全 文 ：第 29卷　第 4期
2008年 12月
内 蒙 古 农 业 大 学 学 报
JournalofInnerMongoliaAgriculturalUniversity
Vol.29　No.4
Dec.2008
快剪条件下柠条和沙地柏根系
提高土壤抗剪特性研究 ＊
姚喜军 1 , 　刘　静 1＊ , 　王林和1 , 　武　芳 2 , 　邢会文 1
(1.　内蒙古农业大学生态环境学院 ,呼和浩特　010019;2.　内蒙古农业大学职业技术学院工程技术系 ,包头　014109)
摘要:　采用直剪仪对 2种沙生植物的重塑的根 ～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:柠条(CaraganamicrophylaLam.)、沙地柏(SabinavalgarisAnt.)根 ～土复合体在
1.5m(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 , 其粘聚力增加率的变化范围在
31.6% ～ 46.23%之间 ,大小为柠条 >沙地柏;2种植物随着根径的增加 ,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:　S793.301　　　文献标识码:　A　　　文章编号:1009-3575(2008)04-0082-05
STUDYONTHEIMPROVINGOFSHEARSTRENGTHCHARACTERISTICSOFROOTOFCaraganamicrophylaLam.ANDSabinavalgarisAnt.UNDERTHECONDITIONOFFASTSHEAR
YAOXi-jun1 , 　LIUJing1＊ , 　WANGLin-he1 , 　WUFang2 , 　XINGHui-wen1
(1.　ColegeofEcologyandEnvironmentalScience, InnerMongoliaAgriculturalUniversity, Huhhot010019, China;
2.　CollegeofVocationalandTechnical, InnerMogoliaAgriculturalUniversity, Baotou, 014109, China)
Abstract:　Root-soilcompositeoftwodesertplantsandthePuresoilwereinvestigatedbythefast-sheartestusingthedirectshear
apparatus, exploredshearstrengthofroot-soilcompositeandtheimpactofrootsdiameterandverticalpressureontheshearstrength.
Theresultsshowedthattheshearstrengthoftheroot-soilcompositeofCaraganamicrophylaLam.、 SabinavalgarisAnt.ishigher
thanthePuresoilwithintheframeworkofshalowsoilin1.5m(25kPa), theEquivalentFrictionAngleoftheroot-soilcompositeof
twokindplantshaveunobviouschangecomparedwithPuresoil;thecohesionoftheroot-soilcompositeoftwokindplantsislarger
thanthePuresoilinthesamediameter(1.25mm), therangeofincreasingrateofthecohesionis31.6% -46.23% andthesizeorder
isCaraganamicrophylaLam.>SabinavalgarisAnt.;Shearstrengthofcompositeincreasedatdiferentdegreeswhenthediameter
oftherootincreasing.
Keywords:　Root-soilcomposite;　shearstrength;　cohesionequivalentfrictionangle
　　关于根系对土壤抗剪特性影响的研究国外起步
于 20世纪 , Endo、Tsuruta(1969)和 Manbeian(1973)
分别采用现场测试和室内试验对含有植物根系的土
体进行了抗剪强度研究发现 ,根系对土体抗剪强度
有增强作用 [ 1] 。国内的研究兴起于 20世纪末 ,解明
曙(1990)采用根系拉拔试验法 , 研究白榆 (Ulms
pumla)根系的固土能力 ,结果认为根 ～土复合体的
抗剪强度远高于素土 [ 2] 。杨亚川(1996)通过对节节
＊ 收稿日期:　2008-09-19基金项目:　国家自然基金资助项目 “采煤塌陷区植物固土抗蚀生物力学特性的研究”(90610008)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.＊通讯作者:　Email:ljing58@126.com
草(Hippurisvulgaris)、野燕麦(AvenafatuaL.)、狗尾
草(Setariaviridis(L.)Beauv.)的根 ～土复合体原型
结构试样进行直剪试验 ,发现复合体抗剪强度随含
根量增加而增大 ,随含水量增多而减小;粘聚力 C值
与含根量呈正相关关系 ,而内摩擦角 Υ值与含根量
关系不大[ 3] 。朱珊(1997)对黄土地区红柳(Tamarix
ramosisimaLedeb.)根系的试验研究 ,提出了抗剪强
度指标 C, Υ值与根系表面积比的关系[ 4] 。近期 ,郝
彤琦等(2000)由花米草(Sprartinaalterniflor)的根 ～
土复合体原型构试样直剪试验得知:复合体抗剪强
度 τ与法向压力 σ的关系符合库仑定律 ,且 τ随根
量的增加而提高 [ 5] 。宋维峰(2006)用三轴试验测定
刺槐(RobiniapseudoacaciaL.)、油松(Pinustabulae-
formisCarr.)的根 ～土复合体的抗剪强度 ,结果表
明 ,随含水量的增加而减少[ 6] 。目前 ,国内外研究较
多的是黄土地区浅根系草本植物和一些护坡的深根
系乔木 [ 7-9] ,而对于干旱半干旱地区的灌木 、半灌木
根系固土力学特性的研究鲜见报道 [ 10] 。本文通过
快剪试验分析沙地柏(SabinavalgarisAnt.)、柠条
(CaraganamicrophylaLam.)2种植物根系提高土
体抗剪强度的有效性 ,为神东矿区采煤塌陷区的生
态环境建设 ,为干旱半干旱地区水土保持树种的选
择提供理论依据 。
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 400mm, 1a的降水主要集中在 7月 ～ 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 3.6m/s,年
均大风日数 42.2d,年均沙尘暴 17d～ 26d。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 (SalixpsammophilaC.WangetC.Y.
