全 文 ：第２８卷第１期
２０１４年２月
水土保持学报
Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｏｉｌ　ａｎｄ　Ｗａｔｅｒ　Ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ
Ｖｏｌ．２８Ｎｏ．１
Ｆｅｂ．，２０１４
　
　　收稿日期：２０１３－０９－０９
　　基金项目：国家自然基金项目“风水复合侵蚀区（采煤塌陷区）植物枝叶根系耦合抗蚀的生物力学机理研究”（５１０６４０２１）；内蒙基金重点项目
“植物枝叶根系固土抗蚀的生物力学特性研究”（２０１０ＺＤ１６）
　　作者简介：胡宁（１９８８－），女，在读硕士，主要从事干旱半干旱地区水土保持研究。Ｅ－ｍａｉｌ：１５８４９３２６１２５＠１６３．ｃｏｍ
　　通讯作者：刘静（１９５８－），女，博士，教授，主要从事干旱半干旱地区水土保持与荒漠化防治研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｊｉｎｇ５８＠１２６．ｃｏｍ
快剪条件下柠条根对３种土壤土工特性的影响
胡 宁１，刘 静１，姚喜军１，苑淑娟２，周丹丹３，张 格４
（１．内蒙古农业大学 生态环境学院，呼和浩特０１００１９；２．内蒙古自治区灌溉排水发展中心，呼和浩特０１００１９；
３．兴安盟水利工程质量监督站，内蒙古 乌兰浩特１３７４００；４．中国林业科学研究院沙漠林业实验中心，内蒙古 巴彦淖尔０１５２００）
摘要：针对内蒙古中部地区３种主要土壤类型（含细粒土砂、低液限粉土、低液限粘土）和３年生的典型水
土保持植物种柠条（Ｃａｒａｇａｎａ　ｍｉｃｒｏｐｈｙｌｌａ　Ｌａｍ．），采用室内直剪的快剪实验对３种土壤根－土复合体在
土壤孔隙水承压时的土工特性（抗剪特性及残余特性）进行研究。结果为：在根系分布的浅层土（埋深１．５
ｍ），３种土壤根－土复合体的抗剪强度、残余强度均大于相应素土的强度值，且均随土壤中细粒（粒径＜
０．０７５ｍｍ）含量的增加而增大，表现为低液限粘土根－土复合体（细粒含量为７１．６８％）＞低液限粉土根－
土复合体（细粒含量为５６．５８％）＞含细粒土砂根－土复合体（细粒含量为３０．５６％）；３种土壤根－土复合
体的黏聚力与残余黏聚力值也符合上述规律，内摩擦角与残余内摩擦角值与相应素土相比无明显规律，但
随土壤中细粒含量的增加而减少。柠条根提高３种土壤残余强度的增长率（５．７７％～１５．６７％）要大于提
高土壤抗剪强度的增长率（５．６２％～１３．２１％），这与根的弹塑性变形特性及根－土界面间的摩阻特性有
关。柠条根提高土体土工特性的有效性随土体埋深的增加而减弱。
关键词：根－土复合体；抗剪强度；残余强度；快剪条件；柠条
中图分类号：Ｓ１５７．２　　　文献标识码：Ａ　　　文章编号：１００９－２２４２（２０１４）０１－０１０６－０６
Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　Ｃａｒａｇａｎａ　ｍｉｃｒｏｐｈｙｌｌａ　Ｒｏｏｔｓ　ｏｎ　Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ
Ｔｈｒｅｅ　Ｓｏｉｌ　Ｔｙｐｅｓ　Ｕｎｄｅｒ　Ｆａｓｔ　Ｓｈｅａｒ　Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ
ＨＵ　Ｎｉｎｇ１，ＬＩＵ　Ｊｉｎｇ１，ＹＡＯ　Ｘｉ－ｊｕｎ１，ＹＵＡＮ　Ｓｈｕ－ｊｕａｎ２，ＺＨＯＵ　Ｄａｎ－ｄａｎ３，ＺＨＡＮＧ　Ｇｅ４
（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｃｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｉｎｎｅｒ　Ｍｏｎｇｏｌｉａ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈｕｈｈｏｔ　０１００１９；
