全 文 ：第 30卷　第 1期 摩 擦 学 学 报 Vol.30　No.1
2010 年 1 月 Tribology Jan., 2010
柠条 、沙柳根与土及土与土界面摩擦特性
邢会文 ,刘　静﹡ ,王林和﹡ ,姚喜军 ,王成龙 ,张永亮 ,周丹丹
(内蒙古农业大学 生态环境学院 ,内蒙古 呼和浩特　010019)
摘　要:通过直剪试验研究了垂直荷载 、土体干密度 、土体含水率对柠条根 -土界面 、沙柳根 -土界面以及土 -土界
面摩擦特性的影响.结果表明:柠条根 -土界面 、沙柳根 -土界面与土 -土界面的剪切特性相似, 均服从莫尔 -库仑理
论;柠条根 -土界面 、沙柳根 -土界面的摩擦系数随着土体干密度的增大而增大;土壤含水率对柠条根 -土界面 、沙柳
根 -土界面摩擦系数和黏聚力的影响与素土相同 ,三者的摩擦系数随含水率增加逐渐减小 ,而黏聚力随着含水率增大
呈先增大后减少的变化.在自然生境下主要根系分布层 ,柠条、沙柳的根 -土界面摩擦系数大于土 -土界面 , 尽管根 -
土界面黏聚力小于土 -土界面黏聚力, 但是根 -土界面的摩擦系数的增大仍使根 -土界面抗剪强度大于土 -土界面 ,
说明根 -土结合面抵抗位移的能力大于土 -土界面;2种植物相比 , 柠条根系抵抗根 -土分离的能力优于沙柳.
关键词:柠条;沙柳;根 -土界面;摩阻特性
中图分类号:TH117.3 文献标志码:A 文章编号:1004-0595(2010)01-0087-05
FrictionCharacteristicsofSoil-SoilInterfaceandRoot-Soil
InterfaceofCaraganaIntermediaandSalixPsammophila
XINGHui-wen, LIUJing﹡ , WANGLin-he﹡ , YAOXi-jun,
WANGCheng-long, ZHANGYong-liang, ZHOUDan-dan
(InnerMongoliaAgriculturalUniversity, Huhhot010019 , China)
Abstract:Usingadirectsheartestonsoil-soilinterfaceandroot-soilinterfaceofCaraganaintermediaandSalix
psammophila, frictioncharacteristicsoftheinterfacewasexamined, andtheinfluencesofnormalstress, drydensityofsoil
andsoilmoisturecontentonfrictioncharacteristicswereanalyzed.Theresultsshowedthat, theshearcharacteristicsof
root-soilinterfaceofCaraganaintermediaandSalixpsammophilaobeystotheMohr-Coulombtheory.Frictioncoeficient
ofroot-soilinterfaceofCaraganaintermediaandSalixpsammophilaincreasedwithincreasingdrydensityofsoil.The
effectsofsoilmoisturecontentonfrictioncoefficientandcohesivestrengthatroot-soilinterfaceofCaraganaintermediaand
Salixpsammophilawassimilartothatinpuresoil.Withincreasingsoilmoisturecontent, frictioncoeficientdecreased, and
cohesivestrengthincreasedfirstly, andthendecreased.Inthemainrootsdistributionlayer, althoughthecohesivestrength
ofroot-soilinterfacewasinferiortosoil-soil, theshearstrengthofroot-soilinterfacewasstrongerthanthatofsoil-soil
becauseofincreasingfrictioncoeficient.Itindicatedthatthecapacityofresistingdisplacementatroot-soilinterfacewas
higherthanthatatsoil-soil.Sofarasthefrictioncharacteristicswereconcerned, soilreinforcementofCaragana
intermediarootswasbeterthanthatofSalixpsammophilaroots.
Keywords:caraganaintermedia, salixpsammophila, root-soilinterface, frictioncharacteristics
　　植物固土主要通过根系固土来实现 [ 1] ,土壤中
的根系可以形成具有一定抗剪强度的 “生物桩 ”,增
加土体抗剪强度 [ 2] .但是 ,植物根系与土体之间的
结合 ,并不像钢筋与混凝土形成一个不发生相对位
Received17March2009, revised12 November2009, accepted1 December2009, availableonline28 January2010.