Yang)、小叶杨 (Populussim simonyiCarr.)、羊柴
(HedysarumleaveMaxim)、油蒿 (Artemisiaordosica
Krasch)、沙竹(Psammochloavilosa)、虫实(C.declin-
atumSteph.exStev.)和沙米(Agriophylumpungens
(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年生柠条 、沙地柏根系作为待测根系。根
据植物的生长密度 ,柠条选取 8m×10m的样地 ,沙
地柏选择 4m×10m的样地 ,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)。本项研究的每种植物选取 3个根径 ,分别
为代表根径级以及代表根前后各一个径级范围 。
附表　试验用植物根系径级一览表　　 (单位:mm)
Tab.1 Thediameteroftestplantroots
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
柠　条 0-0.5 0.45 (0.5-1.0)＊ 0.75 1.0-1.5 1.25
沙地柏 0-0.5 0.45 (0.5-1.0)＊ 0.75 1.0-1.5 1.25
　　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 0cm～ 20cm, 20cm～ 40cm和
40cm～ 60cm3层取样 ,取 3个重复 ,测定含水量和干
密度 ,将 3层土壤的含水量数据取平均即为试验用
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 [ 11]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
83第 4期　　　　　　　　　　　　姚喜军等:　快剪条件下柠条和沙地柏根系提高土壤抗剪特性研究
根 ,根长与环刀高相同 ,为 2cm。
2.2.3　垂直荷载的确定　本项研究的所取的 2种
植物根系的分布深度均在 2m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
80cm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 80cm为 12.5kPa左右 , 1.5m
为 25kPa左右 ,参照直剪试验的要求选取其余的两
级压力为 50kPa和 100kPa。
2.3　试验方法
使用南京土壤仪器厂生产的 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 ,土壤孔隙水承压的状况 。剪切速率为 0.8mm/
min,每组试验做 4个荷载的试样 ,每个荷载下做 3
个平行 ,按土工试验规程进行。 3个重复的抗剪
强度均值作为该荷载下的剪应力 ,据此求粘聚力 C
和內摩檫角 Υ值。由于根 ～土复合体在剪应力作用
下发生剪切变形时 ,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 Υ值的实质是
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　同径级各植物根 ～土复合体抗剪参数增长率图
TheincreasingrateofshearparametersofRoot-soilcompositeunderthesamediameterofdifferentplants
　　图 1为相同根径(d=1.25mm)的 2种植物根 ～
土复合体抗剪参数的增长率 ,即根 ～土复合体的各
个抗剪强度指标相对于素土抗剪强度指标的增长
率 。图 1表明 ,沙地柏 、柠条 2种植物的根 ～土复合
体在 4种垂直压力下抗剪强度增长率总体上大于 0,
仅柠条的根 ～土复合体在 100kPa下抗剪强度减小
(原因有待于进一步研究),说明这 2种植物的根系
有效的提高了土体的抗剪能力。在 12.5kPa和
25kPa压力所代表的 1.5m深度范围内的浅层土体
中 ,沙地柏根系提高土体抗剪强度的有效性最明显 ,
其抗剪强度的增加率为 27.43 %(12.5kPa压力下)
和 17.70 %(25kPa压力下);柠条根系提高土体抗
剪强度的有效性略低 ,为 13.92 %(12.5kPa压力
下)和 10.93%(25kPa压力下)。这说明 ,从固土抗
蚀 、保持水土的角度评价 ,沙地柏固土效果最明显。
库仑定律表明 ,抗剪强度由粘聚力和内摩擦力
组成[ 12] ,由图 1可知 2种植物根 ～土复合体的粘聚
力均大于素土 ,增加率分别为沙地柏 46.23%、柠条
31.60%;根 ～土复合体综合内摩擦角与素土相比植
物种间差别较大 , 2种植物的根 ～土复合体综合内摩
擦角的增加率均为负值 ,变化范围在 -8.62% ～ -
1.56%之间 ,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 [ 13] ,这一
现象有可能是这 2种植物根系表面的粗糙度较小 ,
与土壤的粘结力小于土壤颗粒之间的粘聚力 ,这一
点有待于试验验证。尽管柠条 、沙地柏的根 ～土复
合体的综合内摩擦角小于素土 ,但这 2种植物根系