２．Ｉｎｎｅｒ　Ｍｏｎｇｏｌｉａ　Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ　Ｒｅｇｉｏｎ　ｏｆ　Ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｄｒａｉｎａｇｅ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　Ｃｅｎｔｅｒ，Ｈｕｈｈｏｔ　０１００１９；
３．Ｘｉｎｇａｎｍｅｎｇ　Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｑｕａｌｉｔｙ　Ｓｕｐｅｒｖｉｓｉｏｎ　Ｓｔａｔｉｏｎ，Ｕｌａｎｈｏｔ，Ｉｎｎｅｒ　Ｍｏｎｇｏｌｉａ　１３７４００；
４．Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｆｏｒｅｓｔｒｙ　Ｄｅｓｅｒｔ　Ｆｏｒｅｓｔｒｙ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　Ｃｅｎｔｅｒ，Ｂａｙａｎｎｕｒ，Ｉｎｎｅｒ　Ｍｏｎｇｏｌｉａ　０１５２００）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｒｅ　ｗｅｒｅ　３ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｓｏｉｌ　ｔｙｐｅｓ（ｆｉｎｅ－ｇｒａｉｎｅｄ　ｓａｎｄ，ｌｏｗ　ｌｉｑｕｉｄ　ｌｉｍｉｔ　ｓｉｌｔ　ａｎｄ　ｌｏｗ　ｌｉｑｕｉｄ　ｌｉｍｉｔ　ｃｌａｙ）ｔｈａｔ　ｌｉｅｄ
ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｅｎｔｒａｌ　ｒｅｇｉｏｎ　ｏｆ　Ｉｎｎｅｒ　Ｍｏｎｇｏｌｉａ　ａｎｄ　ｔｈｒｅｅ－ｙｅａｒ－ｏｌｄ　Ｃａｒａｇａｎａ　ｍｉｃｒｏｐｈｙｌｌａ　Ｌａｍ．（ｔｈｅ　ｔｙｐｉｃａｌ　ｐｌａｎｔ　ｃｏｕｌｄ
ｃｏｎｓｅｒｖｅ　ｓｏｉｌ　ａｎｄ　ｗａｔｅｒ）ｗｅｒｅ　ｃｈｏｏｓｅ　ｔｏ　ｓｔｕｄｙ　ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｈｅａｒ　ａｎｄ　ｒｅｓｉｄｕａｌ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　３ｋｉｎｄｓ　ｏｆ
ｒｏｏｔ－ｓｏｉｌ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ．Ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｕｓｅｄ　ｔｈｅ　ｆａｓｔ　ｄｉｒｅｃｔ　ｓｈｅａｒ　ｔｅｓｔ　ｗａｙ　ｉｎ　ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ：Ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｈａｌｏｗ
ｌａｙｅｒ　ｗｉｔｈ　ｓｏｉｌ（１．５ｍｄｅｐｔｈ），ｂｏｔｈ　ｓｈｅａｒ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ａｎｄ　ｒｅｓｉｄｕａｌ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｏｆ　３ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｒｏｏｔ－ｓｏｉｌ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｗａｓ　ｇｒｅａｔｅｒ
