草本植物根系對(duì)高液限土的加固效應(yīng)

方詩(shī)圣, 姚 鑫, 譚張琴, 陳海微

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院, 安徽 合肥 230009)

草本植物根系對(duì)高液限土的加固效應(yīng)

方詩(shī)圣, 姚 鑫, 譚張琴, 陳海微

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院, 安徽 合肥 230009)

[目的] 探索草本植物根系對(duì)高液限土的加固效應(yīng),為工程中合理預(yù)估植物根系在高液限土質(zhì)邊坡防護(hù)中的作用提供依據(jù)。[方法] 以高羊茅根系及其與高液限土壤構(gòu)成的根—土復(fù)合體為研究對(duì)象,通過(guò)一系列室內(nèi)直剪試驗(yàn)分析高液限土含水率和含根量對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響。[結(jié)果] 在土樣中摻加根系可以顯著提升其黏聚力,小幅提升其內(nèi)摩擦角。根系對(duì)土體的加固效果隨著含水率增加呈現(xiàn)先上升后減小的趨勢(shì)。不同含水率梯度下根—土復(fù)合體的最優(yōu)含根量有所區(qū)別,對(duì)于20%和25%含水率的土樣,其最優(yōu)含根量大致在0.3%附近,對(duì)30%含水率土樣在0.4%附近,對(duì)35%～45%含水率土樣在0.5%附近。[結(jié)論] 草本植物根系可以有效抑制高液限土的水敏性,且在不同含水率梯度下根系發(fā)揮的作用差異顯著。

高液限土; 水敏性; 直剪試驗(yàn); 含根量; 含水率; 抗剪強(qiáng)度

文獻(xiàn)參數(shù)： 方詩(shī)圣, 姚鑫, 譚張琴, 等.草本植物根系對(duì)高液限土的加固效應(yīng)[J].水土保持通報(bào)，2017,37(3)：43-47.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.03.007； Fang Shisheng, Yao Xin, Tan Zhangqin, et al. Reinforcing effect of herb roots on high liquid limit soil[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(3)：43-47.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.03.007

高液限土具有吸水膨脹軟化，吸水強(qiáng)度下降快，失水收縮等特點(diǎn)[1]，容易在公路施工過(guò)程中發(fā)生滑坡、塌坡等，嚴(yán)重危害人身、財(cái)產(chǎn)安全。因此,高液限土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性已成為中國(guó)南部山區(qū)高速公路建設(shè)中亟待解決的問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者從不同角度分析闡述了高液限土抗剪強(qiáng)度與含水量的相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明了高液限土所具有的水敏性是造成其強(qiáng)度下降進(jìn)而引發(fā)邊坡失穩(wěn)的重要原因[2-3]。

生態(tài)護(hù)坡是一種利用植物根系涵水固土并能美化環(huán)境的新技術(shù)，是以在坡面種植植物或者使用植物與工程材料相結(jié)合的方式對(duì)邊坡進(jìn)行加固的新型邊坡防護(hù)方法。它越來(lái)越多地被應(yīng)用到中國(guó)公路工程建設(shè)中來(lái)。運(yùn)用植物進(jìn)行固土護(hù)坡的歷史可追溯到16世紀(jì)的西方國(guó)家[4]，當(dāng)時(shí)就已有采用植被對(duì)河岸加固的先例，但其理論研究與技術(shù)應(yīng)用開(kāi)始較晚，始于20世紀(jì)初[5]。在最近20年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)植物根系所具有的加筋、錨固、抑制徑流等功能展開(kāi)了大量研究[6]。邊坡采用生態(tài)防護(hù)時(shí)，植物的根系與土體會(huì)形成一個(gè)復(fù)合受力結(jié)構(gòu)，可以增強(qiáng)土體抗剪、抗?jié)B、抗坡面水流的沖刷能力等[7]。

