通过CT扫描和直剪试验研究了根系增强土-岩混合物的物理和力学性质

《CATENA》：Physical and mechanical properties of root-reinforced soil–rock mixture investigated by CT scanning and direct shear tests

本研究针对南京地区土壤-岩石混合边坡，以 Eleusine indica 为增强材料，通过实验室直接剪切试验和X射线CT扫描，揭示根系-土壤-岩石协同强化机制。结果表明，根系显著提升剪切强度，岩石通过调控孔隙结构促进根系与土壤接触，协同效应在300-400kPa正常应力下最显著，孔隙连通性减少26.7%-20.8%，等效粘聚力增加79.3%，摩擦角降低12.2%。为工程应用提供理论支持。

　　

刘家轩|孙少瑞|魏志宏|乐惠琳|曹尧|金春林|何一鸣

河海大学地球科学与工程学院，中国南京211100

摘要

植被被广泛用于提高边坡稳定性；然而，关于根系在土岩混合边坡中加固机制的理论研究仍明显滞后于工程实践。本研究聚焦于江苏省南京地区的典型土岩混合边坡，选取Eleusine indica作为加固植物，探讨根系-土壤-岩石相互作用对土岩混合物抗剪强度的协同效应。通过实验室直剪试验结合X射线CT扫描，建立了三因素、两水平的完全随机实验设计，分析土壤干密度、岩石含量和根密度对土岩混合物抗剪强度的影响。此外，还引入了孔结构分析方法来阐明根系对土壤微观结构的重构作用。结果表明，根系显著提高了样品的抗剪强度，尤其在300–400 kPa的正常应力下，根系-岩石-土壤耦合效应最为明显。根系的生长使孔隙从连通状态转变为孤立状态，同时岩石引导根系偏移，增加了根系与土壤的接触面积，进一步促进了孔结构的重组。在干密度为1.1 g/cm3和1.3 g/cm3的情况下，连通孔隙的体积分别减少了26.7%和20.8%。在力学性能方面，根系使土壤凝聚力提高了多达79.3%，而含岩石样品的内摩擦角略有减小（最大减小12.2%），表明结构加固主导了观察到的强化效果。结合Wu–Waldron模型计算和基于CT的孔网络分析，本研究进一步揭示了根系-土壤-岩石协同加固的微观机制，为草本植被在提高土岩混合边坡浅层稳定性中的应用提供了理论见解和实践指导。

引言

土岩混合物（SRMs）是一种特殊的工程地质材料，通常由于滑坡、泥石流、冲积和洪积沉积、冰川堆积以及坡积作用而形成松散的边坡（Zhang等人，2016a；Zhang等人，2016b）。无论是自然生长还是生态工程干预下的植被SRM边坡的失效，都是植被根系、土壤基质和岩石块在外部扰动作用下的相互作用结果（Gao等人，2022）。然而，目前对根系-岩石相互作用机制的理解远远落后于工程实践，这限制了对边坡稳定性的准确评估。

现有的实验室和现场研究（Liang等人，2023；Tu等人，2024a；Xu和Zhang，2021；Zhang等人，2016a；Zhang等人，2016b）表明，岩石含量（Du等人，2025a；Liu等人，2024）是控制SRMs变形和失效的主要因素，尤其是在抗剪强度参数方面（Zhang等人，2025a；Zhang等人，2020；Zhao等人，2024）。尽管如此，自然条件下植被根系的力学贡献在SRM研究中很少被考虑。实际上，根系-土壤-岩石的共存在自然环境中广泛存在（如图1所示），因此研究这类系统的力学行为具有实际意义。

对于地质灾害研究人员来说，理解SRM边坡的变形和失效机制至关重要（Zhao等人，2024）。然而，根系的存在改变了边坡的内部结构，导致其变形机制与裸露条件下的不同（Masi等人，2021）。根系通过与土壤骨架的相互作用以及修改孔结构来加固浅层土壤，从而有效提高了根系-土壤复合体的抗剪强度（Hao等人，2023a；Liu等人，2026；Ni等人，2025）。尽管如此，关于草本根系对土壤结构影响的定量研究仍然有限。X射线计算机断层扫描（CT）为揭示地质材料中孔隙的数量、形态、大小和空间分布提供了强大的工具（Giuliani等人，2024）。对于根系分析，CT提供了一种有价值的非破坏性方法，可以表征根系结构（Zhang等人，2023）和土壤结构（Hobson等人，2023）。