均使根 ～土复合体的粘聚力显著增大 ,使得这 2种
植物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%时 2种植物代表根
根 ～土复合体抗剪强度与剪切位移关系。从图 2可
以看出 2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 ,但这种增大并不是线性的 ,
84 内 蒙 古 农 业 大 学 学 报　　　　 　　　　　　　　2008年
在垂直压力由 12.5kPa增大到 25kPa、 50kPa、
100kPa时 ,植物种之间抗剪强度的增长率有所不同。
2种植物根 ～ 土复合体在较大的垂直压力下
(50kPa、100kPa),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 4mm和 6mm
左右时(如图中 a点所示), τ达到基本稳定的状态 ,
根据土力学试验规范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;两种植物根 ～土复
合体在较小的垂直压力下(12.5kPa、25kPa),随着剪
切位移的增加 ,抗剪强度很快达到极限值(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深的范围内 ,当表层土体
发生微小错动或张裂时 ,根 ～土复合体起到了一定
的固持作用 ,特别是在根 ～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 2　土壤含水量为 4.34%时 2种植物代表根根 ～土复合体抗剪强度与剪切位移关系曲线
Fig.2 ShearstrengthanddisplacementcurvesofRoot-soilcompositeofthe
representativerootsoftwokindplantswhenthesoilwatercontentwas4.34%
图 3　素土及 2种植物根 ～土复合体粘聚力及综合内摩擦角
Fig.3 Thecohesionandtheequivalentfrictionangleoftheroot-soilcompositeoftwokindplantsandPuresoil
　　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 ,由
图 3可知 , 2种植物根径不同 ,对根 ～土复合体粘聚力
和综合内摩擦角的影响不同。随着根系直径的增加 ,
2种植物根 ～土复合体的粘聚力逐渐增大 ,相同径级
组条件下沙地柏根 ～土复合体的粘聚力总体上大于
柠条的 ,且增加率沙地柏 >柠条;柠条根 ～土复合体
的综合内摩擦角随着径级的增加呈降低趋势 ,沙地柏
根 ～土复合体的综合内摩擦角无明显变化 。
85第 4期　　　　　　　　　　　　姚喜军等:　快剪条件下柠条和沙地柏根系提高土壤抗剪特性研究
4　讨论
4.1　本文讨论的 2种植物根系分布层都在 1.5m范
围内 ,该深度土壤自重应力为 25kPa,而根系密集层在
60cm左右 ,土壤自重应力约为 12.5kPa。垂直荷载 σ
>25kPa时 ,随着垂直荷载的增加 ,沙地柏的根 ～土复
合体抗剪强度的增加率呈降低趋势 ,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 。
4.2　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 1mm～ 2mm。但是 ,在剪破后 ,复合体的
抗剪强度还能保持 1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。
4.3　植物在 1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
5.1　在代表根或接近代表根的根径(1.25mm)时 ,
柠条 、沙地柏 2种植物的根 ～土复合体在低荷载下
(12.5kPa、25kPa),抗剪强度与素土相比均有不同程
度的提高 ,增加率在 10.93% ～ 27.43%。粘聚力 C
与素土相比也有显著提高 ,增加率范围在 31.6% ～
46.23%之间 , 2种植物根系提高土体抗剪能力的大
小是沙地柏 >柠条;2种植物根 ～土复合体的综合内
摩擦角 Υ变化不明显 ,但就数值来说都有不同程度
的减小 。
5.2　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 25kPa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 1.5m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 。
5.3　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 5.18% ～ 46.23%之间 ,在根径增加相同程度情
况下 ,沙地柏根系提高土壤抗剪强度性能要优于柠
条根系 。
致谢:在直剪剪切实验中 ,水建院刘挨刚老师 ,
李为萍老师 ,实验员老师给予了很大帮助 ,特此感
谢 。
参　考　文　献:
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