國(guó)內(nèi)外已有較多對(duì)植物根系加固土樣的研究，已有諸多專家學(xué)者通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)或數(shù)值模擬探討植物根系和土體的抗剪強(qiáng)度關(guān)系，Der-Guey Lin等[8]通過(guò)三維有限元軟件成功建立了根—土復(fù)合體的彈塑性模型，數(shù)值模擬結(jié)果表明牧野竹根—土復(fù)合體系統(tǒng)剪切強(qiáng)度增量的范圍為18.4～26.3 kpa。鄭啟萍等[9]依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果提出當(dāng)土壤的含水量、濕密度一定時(shí)，含根量越大，根—土復(fù)合土體的抗剪強(qiáng)度的增量就越大。Ma'ruf[10]通過(guò)直剪試驗(yàn)探討根—土體積比與土體抗剪強(qiáng)度的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果顯示隨著根—土體積比的上升土體抗剪強(qiáng)度峰值呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，根—土體積比為5%時(shí)土樣表現(xiàn)出55%的額外抗剪強(qiáng)度。栗岳洲等[11]通過(guò)試驗(yàn)研究提出鹽生植物根系對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的增強(qiáng)作用存在最優(yōu)含根量，且當(dāng)根—土復(fù)合體含根量小于最優(yōu)含根量時(shí)，隨含根量增加，根—土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度呈逐漸增加趨勢(shì)。Fan Chiacheng等[12]通過(guò)試驗(yàn)探討了高含水率時(shí)根系對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的提升作用，試驗(yàn)結(jié)果表明根效率在土壤達(dá)到高飽和度時(shí)可能會(huì)達(dá)到1.0及以上。

言志信等[13]通過(guò)研究分析指出植物根系中纖維素含量高于木質(zhì)素含量，其力學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)為較高的抗拉特性。植物護(hù)坡中根對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)依賴于根本身的平均抗拉強(qiáng)度、剪切面上所有發(fā)揮作用的根系總截面積、根與剪切面的夾角、剪切面上發(fā)揮作用的根的數(shù)量。故可以近似把植物根系看做一種柔性的加筋材料[13-15]，也就是說(shuō)可以把根—土復(fù)合體看做一種加筋土。根據(jù)準(zhǔn)黏聚理論[14]可知加筋后的土體對(duì)內(nèi)摩擦角改善較小，對(duì)黏聚力改善較大。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，根—土復(fù)合體符合這一特點(diǎn)，故把根—土復(fù)合體當(dāng)做一種加筋土較為合理，且通常情況下根系的彈性模量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于土壤的彈性模量，所以根—土復(fù)合體可被看做是各向異性的復(fù)合材料[15-18]。土體和根系這2種材料各有優(yōu)勢(shì)，土體的抗壓能力較強(qiáng)但抗剪能力弱，根系的抗拉強(qiáng)度較強(qiáng)但不抗壓，根—土復(fù)合體能夠合理發(fā)揮2種材料的優(yōu)點(diǎn)，有著更好的物理力學(xué)性能[19-21]。

已有研究證明，植物根系對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的提升作用顯著，包括含根量與抗剪強(qiáng)度的相關(guān)關(guān)系，含水量與根效率,但就根效率在不同含水率下的差異性研究較少[10]。本文擬將同時(shí)考慮含水率、含根量對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響，通過(guò)對(duì)不同含水率下不同含根量的根—土復(fù)合體進(jìn)行抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，對(duì)比分析根—土復(fù)合體黏聚力、內(nèi)摩擦角值與含水率、含根量之間的相關(guān)關(guān)系，以期為工程中合理預(yù)估植物根系在高液限土質(zhì)邊坡防護(hù)中的作用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用的土樣取自安徽省望東長(zhǎng)江公路大橋第4施工標(biāo)段K15+780—K15+900路塹高邊坡的高液限土，經(jīng)試驗(yàn)分析得出其天然密度ρ為1.85 g/cm3，天然含水量ω為30.5%，比重Gs為2.75，塑限ωp為33.3%，液限ωl為61.2%,塑性指數(shù)為27.9%，膨脹率為49%。

