凍融作用對黃河源區曲流河岸土體抗剪特性的影響

劉國松， 朱海麗,2， 張 玉， 劉亞斌,2， 李國榮,2

（1.青藏高原北緣新生代資源環境重點實驗室，青海 西寧 810016；2.青海大學地質工程系，青海 西寧 810016）

黃河源區凍土的分布孕育了源區大面積高寒沼澤濕地和高寒草甸，其間河網密布，湖泊和濕地較多，成為青藏高原重要的水源涵養地。近幾十年來，黃河源區高寒草甸在自然氣候條件和人為活動的雙重影響下，凍土環境發生著顯著變化，導致草地退化，高寒草甸生態屏障作用削弱，進而導致河岸穩定性降低、河岸崩塌頻繁發生［1］。由于河岸帶根土體的力學特性是影響河岸穩定的關鍵因素，因此，明確凍融作用下源區河岸帶高寒草甸土體力學特性的變化規律對定量分析河岸穩定性、解釋河岸崩退機制并預測曲流橫向演變趨勢具有重要意義。

凍融循環對土體力學性能的影響主要是由于土體的三相介質在強烈的凍結和融化過程中具有不同的熱物理特性造成的［2-3］。不同土體結構和含水條件的土體在凍融循環作用下的凍脹變化存在明顯差異［4］，當凍脹力超過一定數值，則會改變土顆粒之間的排列和連結，進而在宏觀上表現為土體的剪切強度、彈性模量和黏聚力等力學性能指標降低［5-7］，而土體內摩擦角變化規律不一致［8-12］。當土體內加入纖維或根系等材料時，其對土體的力學性能有較大的影響，能顯著提升土體黏聚力。申紫雁等［13］、楊馥鋮等［14］通過直剪試驗研究提出含根土較素土黏聚力提高2.47%～94.1%；Mahya 等［15］、Orakoglu 等［16］通過對摻入纖維材料的土體開展凍融循環前后的剪切試驗，發現隨凍融循環次數增加，加筋土體強度衰減幅度較素土減弱；Gong 等［17］通過研究凍融循環作用下聚丙烯纖維對路堤邊坡土體穩定性的影響，提出纖維的加入提高了凍融循環作用下土體的黏聚力，改善了土體穩定性，并隨著凍融循環次數的增加，其改善作用降低；王恒星等［18］研究了結縷草（Zoysia japonica）、牛筋草（Eleusine indica）、狗尾草（Setaria viridis）的根-土復合體在凍融前后的抗剪特性，提出凍融循環之后根-土復合體黏聚力損失較大，損失幅度在28.6%～55.0%之間，但其黏聚力仍高于素土，內摩擦角先增大后減小。黃河源區曲流河岸土體力學特性，既受到季節性凍融作用影響，又存在濱河草甸植物根系作用影響，且隨著高寒草甸植被的退化，其地下有效根系減少［19］，分析二者共同作用下，高寒草甸土體抗剪力學特性的研究相對較少。因此，本文以黃河源區曲流河岸高寒草甸含根土體為研究對象，通過室內重塑凍融直剪試驗深入分析不同凍融循環作用、不同含根量變化對濱河土體抗剪強度指標的影響，為評價黃河源區河岸帶不同退化程度的高寒草甸植被根系護岸作用提供數據支撐，同時為分析區內曲流河岸穩定性及其橫向演變趨勢提供理論依據。