ｔｈａｎ　ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　ｖａｌｕｅ　ｏｆ　ｐｌａｉｎ　ｓｏｉｌ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ，ａｓ　ｔｈｅ　ｆｉｎｅ（ｇｒａｉｎ　ｓｉｚｅ　ｌｅｓｓ　ｔｈａｎ　０．０７５ｍｍ）ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｏｉｌ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ　ｉｎ
ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｓｈｅａｒ　ａｎｄ　ｒｅｓｉｄｕａｌ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　３ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｒｏｏｔ－ｓｏｉｌ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ，ｔｈｅ　ｏｒｄｅｒ　ｗａｓ：Ｒｏｏｔ－ｓｏｉｌ
ｃｏｍｐｌｅｘ　ｏｆ　ｌｏｗ　ｌｉｑｕｉｄ　ｌｉｍｉｔ　ｃｌａｙ（ｆｉｎｅｓ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ｗａｓ　７１．６８％）＞ｌｏｗ　ｌｉｑｕｉｄ　ｌｉｍｉｔ　ｓｉｌｔ（５６．５８％）＞ｆｉｎｅ－ｇｒａｉｎ　ｓｏｉｌ
ｓａｎｄ（３０．５６％）．Ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｒｏｏｔ－ｓｏｉｌ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ，ｔｈｅ　ｃｏｈｅｓｉｖｅ　ｆｏｒｃｅ　ａｎｄ　ｒｅｓｉｄｕａｌ　ｃｏｈｅｓｉｖｅ　ｆｏｒｃｅ　ｗｅｒｅ　ａｌｓｏ　ｉｎ　ｌｉｎｅ
ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ａｂｏｖｅ　ｌａｗ，ｂｕｔ　ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｆｒｉｃｔｉｏｎ　ａｎｇｌｅ　ａｎｄ　ｒｅｓｉｄｕａｌ　ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｆｒｉｃｔｉｏｎ　ａｎｇｌｅ　ｖａｌｕｅｓ　ｗｉｔｈｏｕｔ　ｏｂｖｉｏｕｓ　ｌａｗ
（ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　ｐｌａｉｎ　ｓｏｉｌ），ａｎｄ　ｄｅｃｒｅａｓｅｄ　ｗｉｔｈ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｆｉｎｅｓ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｏｉｌ．Ｔｈｅ
ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｏｆ　Ｃａｒａｇａｎａ　ｍｉｃｒｏｐｈｙｌｌａｒｏｏｔ　ｒａｉｓｉｎｇ　３ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｓｏｉｌ　ｒｅｓｉｄｕａｌ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｏｆ　ｇｒｏｗｔｈ（５．７７％～１５．６７％）
ｗａｓ　ｈｉｇｈｅｒ　ｔｈａｎ　ｓｈｅａｒ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｏｆ　ｇｒｏｗｔｈ（５．６２％ ～１３．２１％）．Ｉｔ　ｗａｓ　ｒｅｌｅｖａｎｔ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｅｌａｓｔｉｃ－ｐｌａｓｔｉｃ
ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｏｏｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｏｏｔ－ｓｏｉｌ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｆｒｉｃｔｉｏｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．Ａｓ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｓｏｉｌ　ｄｅｐｔｈ，
ｖａｌｉｄｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　Ｃａｒａｇａｎａ　ｍｉｃｒｏｐｈｙｌｌａｒｏｏｔ　ｆｏｒ　ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｓｏｉｌ　ｗｅａｋｅｎｅｄ．
Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｒｏｏｔ－ｓｏｉｌ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ；ｓｈｅａｒ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ；ｒｅｓｉｄｕａｌ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ；ｆａｓｔ　ｓｈｅａｒ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ；Ｃａｒａｇａｎａ　ｍｉｃｒｏｐｈｙｌｌａ
DOI:10.13870/j.cnki.stbcxb.2014.01.052
近年来，生物措施已成为防治水土流失最有效、最具持续发展的措施。植物根系错综复杂地穿插于土壤之
间，对于改良土壤结构、增强土壤的抗冲能力和抗剪切能力有着重要的作用［１－２］。目前关于植物根系固土的研
究已成为水土保持领域的前沿课题，Ｅ．Ｃｏｍｉｎｏ等［３］对生长禾本科和蝶形花科植物的土壤进行原位剪切试验，
Ｎｏｒｍａｎｉｚａ等［４］对银合欢和马占相思在不同茎干大小时的拉伸强度进行调查，杨永红等［５］对乔、灌、草三类植
被根系提高浅层土体抗剪强度开展室内直剪实验，赵丽兵等［６］对黄土高原４种代表性草本植物含根系土样与
无根土样进行原位剪切实验，均证实了植物根系的存在对边坡稳定及土壤的抗剪强度具有明显的增强作用。
然而，根系与土体之间并不像钢筋与混凝土形成一个不发生相对位移的整体，在一定受力条件下，两者接触面
将产生一定程度的相互错动或滑移趋势，当达到极限抗剪强度时，由于根系并未拉断，继续对根－土复合体施
加外力，根系仍具有一定抵抗外部载荷的能力，继续发挥其固土效果，即根－土复合体具有残余强度。关于根
－土复合体残余强度的研究，仅有周云艳［７－９］等人进行了少量报道，均证实根系的存在对土体的残余强度有显
著的增强效果。
目前，关于根－土复合体抗剪强度及残余强度的研究，多是将植物作为主体，研究同种土体生长不同植物
时固土效果的差异。以土壤类型为主体的研究，即相同植物生长在不同类型的土壤中，根系提高其抗剪强度和
残余强度的有效性及差异性的研究却未见报道。本文选择内蒙古中部地区３种主要土壤类型（含细粒土砂、低
液限粉土及低液限粘土）和三年生的典型水土保持植物种———柠条（Ｃａｒａｇａｎａ　ｍｉｃｒｏｐｈｙｌｌａ　Ｌａｍ．），通过室内
直剪的快剪实验模拟暴雨过程中或暴雨过后土壤孔隙水在承受压力状况下土体发生位移或错动时的强度，从
而对不同土壤类型的根－土复合体的抗剪特性及残余特性进行研究，为进一步完善根系固土的力学机制提供
基础数据，也为干旱半干旱地区生态建设与植被恢复提供理论支持。
１　材料与方法
１．１　试验材料采集
柠条是一种广泛分布于干旱半干旱区的水土保持和固沙造林树种，它对环境条件具有极强的适应性，是该
区植被的重要组成物种。２０１２年８月份在内蒙古中国林科院沙漠林业实验中心采集人工种植的三年生柠条
