西南山區云南松根土復合體力學特性及其對淺層坡體穩定性的影響

李怡帆張國濤雷鳴宇方海燕李朝月

(1.中國科學院 地理科學與資源研究所 陸地表層格局與模擬重點實驗室,北京100101;2.中國科學院大學 資源與環境學院,北京100049;3.中國科學院水利部 成都山地災害與環境研究所 山地災害與地表過程重點實驗室,四川 成都610041)

淺層滑坡是在地殼運動、地形地貌、土壤、氣候和植被覆蓋等多因素作用下產生的,其中地震活動是滑坡發生的主要原因之一。2008年汶川地震引發了中國西南四川省數千起的山體滑坡[1-3]。開挖建設活動、森林砍伐等人類干擾也將降低淺層邊坡土體穩定性[4]。在未來氣候變化背景下,極端降水、融雪入滲等可增加邊坡失穩的風險和山體滑坡等災害發生的次數[3,5-6],嚴重威脅人類的生命安全。

植被作為一種可以進行人工配置和干預的生物工程,在提高土壤抗剪強度、穩定邊坡方面的作用已經得到廣泛證實[7]。Li等[8]研究得出,植被覆蓋是滑坡發生的控制因素,相對于植被覆蓋茂密邊坡,在植被覆蓋稀疏邊坡發生滑坡的概率更高。植被對邊坡穩定性主要從機械和水文兩方面起作用,根系的力學加筋和錨固作用可穩定邊坡[9],同時也可通過增加基質吸力、降低土壤含水量、攔截降水等[7,10-11]減小淺層滑坡發生的概率。

由于根系與土壤的變形模量存在巨大差異,因此受到剪切應力時,它們在變形過程中存在相互錯動。在這個過程中,根系本身產生的拉應力、根土界面的摩擦阻力以及根系之間的土體側向約束力發揮作用,從而提高根土復合體的抗剪強度[12]。自然界中,植被類型多樣、根系分布復雜,不同類型植被的生理特征不同,根系力學性能存在差異,其對邊坡穩定性的影響也不同[13]。根系穩定邊坡的作用,與其形態、埋深、結構、生長狀態等密切相關[14-16]。不同土層深度的根系土,根系含量、根系分布方式具有明顯差別。因此本試驗設計不同的根系密度與根系分布方式,試圖探究不同深度根系土的抗剪強度差異。同時,滑坡的發生與降雨密不可分,這是由于降雨過程導致土壤含水量變化從而引起邊坡失穩。關于土壤含水量與土體抗剪強度之間關系的研究已取得較多成果,然而,綜合考慮根系密度、根系分布方式與土壤含水量對根土復合體抗剪強度的影響還需要進行深入的探究。

抗剪強度反映了土體抵抗外力剪切的能力,是衡量土壤力學特性的重要指標之一。在淺層滑坡發生過程中,普遍存在土壤力學特性改變的過程,以抗剪強度為指標探究根土復合體力學特性是研究根系固土、淺層滑坡發生機理的重要手段,對于滑坡預警具有重要指示作用。對于根系固土力學特性的研究,國內外已取得很多成果,但多集中于草本或灌木細小根系的研究,限于試驗條件,針對喬木根系固土力學機制、穩定淺層邊坡的研究較少,理論滯后于實踐[14,17-18]。四川省涼山州全州森林覆蓋面積約為2.60×106hm2,主要優勢樹種云南松、冷杉、絲栗、櫟類與華山松分布廣泛,其中云南松1.18×106hm2,占該州森林總面積的45.3%。相關研究表明[19],松屬通過其側根牽引對提高根際土層的強度、控制淺層滑坡具有重要意義。四川省地質災害頻發,而針對該地區喬木根系固土的理論探究較為不足,在中國西南四川省山區地質構造活躍、地形急變、土層較薄、降雨分布不均等自然條件下,開展喬木根系對于穩固邊坡的研究具有重要意義。

因此,本文選取四川省涼山州西南山區云南松根土復合體開展研究,通過室內試驗與數值模擬相結合的方式,探究不同根系密度、根系分布方式與土壤含水量下喬木根土復合體力學特性及淺層邊坡穩定性,為西南山區淺層滑坡機理認識、識別預警與防治措施等提供理論基礎與數據支持,對揭示大梯度環境植被—水—土耦合下山地災害防治具有積極意義。