1 研究區概況及研究方法

1.1 研究區概況

選定黃河源二級支流蘭木措曲作為研究區，其位于青海省黃南蒙古族藏族自治州河南縣，地理坐標為34°26′～35°02′N，101°23′～101°35′E（圖1），屬于典型的高寒草甸型彎曲河流，其流程長，流域大，水文地質穩定，水力蘊藏量十分豐富。試驗區位于蘭木錯曲中游，該段河床主要為礫卵石河床，土壤類型主要為高山草甸土及沼澤化草甸土。研究區內海拔為3400～4200 m，受季風的影響，高原大陸性氣候特點明顯，冷季較長且多大風。根據青海省河南 縣 氣 象 站1981 年7 月1 日—2018 年6 月30 日 氣溫、降水、日照、凍土等觀測資料可知，多年平均降水量為560 mm，多年平均蒸發量為1349 mm，年平均氣溫0.4 ℃，屬于季節性凍土區，年平均凍土深度為137.8 cm，凍土深度最深為162 cm，5—6 月為消融期，11 月至翌年4 月為凍脹期。研究區內河岸帶植被以高寒草甸為主，其中未退化草甸群落以華扁穗草（Blysmus sinocompressus）、線葉嵩草（Kobresia capillifolia）和垂穗披堿草（Elymus nutans）等草本植物為優勢植物種；隨著河岸帶草甸植被退化，優勢植物種減少，鵝絨委陵菜（Potentilla anserina）、美麗風毛菊（Saussurea superba）、矮小火絨草（Leontopodium pusillum）等典型退化物種增多，地下根量減少。

圖1 研究區位置示意圖Fig.1 Location map of the study area

1.2 試驗材料

為了給室內重塑凍融試驗提供物理參數及根系參數設定依據，在研究區隨機選取3 個河灣凹岸做為試驗和取樣點位。由于研究區高寒草甸植物根系主要集中于地表以下0～30 cm 深度范圍，且含根土體密度、含水率均隨土層深度增大而變化，因此將原位取樣的深度確定為0～30 cm，分三層取樣（0～10 cm、11～20 cm 和21～30 cm）、同一深度范圍重復3 次取樣并綜合求其平均值，最終設定室內重塑根-土復合體的密度、含水率及根系含量，使其數值具有代表性。其中，土體含水率采用小鋁盒取樣，烘干法測定；密度采用小環刀（內徑6.18 cm，高2 cm）原位制樣，稱重法測定；原狀復合根-土體采用大環刀（內徑10 cm，高6.37 cm）取樣，室內采用洗根法分析單位干土中的根系質量。

試驗所用的土體材料取自研究區取樣點濱河凹岸地表以下0～30 cm 深度范圍的土體，土質類別為粉土［20］；重塑根-土復合體制樣選用的根系材料為研究區優勢濱河植物華扁穗草根系。結合課題組前期野外調查和原位植被樣方試驗結果［20］，研究區河岸帶華扁穗草分布廣泛、覆蓋度達60%～90%，因此，將其根系作為重塑根-土復合體根系材料。利用現場挖掘法在華扁穗草生長正常的區域進行根系取樣，挖取花盆大小的根-土復合體土柱，將其裝入花盆并帶回實驗室?；貙嶒炇液?，采用浸泡、沖洗的方法，獲得干凈的植物根系，放入恒溫箱4 ℃保存待用。

1.3 試驗設計

試驗得知，研究區濱河土體的密度范圍在1.34～1.78 g·cm-3之間、含水量在37.2%～53.4%之間，地表植被覆蓋度不同，其物理參數也相應變化。取實測土體物理參數的平均值，設定根-土復合體密度為1.55 g·cm-3，含水量為45%。統計大環刀內根系直徑及含根量（植物根系質量與干土質量之比）可知，試樣中根系平均直徑為0.11～1.69 mm，根系含量范圍為4.1%～11.7%?；趯崪y根系參數，試驗按照逐級增加的方式，含根量設置為0%、4%、7%、11%4個梯度，試驗所用根系材料平均根徑為0.58 mm，根長為30 mm。結合研究區近10 a每年10月至次年4月的氣溫和日照時長等氣象數據，將本試驗凍結溫度和融化溫度分別設定為-18 ℃和10 ℃，凍、融時長各為12 h，完成一次凍融24 h。試驗設置凍融循環次數分別為0、3、6、9、12、15、20次，7個試驗梯度。