根系。在样地内选择１０株生长良好的植株，测其株高、灌幅和地径，分别计算其平均值，然后选择３株与指标
平均值相近的标准株挖掘其根系，挖掘时尽量保证每条根的完整性。根据本课题组［１０］对３～４年生柠条根系
的研究，其代表根径级范围为０．５～１．０ｍｍ，为形成对照分析，试验采用径级为０．７５ｍｍ左右的直根段进行
研究。
土壤分别取自内蒙古和林格尔县与土默特左旗，在样地内选择地势开阔平坦的地段挖取土壤剖面，按照０
－２０ｃｍ，２０－４０ｃｍ，４０－６０ｃｍ，６０－８０ｃｍ和８０－１００ｃｍ　５层取样，每层取３次重复。土壤含水率采用烘干
法对１５个土样求均值后得出；土壤机械组成及液、塑限均是将所取１５个土样混合后进行实验，土壤机械组成
采用筛分法测出各个粒径组含量，重复３次求平均后得出各粒径组百分含量；土壤液、塑限采用ＬＰ－１００型液、
塑限联合测定仪测定。３种土壤基本物理性质如表１所示。按照《土工试验规程》土的工程分类［１１］，土样１为
含细粒土砂（简称砂土），土样２为低液限粉土（简称粉土），土样３为低液限粘土（简称粘土）。
表１　土壤基本物理性质
土样
土壤机械组成／％
＞２ｍｍ　 ２～１ｍｍ　１～０．５ｍｍ　 ０．５～０．２５ｍｍ　 ０．２５～０．０７５ｍｍ ＜０．０７５ｍｍ
塑限
（ＷＰ）／％
液限
（ＷＬ）／％
土样１　 １１．２６　 ５．３２　 １２．７３　 １１．０２　 ２９．１１　 ３０．５６　 １７．１６　 ２１．３１
土样２　 ０．７５　 ７．０２　 ９．９２　 ５．９８　 １９．７５　 ５６．５８　 １９．０１　 ２４．１１
土样３　 ５．４７　 ３．７４　 ５．３９　 ３．８６　 ９．８６　 ７１．６８　 ２３．０７　 ３２．５１
１．２　试样制备与实验仪器
根据环刀的规格以及自然状态下的根密度，在每个环刀内垂直布设４条试验根，根长与环刀高相同，为２
ｃｍ，试样制备按照《土工试验规程》的要求进行。采用ＺＪ型四联应变控制式数采电动直剪仪，为研究残余强
度，由厂家将仪器的剪切位移加大至１３ｍｍ。用快剪（剪切速率为０．８ｍｍ／ｍｉｎ）来模拟暴雨过程中或暴雨过
后土壤含水率迅速增加且短时间内无法排出，孔隙水在承受压力状况下土体发生位移或错动时根－土复合体
的强度。含水率选择设计值为６．５％；干密度值为１．３５ｇ／ｃｍ３。
１．３　试验方法
研究所选取的三年生柠条根系的主要分布深度大约为１．５ｍ，而对土体固持作用最大的密集分布层大约
７０１第１期 　　　 　　胡宁等：快剪条件下柠条根对３种土壤土工特性的影响
图１　根－土复合体典型应力－应变关系
为８０ｃｍ，据此并参照土力学中自重应力公式推求出根系分布
层的自重应力：埋深８０ｃｍ左右为１２．５ｋＰａ，１．５ｍ左右为２５
ｋＰａ，参照直剪实验的要求选取其余的两级压力为５０ｋＰａ和
１００ｋＰａ［１２］。为减小试验误差，每组设３组重复。
图１的①②为直剪实验中２种典型的应力应变关系曲线，
根据《土工试验规程》，根－土复合体的变形量达到４～６ｍｍ
时视为发生剪切破坏，将此时的抗剪强度作为根－土复合体的
极限抗剪强度，即图中的ａ点。当达到极限抗剪强度后，继续
对其进行剪切，直到测力计的读数达到稳定，此时，根－土复合
体的变形量约达到１０ｍｍ左右，定义该强度为根－土复合体
的残余强度，如图中ｂ点所示。
２　结果与分析
２．１　３种土壤素土及根－土复合体的抗剪强度及残余强度
图２为３种土壤素土与根－土复合体的抗剪强度及残余强度值。从图２中可以看出，在１２．５ｋＰａ和２５
ｋＰａ荷载（浅层土压力）下，３种土壤根－土复合体的抗剪强度及残余强度均大于相应素土，说明植物根的存在
能够提高土体抵抗变形的能力，即使在达到土体的极限破坏后，根系仍能够发挥其固土效果，提高土体的残余
强度。植物的根径与土体组成了复合材料，这种复合材料通过具有相对较高抗拉强度的植物根纤维，使原本强
度较低的土结构的抗拉强度得到了提高，因此土体的强度也得到了提高［１３］。
垂直荷载为２５ｋＰａ时根－土复合体的抗剪强度及残余强度值均大于荷载为１２．５ｋＰａ时的强度值，即根
