全 文 ：【水土保持】
快剪条件下沙柳和白沙蒿根 ～土复合体抗剪特性初探
姚喜军 ,刘　静 ,李为萍 ,邢会文 ,牛国权 ,苑淑娟
(内蒙古农业大学 , 内蒙古 呼和浩特 010019)
〔摘　要 〕　采用直剪仪对 2种沙生植物重塑的根 ～土复合体及素土进行快剪试验 ,探讨其抗剪强度以
及根径和垂直压力对抗剪强度的影响 ,结果表明:沙柳(Salixpsammophila)、白沙蒿(ArtemisiasphaerocephalaKrasch)
的根 ～土复合体在 1.5 m(25KPa)的浅层土体范围内抗剪强度均大于素土 , 2种植物根 ～土复合体的综
合内摩擦角与素土相比差异不明显;在根径相同(1.25mm)的情况下 2种植物根 ～土复合体的粘聚力均
大于素土 ,其粘聚力的增加率分别为 16.02%和 4.6%。随着根径的增加 , 2种植物根 ～土复合体的抗剪
强度均有不同程度的增大 。
〔关键词 〕　根 ～土复合体抗剪强度粘聚力综合内摩擦角
中图分类号:S157　　文章标识码:B　　文章编号:1009-0088(2008)05-0082-03
1　研究区概况
研究区位于内蒙古鄂尔多斯市伊金霍洛旗乌兰木伦镇境
内 , 属神华集团神府东胜煤炭分公司采煤塌陷区 , 是毛乌素沙
地的东南边缘 , 研究区中心地理坐标为 E110°07′, N39°22′。属
于温带干旱半干旱大陆性季风气候 ,年平均温度 7.3℃,多年平
均降水量约 400 mm, 降水主要集中在 7 ～ 9月 , 约占全年降水
量的 66.8%, 且多以暴雨的形式出现。秋末和冬春盛行西北
风 , 多年平均风速 3.6 m/s, 年均大风日数 42.2 d, 年均沙尘暴
17 ～ 26 d。成土母质主要为残积物和风积物(风成沙与风成黄
土),土壤机械组成粗 、砂粒含量多 , 物理性粘粒少 , 土壤疏松 ,
易遭受流水侵蚀和风蚀。 该地区天然植物种主要有沙柳
(Salixpsammophila)、小 叶杨 (PopulussimsimonyiCarr.)、羊柴
(HedysarumleaveMaxim.)、油蒿 (ArtemisiaordosicaKrasch.)、沙
竹(Psammochloavilosa)、虫实(C.declinatumSteph.exStev.)和沙
米(Agriophyllumpungens(vahl)exA.Dietr.)等。 目前人工植被
主要有沙柳 、柠条 、黑沙蒿 、白沙蒿 、沙地柏 、杨树。
2　试验材料及研究方法
2.1　试验材料
2.1.1　根系的采集
2007年 8月份采用整株挖掘法采集 4年生沙柳(Salixp-
sammophila)、白沙蒿(ArtemisiasphaerocephalaKrasch)根系作为
试验材料 , 根据植物的生长密度 , 白沙蒿选取 8 m×10 m的样
地 , 沙柳选择 2m×10 m的沙柳带 , 在样地内选择 30株待测植
物 , 测其株高 、冠幅和地径 , 分别计算其平均值 , 在样地内选取 5
株与平均值相近的标准株挖掘其根系 ,挖掘时尽量保证根系的
完整性。
2.1.2　试验根的选取
对根 ～土复合体抗剪特性的研究针对代表根进行。本文
定义代表根为根长 、根表面积的众值所对应的径级组(代表根
的研究另文发表)。本项研究对每种植物选取 3种根径 , 分别
为代表根的径级以及代表根前后各一个径级范围。
表 1　试验用植物根系径级一览 mm
植物种类 径级组 试验根径 径级组 试验根径 径级组 试验根径
沙柳 1.0 ～ 1.5 1.25 (1.5 ～ 2.0)＊ 1.75 2.0 ～ 2.5 2.25
白沙蒿 1.0 ～ 1.5 1.25 (1.5 ～ 2.0)＊ 1.75 2.0 ～ 2.5 2.25
(注:加＊为代表根径级范围)
2.2　试验方法