主流的根系加固模型包括Wu–Waldron模型（WWM）（Waldron，1977；Wu等人，1979）、改进的WWM系数（Mao等人，2023；Shuai等人，2022）和纤维束模型（FBM）（Pollen和Simon，2005）。WWM将根系加固简化为土壤凝聚力的增加（Tan等人，2025），从而能够量化复杂根系系统带来的额外凝聚力。然而，现有模型主要针对纯土壤基质开发，忽略了岩石块的存在。此外，大多数SRM研究采用Mohr–Coulomb失效准则（Yao等人，2022；Zhao等人，2024），没有考虑根系的影响，导致根系-土壤-岩石系统的剪切行为研究不足。

为了解根系生长如何影响含岩石块土壤中的孔结构和失效机制，以及确定岩石块在根系加固过程中是起协同作用还是抑制作用，本研究结合了力学测试和介观实验。此外，还采用了基于CT的方法来定量揭示结构演变，并将其与力学性能联系起来。本研究的目标有三个：（1）引入三维CT孔分析，以阐明根系-岩石相互作用，并明确草本根系在土岩混合物中的加固机制；（2）开发一个简化的三因素实验框架，量化干密度、根密度和岩石含量对抗剪强度的交互作用；（3）通过纳入岩石块对根系贡献的调节作用，扩展Wu–Waldron模型，从而为生态边坡稳定提供参数化指导。这些结果为SRMs中根系-土壤-岩石耦合加固机制提供了实验证据，并为理解浅层SRM边坡失效提供了理论支持。

材料

现场调查显示，研究区域内岩石块的体积含量约为22%。边坡表面覆盖着以浅根草本植物为主的植被，这是中国东部常见的生态保护措施。土壤被归类为粉质粘土，厚度约为0.5–1.0米，下层为风化石灰岩碎片。本研究中使用的实验材料如图2所示。土壤采集自

根系加固贡献的评估

不同因素水平下根系-土壤-岩石混合物的抗剪强度见表4。实验结果表明，抗剪强度随着正常应力的增加而逐渐提高，表明根系-土壤-岩石复合体的力学行为通常遵循Mohr–Coulomb准则。随着土壤干密度的增加，抗剪强度明显增强。以400 kPa的正常应力为例，平均抗剪强度增加了21.1%。

根系对土岩混合物的加固作用及岩石块对根系生长的影响

本研究强调了根系对土岩混合物的力学和结构效应。如图15所示，描绘了根系-土壤-岩石复合体各组分之间的协同作用路径，从孔隙填充到结构加固，最终到抗剪强度的提高。CT结果证实，沿根系生长方向，土壤结构从孤立孔隙转变为连通孔隙。

结论

本研究首次在实验尺度上系统揭示了草本根系-岩石-土壤三元系统的协同加固机制，并证明岩石块并不简单地增强或削弱根系效应，而是通过调节根系-土壤接触结构来改变等效凝聚力。通过结合实验室直剪试验和X射线CT扫描，本研究阐明了Eleusine indica根系在土岩混合物中的加固机制以及岩石的作用

CRediT作者贡献声明

刘家轩：撰写——原始草稿，调查，数据管理，概念构思。孙少瑞：撰写——审稿与编辑，方法学，资金获取，概念构思。魏志宏：资源管理，项目行政。乐惠琳：软件管理，项目行政。曹尧：项目行政。金春林：调查。何一鸣：调查。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了江苏省重点研发计划（项目编号：BE2023796）、国家自然科学基金（项目编号：41672258和42007256）、江苏省地质工程环境智能监测工程研究中心开放基金（项目编号：2023-ZNJKJJ-04和2023-ZNJKJJ-05）以及江苏省自然资源厅地质数据智能开放基金的财政支持