摘 要：根系空間分布形態(tài)對(duì)土體抗剪強(qiáng)度影響顯著。近年來(lái)快速發(fā)展的透明土試驗(yàn)技術(shù)為非嵌入式可視化觀測(cè)植物根系分布形態(tài)提供了技術(shù)支撐。基于 Carbopol Ultrez 10 制配成透明黏土材料，開(kāi)展多年生草莓的種子，綠蘿，香根草，蒜苗四種植物根系生長(zhǎng)過(guò)程中的分布形態(tài)觀測(cè)研究;繼而，開(kāi)展四種植物根系分布形態(tài)下含根透明土體試驗(yàn)，選擇最優(yōu)含根量、根系增強(qiáng)效數(shù)以及防風(fēng)固沙等問(wèn)題。試驗(yàn)結(jié)果表明透明黏土材料中最優(yōu)含根量約為 0.35%，混合分布形態(tài)下根系增強(qiáng)效應(yīng)最明顯。

　　關(guān) 鍵 詞：植物根系;透明土;防風(fēng)固坡;十字板剪切試驗(yàn)

　　1引 言

　　我國(guó)因地面沉降、山體滑坡造成的地質(zhì)災(zāi)害不容忽視。自1949年以來(lái)，因地面沉降造成的損失就累計(jì)高達(dá)4500-5000億元;以滑坡災(zāi)害為例，其原因是：山坡結(jié)構(gòu)發(fā)生了不穩(wěn)定的變化，導(dǎo)致了坡面的剪切強(qiáng)度降低和坡面上物質(zhì)的剪切應(yīng)力增加。雨水或者融雪的滲透;地下水位的上升;垂直植被結(jié)構(gòu)被破壞;土壤養(yǎng)分的缺乏和土壤結(jié)構(gòu)的破壞都是造成滑坡災(zāi)害的原因。

　　2 試驗(yàn)概況

　　2.1試驗(yàn)裝置

　　植物根系分布形態(tài)物理模型試驗(yàn)場(chǎng)地位于室內(nèi)陽(yáng)臺(tái)試驗(yàn)環(huán)境良好窗戶可通風(fēng)室溫恒定在10-18℃之間、空氣相對(duì)濕度在75%-80%之間，光照直射且時(shí)長(zhǎng)在每天6h左右。試驗(yàn)裝置主要包括：高硼硅玻璃瓶4個(gè)、帶相機(jī)的手機(jī)1部、刻度尺一把以及微型十字板剪切儀,實(shí)際使用的十字板頭具體尺寸為 50.8 mm×101.6 mm，量程為 0～8.125 kPa，系數(shù)為 0.062 5。

　　2.2 透明土材料制配

　　本文試驗(yàn)基于一種新型透明黏土材料，該材料由 Carbopol Ultrez 10粉末(以下簡(jiǎn)稱U10)、純凈水以及 NaOH 溶液制配而成。其中NaOH 粉末純度要大于98%。U10 是一種交聯(lián)聚丙烯酸聚合物，常溫下為白色粉末狀，顆粒大小相對(duì)均勻，其粒徑范圍為 50～100 nm，顆粒相對(duì)密度為 1.4543，表觀密度為 0.21 g/cm3。U10 在中和前易于在水中分散，黏度小，便于使用操作;中和后又具有高黏度、高含水率、高透光率、低折射率等特點(diǎn)。

　　2.3試驗(yàn)植物選擇

　　經(jīng)過(guò)研究和分析，選擇了以下幾種植物：

　　草莓的種子：呈螺旋狀排列在果肉上，在植物學(xué)百上稱為瘦果。種子為長(zhǎng)圓錐形，為黃色或黃綠色。

　　綠蘿：屬于麒麟葉屬植物，大型常綠藤本，可以水培種植。成熟枝上葉柄粗壯，長(zhǎng)30-40厘米，基部稍擴(kuò)大，上部關(guān)節(jié)長(zhǎng)2.5-3厘米、稍肥厚，腹面具寬槽，葉鞘長(zhǎng)，葉片薄革質(zhì)，翠綠色. [1]

　　香根草：根系能穿透堅(jiān)硬紅粘土，并穿透礫石之間、巖層之間薄弱的地方，可長(zhǎng)至2-3米深，最深達(dá)到5-6米。

　　蒜苗：又叫青蒜(不見(jiàn)光時(shí)為蒜黃)。品質(zhì)好的蒜苗應(yīng)該鮮嫩，株高在35厘米左右，葉色鮮綠，不黃不爛，毛根白色不枯萎.

　　2.4試驗(yàn)裝置

　　植物根系分布形態(tài)物理模型試驗(yàn)場(chǎng)地位于室內(nèi)陽(yáng)臺(tái)試驗(yàn)環(huán)境良好窗戶可通風(fēng)室溫恒定在10-18℃之間、空氣相對(duì)濕度在75%-80%之間，光照直射且時(shí)長(zhǎng)在每天6h左右。試驗(yàn)裝置主要包括：高硼硅玻璃瓶4個(gè)，容量為245g、帶相機(jī)的手機(jī)1部、刻度尺一把。