試驗(yàn)選用的植物為高速公路邊坡常用草本護(hù)坡植物高羊茅(Festucaelata)。高羊茅為禾本科多年生地被植物，莖圓形，直立，粗壯，簇生，是最耐旱和耐踐踏的冷季型草之一，耐蔭性中等，抗逆性好。其適應(yīng)的土壤范圍很廣，常被作為南方山區(qū)高速公路邊坡的防護(hù)植物。試驗(yàn)選取的高羊茅也取自本試驗(yàn)取土的路段，為客土噴播生長(zhǎng)出的人工栽植植被，其生長(zhǎng)期為6 a。

1.2 試樣制備

將取回的原狀土放入110 ℃恒溫烘箱，烘干8 h后將其置于橡皮板上用木碾碾碎，過(guò)2 mm篩，對(duì)過(guò)篩后的土壤含水率進(jìn)行測(cè)量并記錄。將土壤平鋪在不吸水的鐵盤內(nèi)，用噴霧器分層噴灑預(yù)計(jì)的加水量并攪拌均勻，最后裝入不透水的塑料袋中并密封備用。所需加水量為：

(1)

式中：mω——所需加水量(g)；m——當(dāng)次所取的過(guò)篩土質(zhì)量(g)；ω0——土壤過(guò)篩后測(cè)得的含水率(%)；ω1——土樣配置目標(biāo)含水率(%)，本試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)含水率分別取20%，25%，30%，35%，40%，45%。

使用剪刀將高羊茅草根與莖分離，將草根上附著的泥土洗凈后置于陰涼潔凈處風(fēng)干備用。將風(fēng)干后的草根統(tǒng)一剪成45 mm長(zhǎng),然后用游標(biāo)卡尺測(cè)量其直徑，由于草根的直徑沿長(zhǎng)度方向是變化的，因此測(cè)量結(jié)果取兩端和中間數(shù)據(jù)的平均值，測(cè)量發(fā)現(xiàn)13%的根系徑級(jí)在5～6 mm，61%根系在6～7 mm，26%在7～8 mm。然后按照原狀土天然密度(1.85 g/cm3)和各試驗(yàn)組不同含根量要求稱量土樣與草根，由于草根所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)極小(小于等于0.6%)故忽略其對(duì)土樣密度的影響[17]，試驗(yàn)使用的環(huán)刀尺寸統(tǒng)一為內(nèi)徑50 mm，高30 mm。制作試樣時(shí)，分6層布設(shè)土樣，使草根分別布置在試件高度的1/6,2/6,3/6,4/6,5/6處，在環(huán)刀內(nèi)鋪設(shè)首層土并將草根均勻布置于土層上，在布置草根時(shí)盡量保持草根的自然卷曲狀態(tài)并注意在截面方向均勻分布，結(jié)束后再緩慢施加下一層土，使土壤顆粒緩慢地包裹住草根后再施加下一層土，如此循環(huán)直至鋪完最后一層土，隨后將環(huán)刀樣放到壓樣器上壓實(shí)。

1.3 試驗(yàn)儀器和測(cè)試方法

本試驗(yàn)采用的是由浙江省上虞市勘測(cè)土工儀器廠生產(chǎn)的SDJ-IBC型應(yīng)變式電動(dòng)手搖直剪儀。它由剪切盒、垂直加載設(shè)備、剪切傳動(dòng)裝置、測(cè)力計(jì)和位移量測(cè)系統(tǒng)組成，剪切盒分上下盒，上盒通過(guò)量力環(huán)固定于儀器架上，下盒放在能沿滾珠槽滑動(dòng)的底盤上。直剪儀通常采用4個(gè)試件在不同的垂直壓力下，施加剪切力進(jìn)行剪切，求得破壞時(shí)的剪應(yīng)力，土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(內(nèi)摩擦角，黏聚力)由庫(kù)侖定律確定得出。

本試驗(yàn)共分42組，每組4個(gè)土樣。各組土樣分別在100,200,300,400 kPa垂直壓力下進(jìn)行直剪試驗(yàn)。這42組分別為在20%,25%,30%,35%,40%,45%含水率梯度下分別摻入0%,0.1%,0.2%,0.3%,0.4%,0.5%,0.6%質(zhì)量分?jǐn)?shù)高羊茅根系的試樣。為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，每組試驗(yàn)加做2組重復(fù)樣，當(dāng)某組試驗(yàn)數(shù)據(jù)明顯偏離正常范圍時(shí)重新補(bǔ)做該組試驗(yàn)，用所得數(shù)據(jù)代替。最終試驗(yàn)結(jié)果取3次試驗(yàn)的平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

