紫色土和黃壤草本根土復合體抗剪性能試驗研究

王 耕，周騰禹，韋 杰

(1.遼寧師范大學 城市與環境學院，遼寧 大連 116029； 2.重慶師范大學 地理與旅游學院，重慶 401331)

抗剪強度是重要的土力學指標，表示土體抵抗外力剪切破壞的極限能力[1]，也是土壤穩定性的重要參數。土壤干密度[2]、含水率[3-6]、機械組成[6]和植物根系[7]等都會影響土體的抗剪性能。韋杰等[8]試驗得出，紫色土黏聚力隨著土壤含水率的增加表現為先增加后減少，在含水率為11%時達到峰值。楊永紅等[9]研究表明，在天然含水率情況下，土壤黏聚力和內摩擦角與含根量呈正相關，且存在最優含根量區域。

我們以重慶地區常見的紫色土和黃壤草本根土復合體為研究對象，利用全自動四聯直剪儀進行重塑土快速直剪試驗，分析不同含水率和含根量對土體抗剪強度的影響，旨在深化對紫色土和黃壤力學性質的研究，這對防治三峽庫區水土流失具有重要意義。

1 研究區概況

研究區位于重慶市北碚區歇馬鎮境內，地處東經106°30′14″～106°56′53″、北緯29°30′41″～30°11′21″，嘉陵江的支流梁灘河自南向北穿越而過。屬亞熱帶季風氣候區，年平均氣溫18.2 ℃，雨量充沛，降水季節分配不均，多集中在夏季，年平均日照時數1 260 h，年平均相對濕度75%，無霜期345 d。土壤多為紫色土和黃壤，植被為中亞熱帶常綠闊葉林，草類以狗尾草、牛筋草和各種蕨類植物為主。

2 試驗材料與方法

2.1 土樣預處理

將采到的土樣風干，去除雜質后研磨并過2 mm篩。由于要模擬采樣地的情況，因此含水率控制在15%～30%，設置為15%、20%、25%和30%。把配制的土樣烘干8 h，計算出黃壤和紫色土的風干含水率分別為4.02%和3.18%。將蒸餾水噴灑在土樣之上，攪拌均勻后用保鮮膜密封24 h。

2.2 根系處理和試樣配置

選擇直徑為1～2 mm的新鮮牛筋草根系，用游標卡尺測量根的上部、中部和下部直徑，保證3個結果誤差在0.5 mm內。根據試驗要求，含根量配置為0、0.2%、0.6%和1%。將配置好的土樣分3次裝進環刀并做擊實處理，整個過程始終保持根系垂直排列。剪切速率設置為1.2 mm/min，垂直壓力設置為50、100、200和300 kPa。

3 結果與分析

3.1 剪應力峰值特征分析

經過試驗得出土樣的剪應力峰值特征，見圖1、2。由圖1、2可看出，在相同垂直壓力和含根量情況下，兩種根土復合體的剪應力峰值隨著含水率的增大均表現為先增加后減少，即剪應力峰值含水率20%土樣>含水率15%土樣>含水率25%土樣>含水率30%土樣；在相同垂直壓力和土壤含水率下，兩種根土復合體的剪應力峰值隨著含根量的增加而增加，即剪應力峰值含根量1%土樣>含根量0.6%土樣>含根量0.2%土樣>含根量0土樣；在相同含根量和含水率下，兩種根土復合體的剪應力峰值隨著垂直壓力的增大而增大，即剪應力峰值垂直壓力300 kPa>200 kPa>100 kPa>50 kPa。

圖1 黃壤根土復合體剪應力峰值特征

圖2 紫色土根土復合體剪應力峰值特征

3.2 抗剪強度指標分析

3.2.1 黏聚力和內摩擦角與含水率的關系

根據試驗分別測定黏聚力和內摩擦角，結果見圖3、4。對在不同含水率和含根量情況下的兩種根土復合體的黏聚力進行分析，結果表明：在同一含根量情況下，黃壤和紫色土根土復合體在試驗含水率范圍內，黏聚力隨含水率的增大均表現為先增大后減少，且在各個試驗含水率梯度下黏聚力差異明顯(P<0.05)，其中黃壤在含水率為20%時黏聚力最大，紫色土在含水率為25%時黏聚力最大。在同一含根量情況下，兩種根土復合體的內摩擦角隨含水率的增大也表現為先增大后減小，方差分析表明，除含水率15%與20%之間不存在顯著差異外，其他含水率之間均存在顯著差異(P<0.05)，其中黃壤在含水率為20%時內摩擦角最大，紫色土在含水率為25%時內摩擦角最大。

圖3 黃壤和紫色土根土復合體的黏聚力與含水率的關系

圖4 黃壤和紫色土根土復合體的內摩擦角與含水率的關系

3.2.2 黏聚力和內摩擦角與含根量的關系

對不同含水率和含根量情況下的兩種根土復合體進行分析，結果表明：在同一含水率情況下，兩種土樣的黏聚力與內摩擦角都隨含根量的增加而增大，且不同含根量之間的黏聚力與內摩擦角存在顯著差異(P<0.05)，這表明黏聚力與內摩擦角的變化受含根量影響顯著。

雖然在同一含水率下，兩種土樣都是在含根量為1%時黏聚力和內摩擦角最大，但是對黃壤而言，含根量1%與0.6%時的黏聚力和內摩擦角相差較大，因此認為1%為黃壤的最佳含根量；而對紫色土而言，含根量1%與0.6%時的黏聚力和內摩擦角數值較為接近，因此認為0.6%為紫色土的最佳含根量。

4 討 論

4.1 含水率對抗剪強度的影響

從上述試驗中可初步看出，黃壤最優含水率為20%，紫色土最優含水率為25%。為了搞清楚20%和25%是否為最優值，針對黃壤補充了18%和22%兩個含水率，針對紫色土補充了23%和27%兩個含水率進一步進行試驗。試驗結果表明，黏聚力和內摩擦角在含水率小于最優含水率20%和25%時隨含水率的增大而增大，在大于最優含水率后隨含水率的增大而減小，說明20%和25%確實是黃壤和紫色土的最優含水率。

4.2 含根量對抗剪強度的影響

從試驗中可初步看出，黃壤最優含根量為1%，紫色土最優含根量為0.6%。為了確定1%和0.6%是否為最優含根量，針對黃壤補充了0.9%和1.1%兩個含根量，針對紫色土補充了0.5%和0.7%兩個含根量進行進一步試驗。試驗表明，在含根量小于最優含根量時，含根量的增加對于抗剪強度起積極作用，在大于最優含根量后，隨著含根量的增加，抗剪強度指標增幅并不明顯。

5 結 論

(1)在試驗含水率范圍內，不同含根量的根土復合體的黏聚力和內摩擦角均高于素土。含根量對土壤黏聚力和內摩擦角具有顯著影響，對紫色土的黏聚力和內摩擦角的影響大于黃壤。

(2)在同一含水率下，黏聚力和內摩擦角均隨著含根量的增加而增加。但當含根量較高時抗剪強度的增加值并不明顯，即存在最優含根量區域，其中黃壤最優含根量為1%，紫色土最優含根量為0.6%。

(3)在同一含根量時，黏聚力和內摩擦角隨著含水率的增加均表現為先增加后減少，且存在最優含水率，其中黃壤最優含水率為20%，紫色土最優含水率為25%。