－土复合体的抗剪强度及残余强度均随垂直荷载的增加而增加。这与张欣等人［１４］研究的根－土复合体抗剪
强度的变化规律一致。
３种土壤根－土复合体抗剪强度及残余强度的数值排序与３种素土的强度排序相同，为低液限粘土根－
土复合体＞低液限粉土根－土复合体＞含细粒土砂根－土复合体，即素土与加根土的抗剪强度及残余强度均
表现为粘土＞粉土＞砂土，说明根系的存在仅能在一定程度上增强土壤的强度，而不能改变其土工性质，其强
度值是由自身的理化性质决定的。
图２　３种土壤素土与根－土复合体抗剪强度及残余强度
２．２　３种土壤素土及根－土复合体的抗剪强度指标及残余强度指标
由于３种土壤根－土复合体的抗剪强度与残余强度值均随垂直荷载的增大而增大，且呈正相关关系，因而
可采用摩尔－库仑理论τ＝σｔｇφ＋ｃ（式中：τ为抗剪强度（ｋＰａ）；σ为垂直荷载（ｋＰａ）；φ为内摩擦角角度（°）；ｃ
为黏聚力（ｋＰａ）。）推求根－土复合体的黏聚力、残余黏聚力与内摩擦角、残余内摩擦角。图３为３种素土与３
种土壤根－土复合体的抗剪强度指标及残余强度指标值。从图３中可以看出，３种土壤根－土复合体的黏聚
力及残余黏聚力均大于素土，而内摩擦角及残余内摩擦角角度与素土相比变化不明显，说明对于衡量根－土复
合体强度的２个重要指标———黏聚力与内摩擦角，根系的存在主要使土体的黏聚力得到了有效提高。
３种土壤根－土复合体的黏聚力的数值排序与３种素土黏聚力的排序相同，为低液限粘土根－土复合体＞低
液限粉土根－土复合体＞含细粒土砂根－土复合体，根－土复合体的残余黏聚力的数值排序与上述排序相同；３
种土壤根－土复合体的内摩擦角与残余内摩擦角的数值排序与素土排序一致，但与根－土复合体黏聚力、残余黏
聚力的排序相反，为含细粒土砂根－土复合体＞低液限粉土根－土复合体＞低液限粘土根－土复合体。
８０１ 水土保持学报　　　 　　 第２８卷
图３　３种土壤素土与根－土复合体抗剪强度指标及残余强度指标
２．３　柠条根提高３种土壤根－土复合体抗剪强度与残余强度的差异性
表２　３种土壤根－土复合体抗剪强度与
残余强度相对于素土的增长率
垂直荷
载／ｋＰａ
土壤类型
相对于素土的增长率／％
抗剪强度 残余强度
含细粒土砂根－土复合体 １３．２１　 １５．６７
１２．５ 低液限粉土根－土复合体 １０．０３　 １２．４４
低液限粘土根－土复合体 ６．７１　 １１．４５
含细粒土砂根－土复合体 ７．１０　 ８．１７
２５ 低液限粉土根－土复合体 ６．２２　 ６．８８
低液限粘土根－土复合体 ５．６２　 ５．７７
表３　３种土壤根－土复合体抗剪强度指标及
残余强度指标相对于素土的增长率
强度
类型
复合体类型
指标增长率／％
黏聚力 内摩擦角
含细粒土砂根－土复合体 １７．６７　 １．８５
抗剪强度 低液限粉土根－土复合体 １２．６８　 １．４９
低液限粘土根－土复合体 １２．３２ －２．２４
含细粒土砂根－土复合体 ２６．２５　 １．４４
残余强度 低液限粉土根－土复合体 １４．９３　 １．９６
低液限粘土根－土复合体 ２０．９８ －１．５３
　　对３种土壤根－土复合的抗剪强度与残余强度进
行差异性检验（ＡＮＯＶＡ），在α＝０．０５水平时，３种根－
土复合体的抗剪强度与残余强度间均无显著差异，但就
数值而言，两者存在一定的差异性，现针对两者在数值
上相对于素土的增长率差异进行讨论分析。表２为３
种土壤根－土复合体抗剪强度与残余强度相对于素土
的增长率。通过对比可以得到，２种垂直荷载下柠条根
系提高３种土壤残余强度的有效性大于抗剪强度，表明
柠条根的存在对于提高土体剪切破坏后残余强度的效
果要优于抗剪强度。垂直荷载为１２．５ｋＰａ时抗剪强度
及残余强度的增长率要大于荷载为２５ｋＰａ时的增长
率，说明根系提高土体埋深为８０ｃｍ时强度的效果要优
于埋深为１５０ｃｍ时的效果。这与ＹＵ　Ｈｓｉｎ－ｗａｎ等人
建立的根－土复合体的抗剪强度力学模型的研究结果
相似，即由植物根提供的抗剪强度增量随着剪切面深度
增加而降低［１５］。整体而言，在根系分布的浅层土范围
内，柠条根系提高含细粒土砂的抗剪强度与残余强度的