1 材料與方法

1.1 研究區樣地概況

取樣位置位于四川省西南部、金沙江下游的涼山彝族自治州熱水河流域內一植被覆蓋的斜坡,地處北緯26°03′—29°18′,東經100°03′—103°52′,位于青藏高原與四川盆地中間過渡地帶[20]。該州地勢西北高、東南低,地質地貌復雜,多山地、高原,州內自然災害種類多、發生頻繁、受災范圍廣[21]。涼山州屬亞熱帶季風氣候區,年均溫10.1～19.3℃,年降雨量776～1 170 mm[22]。冬季干冷,降雨稀少,夏季暖濕,集中了全年90%以上的降雨量,形成干濕季節分明、降雨集中的特點,從而極易發生山洪、滑坡、泥石流等自然災害[23-24]。州內土壤類型多樣,土層較薄,多數厚度不足100 cm[20]。取樣地位于大涼山云南松(Pinusyunnanensis)純林內,樹高12.7±1.2 m,林地密度508±77株/hm2,林齡約20 a,林下為自然生長的灌草植物,坡面坡度約35°,土壤類型為壤土。

1.2 采樣及制樣方法

2019年9月16日,在采樣地內斜坡區域選定灌草植被覆蓋較少的1 m×1 m取樣區域,清除表面植被和表層腐殖質,采集10—50 cm深度范圍內土壤放入密封袋內帶回實驗室。實驗室條件下,挑出根系、石塊,按照《土工試驗方法標準(GB/T50123-1999)》[25]采用室內試驗采集土壤常規參數(表1)。將土樣烘干至恒定重量,過2 mm篩后平鋪在干燥的盤子中備用。

表1 土體常規物理與力學性質指標

采用人工整株挖掘的方法采集云南松豎向主直根系,取樣時確保含根系土壤中根系的完整,避免人為破壞根系。隨機選取生長正常、莖桿通直均勻、徑級2 mm左右的根系,小心去除細根、須根及附著土壤后,洗凈,自然風干,剪成長2 cm垂直根系,用密封袋密封,放置于實驗室冰箱4℃環境中冷藏保存并盡快制樣。

本試驗方法嚴格按照國家規范《土工試驗方法標準(GB/T50123-1999)》[25]制備根—土復合體土樣,制樣過程主要包括土壤含水量控制,壓樣,削土等。具體操作流程為:

(1)利用取樣點土體的干密度、設計含水量(10%,15%,20%)及土樣質量,計算所需加水量,將土樣平鋪于容器中,用噴水工具均勻加水,攪拌均勻使風干土與水充分接觸,用保鮮膜封閉樣品,靜置24 h,使土樣含水量均勻。加水量公式為[10]:

式中:mw為所需加水量(g);m為土壤樣品質量(g);w0為風干含水量(%);w′為設計含水量(%)。

(2)將根系與土體分層放入直徑61.8 mm,高20 mm的圓柱形試樣盒中,分3層擊實。根據試驗設計,制備3種根系分布形式的復合材料(圖1),根系垂直分布于材料中心(垂直分布),根系在材料中心水平分布(水平分布),根系交叉分布在樣品中心(相交分布)。在每種根系分布方式下,制備3種根系密度的試驗樣品,即根系含量0.006,0.012和0.018 g/cm3。同時為了考慮土壤含水量對根土復合材料抗剪強度的影響,以5%為變化梯度,制備不同含水量10%,15%,20%3種條件下的試驗樣品。每種根系分布方式、每級根系密度、每種含水量各制備4個土樣,共計108個根土復合土樣。此外,利用原狀土制備素土試驗樣品4個,以便比較根系存在產生的抗剪強度差異。

圖1 根系排列方式(mm)

1.3 直剪試驗

試驗于2019年9月在中國科學院成都山地所土工實驗室進行。采用應變控制直接剪切裝置(圖2),在4個豎向壓力(50,100,150,200 k Pa)條件下對根土復合體進行直接剪切試驗。根據試驗結果繪制剪應力與剪切位移散點圖,并根據庫侖定律計算相應的黏聚力與內摩擦角:

圖2 應變控制式直剪儀

式中:τf為土的抗剪強度(kPa);σ為法向應力(kPa);c為土的黏聚力(kPa);φ為土的內摩擦角(°)。

1.4 單根拉伸試驗

選取根長約5～10 cm表皮完好的根系,用游標卡尺測定根樣上、中、下3段處的直徑,取其平均值作為該根樣直徑。使用電子萬能試驗機測量單根抗拉強度。試驗時,只有當斷裂面處于根段的中間位置時,被認為是由拉力引起的破壞而非其他測試過程中的損傷引起的。單根抗拉強度(F)的計算方法為:

