林业科学  2014, Vol. 50 Issue (9): 105-111   PDF    
DOI: 10.11707/j.1001-7488.20140914
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文章信息

盖小刚, 陈丽华, 蒋坤云, 汲文宪
Gai Xiaogang, Chen Lihua, Jiang Kunyun, Ji Wenxian
4种乔木根系不同埋根方式根-土复合体的抗剪特性
Shear Characteristic Research on Root-Soil Composite in Four Kinds of Roots of Trees and Different Root Buried Ways
林业科学, 2014, 50(9): 105-111
Scientia Silvae Sinicae, 2014, 50(9): 105-111.
DOI: 10.11707/j.1001-7488.20140914

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收稿日期：2013-03-31
修回日期：2013-11-03

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盖小刚
陈丽华
蒋坤云
汲文宪

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盖小刚, 陈丽华, 蒋坤云, 汲文宪. 2014. 4种乔木根系不同埋根方式根-土复合体的抗剪特性[J]. 林业科学, 50(9): 105-111.
Gai Xiaogang, Chen Lihua, Jiang Kunyun, Ji Wenxian. 2014. Shear Characteristic Research on Root-Soil Composite in Four Kinds of Roots of Trees and Different Root Buried Ways. Scientia Silvae Sinicae, 50(9): 105-111.  DOI: 10.11707/j.1001-7488.20140914
4种乔木根系不同埋根方式根-土复合体的抗剪特性
盖小刚, 陈丽华, 蒋坤云, 汲文宪    
北京林业大学水土保持学院 水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室 北京 100083
收稿日期：2013-03-31；修回日期：2013-11-03
基金项目：国家“十二五”科技支撑计划“三北”地区水源涵养林体系构建技术研究与示范（2011BAD38B05）。
通讯作者：陈丽华
摘要：在固定的土壤含水量和干密度条件下，分别选取直径3，5和7 mm的落叶松、油松、白桦和蒙古栎根系，采用水平埋根、垂直埋根和复合埋根的方式制备直径为101 mm的根土复合体试样； 应用全自动三轴压缩仪，设定围压分别为200，400和600 kPa，对试样进行固结不排水试验，评价埋根方式和根系直径对土壤抗剪强度的影响。结果表明: 加根复合体的抗剪强度明显大于素土，抗剪强度随着埋根直径的增加而增大，土壤抗剪强度表现为复合根复合体>水平根复合体>垂直根复合体。植物根系在土壤中形成横纵交错的状态对减少滑坡等自然灾害可起到更好的作用。
关键词： 乔木根系    三轴压缩试验    土壤抗剪强度    
Shear Characteristic Research on Root-Soil Composite in Four Kinds of Roots of Trees and Different Root Buried Ways
Gai Xiaogang, Chen Lihua, Jiang Kunyun, Ji Wenxian    
Key Laboratory of Soil & Water Conservation and Desertification Combating of Ministry of Education College of Soil and Water Conservation, Beijing Forestry University Beijing 100083
Abstract: In order to explore the mechanical mechanism of arbors roots to prevent shallow landslide by holding water and soil, we selected root systems of diameter in 3, 5 and 7 mm of larch, pine, birch and Mongolia oak, and buried horizontally or vertically roots and buried horizontally and vertically roots to make into root-soil composite plots with a diameter of 101 mm in the soil with fixed water content and dry density conditions. Then a consolidated undrained (CU) test was conducted with an automatic triaxial compression tester by setting the confining pressure in 200, 400 and 600 kPa to evaluate the impact of buried-root modes and root diameters on the shear strength of the soil. The results showed that root-soil complex in shearing strength was significantly greater than pure soil, and the shear strength was in an order of: complex root complex> horizontal root complexes> vertical root complex. It was shown that the composite root in enhancing soil strength effect was most efficient, and thus, the composite root forest tree species would be the best in enhancing the soil strength to maintain soil stability.
Key words: tree roots    triaxial compression test    soil shear strength    

