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含根系土体抗剪强度试验的研究进展 　　摘要：植物根系固土护坡措施在生物学、生态学、力学等方面发挥着综合效益，且经济廉价，是水土保持工程的最佳选择。含根系土体类似于钢筋混凝土，可从其抗冲刷能力、抗侵蚀能力、抗剪切能力、渗透能力等方面对植物根系固土能力进行研究。介绍了含根系土体抗剪强度的试验研究方法，通过分析不同试验研究的理论依据，结合人们的研究成果，探讨了含根系土体抗剪强度试验研究的可行性和限制性。在今后的研究中，需要从改进试验装置以及制样方法等方面着手，以更加接近实际意义，使研究结果更加可靠。 　　关键词：根系固土；水土保持；抗剪强度；试验研究；可行性；限制性 　　中图分类号： S157 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2017）18-0036-04 　　收稿日期：2016-11-04 　　基金项目：国土资源部公益性行业科研专项经费项目（编号：201511003）。 　　作者简介：王金霞（1990―），女，河南镇平人，硕士研究生，研究方向为土地整治与保持工程。E-mail：1213666414@。 　　通信作者：段青松，博士研究生，副教授，主要从事农业水土工程、土地利用工程研究。E-mail：258437886@。 植物根系深入土壤中，与土壤内的各个物质充分接触，二者形成有机复合体，这种方式构成了植物根系的固土性[1]。杨亚川等将根系与土壤视为一体，提出了“土壤-根系复合体”的新概念，并将土壤-根系复合体抵抗剪切破坏的极限能力称为土壤-根系复合体的抗剪强度[2]。植物根系固土的措施，可从多个方面发挥综合效力。从生物角度来看，植物的茎叶能够截留雨水，防止雨水溅蚀土壤表层；根系可以增加水分渗透，并对土壤起到固定和支撑的作用；根系在减小地表径流量、防止地表侵蚀方面发挥着重要作用[1]。从生态角度分析，植物根系在水分子循环中起着桥梁作用：植物根系一方面依靠根压作用参与植物水分蒸发蒸腾与大气相连结，一方面与土壤中的水分、可溶性矿质及土壤黏粒、微生物等相关联，从而发生水分梯度矿质溶液的质流、物质的迁徙和富集现象[3]，从而参与并影响整个生态系统的变化。另外，采取植物根系固土措施见效快，持效时间长，代替不必要的工程措施，经济廉价[4]，还能提高生物多样性[5]。植物根系网力学机制模式主要分为根系材料力学、根系网络串联作用、根系-土壤有机复合体、根系-土壤生物化学作用等4个层次[1]。较粗的根系的抗拉强度相对较大[6]，较细的根系能够网络土壤，抗拉力发挥了抗剪力的作用[7-8]，而土体抗剪能力较弱、抗压能力较强，故由植物根系与土体共同组成的根-土复合体兼具较强抗压强度和抗剪强度[9]；含植物根系的土壤具有类似钢筋混凝土的构造[6]，能够发挥浅根加筋[10]、深根锚固（一般指乔、灌木类植物）、侧根牵引等作用[11-13]，有利于保持水土[14]。由于植物种类不同、根系形态[15]及拉力力学性能各异、植物根系与土壤界面的相互制约效力不同等因素[16]，根系所发挥的加筋[17]、锚固、牵引等效力不尽相同，因此根系表现出的固土能力也会千差万别。近年来，国内外研究者对根系固土机制的研究[18-23]，主要集中于根-土复合体抗剪性能[24]、抗侵蚀性能、抗冲刷性能[25-26]、根系的抗拉性能[17，27]以及根-土界面摩阻性能[28]等方面。目前，研究含根系土体抗剪能力的方法主要有原位剪切试验研究、直接剪切试验研究、三轴压缩试验研究以及无侧限抗压强度试验等。本研究介绍了含根系土体抗剪强度的不同试验方法及其理论依据，综合分析不同试验方法的可行性与限制性，提出了更加接近根-土复合体实际受力条件的研究方法，为以后的研究提供思路和建议。 　　1 原位剪切试验研究 　　原位剪切试验过程是首先以根系中心点为中心，沿中心周围开挖出矩形槽，将根系作用的土体同根系作用以外的土体分离，然后将预制的模子套在根系作用的土体上，最后对模子施加水平推力，那么，模子底边所在的平面即为土体的剪切面，水平推力同模子底面的面积的比值，即为含根系土体的抗剪强度。以同样的方法计算出素土的抗剪强度，然后将含根系土体的抗剪强度同素土的抗剪强度进行对照，得出根系固土能力。其?算公式如下： 　　τ=FA。 　　（1） 　　式中：τ为土体抗剪强度，kPa；F为作用于模子的水平推力，kN；A为模子的底面面积，m2。 　　人们利用原位剪切试验对植物根系固土能力做了大量的研究，得出了一系列的结论。赵丽兵等通过对黄土高原丘陵沟壑区山西省河曲县砖窑沟流域内4种有代表性的草本植物进行野外剪切测试和模型预测，证实和量化了草本植物根系增强土壤抗剪切强度的作用[29]。周云艳等通过对南望山山脚下樟树的4个含根土样和素土样在现场进行原位剪切试验，对比素土样和4个含根土样的强度值