中国冻土分布面积位居世界第三,季节性冻土和永久冻土分别约占全国土地面积的53.5%和21.5%
[1-2]。新疆玛纳斯河流域属典型的季节性冻土区,在寒冷的冬季,冻结深度可达到1.5 m,土中液态水在负温环境下向冻结锋面迁移并促进冷生构造的形成引发的土体冻胀在寒旱区是常见的自然现象
[3]。冻胀引起的不均匀变形会直接导致护坡隆起、边坡滑塌等工程问题
[4-5]。物理阻隔、化学改良、热力控制等传统冻胀防治措施存在生态环境等局限性,相比之下,利用植物根系防治冻胀是一种绿色、经济且可持续的替代方法,根系在土壤中通过物理固结和水文调节发挥抗冻效应的作用
[6-7]。骆驼刺作为典型的荒漠植被,深根系和耐旱耐寒特性使其在冻土地区具有独特的生态适应性
[8]。
中外学者围绕根系提高边坡稳定性的作用进行了大量的理论和试验研究。Wu等
[9]首先构建了根系增强土体抗剪强度计算模型,在此基础上,相关学者通过室内试验、现场试验和数值模拟分析等方法开展了丰富的研究
[10-13],明晰了根系对提高土体抗剪强度和自身抗拉性能的机制。程鹏等
[7]发现香根草可显著提高土-岩界面抗剪性能;张培豪等
[14]指出植物的根径、根量及土体密实度与增强效果密切相关。在寒冷地区,冻融作用对根-土复合体力学行为的影响逐渐成为研究热点。唐诗佳等
[15]揭示了冻融循环次数、根系分布方式对含根土体强度变化的影响;王恒星等
[16]通过试验评价了多种草本植物根系在冻融作用下土体的加固效果;高英等
[17]从灌木根系与冻融界面的夹角关系出发,分析了边坡潜在滑移面的破坏形式与稳定性变化;孙渊等
[18]基于离散元方法模拟了冻融循环作用下根-土复合体的力学特性。尽管现有研究揭示了冻融条件下根系对土体强度和边坡稳定性的强化效应,但在负温冻结阶段,根系影响土体冻胀变形的研究仍相对匮乏。特别是在低温环境下,根系对土体温度传导、含水率迁移及冻胀变形的耦合作用机制尚不明确,有必要进一步深入探讨。
综上所述,现选取新疆天山北坡玛纳斯河流域荒漠植被骆驼刺及流域广泛分布的砂质土为对象,开展单向冻结试验,分析根系掺量对土体冻结过程中温度、含水率分布和冻胀位移规律的影响,探讨不同冻结温度下含水率及骆驼刺根系含量变化对砂土冻融变形的影响,阐明根系影响土体冻胀变形的机制。以期为季节性冻土区的水利设施防冻胀设计、荒漠生态护坡工程建设提供理论支撑,同时为利用本土荒漠植被资源实现冻土区生态修复与工程防护的协同发展提供新路径。
1 试验概况
1.1 试验材料
试验土样及根系采样地位于新疆天山北坡玛纳斯河流域河岸边坡(东经85°57',北纬43°59'),通过筛分法选取粒径小于10 mm原状土作为试验土体,依据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)
[19]开展土体及根系各项基本物理试验,结果如
图1与
表1所示。
1.2 试验设备
参考文献[
20-
21],课题组设计了土柱温度-含水率-变形特征监测试验装置,结构如
图2所示。
(1)试样桶:由内径10 cm、高26 cm、厚2 cm的有机玻璃构成,桶壁一侧高度7 cm处,每隔4 cm设置有一个用于插入温度传感器的小孔,共4个小孔。
(2)温度控制系统:由试验箱、试样顶、底板以及3个独立的温控装置组成。试验箱内温度控制装置用于维持箱内试样周围环境温度,控温范围为-30~50 ℃,控温精度为0.1 ℃。试样顶板和底板是一块直径为97 mm,质量为0.6 kg的圆柱铁块,可在试样桶内自由移动,顶板紧密接触试样,顶部和底部分别与两个循环箱连接,控制顶端和底端的温度,循环箱控温范围为-40~90 ℃,温度波动为0.05~0.1 ℃。