＊Corespondingauthor.Tel.:+86-13404803349, E-mail:ljing58@126.com, wlinhe@hotmail.com
DOI :10.16078/j.tr ibo logy.2010.01.011
移的整体 ,而是在一定受力条件下 ,根土接触面产生
错动滑移或有相互错动滑移趋势 ,使根土接触面产
生抵抗位移的摩擦力 ,通过摩擦力使根系的抗拉强
度与土体的抗剪强度相结合 ,提高根 -土复合体的
强度 ,控制或减小土体的变形 [ 3] .因此 ,研究根土界
面摩阻特性是研究根系固土机制的关键之一.
土壤与其他材料 (如:土工布 、土工格栅等)的
界面摩阻特性主要用直剪试验来模拟[ 4-8] .目前 ,这
类研究主要集中在土木建筑领域 ,从土工设计的角
度研究筋 -土界面 、桩 -土界面和土工复合材料与
填料之间的力学指标 [ 9-12] .对于根 -土界面摩阻特
性仅有关于油松和刺槐根 -土界面[ 13]的研究报导.
然而 ,植物种类不同 ,其根系生物学特性不同 ,生物
力学特性也不同 ,对已有的几种树木根 -土界面特
性的研究成果 ,无法应用于其他树木 ,更无法应用于
灌 、草植被.此外 ,抗滑桩和土工合成材料均是人造
材料 ,可以很方便地制备试样 ,而植物根 -土界面摩
阻特性研究由于制样的困难仍在摸索.宋维峰 [ 13]
(2006)采用剥皮制样研究了油松和刺槐根 -土界
面相互作用特性 ,其试验根系的直径在 2 ～ 5 cm内 ,
对于乔木根系适宜 ,但对根系相对较细的灌木 ,剥皮
会使根系表皮产生变形 ,与实际根 -土界面摩阻特
性不符 ,适用于细根的制样方法和试验方法未见报
道.本文应用土力学原理 ,采用直剪试验研究神东采
煤塌陷区柠条 、沙柳 2种灌木根 -土界面的摩阻特
性 ,为根系固土抗蚀的研究提供理论依据 ,并提供可
用于细根摩擦特性研究的制样方法.
1　实验部分
1.1　材料
试验用土样取自内蒙古鄂尔多斯市伊金霍洛旗
乌兰木伦镇境内的柠条灌木林样地内(E110°07′,
N39°22′).沙柳灌木林地与柠条灌木林处在同一斜
坡上 ,土壤类型为风成黄土.取土深度 0.5 ～ 1.5 m.
柠条 、沙柳均为种植 4 a.2种样地各选 20株灌木测
量株高和地径 ,沙柳平均高度为 1.53±0.04 m;柠
条平均高度 0.58 ±0.04 m、平均地径 4.24 ±1.02
mm.据此每种灌木选 3株标准株 ,用整株挖掘法挖
出根系 ,保存在与生长环境相似的土壤中.
1.2　仪器及方法
采用 ZJ型四联应变控制式直剪仪.重塑土制样
方法按土力学试验规范进行[ 14] .
1.2.1　试样制备
对柠条和沙柳不同径级(0.5mm划分为 1个径
级)根系表面进行徒手切片 ,利用显微照相观察根
系表面的凸凹情况并拍照 ,利用 MapGis6.0软件
对照片进行分析 ,计算根系表面凸凹度 [ 15]并作 F、T
检验 ,结果为每种灌木不同径级的根系表面凸凹度
在一定根径范围内均无显著差异 ,为了便于削取根
皮 ,试验根系直径取 3.0 ～ 5.0 mm.
直剪仪上盒放土样 ,下盒嵌入表面粘有根系的
圆木块 ,木块直径与土样直径相同.将根系用刀削下
表皮 ,用万能胶粘贴在木块上 ,木块上表面 (根表
面)与下盒上表面齐平.根轴线方向与受剪方向平
行 ,以模拟根土分离时的受力状况.