1.4 試樣制備及直剪試驗方法

根據試驗設計進行重塑直剪試樣的制備，制取過程根據規范《土工試驗規程》進行。具體操作過程如下：（1）將野外所取得的土體風干碾碎后過2 mm 篩；（2）在獲得的干凈華扁穗草根系中挑選出根徑為0.58±0.05 mm 的根系，并將其剪至長約為30 mm 左右的根段；（3）首先按設計的含根量梯度將剪好的根段與素土干土充分拌勻，然后按設計的含水率和密度配置素土及不同含根量的根-土復合體試樣，蓋上保鮮膜后靜置12 h；（4）待根-土復合體完全浸透，再次攪拌均勻，按質量將其均分為4 份，依次裝入三瓣模中，利用分層擊實法分4 層擊實；（5）將制備好的復合根-土體試樣用保鮮膜密封，以減少水分的流失；（6）對試樣進行編號后，放入冰箱并在-18 ℃進行凍結，凍結完成取出后，再放置在10 ℃條件的恒溫恒濕箱內消融12 h，此過程為一次凍融循環。根據試驗設計，依次完成不同含根條件和凍融次數的試樣凍融循環試驗；（7）對完成既定凍融循環次數后的試樣，立即按照《土工試驗規程》展開直剪試驗。

采用試驗室ZJ 型應變控制式直剪儀開展直接剪切試驗，剪切速率設定為0.8 mm·min-1，采用逐級加壓的方式，每組試樣施加的法向應力分別為50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa，每組試樣試驗結束后，記錄所得黏聚力c值和內摩擦角φ值。

2 結果與分析

由表1可知，復合根-土體黏聚力在含根量最高（11%）、未經凍融時達到極大值11.9 kPa，在不含根、凍融循環6次時，達到極小值6.37 kPa，其變化幅度較大；內摩擦角在含根量為7%、凍融循環6次時，達到極小值15.53°，其余均在17.22°～20.3°范圍內浮動，變化幅度不大。

表1 凍融試樣抗剪強度指標Tab.1 Shear strength index of remolded freeze-thaw sample

采用SPSS軟件對以上數據進行數據整理分析，得到不同含根量、不同凍融循環次數對抗剪強度指標黏聚力和內摩擦角影響的方差分析。其中黏聚力方差分析結果如下，含根量F＝34.3，顯著性P＝0，差異極顯著；凍融循環次數F＝13.1,顯著性P＝0，差異極為顯著，且決定系數R2＝0.91，說明不同含根量、不同凍融循環次數對黏聚力影響極顯著。其中,內摩擦角方差分析結果如下，含根量F＝1.3，顯著性P＝0.3，差異性不顯著；凍融循環次數F＝2.0，顯著性P＝0.1，差異性不顯著，且決定系數R2＝0.46，說明不同含根量、不同凍融循環次數對內摩擦角影響不顯著。因此，需對不同含根量、不同凍融循環次數對抗剪指標的影響規律及影響機制進行詳細探究。

2.1 凍融作用下含根量對根-土復合體抗剪強度指標的影響

由圖2可知，不同凍融循環次數作用下，土體黏聚力均隨含根量的增加，呈現增大的趨勢，增大幅度明顯，且不同凍融循環次數的增大幅度有所差異。結合表1 數據可知，黏聚力增加幅度在凍融循環3 次時最低，曲線最緩，相較于不含根土體，含根量為4%、7%、11%的復合根-土體黏聚力增幅依次為2.7%、7.9%、16.4%；黏聚力在凍融循環12 次時增幅最大，曲線最陡，相較于不含根土體，含根量為4%、7%、11%的復合根-土體黏聚力增幅依次達到27.9%、53.0%、77.9%?？梢钥闯?，植物根系增強土體黏聚力的效果顯著，這主要是由于植被根系穿插在土體中，可將較小顆粒的土組成較大的團聚體，形成具有網絡結構的復合根-土體，在剪切受力過程中，植物根系可發揮其抗拉特性以抵抗土體的剪切破壞，同時通過根系的纏繞、加筋作用使土體黏聚力得到較大提升［21］，即根系含量高可有效提高根-土復合體黏聚力，表現為未退化和輕度退化的高寒草甸河岸崩退現象不明顯。

