全 文 ：第 50 卷 第 9 期
2 0 1 4 年 9 月
林 业 科 学
SCIENTIA SILVAE SINICAE
Vol. 50，No. 9
Sep．，2 0 1 4
doi:10．11707 / j．1001-7488．20140914
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)。
* 陈丽华为通讯作者。
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
(1．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)
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
中图分类号: S714. 7 文献标识码: A 文章编号: 1001 － 7488(2014)09 － 0105 － 07
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)。
林 业 科 学 50 卷
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
围压
Confining pressure / kPa 素土
Soil SP CZ FH
200 TCCUST
200 TCCUSP
200 TCCUCZ
200 TCCUFH
200
400 TCCUST
400 TCCUSP
400 TCCUCZ
400 TCCUFH
400
600 TCCUST
600 TCCUSP
600 TCCUCZ
600 TCCUFH
600
①TC:三轴剪切试验 Triaxial shear test;CU:试验方式为固结不排水 Consolidation undrained test mode．下标为试验埋根方式，上标为试样试验
设计的围压 The subscript is the buried root mode，the superscript is the confining pressure．
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第 9 期 盖小刚等: 4 种乔木根系不同埋根方式根 －土复合体的抗剪特性
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．
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
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林 业 科 学 50 卷
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
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
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第 9 期 盖小刚等: 4 种乔木根系不同埋根方式根 －土复合体的抗剪特性
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．
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。
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
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林 业 科 学 50 卷
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 2 4 个树种极限主应力差①
Tab． 2 Main limit stress of the four species
类型
Types
围压 Confining
pressure / kPa
SP CZ FH
D1 D2 D3 D1 D2 D3 D1 D2 D3
素土 Soil
200 (198. 5)
400 (302. 0)
600 (420. 3)
落叶松
Larch
200 243. 0 260. 3 264. 3 247. 7 273. 6 279. 1 281. 6 282. 2 324. 4
400 323. 9 410. 8 462. 2 398. 6 416. 2 533. 5 441. 7 467. 9 569. 2
600 510. 3 529. 8 617. 4 600. 0 656. 6 766. 8 652. 1 732. 6 802. 8
油松 Chinese pine
200 263. 3 276. 1 294. 8 304. 1 326. 6 324. 2 255. 3 328. 1 470. 2
400 505. 5 549. 7 534. 7 489. 4 556. 3 559. 2 606. 1 591. 5 659. 1
600 585. 2 667. 6 732. 6 706. 7 697. 4 795. 9 739. 1 770. 2 803. 0
白桦 Birch
200 236. 1 251. 9 256. 2 248. 1 253. 9 281. 6 279. 1 293. 8 327. 1
400 398. 6 420. 9 432. 8 418. 3 440. 8 469. 5 436. 8 477. 4 511. 3
600 574. 9 620. 2 649. 5 600. 3 628. 4 652. 1 616. 2 658. 0 740. 2
蒙古栎
Mongolian oak
200 208. 4 222. 5 237. 7 211. 7 262. 2 270. 6 224. 1 298. 6 325. 1
400 376. 4 408. 4 461. 0 416. 2 484. 8 504. 8 422. 1 512. 2 563. 4
600 529. 5 556. 8 687. 8 645. 9 718. 5 733. 3 628. 2 725. 9 791. 9
①D1，D2，D3:直径分别为 3，5，7 mm 根系 Diameter 3，5，7 mm，respectively．
表 3 抗剪强度( τ)计算值(σ = 600 kPa)
Tab． 3 Calculated shear strength ( τ)(σ = 600 kPa)
类型
Types
埋根直径
Diameter /mm
SP CZ FH
素土
Soil ─
(133. 0)
落叶松
Larch
3 149. 6 198. 7 235. 8
5 183. 3 249. 4 290. 3
7 247. 8 311. 6 348. 2
油松
Chinese pine
3 232. 0 223. 1 350. 7
5 249. 3 282. 6 388. 8
7 252. 0 309. 4 501. 1
白桦
Birch
3 203. 4 232. 1 258. 9
5 231. 8 245. 8 273. 7
7 229. 8 281. 5 295. 0
蒙古栎
Mongolian oak
3 190. 9 249. 7 260. 1
5 215. 2 246. 0 282. 9
7 260. 5 304. 6 314. 9
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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(责任编辑 朱乾坤)
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