1.2.2　试验土体含水率和土体干密度的确定
土体含水率按饱和度分别取 12%、30%、 46%
(原状土饱和度)和 64%,对应的含水率(干基)分
别为 4.35%、10.77%、17.19%和 23.61%,土体干
密度取 1.35(原状土干密度)、1.45及 1.55 g/cm3
作为 3个梯度.
1.3　试验条件
按土体自重应力公式推求根系分布层在 0.8 m
深时自重应力为 12.5kPa, 1.5m深时为 25.0 kPa,
参照直剪试验的要求选取其余的 2级应力为 50和
100 kPa,量力环系数分别是 1.957、1.896、1.852、
1.872.剪切速率采用 0.8mm/min.
2　结果与分析
2.1　根 -土界面抗剪强度和垂直荷载的关系
土 -土界面抗剪强度与垂直荷载服从莫尔 -库
仑理论 ,在此验证根 -土界面抗剪强度与垂直荷载
的关系是否服从莫尔 -库仑理论.图 1为柠条根 -
土界面 、沙柳根 -土界面抗剪强度与垂直荷载的关
系.可以发现 ,柠条根 -土界面和沙柳根 -土界面的
抗剪强度与垂直应力均呈正相关 ,相关系数 R2大于
0.98(α=0.01),即柠条和沙柳根 -土界面剪切关
系服从莫尔 -库仑理论(土体含水率在 4.35%、10.
77%下也得出类似的结果):即 τ=Ca+ptanφ,其
中:界面摩擦力为 ptanφ,界面的摩擦系数 f=tanφ,
τ-抗剪强度 , Ca-黏聚力 , p-垂直荷载.据此可以
用莫尔 -库仑理论来推求根 -土界面的摩擦系数和
黏聚力 ,分析根 -土界面的摩阻特性.
2.2　自然环境下根 -土界面摩阻特性
表 1为柠条根 -土界面 、沙柳根 -土界面与
土 -土界面的抗剪强度 ,在根系主要分布层 0.8 m
(12.5kPa)左右 ,根 -土界面的抗剪强度与素土相
近 ,当根系埋深超过 1.5 m(25 kPa)时 ,根 -土界面
88 摩　擦　学　学　报 第 30卷
的抗剪强度大于素土 ,且随着土体垂直荷载的增大 ,
沙柳根 -土界面 、柠条根 -土界面抗剪强度呈增大
趋势.2种根 -土界面的抗剪强度差异不显著(α=
0.05),但从数值上看:柠条根 -土界面抗剪强度略
高于沙柳.说明在天然条件下 ,当土体发生位移或有
位移趋势时 ,柠条 、沙柳根系与土体之间抵抗相对位
移的能力优于素土 ,并且柠条优于沙柳.
柠条根 -土界面 、沙柳根 -土界面及土 -土界
面的摩擦系数和黏聚力见表 2.可以发现 ,柠条根 -
土界面 、沙柳根 -土界面摩擦系数均大于土 -土界
表 1　沙柳 、柠条根 -土界面与土 -土界面抗剪强度
Table1　Shearstrengthonroot-soilinterfaceofCaraganaintermediaandSalixpsammophilaandsoil-soilinterface
Burieddepth/m Verticalpres/kPa Interfaceshearstrengthofroot-soil/kPaCaraganaintermedia Salixpsammophila Interfaceshearstrengthofsoil-soil/kPa
0.8 12.5 15.21 14.81 15.12
1.5 25.0 25.02 24.36 23.51
3.2 50.0 44.65 43.46 40.28
6.0 100.0 83.90 81.66 73.83
表 2　柠条 、沙柳根 -土界面及土 -土界面摩擦系数和黏聚力
Table2　Experimentalresultsoffrictioncoefficientandcohesivestrength
oftheroot-soilinterfaceofCaraganaintermediaandSalixpsammophilaandsoil-soilinterface
Testspecimen Root-soilinterfaceCaraganaintermedia Salixpsammophila Soil-soilinterface
Frictioncoeficient 0.79 ±0.01 0.76±0.01 0.67±0.03
Cohesivestrength/kPa 5.40 ±0.28 5.26±0.19 6.73±0.86
面摩擦系系数 ,而二者根 -土界面的黏聚力小于等
于土 -土界面黏聚力.说明根 -土界面抗剪强度的
提高靠根 -土界面摩擦力的增大来实现的.二者相
比 ,柠条根 -土界面的摩擦系数和黏聚力均大于沙
柳根土界面.