土是一种特殊弹塑性材料，在应力作用下，弹性变形和塑性变形几乎同时发生(赵成刚等，2004)。目前，通过等效材料原理、摩擦加筋原理和等效围压原理可以具体地揭示加筋后根土复合体力学特性变化的机制(Gray et al.，1986)。林木根系加筋可以被用来确定植被对某一斜坡安全系数(FOS)的贡献(陈丽华等，2004；宋维峰等，2006；刘秀萍等，2006)。对不同的植物根系与土壤组成的根-土复合体的剪切试验研究表明，根-土复合体中的植物根系数量的多少对根-土复合体的抗剪强度影响很大，根系越多则根系与土壤的接触面积也越大，则根系与土壤间的摩擦阻力自然也越大(李绍才等，2006；杨永红等，2007)。剪切试验还发现，根-土复合体的内摩擦角和粘聚力都比无根系的素土土体高(杨永红等，2007；张飞等，2005)。对于根系固土力学特性的研究，国内外已取得很多成果，但都集中于草本或是灌木根系对土壤黏聚力和内摩擦角等抗剪强度指标的影响(Operstein et al.，2000；江浩浩，2009)，对于乔木根系固土力学机制研究很少(刘秀萍，2006；张超波，2011)。

本文采用三轴压缩试验方法，分别模拟3种不同的埋根方式和不同直径级的4种乔木根系和土壤的复合体进行剪切试验，研究土壤与根系复合体的抗剪强度，植被根系增强土体抗剪强度的力学机制，以揭示根系提高边坡稳定性和植树护坡的作用与机制。

1 材料与方法 1.1 试验材料

试样所选材料包括落叶松(Larix gmelinii)、油松(Pinus tabulaeformis)、白桦(Betula platyphylla)和蒙古栎(Quercus mongolica)根系和褐土，材料取自河北省木兰国营林场下属北沟林场(116°32′-118°14′ E，41°35′-42°40′ N)。使用完全挖掘法采集4种乔木根系，在采掘过程中尽量避免对根系的机械损伤。为使根样具有代表性，选取不同坡度上的3棵与其他林木间隔较大的树木，伐倒地上部分，完全挖出地下部分的所有树根，随机选取生长正常、茎杆通直均匀、径级为0～8 mm的鲜活根，分直径级别将其用密封袋密封，在实验室冰箱4 ℃环境中冷藏保存并尽快测定，以保证根系材料的新鲜状态 。

研究地区的土壤属于细砂壤土，取土深度为20～60 cm，偏褐黑色，质地较轻，土壤粒径小于0.05 mm的占到50%以上。应用环刀法测定土壤密度为1.41 g·cm-3，烘干法测定土壤含水量为15.20%。土壤内摩擦角12.5°，黏聚力5 kPa。

1.2 试验设备

本试验采用北京华堪公司的ZS08-D3全自动三轴。该三轴仪具有应变和应力2种控制方式，选择应变控制方式工作时，可进行反压饱和、等向固结及UU，CU，CD及 UU，CU多级剪切等常规三轴压缩试验；选择应力控制方式工作时，可通过施加偏压进行不等向固结，分级加载(蠕变等)试验，弹性模量、K0固结条件下的剪切模量等特种试验。

该仪器由ZS08-D3三轴采集控制器、压力室、数据处理与控制3部分组成。

1.3 试验方法

本试验目的为研究埋根方式和根系直径与土体强度的关系，即要求土样在试验过程中含水量保持不变，依据《土工试验规程三轴压缩试验》(SL237-017-1999)进行试验。将风干土过2 mm筛，称取适量过筛风干土，为符合实际情况，本研究将土壤条件控制在干密度1.41 g·cm-3、含水率15.20 %，模拟实际土体，计算所需的含水量，然后将所取土样平铺于干燥的盘内，用喷雾设备喷洒预计的加水量，并充分搅拌，用干燥容器密封保存静置6 h备用。

加根土三轴试验参考常规三轴固结不排水(CU)试验规范，具体方法： 首先将采集的直径分别为3，5和7 mm的4种乔木根系洗净，剪断，长度控制为10 cm左右，将根系根据实验设计的3种不同埋根方式(图 2)和一定重量的土样依据试验要求的干密度放入装入直径101 mm、高200 mm的圆柱形样器中，用击实器分4层击实。围压σ3的确定原则是其最大值应略大于土体实际承受的最大有效应力，最小值应不小于土层覆盖层的压力(朱思哲，2003)。依据此原则确定3个围压值分别为200，400，600 kPa，采用多样剪、以每分钟0.1%的速率进行剪切试验，试验仪器自动记录应力数据，最后把峰值或者轴向应变达到15%时的主应力差作为试样的极限主应力差(σ1-σ3)f。