效果要优于低液限粉土与低液限粘土。
表３为３种土壤根－土复合体抗剪强度指标及残
余强度指标相对于素土的增长率。从表中可以看出，黏聚力与残余黏聚力相对于素土的增长率远远大于内摩
擦角与残余内摩擦角的增长率，黏聚力与残余黏聚力的增长率为１２．３２％～２６．２５％，而内摩擦角与残余内摩
擦角的增长率最大仅有１．９６％，最小为－２．２４％，说明复合体强度的增强主要是由黏聚力的增长引起的。３种
土壤根－土复合体的黏聚力指标增长率均为残余黏聚力增长率大于抗剪黏聚力增长率，３种根－土复合体的
黏聚力与残余黏聚力的增长率的数值排序为含细粒土砂根－土复合体的黏聚力增长率（１７．６７％，２６．２５％）大
于低液限粉土根－土复合体（１２．６８％，１４．９３％）与低液限粘土根－土复合体（１２．３２％，２０．９８％）；３种土壤根
－土复合体的内摩擦角增长率与残余内摩擦角增长率相比，没有明显的差异性规律。
３　讨 论
（１）３种土壤根－土复合体的抗剪强度、残余强度及抗剪强度指标、残余强度指标值与３种土壤素土的强
度值、指标值在数值上的排序一致，说明根－土复合体的强度主要是由土体本身的性质决定的，植物根的存在
仅能在一定程度上改善土壤的土工性质，３种土壤根－土复合体的黏聚力、残余黏聚力与内摩擦角、残余内摩
擦角在数值上排序出现的差异与３种土壤的颗粒组成密切相关。通过３种土壤的筛分试验得出，３种土壤的
细粒（粒径小于０．０７５ｍｍ）含量所占的百分比为低液限粘土（７１．６８％）＞低液限粉土（５６．５８％）＞含细粒土砂
（３０．５６％），粗粒含量所占的百分比反之。相同干密度条件下，细粒含量越多，颗粒粒径越小，则粒间的距离越
小，颗粒排列越紧密，土粒间的胶结作用和各种物理－化学键力作用随之增大，因而土体粘聚力增加［１６－１７］；相
应，粗粒含量的增加使土粒间相互咬合及摩阻作用增强，因此土体的内摩擦角值随之增大。
９０１第１期 　　　 　　胡宁等：快剪条件下柠条根对３种土壤土工特性的影响
（２）在根系分布层（埋深１．５ｍ）范围内，３种土壤根－土复合体残余强度相对于素土的增长率均大于抗剪
强度相对于素土的增长率，柠条根提高土体残余强度的有效性优于提高土体抗剪强度的有效性的原因，与柠条
单根轴向拉伸本构特征和柠条根－土界面间的摩阻特性有关。
图４　柠条单根拉伸过程中的应力－应变曲线
柠条根－土复合体在受剪后，随着剪切位移的增加，根－
土复合体承受的剪应力逐渐增加，因而根－土复合体抵抗剪应
力的强度相应增加，根－土复合体中柠条单根所承受的轴向拉
力逐渐增强。图４为为本课题组得到的柠条单根在不同直径
（０～２ｍｍ，２～４ｍｍ，４～６ｍｍ，６～８ｍｍ）时的轴向拉伸应力
－应变曲线［１８］，从图中可以看出，根在受拉初期，应力与应变
呈线性关系，当应力达极限抗拉强度的４０％左右时，达到弹性
极限（Ａ点）。由此推断，根－土复合体在受剪初期，由于剪切
位移较小，根－土复合体的剪应力相对较小，因此柠条单根所
承受的轴向拉力较小，其应变也较小，当根承受的轴向拉力小
于极限拉力的４０％时，在根径为０．７５ｍｍ时最大变形量仅有３％左右，柠条根所发生的变形为弹性变形；随着
剪切位移的增加，当根承受的轴向拉力达到极限拉力的４０％时，根－土复合体中根开始出现塑性变形；继续对
根－土复合体进行剪切，剪切位移的增大使柠条单根所承受的轴向拉力进一步增强，柠条根的塑性变形继续增
大，变形量最大可达１７％左右。这也验证了Ｇｒａｙ等人提出的“根系补强（ｒｏｏｔ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ）”理论：植物根系
能够将其自身的抗拉力传递给根－土复合体，从而增强土体的抗剪能力。由于柠条单根在在较大位移（残余强
度）时传递给根－土复合体的强度大于在较小位移（抗剪强度）时的强度，从而使根－土复合体残余强度相对于
素土的增长率大于抗剪强度相对于素土的增长率。
本课题组邢会文对柠条单根极限抗拉力与柠条根－土复合体临界滑动拉拔力进行了对比研究［１９］，得出在