2.3　土体干密度对根 -土界面摩擦特性的影响
图 2为土体含水率 10.77%下 ,柠条根 -土界
面 、沙柳根 -土界面与土 -土界面在不同土体密度
下摩擦系数测试结果 ,可见沙柳根 -土界面 、柠条根
-土界面摩擦系数随土体干密度的增大而增大 ,说
明随着土体干密度的增加 ,土颗粒间距缩小 ,颗粒排
列更致密 ,使土体与根的接触更加紧密 ,土颗粒与根
系的接触面积增大 ,根 -土界面摩擦系数随着根和
土接触面积的增大而增大.这与土与加筋材料的摩
擦系数随土密度的增大而增大的结论相似 [ 16] .
由图 2中可见 ,在不同的干密度下 ,柠条根 -土
界面摩擦系数 >沙柳根 -土界面摩擦系数 >土 -土
界面摩擦系数.当土体干密度为 1.35 g/cm3时 ,柠
条和沙柳的根与土界面摩擦系数分别比素土内
摩擦系数增大 19.17%和 17.85%;当土体干密度为
89第 1 期 邢会文 ,等:柠条 、沙柳根与土及土与土界面摩擦特性
Fig.2　Coeficientofsoilinterfacefrictionand
interfacefrictionbetweensoil
androotsundervariedsoildrydensitycircumstances
图 2　不同土体干密度下根 -土界面与素土的摩擦系数
1.45g/cm3时 ,柠条和沙柳的根与土界面摩擦系数分
别比素土大 18.39%和 15.37%;当土体干密度为
1.55g/cm3时 ,柠条 、沙柳的根 -土界面摩擦系数分
别比素土大 17.06%、14.43%.因此随着土体干密度
的增加 ,柠条和沙柳根 -土界面摩擦系数增加的幅度
呈减少趋势 ,即当土体干密度增加到一定数值以后 ,
根 -土界面摩擦系数不会再有大幅增加.土体干密度
对根 -土界面黏聚力的影响未发现明显规律.
2.4　土体含水率对根 -土界面摩擦特性的影响
2.4.1　土体含水率对根 -土界面摩擦系数的影响
F、T(α=0.05)检验表明 ,土体含水率(干基)
对根 -土界面和土 -土界面摩擦系数影响显著 ,相
同含水率下的摩擦系数个体之间差异不显著.在土
体干密度为 1.35 g/cm3 ,根 -土与土 -土界面的摩
擦系数如图 3所示 ,柠条根 -土界面 、沙柳根 -土界
面和土 -土界面的摩擦系数均随含水率增加逐渐减
Fig.3　Theimpactsofsoilmoisturecontent
onfrictioncoefficientof
root-soilinterfaceandsoil-soilinterface
图 3　土体含水率对根 -土界面与素土摩擦系数的影响
　　小 ,在土体含水率为 4.35%、 10.77%和 17.
19%时 ,柠条根 -土界面 、沙柳根 -土界面的摩擦系
数都大于土 -土界面的摩擦系数;含水率在 23.
61%时 ,则反之 ,表明在含水率较高时 ,根 -土界面
是软弱滑动面.当含水率从 4.35%增加到 17.19%
时 ,柠条和沙柳的根 -土界面摩擦系数分别降低
11.85%和 10.82%, 素土的摩擦系数降低了 22.
69%;当含水率从 17.19%增加到 23.61%时 ,柠条
和沙柳的根 -土界面摩擦系数分别降低 133.02%
和 99.81%,而素土的仅降低 19.83%,这表明土体
含水率在较低范围内变化(4.35% ～ 17.19%)时 ,
根 -土界面的摩擦系数降低幅度较小 ,比素土降低
幅度小 12.02% ～ 13.15%,此时根土结合作用好;
当含水率达 17.19% ～ 23.61%时 ,根 -土界面的摩
擦系数明显降低 , 降低幅度比素土大 42.24% ～
113.53%,此时根土结合强度较小.