(3)数据采集系统:由4个温度传感器、1个位移传感器和2个数据采集器组成。温度传感器ZY-100,测量精度为0.01 ℃,量程为-40~80 ℃,配套CR1000数据采集器。位移传感器为YWC-30型应变式位移传感器量程为0~30 mm,适用温度范围为-35~70 ℃,精确度为0.001 mm,配套DH3818Y数据采集器。
1.3 试样的制备
1.3.1 骆驼刺根系的选取与布置
骆驼刺如
图3所示。选取足够多根径介于5~7 mm且根段粗细分布均匀的主根,将其修剪至18 cm,擦净后放置在5 ℃环境下密封保存备用。以根土质量百分比定义含根量,即根系干重与土料干重之比。为消除根系分布形式对结果的影响,统一将根系垂直水平面布置,并使根系位于试样截面的中心位置。冻胀试验开始前利用根系扫描仪获取根系的体积等物理参数,结合根密度初步计算根系干重,冻胀试验结束后将根系回收烘干称重验证根系含量,以保证不同试样中根系的一致性。
1.3.2 根土复合体的制备
将原状土壤取回后,用烘干箱经105 ℃烘干过10 mm筛,以干密度控制为原则,根据各组试验设计的不同含水率进行配制,将配制好的土样密封静置24 h,制样时土料一次性填入桶内,将备好的骆驼刺根系竖直插入土体,控制试样干密度为1.58 g/cm3,采用千斤顶一次性静压法制样,制成直径10 cm、高20 cm的圆柱试样。
1.4 试验过程
试验方案如
表2所示。试样干密度为1.58 g/cm
3,根据天然土体水分监测数据,含水率设置4个梯度,分别为8%、10%、12%和14%。顶端冷源温度设置为-5、-10、-15、-20 ℃,试验过程中底端暖源和试验箱内维持5 ℃,试验前试样初始温度设置为10 ℃,试验采用垂直向下的单向冻结方式进行,底部封闭无补水。相关文献[
22-
23]说明野外实际根土复合体中根系含量通常介于0~5%,现设定根系含量为0、0.28%、0.35%、0.42%和0.49%。文献[
24-
25]中单向冻结时间通常为12 h或24 h,实验组数较多,故选择冻结时间为12 h。试验设计方案包括4组含水率、4组冻结温度和5组根系含量,共80组不同工况下的冻胀试验。
试验步骤如
图4所示,按照试验方案将根系及土料制成根土复合体试样,将试样桶保温棉包裹后放入试验箱中,依次插入温度传感器,在冷端顶板上部安装位移传感器,数据采集器与传感器相连读取数据,调节温控装置至设定温度,降温冻结12 h,结束后将试样脱膜取出,根系取出洗净,用恒温箱85 ℃烘干并称量根系干重。采用烘干法分别测量距离冷端4、8、12和16 cm处的含水率,取同一试样四点含水率的平均值作为该试样的平均含水率。将根土复合体与素土试验前后含水率变化量之比,表示加入根系后试样含水率的相对变化程度。
2 试验结果与分析
2.1 根系含量对土体温度变化的影响
选取初始含水率12%的试样在-20 ℃条件下冻结过程中温度变化进行分析,
图5显示了根系参量为0、0.35%和0.42%条件下初始含水率为12%的试样在-20 ℃冻结过程中分别距离冷端4、8、12、16 cm的土层温度变化曲线,不同根系含量试样的温度变化趋势具有一定的相似性,降温初期0~3 h为第一阶段(Ⅰ),土层温度在顶端冷源负温作用下迅速下降,该阶段曲线斜率较大。随着时间的推移3~10 h进入缓慢降温阶段(Ⅱ),由于温度梯度减缓,土层温度下降速率逐渐降低,曲线斜率减小,温度进一步下降。最后到达10~12 h温度稳定阶段(Ⅲ),温度变化趋于平稳。结合冻胀位移曲线(
