 试验区影响5种植物原状复合体试样抗剪强度主要因素测定结果 Table 5 Results of the main factors affecting the shear strength of the five types of undisturbed halophyte rooted soil in the testing area

    运用灰色关联法对上述影响原状复合体试样抗剪强度的主要因素进行分析,通过对表 5中的数据进行无量纲化预处理,即每列数据每一个数值均除以对应数列中的最大值,得到复合体抗剪强度指标与影响因素参数的初始化结果。计算参考数列与比较数列对应数值的绝对差值|Δij(k)|,并找出|Δij(k)|中的最大值Δmax=0.4和最小值Δmin=0。根据式(3)和式(4)求得参考数列对应的关联系数ξij(k)和灰色关联度γij,计算结果(表 6)。

    表 6 试验区5种植物根-土复合体黏聚力c值与影响因素间灰色关联系数及灰色关联度计算结果 Table 6 Calculation results of grey correlation coefficient and grey relational grade between cohesion force and influence factors of the five types of halophyte rooted soil in the testing area

    表 6可知,区内海韭菜和芦苇根-土复合体在地表以下3个不同取样深度位置处的黏聚力c值与根面积比和土体含水量的关联度为0.734和0.580;无脉苔草、赖草和洽草根-土复合体在3个不同取样深度位置处的黏聚力c值与含根量和土体含水量的关联度为0.768和0.580。依据相关研究结果表明,灰色关联度愈大,比较数列对参考数列的影响程度亦相应愈大(闫俊华等,2000),故由上述结果可知,根面积比对根系在土体中呈近似垂直分布的海韭菜和芦苇根-土复合体黏聚力c值的影响程度相对大于含水量;同样地,含根量对根系在土体中呈水平或倾斜分布的无脉苔草、赖草和洽草根-土复合体黏聚力c值的影响程度相对大于含水量。

    3.5 根系对土体抗剪强度的增强效应

    试验区5种盐生植物根-土复合体及素土试样在P1=50kPa,P2=100kPa,P3=200kPa,P4=300kPa等4级垂直压力作用下剪应力与剪切位移关系(图 4)。由该图 4可知,剪应力与剪切位移曲线由线性转变为非线性,在剪切作用的初始阶段,即剪切位移为0.05~0.1mm时,剪应力和剪切位移曲线接近线弹性特征,其剪应力增长速率明显大于变形中-后期,随着剪切位移的增加,根-土复合体和素土试样的变形逐渐进入至塑性变形阶段,表现出剪应力随剪切位移和垂直压力的增加而呈逐渐增大的变化趋势,但非线性变形增大,表现出应变硬化的特征(赵成刚等,2004)。此外,由图 4可知,在相同剪应力条件下,5种植物根-土复合体试样所形成的剪切位移量均相对小于相同条件下素土试样剪切位移量。例如在垂直压力P3=200kPa作用下,当剪应力为80kPa时,海韭菜、芦苇、无脉苔草、赖草、洽草根-土复合体的剪切位移量分别为0.55mm、0.76mm、0.64mm、0.88mm和1.18mm,而素土试样剪切位移量为1.72mm,上述结果表明在相同剪应力和相同垂直压力条件下,根-土复合体的剪切位移量均显著小于素土,这在一定程度上反映了根系的加筋作用从而增强了土体的抗剪强度,使得根-土复合体较素土具有相对显著的抵抗剪切变形的能力。

    图 4 试验区5种盐生植物根-土复合体及素土试样剪应力与剪切位移关系 Fig. 4 Relationship between shear stress and shear displacement of the five types of halophyte rooted soil and non-rooted soil in the testing area a.海韭菜根-土复合体(0~10cm);b.芦苇根-土复合体(0~10cm);c.无脉苔草根-土复合体(0~10cm);d.赖草根-土复合体(0~10cm);e.洽草根-土复合体(0~10cm);f.素土

    试验区5种盐生植物根-土复合体试样,在地表以下0~20cm深度位置处及素土试样的黏聚力c值关系(图 5)。由该图可知,区内5种植物根-土复合体试样在不同取样深度处的黏聚力c值均显著高于素土c值,表明根系能显著提高土体黏聚力c值,达到增强土体抗剪强度的目的,其原因主要归因于根系弹性模量大于土体的弹性模量,且根系抗拉强度远大于土体,即当土体发生剪切变形时,根系和土体共同组成的整体具有共同抵抗剪切变形的作用,因此根系存在能有效增强土体的抗剪强度(王磊,2011)。由图 5可知,海韭菜、芦苇、无脉苔草、赖草和洽草根-土复合体试样,其取样深度位置分别在地表以下的0~10cm、10~15cm、15~20cm时相对于素土其黏聚力c值的增幅分别为182.56%、131.07%、66.99%,147.39%、111.62%、82.64%,143.00%、88.60%、44.86%,96.27%、73.70%、46.35%,79.81%、44.63%、9.61%,这表明了海韭菜根系增强土体黏聚力的作用相对较为显著,其次依次为芦苇、无脉苔草、赖草、洽草。上述5种植物根系对土体黏聚力的增强效应存在差异的主要原因在于,海韭菜和芦苇根系在土体中呈近似垂直状分布,试样中根系多数均穿过剪切面,即当复合体发生剪切变形时,试样中的根系基本均能起到抵抗剪切变形的作用,而无脉苔草、赖草和洽草根系在土体中呈水平或倾斜状分布,试样中的根系未全部横穿过剪切面,使得试样中根系的加筋作用未得以完全发挥出来。

    图 5 试验区5种植物根-土复合体与素土试样黏聚力关系 Fig. 5 The cohesion forces of the five types of halophyte rooted soil and non-rooted soil in the testing area

    4 结论

    (1) 在地表以下0~20cm深度,土体含水量随着取样深度增加而逐渐增大,含水量增加幅度为14.12% ~42.19%,复合体试样黏聚力c值随之降低,降低幅度为25.44% ~40.9%,内摩擦角φ值未表现出明显变化规律。

    (2) 5种植物根-土复合体和素土试样垂直压力和抗剪强度符合莫尔-库仑准则。随着取样深度增加,5种植物根-土复合体抗剪强度均呈降低的变化趋势,反映草本植物根系起到对浅层土体的显著加筋作用,使得土体抗剪强度得以显著地提高。

    (3) 海韭菜和芦苇根-土复合体试样在15~20cm深度处根面积比(RAR)较0~10cm处分别减小53.94%和59.01%,相应地其黏聚力c值分别降低40.90%和26.17%;无脉苔草、赖草和洽草根-土复合体试样在15~20cm深度处含根量较0~10cm处分别降低37.55%、38.99%和42.77%,其相应的黏聚力c值则分别降低40.39%、25.44%和39.04%。

    (4) 通过灰色关联法分析表明,根面积比对根系在土体中呈近似垂直分布的海韭菜、芦苇的根-土复合体黏聚力c值的影响程度相对大于含水量;含根量对根系在土体中呈水平或倾斜分布的无脉苔草、赖草和洽草的根-土复合体黏聚力c值的影响程度相对大于含水量。

    (5) 5种植物根-土复合体在相同剪应力下的剪切位移量显著小于素土试样。在地表以下0~20cm深度复合体的黏聚力c值均显著高于素土,海韭菜根系对土体抗剪强度的增强作用相对较为显著,其黏聚力c值增幅为66.99% ~182.56%,其次为芦苇、无脉苔草、赖草、洽草,其黏聚力c值增幅分别为82.64% ~147.39%、44.86% ~143.0%、46.35% ~96.27%、9.61% ~79.81%。

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