共对12组试样进行了试验，试样设计及编号见图 1和表 1。

图 1 埋根方式(mm) Fig. 1 Buried root mode in experimental design (mm) a.垂直埋根Buried vertically roots mode(CZ); b.水平埋根Orizontal underground roots mode(SP); c.复合埋根Complex roots mode (FH).下同The same below.
表 1 试样设计 Tab.1 Specimens designed
2 结果与分析 2.1 主应力差-轴向应变的关系

三轴压缩试验得到素土和各种根－土复合体试样应力-应变关系曲线(图 2-5)，应力-应变关系呈现明显非线性。在不同围压下，随着轴向应变的增加，极限应力差值均在不断变大，复合体材料逐渐到达塑性屈服状态，当轴向应变到15%时，主应力差一般变为稳定的峰值。所以，轴向应变在15%的情况下所得的主应力差就是极限主应力差(σ1-σ3)f，这一数值可以表现试样抵抗最大的剪切破坏能力。

图 2 落叶松根-土复合体不同分布方式、不同根系直径的应力应变关系 Fig. 2 Main differential stress and axial strain curve about larch soil composite body buried root in different diameters a:素土Soil; b,c:3 mm CZ,SP; d,e:5 mm CZ,SP; f,g:7 mm CZ,SP; h,i,j:FH 3,5,7 mm.
图 3 油松根-土复合体不同分布方式、不同根系直径的应力应变关系 Fig. 3 Main differential stress and axial strain curve about pine soil composite body buried root in different diameters a,b:3 mm CZ,SP; c,d:5 mm CZ,SP; e,f:7 mm CZ,SP; g,h,i:FH 3,5,7 mm
图 4 白桦根-土复合体不同分布方式、不同根系直径的应力应变关系 Fig. 4 Main differential stress and axial strain curve about Birch soil composite body buried root in different diameters a,b:3 mm CZ,SP; c,d:5 mm CZ,SP; e,f:7 mm CZ,SP; g,h,i:FH 3,5,7 mm
图 5 蒙古栎根-土复合体不同分布方式、不同根系直径的应力应变关系 Fig. 5 Main differential stress and axial strain curve about Mongolian oak soil composite body buried root in different diameters a,b:3 mm CZ,SP; c,d:5 mm CZ,SP; e,f:7 mm CZ,SP; g,h,i:FH 3,5,7 mm FH.

由图 2-5可以看出，素土和根土复合体均有以下现象： 各种处理的极限应力差随着围压的增大而增大，达到峰值强度时的变形也增大，随着围压的不断增大，应力-应变曲线初始阶段线性程度和切线斜率有较大增加。加根土体的应力-应变曲线与素土相似，但承载力明显高于素土。从加载曲线可以看到，在轴向应力较低时，根土复合体基本处于弹性状态，随着载荷增加，复合材料进入屈服状态。在轴向应变较小时，不同分布方式的应力-应变曲线相互接近，随着轴向应变的的增加，各曲线的差别才逐渐增大，根系直径越大，差距越明显。这说明根系的加筋作用只有当达到一定的轴向应变和根土比才能更好地发挥出来，即根系在土体的深层其加筋作用效果越明显。随着围压的不断增加，素土和2种根土复合体的极限主应力差均逐渐提高，说明其抵抗破坏能力也越来越强。在较低围压下，加筋未充分发挥其作用，达到相同应变时，3种加筋方式复合体与素土承受的轴向应力相近；随着围压增大，加筋的作用得到发挥，加筋构造对土体强度影响亦表现出来，不同的处理在围压为400，600 kPa时，主应力差有明显提高，其他情况下的曲线均相互接近。水平根系、垂直根系和复合根系的复合体不论何种围压下的主应力差有不同程度的增加，这说明根系生长排列方式对根土复合体的应力-应变曲线影响明显，即根系的形态分布对根土复合体的应力应变影响明显。