根径为０．７５ｍｍ时，柠条单根极限抗拉力（１９．２５Ｎ）＞单根拉拔力（９．０２Ｎ），表明柠条根－土复合体在承受剪
力产生变形的过程中，根将在土体中将发生滑移。由此推测，在剪切初期，由于剪切位移较小，柠条单根所受剪
应力较小，由剪应力转化为柠条根的拉力小于其拉拔力，根在土体中发生的相对位移近似为０，剪切面上的摩
擦主要为土－土之间的摩擦；随着剪切位移的增加，剪应力相应增大，当由剪应力转化为柠条根的拉力超过其
拉拔力时，根与土体之间产生相对滑移，这时剪切面上的摩擦为根－土之间的摩擦，由于柠条根－土界面的摩
擦系数（０．７９）大于土－土界面的摩擦系数（０．６７）［２０］，因此在较大位移（残余强度）时，根－土结合面抵抗剪切
的能力要大于在较小位移（抗剪强度）时的能力，因而残余强度相对于素土的增长率大于抗剪强度相对于素土
的增长率。
综上所述，无论是根发生弹塑性变形，还是根在土体中滑动产生根－土界面摩擦，都发生在较大的剪力－
位移之下，因此，以柠条为代表的植物根提高土体残余强度的有效性优于提高土体抗剪强度的有效性。
４　结 论
（１）含细粒土砂、低液限粉土、低液限粘土３种土壤与柠条根－土复合体的抗剪强度、残余强度均大于相应
素土的强度值，３种土壤根－土复合体的抗剪强度、残余强度值的相对大小排序与相应素土强度值的排序一
致，为低液限粘土根－土复合体［２５．４６ｋＰａ，４７．８４ｋＰａ（１２．５ｋＰａ和２５ｋＰａ对应的抗剪强度值）；２３．５６ｋＰａ，
４８．２１ｋＰａ（１２．５ｋＰａ和２５ｋＰａ对应的残余强度值）］＞低液限粉土根－土复合体（１２．６１ｋＰａ，３５．３５ｋＰａ；
１２．４７ｋＰａ，３８．２２ｋＰａ）＞含细粒土砂根－土复合体（９．７７ｋＰａ，２７．８５ｋＰａ；１０．２６ｋＰａ，２７．４２ｋＰａ），并且，３种
土壤根－土复合体的强度值均随土壤中细粒（粒径＜０．０７５ｍｍ）含量的增加而增大，表现为低液限粘土根－土
复合体（细粒含量为７１．６８％）＞低液限粉土根－土复合体（细粒含量为５６．５８％）＞含细粒土砂根－土复合体
（细粒含量为３０．５６％），即植物根的存在仅能在一定程度上改善土壤的土工性质，根－土复合体的强度主要是
由土体本身的性质，特别是土壤中的细粒含量所决定。３种土壤根－土复合体的黏聚力与残余黏聚力值也符
合上述规律，即均大于相应素土，且随土壤中细粒含量的增加而增大，为低液限粘土根－土复合体［２０．８１ｋＰａ
（黏聚力），２０．０５ｋＰａ（残余黏聚力）］＞低液限粉土根－土复合体（７．５２ｋＰａ，８．０２ｋＰａ）＞含细粒土砂根－土复
合体（３．６５ｋＰａ，４．０４ｋＰａ）；３种土壤根－土复合体的内摩擦角与残余内摩擦角值则随土壤中细粒含量的增加
而减少，并且与相应素土相比无明显变化规律，为含细粒土砂根－土复合体［４２．５７°（内摩擦角），４２．３９°（残余
内摩擦角）］＞低液限粉土根－土复合体（４１．４９°，４１．８１°）＞低液限粘土根－土复合体（３７．４７°，３７．７０°）。
０１１ 水土保持学报　　　 　　 第２８卷
（２）在根系分布的浅层土，柠条根提高３种土体残余强度的增长率（５．７７％～１５．６７％）要大于提高土体抗
剪强度的增长率（５．６２％～１３．２１％），即在较大的剪切－位移下（剪切位移为１０ｍｍ），植物根提高土体残余强
度的有效性要优于提高土体抗剪强度的有效性。这主要是因为在较大的剪切位移时（残余强度），根的塑性变
形使由根传递给根－土复合体的强度要大于在较小位移时（抗剪强度）根传递的强度；同时，还由于较大位移时
根的滑动使根－土界面间的摩擦系数大于较小位移时的界面摩擦系数，总之，这与根的弹塑性变形特性及根－
土界面间的摩阻特性有关。
（３）垂直荷载为１２．５ｋＰａ时（土体埋深为８０ｃｍ）抗剪强度和残余强度的增长率均大于荷载为２５ｋＰａ时
（埋深为１５０ｃｍ）的增长率，即柠条根提高土体土工特性的有效性随土体埋深的增加而减弱。
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１１１第１期 　　　 　　胡宁等：快剪条件下柠条根对３种土壤土工特性的影响