式中:P是極限抗拉力(N);d是平均根徑(mm)。

1.5 數值模擬

由于本試驗主要分析淺表層土體的應力應變特性,研究根系對表層邊坡土體穩定性的影響,因此把邊坡底層基巖與表層根土材料區分開。根據淺表層的含義,將其深度設置為2 m,根據取樣地坡面情況,設計邊坡幾何模型,坡高10 m,坡度30°,土體下部為基巖(圖3)。在建模過程中,假設素土與含根系土的根土復合體為均質材料,且坡體的初始應力場由坡體自重產生。土體采用常規理想彈塑性體模型,即摩爾庫倫單元進行模擬,根據文獻[26]與土體物理性質試驗,確定土體的材料屬性(表2)。

表2 試驗土體材料屬性

圖3 淺層邊坡幾何模型

根據根土材料直剪試驗得到的黏聚力(c)與內摩擦(φ)采用FLAC 3D軟件的強度折減法計算邊坡安全系數。即通過折減系數F將土的黏聚力(c)與內摩擦(φ)逐漸降低,使某單元應力超過屈服強度,當多余的應力轉移到周圍單元而產生連續滑動面時,土體發生破壞,此時的F即為邊坡的穩定安全系數,其計算公式為:

式中:cm,φm是土強度折減后的黏聚力(k Pa)和內摩擦角(°);Fr是強度折減系數。

1.6 數據處理與分析

數據統計分析采用Excel 2019。顯著性檢驗采用無重復方差分析,借助SPSS 26.0操作完成。

2 結果與討論

2.1 根系密度對復合體力學特性的影響

不同根系密度下復合體力學特性測試表明,土壤黏聚力與內摩擦角均具有顯著的差異性(Pc=0.04＜0.05,Pφ=0.044＜0.05,詳見表3—4)。根系分布方式與含水量一定的情況下,在各法向應力下根土復合體的抗剪強度隨根系密度的增加呈現增加;相對于含水量10%與15%條件下,含水量20%時不同根系密度之間的抗剪強度差異明顯減小。與素土相比,各條件下,黏聚力與內摩擦角均隨根系密度的增加而增加,根土復合體黏聚力增量變化范圍為1.05～6.05 kPa,內摩擦角增量變化范圍為-1.0°～2.6°。根系垂直分布、土壤含水量10%時,根系密度由0.006 g/cm3增至0.018 g/cm3時,黏聚力分別增加了22.93%,28.95%和34.59%,內摩擦角分別增加2.95%,4.80%和5.90%,即在固定的根系分布方式與含水量條件下,隨根系密度的增加,黏聚力與內摩擦角均呈增加趨勢。在根系相交分布、土壤含水量20%時,黏聚力與內摩擦角隨根系密度變化的規律表現不明顯,可能是由于根系分布復雜、土壤含水量較高多種因素綜合作用下的表現。相比于素土,在根系相交分布、含水量20%條件下黏聚力增量最高,達45.49%;在根系相交分布,含水量10%條件下內摩擦角增量最高,達到9.59%。

表3 不同條件下試樣對應法向應力下土體抗剪強度值

分析表明,根系的存在可以提高根土復合體的抗剪強度,并隨根系密度的增加而增加,根系增加抗剪強度的效應可能受土壤含水量的影響。這是由于根系的加入使得土體周圍的容重增大,增強了土體的摩擦力。同時根系的存在改變了土壤顆粒之間的接觸條件,在含有大量根系的復合體中,根系與土體之間產生更多的接觸面,進而產生更強的根—土界面間的相互作用力,在進行剪切時,這種作用力轉化為根系的抗拉力,因而提高了復合體的抗剪強度[27]。不僅喬木根土復合體具有這種性質,由草本[28]和灌木等[29]植被根系組成的根土復合體同樣如此。

根系樣本的根徑范圍為0.5～9.4 mm,抗拉強度范圍為6.50～169.85 MPa,根系抗拉強度與根徑之間具有明顯的冪函數負相關關系(圖4),其抗拉強度與根系直徑擬合方程為:

圖4 根系抗拉強度和根徑的關系圖及擬合曲線

隨根徑增大,抗拉強度減小,當根徑小于2 mm時,抗拉強度遞減速率最快,在2～10 mm根徑范圍內,根系抗拉強度隨根徑變化平緩。這說明細根相比粗根具有更強的抗拉強度,在土體中的加筋作用更為明顯,其將土體的剪應力轉化為自身的拉應力從而增強土體抗剪強度的作用更為顯著。眾多研究也得出了類似的結論,李牧陽[30]對油松、華山松、日本落葉松和銳齒槲櫟的研究證實了根系抗拉強度隨根徑增加呈負指數減少;李佳[31]對隴南地區4種灌木研究也得出了類似的結論。

