摘 要：根系空間分布形態對土體抗剪強度影響顯著。近年來快速發展的透明土試驗技術為非嵌入式可視化觀測植物根系分布形態提供了技術支撐。基于 Carbopol Ultrez 10 制配成透明黏土材料，開展多年生草莓的種子，綠蘿，香根草，蒜苗四種植物根系生長過程中的分布形態觀測研究;繼而，開展四種植物根系分布形態下含根透明土體試驗，選擇最優含根量、根系增強效數以及防風固沙等問題。試驗結果表明透明黏土材料中最優含根量約為 0.35%，混合分布形態下根系增強效應最明顯。

　　關 鍵 詞：植物根系;透明土;防風固坡;十字板剪切試驗

　　1引 言

　　我國因地面沉降、山體滑坡造成的地質災害不容忽視。自1949年以來，因地面沉降造成的損失就累計高達4500-5000億元;以滑坡災害為例，其原因是：山坡結構發生了不穩定的變化，導致了坡面的剪切強度降低和坡面上物質的剪切應力增加。雨水或者融雪的滲透;地下水位的上升;垂直植被結構被破壞;土壤養分的缺乏和土壤結構的破壞都是造成滑坡災害的原因。

　　2 試驗概況

　　2.1試驗裝置

　　植物根系分布形態物理模型試驗場地位于室內陽臺試驗環境良好窗戶可通風室溫恒定在10-18℃之間、空氣相對濕度在75%-80%之間，光照直射且時長在每天6h左右。試驗裝置主要包括：高硼硅玻璃瓶4個、帶相機的手機1部、刻度尺一把以及微型十字板剪切儀,實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，系數為 0.062 5。

　　2.2 透明土材料制配

　　本文試驗基于一種新型透明黏土材料，該材料由 Carbopol Ultrez 10粉末(以下簡稱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 是一種交聯聚丙烯酸聚合物，常溫下為白色粉末狀，顆粒大小相對均勻，其粒徑范圍為 50～100 nm，顆粒相對密度為 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。

　　2.3試驗植物選擇

　　經過研究和分析，選擇了以下幾種植物：

　　草莓的種子：呈螺旋狀排列在果肉上，在植物學百上稱為瘦果。種子為長圓錐形，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30-40厘米，基部稍擴大，上部關節長2.5-3厘米、稍肥厚，腹面具寬槽，葉鞘長，葉片薄革質，翠綠色. [1]

　　香根草：根系能穿透堅硬紅粘土，并穿透礫石之間、巖層之間薄弱的地方，可長至2-3米深，最深達到5-6米。

　　蒜苗：又叫青蒜(不見光時為蒜黃)。品質好的蒜苗應該鮮嫩，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試驗裝置

　　植物根系分布形態物理模型試驗場地位于室內陽臺試驗環境良好窗戶可通風室溫恒定在10-18℃之間、空氣相對濕度在75%-80%之間，光照直射且時長在每天6h左右。試驗裝置主要包括：高硼硅玻璃瓶4個，容量為245g、帶相機的手機1部、刻度尺一把。

　　2.5透明土材料制配

　　針對植物無法在目前常用人工合成透明土材料中存活問題，本文試驗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 是一種交聯聚丙烯酸聚合物，常溫下為白色粉末狀，顆粒大小相對均勻，其粒徑范圍為 50～100 nm，顆粒相對密度為 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，因此，可以用于制配人工合成透明黏土材料。

　　2.6制配過程

　　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，制配過程及主要操作方法如下：

　　(1)材料準備：

　　·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計需水量中。

　　·U10 粉末攪拌：取干凈的塑料密封桶，稱取純凈水的質量并加入桶中(預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。

　　草種準備：

　　草種質量各 3 g，正式播種之前，在水中進行催芽 24 h;18 瓶植物營養液約 700 mL。并進行PH值測定

　　2.7實驗實施階段

　　新型透明黏土中植物根系可直接連續不間斷拍照與測量記錄。

　　(1)將調配好的透明土等量，分別裝入四個高硼硅玻璃瓶中

　　(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養液

　　(4)放到光照良好適合植物生長的地方

　　(5)每天對種子發芽及其根系變化做好記錄，每隔5天拍一張照片

　　3 試驗結果與分析

　　為了探討含根量對復合土體抗剪強度的影響規 律，試驗設計了 0.1%與0.35% 等2 組含根復合土體的 試驗，并開展土體的試驗作為對比分析。植物根系在土體中的分布形態為混合型。每組工況各取不同位置，測定其抗剪強度，進而分析確定含根量對土體強度的影響。

　　由于透明黏土中蒜苗根系長勢比草莓種子相對更好，因此，選用蒜苗根系開展含復合土的抗剪強度試驗。由于受根系抗剪強度和土體結構性雙重影響，隨著根系含量的增加，含根復合土體的抗剪強度是先增加后減少的。該曲線上的含根復合體抗剪強度所對應的含根量即為最優含 根量，最優含根量與土體、根系的物理力學性質有關，且與植物根系在土體中的分布形態等因素相關。本文試驗條件下，所得最優含根量為 0.35%左右。

　　力學論文投稿期刊：巖土力學是由中國科學院武漢巖土力學研究所主辦的綜合性巖土力學與工程學術期刊。

　　4 結論

　　(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，但該材料可初步運用 于植物根系生長過程非嵌入式可視化觀測研究。

　　(2)本文試驗條件下，態下透明黏土材料中最優含根量約為 0.35%。混合分布形態下根系對表層加筋效應最明顯，

　　參 考 文 獻

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

　　[2] 程鵬, 李錦輝, 宋磊. 生態邊坡的水力和力學特性分析: 試驗研究[J]. 巖土工程學報, 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研究[J]. 巖土工程學報, 2016, 38(11): 2107-2113.

　　[4] 李雄威, 孔令偉, 郭愛國. 植被作用下膨脹土滲透和力學特性及塹坡防護機制[J]. 巖土力學, 2013, 34(1): 73-79.

　　作者：王傳越( 1)，趙婉寧( 1)，呂晶( 1)，肖清源( 2)