土體含水率和相對密實(shí)度變化與植物根系固坡效果1)

單 煒 郭 穎 劉紅軍 張程程

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150090) (東北林業(yè)大學(xué)) (五邑大學(xué)) (東北林業(yè)大學(xué))

公路邊坡上的綠化植物不僅能美化道路景觀、恢復(fù)和重建生態(tài)環(huán)境，還具有護(hù)坡功能。植物固坡目前廣泛應(yīng)用在土木工程建設(shè)領(lǐng)域中。植物根系的固坡效果受土體含水率、土體密度、根系分布狀態(tài)、植物種類及生長年限等因素的影響。關(guān)于植物護(hù)坡機(jī)理的基礎(chǔ)研究，目前在國內(nèi)外仍處于探索階段［1-4］。植物根系扎入巖土體內(nèi)，形成亂向分布的錨固系統(tǒng)，能起到固土護(hù)坡的作用。隨著時間的推移，植物根系進(jìn)一步發(fā)育生長，錨固的作用會越來越強(qiáng)。人們已在感性上認(rèn)識到植物根系固土護(hù)坡的優(yōu)越性，并在工程實(shí)踐中，開始利用植物進(jìn)行邊坡的防護(hù)與加固，已有的研究多從植物的生態(tài)效應(yīng)、植物的防護(hù)技術(shù)、植物根系本身的特性等方面進(jìn)行研究［5-8］，對植物根系錨固作用的研究不多［9-10］。

在土樣中加入植物纖維，制成植物纖維復(fù)合土試件，采用三軸試驗(yàn)，研究植物根系的加筋作用，并考慮含水率和土體相對密實(shí)度的變化對植物根系加筋效果的影響，分析植物根系的錨固作用機(jī)理，對合理利用和發(fā)揮植物根系作用或根據(jù)其作用機(jī)理發(fā)展新的邊坡防護(hù)與加固途徑具有積極的意義。

1 材料與方法

植物根系固坡對象主要是土質(zhì)邊坡，選用哈同公路東風(fēng)收費(fèi)站附近粉質(zhì)黏土進(jìn)行試驗(yàn)。其基本的物理性質(zhì)指標(biāo)如下：液限32.5%，塑限18.7%，塑性指數(shù)13.8，最大干密度1.90 g/cm3，最佳含水率13.0%。

自然植物根系依植物的不同，其性質(zhì)存在很大的差異。植物根系的抗拉強(qiáng)度介于5～150 MPa，模量介于100～6 000 kPa，塑性變形為2%～5%。參照實(shí)際根系的參數(shù)，選取了同樣為植物原料做成的麻繩(平均直徑為0.8 mm)作為根系模擬材料。通過拉伸試驗(yàn)，測得其平均抗拉強(qiáng)度為35 MPa，極限伸長率為5%，與一般的植物根系特性基本一致。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，采用重型擊實(shí)，確定土樣相對密實(shí)度分別為75%、80%、85%，含水率分別設(shè)計(jì)為9%、14%、19%、22%、24%，制作含根和不含根試件，進(jìn)行不排水三軸剪切試驗(yàn)。植物主干根系與邊坡坡面的夾角接近45°+φ/2，因此，試樣中麻繩采用水平布置，使土樣的剪切破壞面與麻繩的夾角也接近45°+φ/2。將麻繩分兩層，分別布置在距試樣上下兩端三分之一位置，每層兩段，呈十字交叉型布置。

2 含水率和相對密實(shí)度對根系土應(yīng)力與應(yīng)變的影響

圖1為根系土與無根系土在不同含水率及相對密實(shí)度狀態(tài)下主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變之間的關(guān)系曲線。由曲線變化特征可得：同一含水狀態(tài)下，無論是否有植物根系的加筋作用，相對密實(shí)度對主應(yīng)力差的影響都較大，相對密實(shí)度每增加5%，主應(yīng)力差的峰值都明顯提高，含水率較小時，該種現(xiàn)象表現(xiàn)得就越加明顯。

分別將圖1b與圖1c的試驗(yàn)結(jié)果及圖1d與圖1e的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比可知，植物根系加筋后，主應(yīng)力差明顯提高，特別是含水率在14%附近表現(xiàn)的更加明顯。當(dāng)含水率為14%，相對密實(shí)度為75%、80%、85%，植物根系加筋后主應(yīng)力差分別提高10%、15%、20%左右。

圖1 不同含水率及相對密實(shí)度下根系土與無根系土主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變的關(guān)系曲線

3 含水率和相對密實(shí)度對根系土黏聚力的影響

圖2和圖3分別為不同密實(shí)狀態(tài)下無根系土和根系土黏聚力隨含水率變化曲線，由曲線變化特征可知，無論土體含根與否，黏聚力首先隨含水率的增加而增大，當(dāng)含水率在14%左右時，黏聚力達(dá)到峰值;含水率大于14%后，黏聚力隨含水率的增加而減小。

圖2 不同密實(shí)狀態(tài)下無根系土黏聚力隨含水率變化關(guān)系曲線

圖3 不同密實(shí)狀態(tài)下根系土黏聚力隨含水率變化關(guān)系曲線

相對密實(shí)度也是影響?zhàn)ぞ哿Φ闹饕蛩?，隨著土體相對密實(shí)度的增加，黏聚力明顯提高，特別是含水率較小時表現(xiàn)得更加明顯。

將根系復(fù)合土與無根系土測得的黏聚力進(jìn)行對比可知，當(dāng)土體相對密實(shí)度較大時，植物根系能明顯提高土體黏聚力，相對密實(shí)度為75%時影響較小，相對密實(shí)度為85%時影響較大。

4 含水率和相對密實(shí)度對根系土內(nèi)摩擦角的影響

圖4和圖5分別為不同密實(shí)狀態(tài)下無根系土和根系土摩擦角隨含水率變化曲線，由曲線變化特征可知，無論是無根系土還是根系土，總體上，內(nèi)摩擦角隨含水率的增加而減小，含水率越大，內(nèi)摩擦角減小得越快，主要原因?yàn)楹试酱髸r，土體越接近于飽和狀態(tài)，孔隙當(dāng)中水的潤滑作用就越強(qiáng)。

圖4 不同密實(shí)狀態(tài)下無根系土摩擦角隨含水率變化關(guān)系曲線

圖5 不同密實(shí)狀態(tài)下根系土摩擦角隨含水率變化曲線

對比圖4和圖5可知，植物根系能有效提高根系復(fù)合土的內(nèi)摩擦角，特別是含水率較小和相對密實(shí)度較大時這種效果更加明顯，含水率越大，植物根系對內(nèi)摩擦角影響越小。

5 結(jié)論

三軸試驗(yàn)結(jié)果表明：土樣中加入植物纖維后，主應(yīng)力差明顯提高，特別是含水率在14%附近表現(xiàn)得更加明顯;土體越密實(shí)，含植物根系土體主應(yīng)力差提高得越明顯。

無論是否有植物根系，土體黏聚力首先隨含水率的增加而增大，當(dāng)含水率在14%左右時，黏聚力達(dá)到峰值;含水率大于14%后，黏聚力隨含水率的增加而減小。土體越密實(shí)，植物根系對黏聚力的提高越有利。

無論是無根系土還是根系土，總體上，內(nèi)摩擦角隨含水率的增加而減小，含水率越大，內(nèi)摩擦角減小得越快。植物根系能有效提高根系復(fù)合土的內(nèi)摩擦角，特別是含水率較小和相對密實(shí)度較大時這種效果更加明顯，含水率越大，植物根系對內(nèi)摩擦影響越小。

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