图8),试样冻胀大幅增加发生在0~3 h,降温时间到达3 h,0 ℃线位于4~8 cm,3 h时素土、根系含量0.35%和0.42%试样深度4 cm的温度分别为-4.04、-3.26和-3.12 ℃,掺根土的温度相较于素土更高。以3 h为一个时间段,计算相应时间段内温度的平均值。
图6所示为不同根系掺量下初始含水率为12%的试样在-20 ℃条件下在各时间段不同深度的平均温度。
图6(a)显示深度4 cm土体在3~12 h的3个时间段掺根土的平均温度明显高于素土,其他深度土层的温度在各时间段内也存在平均温度大于素土的现象,说明根系起到一定的阻止温降作用,含根土表现出更优异的抗冻性。
2.2 根系掺量对土体含水率分布的影响
选取初始含水率为12%的试样在-20 ℃条件下试验前后的水分分布情况进行分析。含水率分布情况如
图7(a)所示,冻后富水区主要集中在试样的中下层(12 cm处)和上层(4 cm处),试样中上层(8 cm处)和下层(16 cm处)的含水率始终小于初始值。重力作用和温度梯度是影响水分迁移的两个重要因素,有时二者对未冻区内水分迁移的作用方向是相反的,试样未冻水会在重力势的作用下向下迁移
[26],降温冻结初期温度梯度较大,在顶板的抽吸作用下水分向上迁移并在顶部凝结成霜并形成冰膜,导致4~8 cm深度土层的含水率降低。进入缓慢降温阶段后,随着土层温度的下降,冻结锋面继续向下推移,由
图5试样温度分布曲线可知,-20 ℃条件下深度12 cm的土层位于分界区附近而属于冻结区内,在温度梯度的驱动下,薄膜水从温度较高处向温度较低处移动,未冻区内水体向上迁移至冻结锋面
[27-28],这种迁移机制导致未冻区内靠近正冻土区域的土层含水率降低,而正冻土和未冻土分界区附近的土层含水率增大。同时,砂质土持水性较差,试验结束后试样底部存在明显的水分流失,重力势与土层深度成正比关系,因此16 cm土层的水体受重力势流失最严重,在上述两种效应相互叠加的作用下导致试样4~8 cm处的含水率大于16 cm处的含水率,并在12 cm范围出现水分聚集。骆驼刺根系对于含水率的分布有一定的影响,大致呈根系掺量越高,相同土层的含水率越低的趋势,-20 ℃条件下五组试样冻后平均含水率较初始值均降低,素土和根系含量为0.28%、0.35%、0.42%、0.49%试样冻后平均含水率分别为11.57%、11.39%、11.09%、11.36%、11.02%。根系掺入后含水率相对变化程度如
图7(b)所示,根土复合体试样不同深度的含水率变化程度具有较大差异,深度8 cm处的变化程度相对较低,其值介于0.75~1.28倍,而在深度12 cm处变化程度相对较高,如根系含量0.35%的试样变化程度是素土的8.82倍。-20 ℃条件下根系掺量0.28%、0.35%、0.42%、0.49%试样平均含水率的变化程度分别是素土的1.42、2.13、1.50和2.27倍。
2.3 骆驼刺根系掺量对土体变形的影响
土中水相变成冰颗粒并造成9%的体积增量,试样四周受到约束,土颗粒产生竖向位移,从而导致土体体积膨胀。
图8展示了不同根系掺量下初始含水率为14%的试样在-20 ℃冻结过程中冻胀位移随时间变化的过程。