2.2 根系分布方式對復合體力學特性的影響

在固定的根系密度與土壤含水量條件下,不同根系分布方式下根土復合體的力學特性有明顯的規律。土壤含水量10%時,隨根系密度的增加,根系垂直分布方式下,黏聚力分別為16.35,17.15和17.9 kPa,內摩擦角分別為27.9°,28.4°和28.7°,根系水平分布方式下,黏聚力分別為15.65,16.8和18.7 k Pa,內摩擦角分別為27.5°,28.1°和28.6°(表4)。根系相交分布方式下,黏聚力分別為17.7,17.95和18.9,內摩擦角分別為28.8°,28.6°和29.7°。由此可知,根系垂直分布方式與水平分布方式對增強力學特性的效果相差不大,根系相交分布方式下,黏聚力與內摩擦角均高于同條件下垂直與水平分布的數值。在抗剪強度上,同樣具有這樣的規律;且相比于含水量10%與15%條件下,含水量20%時,根系相交分布下的抗剪強度與另外兩種分布方式下抗剪強度的差異要明顯。

表4 不同條件下試樣黏聚力與內摩擦角

研究表明,根系相交分布方式下,抗剪強度、黏聚力與內摩擦角均明顯高于同條件下根系水平分布與垂直分布,相較于根系單一分布方式,復雜根系分布方式對提高根土復合體抗剪強度的作用更顯著。這主要是相交分布方式下垂直方向的根系起到錨固作用,水平方向的根系起到牽拉作用[32],在剪切過程中,土粒之間的摩擦力轉化為根系的剪切與拉伸,根系的存在多角度上增強了復合體的抗剪強度,使復合體的理化性質發生顯著的變化,即根系縱橫交錯狀態下固土護坡效果最為顯著。已有研究[14]表明,在水平根、垂直根和復合根3種形態的根型中,復合根最適合于增強土體強度、保持土體穩定。

2.3 土壤含水量對復合體力學特性的影響

在根系垂直分布、根系密度0.018 g/cm3時,根土復合體的黏聚力與內摩擦角隨含水量的增加而減小,如土壤含水量從10%增至20%,黏聚力減少10.91%,內摩擦角減少4.79%。根系水平分布、根系密度0.018 g/cm3條件下,根土復合體的黏聚力與內摩擦角也存在相似的變化規律。然而,根系相交分布方式下,黏聚力和內摩擦角不隨含水量的增加而減小,而是當含水量由10%增至15%時,黏聚力和內摩擦角減小,含水量由15%增至20%時,黏聚力和內摩擦角增加。由此可知,根系水平或垂直分布條件下,黏聚力與內摩擦角隨含水量的增加而減小,根系相交分布條件下,黏聚力與內摩擦角隨含水量的增加,均表現為先減小后增加的趨勢。同樣地,根系水平與垂直分布方式下,根土復合體的抗剪強度隨含水量的增加而減小,在根系相交分布方式下,這種規律表現不明顯。

土壤的抗剪強度主要取決于黏聚力和摩擦力,黏聚力與法向應力無關,主要由基質吸力或負孔隙水壓力產生[33],受黏粒含量、含水量影響;摩擦力與法向應力有關,來源于剪切面土粒之間的摩擦和互相嵌入所產生的咬合力,受應力狀態、土壤顆粒級配、土粒表面粗糙度等影響。本試驗采用過2 mm篩的重塑土,故土壤細顆粒含量高,比表面積大,含水量提高使土壤顆粒之間的水膜增厚,土粒之間基質吸力減小,故黏聚力降低;當含水量繼續增加時,水分產生的吸力對土壤顆粒的牽引力持續增強,因此表現為黏聚力增大。水分在土粒中表現為潤滑作用,從而使摩擦力減小;高含水量可以增強團粒之間的咬合作用,有利于提高摩擦力。在根系相交分布方式下,復雜根系的加入改變了根土復合體物理力學性質,故在剪切過程中,表現為黏聚力與內摩擦角隨含水量的增加,表現為先減小后增加的趨勢。

灌木和草本根系與土壤之間的摩擦效應同樣具有這樣的規律。Li等[10]研究結果與本文一致,灌木根際土壤的黏聚力隨土壤含水量的增加顯著降低,內摩擦角降低但不顯著。Wang等[34]根據根系拔出試驗得出,牧草秈稻根系與土壤之間的界面摩擦效應隨土壤水分含量的增加而迅速降低。但本研究并沒有得到王晨灃等[33]研究得出的黏聚力隨含水量增加先增加后減少的結論。這可能是由于本試驗中各種性質根系的加入,使得不同含水量下根土復合體的抗剪強度變化不同于土壤。