此外，由圖2 還可知，在凍融循環條件下，土體強度相較于未凍融土體會有所降低，但其中的根系能有效減少土體黏聚力降低幅度，與王恒星等［18］得出的結論相一致。表明在根系的作用下，土體間的連結斷開，改變了土壤熱量的收支、傳遞，從而對土體間的熱量傳遞起到調節作用。土體內根系可在凍期內延緩熱量支出，融期內阻擋熱量輸入，進而在一定程度發揮阻隔溫度變化的作用［22］，類似于泡沫阻隔熱量的傳遞。由此，減少凍脹作用對土體結構的破壞，從而表現為含根土體在凍融循環作用下，土體黏聚力下降幅度相對減小。

由圖3 可知，土體內摩擦角隨含根量的變化規律如下：未凍融、凍融循環9 次、12 次和20 次的變化規律類似，均隨含根量的增加內摩擦角呈現先增大、后趨于基本不變的變化特征；凍融循環3次試樣的內摩擦角呈現先增大-減小-再增大的變化特征，而凍融循環6 次試樣呈現先減小后增大的變化趨勢，且可以看出凍融循環6次時，試樣內摩擦角變化幅度相較于其他凍融循環次數變化相對較大，當含根量為7%時，相較于不含根土體，內摩擦角下降幅度最大，達到19.1%?？傮w來看，當含根量為7%、凍融循環達6次時，其內摩擦角顯著減小，其余含根量條件的土樣在凍融循環作用下其變化幅度都不大，在一定范圍內呈波動狀態。產生原因可能是由于根系的加入使得部分土-土接觸轉化為根-土接觸，相較于原土體，其土體顆粒間的接觸面積以及孔隙大小會有所變化，但由于高寒草甸植物根徑較小，平均僅為0.58 mm，因此，其根土接觸面積相對較小，從而導致根土間摩擦力較小，表現為內摩擦角有小范圍的變化［22］。對比王恒星等［18］以平均半徑為0.88 mm 狗尾草為試驗材料的凍融直剪試驗結果，其內摩擦角呈現較大的變化幅度，可知根系半徑會對內摩擦角產生影響。

圖3 不同凍融循環次數下內摩擦角隨含根量變化關系Fig.3 Variation of internal friction angle with root content under different freeze-thaw cycles

2.2 凍融循環次數對根-土復合體抗剪強度指標的影響

為分析凍融循環次數對根-土復合體抗剪強度指標的影響，根據表2 數據繪制土體黏聚力和內摩擦角隨凍融循環次數變化關系圖（圖4、圖5）。圖4表明，當試樣的凍融循環次數由0 次依次增加至3、6、9、12、15、20 次，其黏聚力總體表現出降低的變化趨勢。且可以看出，其降低趨勢隨凍融循環次數增加逐漸變緩，對比4 種含根量土體試樣抗剪強度指標的降低趨勢，發現4 種不同含根量的試樣在凍融循環3次時，試樣黏聚力降低幅度均達到最大，分別降低了1.01 kPa、1.62 kPa、1.56 kPa 和2.26 kPa。這主要是因為在凍融初期，試樣經過凍融循環，土體凍結過程中，生長的冰晶由于體積膨脹破壞了土顆粒間的聯系，而融化時，被破壞的土顆粒間連結不可恢復，因此反復凍融作用使土體結構呈現弱化，土體原有土顆粒的結合形式被破壞，進而導致黏聚力下降［8］，而隨著凍融循環次數的增加，凍融作用對土體的土顆粒間的影響越來越小，黏聚力降低速度也逐漸變緩［10］。在凍融循環達到12次時，素土試樣的黏聚力降到最低，降幅達31.4%；隨著凍融循環次數增加，其黏聚力變化趨于平緩；而含根試樣在9次凍融循環時，其黏聚力降到最低。含根量為4%、7%、11%的試樣，在達到9 次凍融循環時，降低幅度分別為29.0%、22.7%、24.6%，均小于不含根試樣的降低幅度。含根試樣的黏聚力在凍融循環12 次時會有一個較為明顯的回升，其黏聚力較素土試樣黏聚力降低幅度要小27.7%，隨后降低并趨于平穩。結合蘇謙等［5］、左小鋒等［23］學者的研究分析，可能是根土體隨著凍融循環次數的增加，由于穿插在土體中根系作用，原網狀根土結構被破壞并進行重組，土顆粒大小、形狀、顆粒間的孔隙及根系與土顆粒間的連結狀態在重組過程中逐漸穩定，根-土體結構達到新的平衡狀態，并表現為受凍融循環影響變小，根-土體抗剪強度有所增加，土體黏聚力在凍融循環12次時有明顯的回升，而后變化趨于平緩。