根据位移曲线的变化特征可将冻胀过程划分为3个阶段进行分析,5种根系含量工况下试样冻胀位移量变化趋势基本相同。0~3 h试样处于快速冻胀阶段,降温初期温度梯度较大,水分迅速相变成冰,冰颗粒填充土体内的空隙,导致土体积迅速增大,冻胀位移量显著增加,此阶段各根系参量下试样分别达到了最终位移量的92.75%、94.05%、91.35%、91.69%、91.55%。根系含量为0的素土试样位移曲线增加幅度最大,随着根系含量的增加,位移量快速增加现象持续的时间逐渐缩短,表明根系的加入起到了抑制冻胀变形的作用。3~10 h试样处于缓慢冻胀阶段,曲线斜率进一步降低,随着温度的下降,土内的空隙被冰颗粒进一步填充,冻胀量继续增加。10~12 h内试样处于冻胀稳定阶段,冻胀量逐渐保持稳定。根系的加入能显著降低试样的变形量,且根系含量越高,抑制作用越强,如根系含量为0、0.28%和0.49%的试样最终位移分别为1.007、0.723和0.343 mm。综上,骆驼刺根系在冻结初期表现出显著的冻胀抑制作用。
图9展示了不同初始含水率试样在各冻结温度条件下冻胀位移随骆驼刺根系含量变化的曲线,冻胀位移量减小比例是指不同根系掺量试样在相同工况下(负温、含水率)与根系含量为0的素土相比的位移降低率。高含水率(12%、14%)试样在各冻结温度条件下冻胀量随含根量变化的趋势基本一致,多数工况下满足随含根增大冻胀量减小,存在最优含根量0.49%使冻胀量最小,相较于12%和14%含水率的素土在-5、-10、-15、-20 ℃工况的冻胀量分别降低了48.02%与50.66%、44.92%与65.15%、36.92%与70.03%以及30.99%与65.94%。对于低含水率(8%、10%)试样,当顶板冷源温度高于或等于-10 ℃时,冻胀量随含根量增加基本满足先减小后增大的趋势。顶板冷源温度低于-10 ℃时,冻胀量随含根量增加表现为先减小、后增大、最后再次减小的变化特征。顶板冷源为-5 ℃和10 ℃时低含水率试样存在最优含根量介于0.35%~0.42%,使冻胀量最大可降低76.92%。而顶板冷源温度为-15 ℃和20 ℃时,低含水率试样存在最优含根量介于0.28%~0.35%,使冻胀量最大可降低70.37%。
3 根系减缓冻胀的机理分析
骆驼刺根系抑制土体冻胀机理及SEM表征分别如
图10、
图11所示。
低于0 ℃的温度和土壤中的水分是产生冻胀的必要条件及重要影响因素
[29]。当根系含量为0时,冷端温度越低,试样含水率越高,砂土的冻胀量越大
[30]。当根系含量大于0时,不同外界条件下根系起到抑制冻胀的作用存在差异性,导致变形量和冻结温度与含水率之间不是简单的线性关系。在含根
土体中,可将根系看作一种天然的三维加筋体
[31],可通过力学加固和水力加固提高土体力学性能
[32]。理论上植物根系可改变土壤的物理结构和化学性质,进而对土壤的温度分布和水力学特性产生影响。加入根系后的土体具有更优的抗冻性能,在降温初期(3 h内)表现出小幅度缓解温度降低的作用,根系作为有机质,其热导率与土体不同,可能影响土体整体的热传导和热容量
[33],从而改变土体温度的分布,抑制水分相变。水力特性方面,根系表面可能会吸附部分水分,降低自由水的比例,而吸附水更难冻结
[34]。同时根系的加入提供了更多渗流路径
[35],如
图10(a)、
图10(b)所示,根系使土内部产生连续而广泛的根土间隙,形成沿根系方向的贯通裂缝
[36]。结合电镜图[