　　2.5透明土材料制配

　　針對(duì)植物無(wú)法在目前常用人工合成透明土材料中存活問(wèn)題，本文試驗(yàn)基于一種新型透明黏土材料，該材料由 Carbopol Ultrez 10粉末、純凈水以及 NaOH 溶液制配而成。其中NaOH 粉末純度要大于98%。U10 是一種交聯(lián)聚丙烯酸聚合物，常溫下為白色粉末狀，顆粒大小相對(duì)均勻，其粒徑范圍為 50～100 nm，顆粒相對(duì)密度為 1.4543，表觀密度為 0.21 g/cm3。U10 在中和前易于在水中分散，黏度小，便于使用操作;中和后又具有高黏度、高含水率、高透光率、低折射率等特點(diǎn)，因此，可以用于制配人工合成透明黏土材料。

　　2.6制配過(guò)程

　　需要塑料密封桶、加熱器、攪拌器以配制 30 L 透明黏土試樣為例，制配過(guò)程及主要操作方法如下：

　　(1)材料準(zhǔn)備：

　　·材料配比為 U10∶NaOH∶水 =1∶0.4∶98.6，稱取 0.3 kg U10 粉末，0.1 kg NaOH 粉末，及 29.6 L 的純凈水，其中溶解 NaOH 粉末所需純凈水包含在整體設(shè)計(jì)需水量中。

　　·U10 粉末攪拌：取干凈的塑料密封桶，稱取純凈水的質(zhì)量并加入桶中(預(yù)留一定的純凈水供溶解 NaOH 粉末之用)，利用加熱器將水加熱至 50℃～ 60℃;然后，稱量并加入 U10 粉末，并在常溫下密封靜置 8～10 h;采用小功率攪拌器攪拌 30～40 min，攪拌完成后，密封靜置 8～10 h。

　　·NaOH 溶液攪拌：稱量 NaOH 粉末，放入裝有 0.5 L 純凈水的量杯中，攪拌、溶解后制配成 NaOH 溶液，并倒入裝有 U10 混合液的密封桶中，采用大功率攪拌器快速均勻攪拌 10～15 min 至均勻黏稠狀。

　　草種準(zhǔn)備：

　　草種質(zhì)量各 3 g，正式播種之前，在水中進(jìn)行催芽 24 h;18 瓶植物營(yíng)養(yǎng)液約 700 mL。并進(jìn)行PH值測(cè)定

　　2.7實(shí)驗(yàn)實(shí)施階段

　　新型透明黏土中植物根系可直接連續(xù)不間斷拍照與測(cè)量記錄。

　　(1)將調(diào)配好的透明土等量，分別裝入四個(gè)高硼硅玻璃瓶中

　　(2)將催芽成功的種子放入透明土中

　　(3)在含有種子的透明土表層噴灑植物營(yíng)養(yǎng)液

　　(4)放到光照良好適合植物生長(zhǎng)的地方

　　(5)每天對(duì)種子發(fā)芽及其根系變化做好記錄，每隔5天拍一張照片

　　3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

　　為了探討含根量對(duì)復(fù)合土體抗剪強(qiáng)度的影響規(guī) 律，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了 0.1%與0.35% 等2 組含根復(fù)合土體的 試驗(yàn)，并開(kāi)展土體的試驗(yàn)作為對(duì)比分析。植物根系在土體中的分布形態(tài)為混合型。每組工況各取不同位置，測(cè)定其抗剪強(qiáng)度，進(jìn)而分析確定含根量對(duì)土體強(qiáng)度的影響。

　　由于透明黏土中蒜苗根系長(zhǎng)勢(shì)比草莓種子相對(duì)更好，因此，選用蒜苗根系開(kāi)展含復(fù)合土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)。由于受根系抗剪強(qiáng)度和土體結(jié)構(gòu)性雙重影響，隨著根系含量的增加，含根復(fù)合土體的抗剪強(qiáng)度是先增加后減少的。該曲線上的含根復(fù)合體抗剪強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的含根量即為最優(yōu)含 根量，最優(yōu)含根量與土體、根系的物理力學(xué)性質(zhì)有關(guān)，且與植物根系在土體中的分布形態(tài)等因素相關(guān)。本文試驗(yàn)條件下，所得最優(yōu)含根量為 0.35%左右。

　　力學(xué)論文投稿期刊：巖土力學(xué)是由中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所主辦的綜合性巖土力學(xué)與工程學(xué)術(shù)期刊。

　　4 結(jié)論

　　(1)盡管本文所采用的透明黏土材料與天然軟 黏土特性仍存在一定的差異，但該材料可初步運(yùn)用 于植物根系生長(zhǎng)過(guò)程非嵌入式可視化觀測(cè)研究。

　　(2)本文試驗(yàn)條件下，態(tài)下透明黏土材料中最優(yōu)含根量約為 0.35%。混合分布形態(tài)下根系對(duì)表層加筋效應(yīng)最明顯，

　　參 考 文 獻(xiàn)

　　[1] 吳宏偉. 大氣-植被-土體相互作用：理論與機(jī)理[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2017, 39(1): 1-47.

　　[2] 程鵬, 李錦輝, 宋磊. 生態(tài)邊坡的水力和力學(xué)特性分析: 試驗(yàn)研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2017, 39(10): 1901-1907.

　　[3] 丁瑜, 夏振堯, 許文年, 等. 根系作用下的基材土-巖接觸面原位剪切試驗(yàn)研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2016, 38(11): 2107-2113.

　　[4] 李雄威, 孔令偉, 郭愛(ài)國(guó). 植被作用下膨脹土滲透和力學(xué)特性及塹坡防護(hù)機(jī)制[J]. 巖土力學(xué), 2013, 34(1): 73-79.

　　作者：王傳越( 1)，趙婉寧( 1)，呂晶( 1)，肖清源( 2)