2.2.1　原状土含水量和密度的测定
每种植物样地内选取 3株标准株 ,分别在每个标准株下挖
取土壤剖面 , 每个剖面分 0 ～ 20cm、20 ～ 40 cm和 40 ～ 60 cm取
样 , 取 3个重复 ,测定含水量和干密度 , 将 3层土样的试验数据
取平均作为试验用土的含水量 4.34%(标准差 ±1.97%)和密
度 1.47 g/cm3(标准差 ±0.076)。
2.2.2　试样制备
按 2.2.1测定的含水量和干密度制备素土和加根土 ,素土
试样的制备根据土工试验规程进行 ,加根土试样的制备根据环
刀的规格以及自然状态下根密度在每个环刀内垂直布设 4条
82 　　　　　　　内 蒙 古水 利　　　　　　　　2008年第 5期(总第 117期)
根 ,根长与环刀高相同 ,为 2 cm。
2.2.3　垂直荷载的确定
本项研究所取的 2种植物根系的分布深度均在 2 m范围
内 ,而对土体固持作用最大的密集分布层根据树种的不同一般
在 80 cm左右。根据土力学中自重应力公式推求出根系分布层
的自重应力在 80 cm为 12.5 KPa左右 , 1.5 m为 25 KPa左右 ,
参照直剪试验的要求选取其余的 2级压力为 50 KPa和 100
KPa。
2.3　试验方法
使用 ZJ型四联应变控制式电动直剪仪进行快剪试验来模
拟土壤含水量高 , 土体承受孔隙水压力的状况。剪切速率为 0.
8 mm/min, 每组试验做 4个荷载的试样 , 每个荷载下做 3个平
行 , 按土工试验规程要求进行。 3个重复的抗剪强度均值作为
该荷载下的剪应力 , 作出抗剪强度与垂直荷载的关系曲线图 ,
求粘聚力 C和內摩檫角 φ值。复合体在发生剪切时 ,不仅产生
土粒与土粒间的摩擦而且还有土粒与根系间的摩擦 , 所以 φ值
可理解为复合体的综合内摩擦角。
3　结果与分析
3.1　2种植物根系提高土壤抗剪有效性
图 1为相同根径(d=1.25 mm)的 2种植物根 ～土复合体
抗剪参数的增长率。图 1表明 , 沙柳 、白沙蒿 2种植物的根 ～
土复合体在 4种垂直压力下抗剪强度均大于素土。在 1.5m范
围内的浅层土压力(12.5 KPa、 25 KPa)状况下 , 沙柳根系提高
土体抗剪强度的增加率为 5.71%(12.5 KPa)和 7.97%(25
KPa), 白沙蒿为 2.98%(12.5 KPa)和 3.47%(25 KPa)。在提
高浅层土体抗剪强度方面沙柳要优于白沙蒿。在根系抗拉试
验中白沙蒿同样表现出弱的抗拉性能(另文发表), 说明白沙蒿
根系在材料力学性能上远不如沙柳。
库仑定律表明 , 抗剪强度由粘聚力和内摩擦力组成。由图
1可知两种植物根 ～土复合体的粘聚力均大于素土 ,增加率分
别为沙柳 16.02%、白沙蒿 4.60%;根 ～土复合体综合内摩擦
角与素土相比植物种间差别较大 ,白沙蒿根 ～土复合体综合内
摩擦角增加率为 2.01%, 说明白沙蒿根 ～土界面之间的摩擦力
大于土 ～土界面 , 这有助于增大根系与土壤的粘结力。沙柳的
根 ～土复合体综合内摩擦角的增加率为 -1.61%, 即复合体的
综合内摩擦角小于素土 ,这说明试样内根 ～土界面形成了软弱
滑动面 , 这一现象有可能是这植物根系表面的粗糙度较小 , 这
一点有待于试验验证。尽管沙柳的根 ～土复合体的综合内摩
擦角小于白沙蒿 , 也小于素土 , 但是沙柳根系使根 ～土复合体
的粘聚力显著增大 , 使得沙柳根系能够有效提高土壤的抗剪性
能。
3.2　垂直荷载对根 ～土复合体抗剪强度的影响
　　图 2为土壤含水量为 4.34%、土壤干密度为 1.47 g/cm3
时 2种植物代表根 ～土复合体抗剪强度与剪切位移关系。从
图 2可以看出两种植物根 ～土复合体的抗剪强度随着垂直压
力的增大而显著增加 , 但其增大是非线性的 , 在垂直压力由 12.