根 -土界面的摩擦系数随含水率增加逐渐减
小 ,究其原因:一方面随着土体含水率的增加 ,土粒
周围的结合水膜增厚 ,使土粒间距增大 ,根 -土界面
接触面积减少 ,从而减小了土体对根的咬合作用.另
一方面由于水的润滑作用 ,降低了土体与根系之间
的摩擦.
2.4.2　土体含水率对根 -土界面黏聚力的影响
土体含水率与根 -土界面 、土 -土界面黏聚力
关系如图 4所示.随着土体含水率的增加 ,柠条根 -
Fig.4　Cohesivestrengthsofroot-soilinterface
andsoil-soilinterfacewithvariedsoilmoisturecontent
图 4　土体含水率对
根 -土界面 、土 -土界面黏聚力的影响
　　　
土界面 、沙柳根 -土界面与土 -土界面黏聚力的变
化趋势一致 ,都表现先增大后减少的趋势.这是因
为:当含水率较小时 ,土颗粒之间较松散 ,尚未形成
较强的联结 ,土颗粒与根系的接触松散 ,从而使根土
90 摩　擦　学　学　报 第 30卷
间的联结较弱.随着含水率的增加 ,土粒与水之间形
成的结合水膜的水胶结作用就逐渐增强 ,土体黏聚
力相应增大 ,从而提高了土粒与根系的咬合能力 ,随
着含水率的进一步增加 ,土粒周围的结合水厚度变
厚 ,使土粒间距增大 ,这时通过公共结合水胶结作用
逐渐减弱 ,土体黏聚力相应减小 ,从而使土体与根系
间的粘结减弱.从中还可见 ,在土体含水率不大于
17.19%,柠条根 -土界面 、沙柳根 -土界面黏聚力
小于土 -土界面黏聚力 ,当土体含水率达 23.63%
时 ,则反之.二者相比 ,柠条根 -土界面黏聚力大于
沙柳根 -土界面黏聚力.
3　结论
a.　在自然生境下主要根系分布层内(埋深为
1.5m以内),柠条 、沙柳的根 -土界面摩擦系数大
于土 -土界面 ,因此柠条和沙柳根 -土结合面抵抗
位移的能力大于土 -土界面 , 2种植物相比 ,柠条根
系抵抗根 -土分离的能力优于沙柳.
b.　在不同的土体干密度和含水率下 ,柠条根
-土界面的摩擦系数和黏聚力都大于沙柳根 -土界
面 ,表明柠条根系与土体的结合力优于沙柳.
4　致谢
本研究得到国家自然基金 “采煤塌陷区植物固
土抗蚀生物力学特性的研究 ”(90610008)及内蒙古
水利厅科技项目 “风水复合侵蚀下几种植物固土抗
蚀生物力学特性的研究”的资助 ,在此表示感谢.
参考文献:
[ 1 ] 　YangYonghong.Studyonmechanismofvegetationreinforcing
soilandmaintainingslopestabilityingravelysoilregionin
dongchunyunnanprovince[ D] .Chengdou:SouthwestJiaotong
University, 2006(inChinese)[杨永红.东川砾石土地区植被
固土护坡机理研究 [ D] .成都:西南交通大学 , 2006] .
[ 2 ] 　ZhangHP, YaoH, LinYB.Preliminaryanalysisoftheefects
ofvetivergras forstabilizingslope[ J] . SiolEngand
Foundation, 2008, 22(1):52 -55(inChinese)[张宏波 ,姚环 ,
林燕滨.香根草护坡稳定性效果浅析 [ J] .土工基础 , 2008, 22
(1):52-55] .
[ 3 ] 　ChenCF, LiuH X, LiY P.Experimentinrestigationon
reinforcementmechanism andstrengthcriterionofgrassroots
reinforcedsoils[ J] .CentralSouthHighwayEngineering, 2008,
22(1):52-55(inChinese)[ 陈昌富 , 刘怀星, 李亚平.草根
加筋土的护坡机理及强度准则试验研究 [ J] .中南公路工
程 , 2006, 31(2):14-17] .