图11(d)]观察到根系与土颗粒间存在间隙,土中的水分由于间隙的存在更容易迁移,冻结过程中在重力作用下未动区土样的水分流失,而在负温抽吸作用下水分迁移至土层与顶板的接触面相变形成冰膜如
图10(c)、
图10(d)所示,冰膜的形成将进一步使土体内部的自由水减少,土体内部孔隙水压力降低,有效应力提高,对应冰胶结及基质吸力增加,相当于对土体施加了固结应力,导致土体体积减小
[3]。故根系通过导水作用促进水气向顶板和底板迁移导致水分含量降低,从而减缓冻胀。
多数研究中根系对含水率、温度的影响通常采用变化量或变化率进行描述,由于数值变化较小易被忽略
[17-18,37],而本文研究中发现根土复合体的含水率冻结前后变化程度是素土的1.42~2.27倍,可见根系对于含水率的变化具有显著影响,因此数值模拟的研究中,在建立温度场和水分场时应综合考虑根系的影响。
图11(a)、
图11(b)展示了冻结前后根系微观孔隙结构,木质部间存在许多孔隙结构,冻结前后根系截面及孔隙内壁并未出现明显变形和破坏迹象,说明在低温环境下根系结构不会因内部水分的存在而发生显著的体积变化,根系变形幅度远小于土体的冻胀变形量,因此在冻结过程中可以忽略根系变形对土壤冻胀变形的贡献。
根土复合体是由根系与周围土壤相互作用形成的一种特殊体系
[38],土颗粒之间及根系与土颗粒间存在摩擦力,要使土体发生变形就需要克服以上两种力,在冻结过程中,冰颗粒的膨胀和挤压作用会使土颗粒间发生错动甚至分解一部分土颗粒,增加土壤的孔隙率
[20,39],虽然这会导致黏聚力的下降,但由于根系的存在仍会限制土体的冻结扩张效应
[40]。通过
图11(c)发现骆驼刺根皮表面具有明显的凹凸结构,粗糙的表面结构特征增加了根系与土颗粒的接触面积,从而提高根系与土颗粒之间的抗滑力。根系穿透冻结区和未冻区,未冻区域相当于根系的固定端,根据
图11(d)根-土接触结构特征,根系与土颗粒紧密接触,随着冻结区内水分相变成冰体积增大,迫使该区域土颗粒发生位移,根系表面与土颗粒间产生摩擦力,此时根系受拉起到锚固的作用,使一部分冻胀力通过根系不断传递到未冻区内各个方向,起到有效抑制冻结区内土颗粒位移的作用,这是根系缓解冻胀的主要原因。
4 结论
(1)不同根系掺量条件下试样温度场的演变规律基本相同。过程包括快速降温、缓慢降温和稳定阶段,冻结区内的骆驼刺根系在冻结初期存在一定的抑制温降的作用。
(2)不同根系掺量条件下冻结前后含水率分布规律基本相同,冻结区内水分在顶板抽吸作用下迁移至温控板底部,未冻区的部分液态水在重力作用下从底部流失,根系的导水作用使复合体冻后含水率相较于素土降低,且含根量越高水分降低越显著,-20 ℃条件下根土复合体平均含水率相对变化程度是素土的1.42~2.27倍。
(3)冻胀位移变化包括快速冻胀、缓慢冻胀和稳定阶段。含水率不低于12%时,根系含量越大,冻胀抑制效果越显著,相较于素土冻胀量最大可降低73.03%;含水率低于12%时,存在最优含根量0.28%~0.42%使冻胀量最小,相较于素土冻胀量最大可降低76.92%。
(4)根系能减缓温降,同时与土颗粒间形成孔隙结构促进渗流从而抑制冷生构造的形成,此外根系力学锚固效应抑制土颗粒位移,骆驼刺根系从以上3个方面共同影响土体的冻胀。未来在相关研究中,应重视根系对根土复合体含水率变化、温度分布及力学特征的影响,提升研究准确性。
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