5 KPa增大到 25 kPa、50 kPa、100 kPa时 ,植物种之间抗剪强度
的增长率有所不同。
从图 2可以看出 , 两种植物根 ～土复合体在 50 KPa、 100
KPa垂直压力下随着剪切位移的增加 , 抗剪强度 τ逐渐增大 ,
剪切位移分别在 4 mm和 6 mm左右时(如图 1中 a点所示), τ
基本稳定 , 根据土工试验规程认为此时土样被剪破 , a点的抗剪
强度即为复合体的抗剪强度;2种植物根 ～土复合体在 12.5
KPa、25KPa垂直压力下随着剪切位移的增加 , 抗剪强度很快
达到峰值(如图中 b点所示), 该点即为复合体的抗剪强度 ,之
后抗剪强度降低最终达到稳定 ,此时应力 ～应变曲线几乎平行
于横轴。这说明在 1.5m范围内的浅层土压力(12.5 KPa、 25
KPa)状况下 , 当表层土体由于地下采煤塌陷发生微小错动或张
83快剪条件下沙柳和白沙蒿根 ～土复合体抗剪特性初探　姚喜军等
裂时 , 根 ～土复合体起到了一定的固持作用 , 但在根 ～土复合
体达到最大抗剪强度后根系的固土作用并未完全消失而是稳
定在一个水平上 , 这对浅层土体的固持起到了很好的作用。
3.3　根径对根 ～土复合体抗剪特性的影响
图 3为素土及 2种植物代表根及代表根前后各一个径级
的根 ～土复合体粘聚力及综合内摩擦角 , 沙柳和白沙蒿所测的
径级组相同。由图 3可知 2种植物根径不同 ,对根 ～土复合体
粘聚力 C和综合内摩擦角的影响不同。随着根系直径的增加 ,
两种植物根 ～土复合体的粘聚力逐渐增大 , 其中沙柳的增张幅
度最快 , 根径在 2.25 mm时提高粘聚力效果最好 , 增加率可达
55.85%, 白沙蒿在根径为 1.25 mm时提高粘聚力效果最差仅
为 4.6%,相同径级组条件下沙柳根 ～土复合体的粘聚力总体
上大于白沙蒿的。沙柳 、白沙蒿的根 ～土复合体的综合内摩擦
角都随根径的增加而降低。
4　讨论
(1)本文讨论的 2种植物根系分布层都在 1.5 m范围内 ,
该深度土壤自重应力为 25 KPa, 而根系密集层在 60 cm左右 ,
土壤自重应力约为 12.5KPa。垂直荷载 σ>25 KPa时 ,随着垂
直荷载的增加 , 沙柳 、白沙蒿的根 ～土复合体抗剪强度的增加
率均呈降低趋势 , 这一现象表明低荷载的情况下根系对于提高
土体的抗剪强度更有效 ,也反映出根系在浅层土体固土效果更
好。
(2)土层深度的不同(即垂直荷载不同),决定了其根 ～土
复合体达到最大抗剪强度所发生的位移不同 , 在试验中表现出
随着垂直荷载的增加 ,达到根 ～土复合体最大抗剪强度的位移
增加。对于浅层土体来说 , 剪破位移仅 1 ～ 2 mm。但是 , 在剪
破后 , 复合体的抗剪强度还能保持一个稳定值 , 即在 6mm位移
范围内 , 维持抗剪强度基本不变。这说明虽然从土力学的角
度 , 根 ～土复合体在结构上已经被剪破 , 但是从水土保持的角