[ 4 ] 　BaoCG.Studyoninterfacebehaviorofgeosyntheticsandsoil
[ J] .ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering,
2006, 25(9):1 735-1 744(inChinese)[包承钢.土工合成材
料界面特性的研究和试验验证 [ J] .岩石力学与工程学报 ,
2006, 25(9):1 735-1 744] .
[ 5 ] 　WuJH, WangDQ, WangLJ, etal.Experimentalstudyon
geosyntheticreinforcement[ J] . China CivilEngineering
Journal, 2002, 6(35):93-99(inChinese)[吴景海 , 王德群 ,
王铃娟 ,等.土工合成材料加筋的试验研究 [ J] .土木工程学
报 , 2002, 6(35):93 -99] .
[ 6 ] 　YangGQ, LiG X, ZhangBJ.Experimentalstudieson
interfacefrictioncharacteristicsofgeogrids[ J] .ChineseJournal
ofGeotechnicalEngineering, 2006, 28 (1):948 - 952 (in
Chinese)[杨广庆,李广信 ,张保俭.土工格栅界面摩擦特性
试验研究 [ J] .岩土工程学报 , 2006, 28(1):948-952] .
[ 7 ] 　Min-WooSeo, Jun-BoumPark, Inn-JoonPark, etal.
Modelingofinterfaceshearbehaviorbetweengeosynthetics[ J].
KSCEJournalofCivilEngineering, 2003, 7:9 -16.
[ 8 ] 　DRuselV.Jones, NeilDixon.Shearstrengthpropertiesof
geomembrane/geotextile interfaces[ J] . Geotextiles and
Geomembranes, 1998, 16:45-71.
[ 9 ] 　DingJM, Zhang P. Studyoftheinteraction between
geosyntheticsandclaythroughdirect-sheartest[ J] .JHUST
(UrbanScienceEdition), 2005, 22(2):58-62(inChinese)[丁
建明 ,张波.土工合成材料与粘土接触面直剪试验研究 [ J] .华
中科技大学学报(城市科学版), 2005, 22(2):58-62] .
[ 10] 　FeliceASantagata, GildaFerroti, ManfredNPartl, etal.
Statisticalinvestigationoftwodiferentinterlayersheartest
methods[ C].MaterialsandStructures, 2008.
[ 11] 　WDDeng, CZDeng, QRYan.StudyonDirectShearon
InterfacePerformanceofGeogridandCorase-grainedSoil[ C].
Proceedingsofthe 4th Asian RegionalConference on
Geosynthetics, 2008, 157-160.
[ 12] 　ZhangX S, LiaoHJ, XingXK.Experimentalstudyon
mechanicalbehaviorofpile-soilinteractioninloessfoundation
[J] .GeotechnicalInvestigationandsurveying, 2005, 6:1 -4(in
Chinese)[张新善,廖红建 ,邢心魁.桩土相互作用的力学特
性室内试验 [ J] .工程勘察 , 2005, 6:1-4] .
[ 13] 　SongWF, ChenLH, LiuLP.Experimentoncharacteristicof
interfacebetweenrootsystemandsoil[ J].ScienceofSoiland
WaterConservation, 2006, 4(2):62 -65(inChinese)[ 宋维
峰 ,陈丽华 ,刘秀萍.根系与土体接触面相互作用特性试验
[ J] .中国水土保持科学 , 2006, 4(2):62-65] .
[ 14] 　南京水利科学研究院土工研究所.土工试验技术手册 [ M].
人民交通出版社 , 2003.
[ 15] 　Xing Huiwen. Test Studies on the Surface Friction
Characteristicsof4 KindsofPlantRoots-Soil[ D] .Hohhot:
InnerMongoliaAgricultureUniversity, 2009(inChinese)[邢会
文.4种植物根 -土界面摩阻特性研究 [ D] .呼和浩特:内蒙
古农业大学 , 2009] .
[ 16] 　LvZF, ChenH.Studyonfractionalcharacteristicsbetween
earthandtendon[ J].ShanXiArchitecture, 2007, 33(4):94-
95(inChinese)[吕镇锋 ,陈辉.土筋间摩擦特性研究 [ J] .山
西建筑 , 2007, 33(4):94 -95]
91第 1 期 邢会文 ,等:柠条 、沙柳根与土及土与土界面摩擦特性