植物根系固土护坡微观机理分析

摘 要：植物根系如同复合材料中的纤维，与土体紧密结合形成特殊的根-土复合体，从而提高土体强度和延性，增强边坡稳定性。综合国内外研究学者对植物护坡机理的分析，认为植物根系具有牵拉锚固作用和摩擦加筋作用。为了深入研究不同植物种、不同根型的根-土复合体的护坡贡献及其护坡机理，从微观力学角度，借鉴晶须增强复合材料的增强机理，提出根系具有负荷传递和削弱破坏作用。

关键词：根-土复合体；根系；微观机理；护坡

Abstract： Root system is similar to fiber of composite material， which combine closely with soil to form special soil-root composite， consequently enhance soil strength， ductility and slope stability. Through the synthesis of vegetation protection mechanism， root system play role of traction anchoring and friction reinforcement. In order to intensive study the slope protection contribution and mechanism of different plants and different kinds of soil root composite， the load transmission and weaken destructive effects are put forward from the point view of micromechanics， which is reference for the whisker enhancement mechanism.

Key words： soil-root composite； root system； micromechanism； slope protection

土体具有一定的抗压和抗剪强度，而其抗拉强度却很低。在土内加入植物根系，根系材料通过摩擦力将自身的抗拉强度与土体的抗压强度结合起来，从而加强了土体的稳定性，减小了变形[1]。Gray（1995）和Leiser采用复合材料的理论解释了根的土壤加强作用的机制，提出具有较大抗张强度和聚合能力的根系如同复合材料中的纤维一样与强度相对较低的土壤紧密结合形成一个特殊复合材料[2]。近些年来，国内外学者对根-土复合体的增强作用和利用植物根系提高坡体稳定的护坡机理进行了较为深入的研究，提出植物根系作为根-土复合材料的增强材料，其抗拉强度、抗剪强度和弹性模量等力学特性远远大于土体，由此使复合体具有更高的强度特性。乔木及部分灌木植物一般具有较大的根径，根系主要发挥牵拉锚固作用和斜向牵引作用[3～4]，而对于部分矮生灌木植物和草本植物根径较小，细根和毛根较为发育，大部分根径≤2mm，这些根系在土体中如同纤维加筋材料，可发挥摩擦加筋作用，提高根-土复合体粘聚力。此外，本文将借鉴晶须增强复合材料的增强机理[5]，重点从微观角度考虑，对根-土复合体的护坡机理进行分析和概括。

1 摩擦加筋作用

根-土复合体是由土和植物根系材料组成的复合体，它们共同受力、协调变形。当受到外荷载作用时，土体和根系都发生变形，由于根系材料的弹性模量高于土体的弹性模量，因此根系和土体之间产生相互错动或有相互错动趋势，进而根-土体间产生摩擦力，通过摩擦力，根系材料将本身的抗拉强度与土体的抗压强度结合起加来，并相互调动，从而提高土体强度，减小变形。分析边坡土体的应力可知，对于根-土复合体其根系材料为土层提供了附加“粘聚力” c，它一方面使原土体的抗剪强度向上推移了距离c，另一方面又因限制了土体的侧向膨胀而使σ3增大到σ3'，在σ1不变的情况下使最大剪应力减小，这两种作用使边坡土体的承载能力提高[6]。

1981年Waldron等提出垂直根与土壤作用的力学模型[7]，定量分析植物根系对土体的加筋作用。当根的延伸方向与土体的剪切区正交情况时，假设根的表面受到足够的摩擦力和约束力，使根不至于被拉出，则当土中有剪应力发生时，根的错动位移使根伸长，从而使根内产生拉力TR，TR沿剪切法线方向的分力可直接抵抗剪切变形，TR沿法线方向的分力可增加剪切面上的正应力，于是，根-土复合体抗剪强度的增量为ΔτR=（TR/A0）（sinθ+cosθtanφ），以上公式中的值（sinθ+cosθtanφ）对于常见的土的θ值和φ 值，变化不大，可对该项用一个平均值K来代替，所以公式可简化为：Δs=K×TR×■，式中TR指单根抗拔力，AR指根面积比，A指剪切面积；由上式可知，根-土复合体抗剪强度的增量与植物单根在作用面积上的抗拉强度和植物根系面积比，这种关系同样适用于根的延伸方向与土体的剪切区呈斜交状态。因此将具有较高抗拉强度和较大破坏变形率的根系材料，以适当方式植入土中作为加筋材料，可以控制土的变形，增加土体稳定性[8]。