度 , 还能起一定的固持土体的作用。
(3)植物在一个生长期内 , 随着根系的生长 , 根径不断增
加 , 表现在力学性能上就是抗剪强度不断加大 , 然而 , 对于根 ～
土界面的综合内摩擦角 , 随着根系直径的增加有降低趋势 , 或
是基本不变 , 分析其原因可能是根系在呼吸过程中需要养分和
水分 , 使根系周围形成了一个湿润的微环境 , 周围的孔隙使根
系与土体的接触面积减小 ,根系周围的水又起到了润滑剂的作
用 , 使根系与土的接触面趋向于软弱滑动面 , 导致复合体的综
合内摩擦角较素土有不同程度的减小。
5　结论
(1)在代表根或接近代表根的根径(1.25 mm),沙柳 、白沙
蒿两种植物的根 ～土复合体在低荷载下(12.5 KPa、 25 KPa),
抗剪强度与素土相比均有不同程度的提高 ,增加率在 2.98% ～
7.97%之间。粘聚力 C与素土相比也有显著提高 ,沙柳的根 ～
土复合体增加率为 16.02%, 白沙蒿根 ～土复合体的增加率为
4.6%;2种植物根 ～土复合体的综合内摩擦角 φ变化不明显 ,
与素土相比白沙蒿根 ～土复合体的综合内摩擦角有所增加 ,沙
柳根 ～土复合体的综合内摩擦角减小。
(2)随着垂直荷载的增加 , 根 ～土复合体抗剪强度的增长
率是非线性的 , 当垂直压力增大到 25 KPa后 , 根 ～土复合体的
抗剪强度增长率明显减小 , 抗剪强度趋于平稳 , 这表明根系在
土体浅层 1.5 m范围内起到了很好的提高土体抗剪强度的作
用 , 但随土层深度的加大 , 根系提高土体抗剪强度的作用逐渐
减弱。
(3)在代表根或接近代表根的根径范围 ,随着根径的增加 ,
复合体粘聚力有不同程度的增大 , 增加率范围在 4.6% ～ 55.
85%之间 , 随根径的增加复合体抗剪强度增大的排序是沙柳 >
白沙蒿。 (编校:郭宝丽)
收稿日期:2008-　 -
作者简介:姚喜军(1983 -), 男 , 硕士 , 从事植物根系在土
壤中力学特性的研究 。
(上接第 15页)　以不作防渗处理。而且也不会产生渗透
破坏。
(2)本水库设计时 ,只进行了上游正常蓄水位与下游相应
水位渗流稳定计算 , 大坝渗透稳定满足要求。本文章又进行了
校核洪水位与下游相应水位渗流稳定计算 , 大坝渗透稳定也满
足要求。
因此 , 小型水库除险加固渗流稳定计算在进行防渗处理
后 , 只进行正常蓄水位的渗流稳定计算即可。
(3)通过上表可看出 , 在防渗处理措施未达到校核水位时 ,
应计算校核水位下的渗流量。
(4)通过本水库的设计 , 认为在大坝坝体防渗未达到防渗
要求时 , 不仅在正常蓄水位会形成浸润线 , 产生渗透破坏 , 而且
在校核水位下也会形成浸润线 ,并产生渗透破坏。
(编校:郭宝丽)
收稿日期:2008-07-20
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