2.2 极限主应力差分析

随着土体中植物根系直径的增加，3种不同分布方式的根－土复合体极限应力差均逐渐增大，表明其抵抗破坏的能力也越来越强。对比复合体极限应力差与素土极限应力差有明显差异，证明根系能对土壤抵抗破坏的能力效果显著。分布方式和根系直径不同对土体极限应力差有较大影响。

由表 2的极限应力差数值可知：对于7 mm根系直径，在围压分别为200，400，600 kPa时，落叶松复合根复合体的极限主应力差分别比素土增大63%，88%，91%，油松复合根复合体的极限主应力差分别比素土增大137%，118%，91%，白桦复合根复合体的极限主应力差分别比素土增大65%，69%，76%，蒙古栎复合根复合体在的极限主应力差分别比素土增大64%，87%，88%。不论何种处理方式，4个树种极限主应力差都比素土明显增大，说明植物根系对增加土体极限主应力差作用明显。

表 2 4个树种极限主应力差① Tab.2 Main limit stress of the four species

同一树种随着围压的变化，极限主应力差也有所变化。落叶松、油松、白桦、蒙古栎直径7 mm复合根系在600 kPa围压下极限主应力差比200 kPa围压下极限主应力差值增加147%，70%，126%和143%。无论是加根土还是素土，在不同围压下，主应力差值均随着围压的增大而增大，即增加围压可以增加土体强度，抑制土体的变形。

同一树种相同分布方式下不同直径也对极限主应力差有影响。围压为600 kPa时，4个树种在水平、垂直和复合3种分布方式下直径7 mm根系的土体相对于布设3 mm直径根系的土体，极限主应力差分别增加了21%，25%，13%，30%；28%，13%，9%，14%；23%，9%，20%和26%。同一树种在相同分布方式和相同围压下，随着根径的增加(即根－土面积比增加)，根－土复合体的极限主应力差也增加。

2.3 根-土复合体抗剪强度

根土复合体的抗剪强度τ与剪切面上的法向应力σ成正比，即二者满足库仑定律，因此根土复合体的抗剪强度可以通过公式τ=σtanφ+C得到。 式中： τ为根土复合体的抗剪强度，σ为法向应力，C为黏聚力(kPa)，φ为内摩擦角(°)。

以600 kPa围压下抗剪强度计算值(表 3)为例，埋根根土复合体抗剪强度值明显比素土抗剪强度值大，埋有直径7 mm油松复合根根土复合体抗剪强度值最大，比素土增加277%，增加幅度最小的埋有直径3 mm落叶松水平根根土复合体抗剪强度值也比素土增加10%。说明埋入根系可以提高土体抗剪强度，根土面积比增加，土体的抗剪强度也随之增大。

表 3 抗剪强度(τ)计算值(σ=600 kPa) Tab.3 Calculated shear strength (τ)(σ=600 kPa)

水平、垂直、复合3种埋根方式下，落叶松根土复合体抗剪强度平均值为194，253，291 kPa；油松根土复合体抗剪强度平均值为244，272，413 kPa；白桦根土复合体抗剪强度平均值为222，253，276 kPa；蒙古栎根土复合体抗剪强度平均值为222，267，286 kPa。说明不同形态根系对土体稳固影响很大，在水平根、垂直根和复合根3种形态的根型中土壤抗剪强度基本表现为复合根复合体>水平根复合体>垂直根复合体，说明复合根在增强土体强度效果显著，复合根林木树种最适合于增强土体强度、保持土体稳定。

3 结论

1)三轴压缩试验结果表明根系能明显有效地提高土壤的抗剪强度。

2)试验表明在外力相同、埋根方式相同时，土体中含有植物根系直径越大，土体抗剪强度越大。围压相同时，3种埋根方式的复合体抗剪强度都比素土高。

3)土壤抗剪强度表现为复合根复合体>水平根复合体>垂直根复合体，复合根在增强土体强度方面效果最显著，复合根林木树种最适合增强土体强度、保持土体稳定，植物根系在土壤中形成横纵交错的状态对减少滑坡等自然灾害方面能起到更好的作用。

4)本文受试验条件和时间的限制，仅分析考虑了围压、埋根方式、根径对复合体剪切特性的影响； 今后应开展其他影响因素的研究，以建立更完善的边坡稳定模型。

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