圖4 黏聚力隨凍融循環次數變化關系Fig.4 Relationship between cohesion and freeze-thaw cycles

圖5 內摩擦角隨凍融循環次數變化關系Fig.5 Relationship between internal friction angle and freeze-thaw cycles

由圖5 可知，凍融循環對試樣內摩擦角的影響與黏聚力不同，總體來說呈現略微加強的作用。未經凍融循環的素土試樣內摩擦角顯著小于含根試樣，凍融循環6次以內，不含根試樣內摩擦角有明顯的增加，然后隨凍融循環次數的增加而變緩；而含根試樣在6 次凍融循環以內，內摩擦角則表現為降低趨勢，其中以含根量為7%的試樣降低幅度最大，達到19.5%，表現為隨凍融循環次數增加，呈波狀起伏增加的變化趨勢。分析可能是由于不含根試樣土體孔隙相對較多，土體結構較為疏松，凍融循環作用之后，其土體大顆粒破碎，大孔隙減少使得土顆粒間的接觸更為充分，從而使得內摩擦角增大，隨著凍融循環次數的增大，土顆粒間結構形成新的平衡態，內摩擦角逐漸趨于平穩［8］；而試樣在加入根系后，整個試樣土體顆粒間的接觸變得更加充分，而在凍融循環作用下土體結構被破壞，土體顆粒間接觸變少，因而內摩擦角減?。?0］；隨著凍融循環次數的增大，和不含根土體類似，含根土體內部結構破壞過程停止，在9 次凍融循環以后內摩擦角呈現小范圍的波動，變化較?。?8］。

3 結論

（1）在相同凍融循環作用下，重塑根-土復合體黏聚力隨著根系含量由4%增加至7%、11%，呈逐漸增大趨勢；較素土試樣，含根土體黏聚力最大增幅可達77.9%，而根系對土體內摩擦角影響幅度相對較小。根系的加入使土體形成緊密的網絡結構，抵抗剪切破壞的能力增強，進而提高河岸穩定性。

（2）隨著凍融循環次數的增加，含根和素土試樣的黏聚力均呈現不同程度的先減小后趨于平緩的變化趨勢。在凍融循環3 次時，土體黏聚力降幅達到最大，為19.0%，表明凍融初期對土體結構破壞較大，土體抗剪強度明顯下降；隨著凍融次數增加，其破壞能力減弱，土體結構達到新的平衡，在凍融循環達到12次時，凍融循環對黏聚力的減小幅度達到最低，僅為3.7%。

（3）凍融循環對研究區高寒草甸植被河岸抗剪強度具有一定衰減作用，當濱河高寒草甸植物退化，其地下根量減少，由于缺少根系對土體的網絡、纏繞和阻隔溫度變化的作用，河岸土體抗剪強度指標有不同程度的降低趨勢，土體黏聚力降幅最高可達31.4%。表現為河岸穩定性降低，因此，在退化河岸帶應盡量減少人類和牲畜活動，并適當開展植被恢復工作，保護河流生態。