2.4 邊坡穩定分析

基于不同根土特性下數值模擬表明(表5),邊坡安全系數模擬結果與復合體力學特性表現一致。根系存在下的邊坡安全系數均高于素土條件下的邊坡安全系數,同時邊坡安全系數隨著根系密度的增加而提高。因此,在進行護坡植被選擇時,可將根系是否發達作為選擇指標進行考慮。以往的研究多認為植被可以控制滑坡發生,然而有學者通過黃土高原降雨條件下植被覆蓋斜坡上滑坡的失效機制研究,發現植被根系增加淺層土壤含水量而不能控制滑坡侵蝕[35]。同時,邊坡植被增加了坡體自重載荷,進而增加了坡體失穩的風險。因而,在氣候、地形、土壤等條件存在顯著差異的地區,如西南山區、黃土高原和華北土石山區等,植被對淺層滑坡的影響存在差異。因此,如何從水—土—植被耦合的角度多層面定量表達植被對淺層滑坡的作用,還需要進一步的研究。

表5 不同根土特性條件下邊坡安全系數對比

邊坡安全系數在根系水平分布與垂直分布方式下相差不大,根系相交分布時,邊坡安全系數明顯高于同條件下其他兩種分布方式,說明不同形態根系對土體穩定影響很大。因此,護坡植被配置時,縱向主根系與橫向須根系發達的植被搭配護坡效果比單一植被下要好。選擇不同根系形態的護坡植物,采用不同種類植物混交,形成植物根系縱橫交錯狀態更有利于減少滑坡等山地災害的發生[15]。

基于根系相交分布方式、最大和最小根系密度等多工況下的邊坡x向位移云圖,邊坡安全系數隨含水量增加的變化規律與土壤抗剪強度一致。在根系水平分布與垂直分布方式下,邊坡安全系數隨含水量的增加而減小。這也揭示了降雨降低邊坡穩定性、誘發淺層滑坡的一個重要原因:降雨入滲會增加土壤載荷和孔隙壓力[35-37],減弱土粒聚集性[7],減少淺坡土壤的基質吸力[11],降低根系抗拉強度[37]和土壤抗剪強度。在相交分布方式下,邊坡安全系數隨含水量增加表現出先減小后增加的趨勢。在不同根系排列方式之下,邊坡穩定性隨含水量變化的不同表現可能是由于根系排列方式造成的根土復合體的物理力學性質不同造成的。

土壤水分是植物生長的重要基礎,同時植被會對土壤水分分布和含量產生影響[38-41],因此單純進行不同含水量下重塑土根土復合體的抗剪強度試驗無法確定自然界中不同類型植被地下根系與土壤水分變化如何影響邊坡穩定性[10],需要將野外原位觀測試驗與室內試驗結合展開進一步研究。同時在本試驗中,根土復合體是通過室內人工添加根系配置的,這樣制成重塑土根土復合體與野外原狀根土的理化性質存在一定差別,如沒有考慮在根系生長過程中根系分泌物、根瘤菌、根菌等對土壤和根土復合體理化性質的影響,因此,需要通過野外采集原狀土進行試驗以得到更符合真實情況的結果。

3 結論

(1)土體中根系的存在有效提高了土壤的抗剪強度,且隨根系密度增加而增加,與素土相比,黏聚力、內摩擦角提高比例分別高達45.5%和9.6%。

(2)根系粗細特征可影響根系的抗拉強度,對根土復合體力學過程、覆被邊坡穩定性分析具有重要的實際應用意義,如較細的根徑可有效地提高抗拉強度,當根徑小于2 mm時,抗拉強度遞減速率最快,根徑在2～10 mm范圍,根系抗拉強度隨根徑變化平緩。

(3)根系分布方式可明顯地改變根土復合體的抗剪強度與淺層邊坡穩定性,如根系交錯分布方式下,抗剪強度與邊坡穩定性最大,植物根系縱橫交錯的狀態最有利于固土護坡。

(4)此外,土壤的含水量也可有效地改變根土復合體的抗剪強度和邊坡穩定性,如較高的土壤含水量可降低根土復合體的抗剪強度、黏聚力與內摩擦角,邊坡安全系數減少,淺層滑坡更易發生。

因此,喬木根系的高密度發育、復雜交錯分布、細根叢生等特點可有效地提高根土復合體抗剪強度與邊坡穩定性,關注土壤含水量的變化特征、適度地增加邊坡植被覆蓋是認識和預防淺層滑坡發生的重要措施之一。