2 负荷传递作用

研究认为应变是由于荷载或应力能通过土体从根系材料传递到根系材料，由于根系强度远远大于土体的强度，并具有较大的弹性模量，当应力作用于根-土复合体时，根系在周围土体中局部地抵抗应变，使更强的应力作用于根系材料，从而降低周围土体所承受的应力[9]。

一根植物单根增强时，其影响周围一定面积内的应力和应变相对较小，植物单根增强的面积称为应力/应变瓣。由于单根尖端面积同整个增强面积相比是小的，因此单根的整体效应是增强的。当有多根植物根系增强时，高的应力面积发生在单根的尖端处，但当单根落入接近相邻单根的低应力区时，在单根两端的高应力减小。根-土复合体总的应变瓣成为集合体形，这表明了附加应变增强。

3 削弱破坏作用

研究表明，根-土复合体的抗剪强度远远大于土体，具有削弱边坡变形破坏的作用[10]。从根-土复合体的微观破坏机理分析，认为由于根系材料的存在，紧靠裂纹尖端处存在根纤维与土体界面开裂区域。在此区域内，根纤维把裂纹桥联起来，并在裂纹的表面加上闭合应力，阻止裂纹扩展起到增韧作用[11]。植物根系中的扎入土层较深处的主根和少量侧根，由于其较强的锚固作用，因此当复合体受力破坏时，裂纹很难发生偏转，只能按原来的扩展方向继续扩展。此时紧靠裂纹尖端处的根并未断裂，因而会在裂纹表面产生一个压应力，以抵消外加拉应力的作用，从而使裂纹难以进一步扩展，削弱破坏。

当裂纹扩展到复合体中的增强材料根系时，由于根系材料具有较高的弹性模量和根系周围的应力场，土体中的裂纹一般难以穿过根系，按原来的扩展方向继续扩展，相反，裂纹只能绕过根系（尽量贴近单根表面）而扩展，即裂纹发生偏转。偏转后的裂纹受的拉应力往往低于偏转前的裂纹，而且裂纹的扩展路径增长了，故裂纹偏转过程中需消耗更多的能量，这些都导致根-土合体的破坏作用削弱；当裂纹和复合体中单根相遇，裂纹弯曲向前，在单根前面相接，形成新的裂纹前沿并留下裂纹环，裂纹偏转改变裂纹扩展的路径，从而吸收断裂能量，削弱复合体的破坏[5]。

根-土复合体受到剪切应力作用而产生裂纹扩展过程中，会产生部分根系从土体中被拔出而消耗能量的一种现象。当由土体传向根系的力在二者界面上产生的剪切应力达到了基体的剪切屈服强度，但未达到根系的剪切屈服强度时，根系不会被剪断而会从土体中被拔出。在根系拔出过程中常伴随着裂纹桥联[12]。当裂纹尺寸微小时，根系桥联起主要作用，而随着裂纹增大，裂纹尖端处的根系进一步被破坏，根系拔出则起到主导作用。从以上对根-土复合体护坡微观机理的分析可以看出，根-土复合体增强作用主要受根系直径、长度、强度、根系排列方向和根系密度的影响；此外，还与根-土接触界面结合力的大小有关。

参考文献

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[12]周云艳，徐琨，陈建平，等. 基于CT扫描与细观力学的植物侧根固土机理分析[J].农业工程学报，2014，30（1）：1-9.

作者简介：

朱海丽（1977-），女，江苏溧阳人，副教授，博士生，主要从事边坡生态防护与滨河生态方面的教学与科研。