根—土復(fù)合體剪后試樣的剪切面大多數(shù)草根并未被儀器剪斷，也就是說(shuō)其拉抗強(qiáng)度在試樣破壞時(shí)并未完全發(fā)揮出來(lái)，根系對(duì)土體抗剪強(qiáng)度強(qiáng)化作用并不單純依賴其根纖維的抗拉強(qiáng)度，其可能與根系和土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)[18]的相互作用有關(guān)。表1為各組數(shù)據(jù)處理后所得的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)值(c，φ)和相對(duì)于素土組(即含根量為0的試驗(yàn)組)的黏聚力增加值Δc和內(nèi)摩擦角增加值Δφ。

表1 不同含水率、含根量下土樣直剪試驗(yàn)結(jié)果

2.2 數(shù)據(jù)分析

分析素土組試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知受結(jié)合水膜厚度、膠結(jié)物質(zhì)、毛細(xì)水作用等因素影響[14]，在土樣含水率達(dá)到塑限附近時(shí)，黏聚力下降幅度明顯增大。已有研究表明在土中摻加植物根系可以顯著提升其黏聚力，但對(duì)內(nèi)摩擦角的影響較小[9-13]。分析表1數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)在不同的含水率梯度下，根—土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的提升都更多地體現(xiàn)在黏聚力上(圖1)，摻加根系對(duì)內(nèi)摩擦角的提升相對(duì)較小(圖2)。

圖1 素土和摻草根土的黏聚力與含水率的關(guān)系

圖2 素土和摻草根土的內(nèi)摩擦角與含水率的關(guān)系

圖1—2的摻草根組數(shù)據(jù)取自各含水率下最優(yōu)含根量時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果。由表1數(shù)據(jù)及圖1—2可以看出，素土組和加根組在不同含水率下抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的變化趨勢(shì)基本一致，摻加草根后的土體抗剪強(qiáng)度仍隨著含水率的上升而快速下降，但加根組的整體抗剪強(qiáng)度要高于素土組，加固效應(yīng)顯著。從增加值上來(lái)看摻加草根的試樣c值最多增加了37.4 kPa,但內(nèi)摩擦角最多僅提升了2.42°。從增加幅度上來(lái)看，摻加草根的試樣c值最多可較素土試樣提升40.5%，內(nèi)摩擦角增加幅度最多可達(dá)115.8%，但這是在高含水率時(shí)素土內(nèi)摩擦角本來(lái)就不大的情況下，此時(shí)其內(nèi)摩擦角增加值僅有2.35°，根系對(duì)土體的內(nèi)摩擦角的提升作用其實(shí)并不明顯。由以上分析可知，不論在什么含水率情況下，根—土復(fù)合體對(duì)于黏聚力的提升效果都要明顯強(qiáng)于內(nèi)摩擦角。因此本文著重分析了Δc與土樣含水率、含根量的相關(guān)關(guān)系。

植物根系加固土體可以有效抑制高液限土的水敏性，提升土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，本次試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)相比于素土，根—土復(fù)合體的黏聚力提升效果顯著，但內(nèi)摩擦角的增加并不明顯。由圖3可見(jiàn)，不同含水率土樣的Δc值總體均隨著含根量的上升而增加，但到達(dá)一定含根量時(shí)上升趨勢(shì)會(huì)減緩，再增加土樣中的草根含量并不能顯著提升其黏聚力，也就是說(shuō)土樣的黏聚力不會(huì)隨著草根的增多無(wú)限制地增加下去，即存在最優(yōu)含根量[14]。結(jié)果顯示，最優(yōu)含根量與土樣的含水率高低也有著一定相關(guān)關(guān)系，對(duì)于20%和25%含水率的土樣最優(yōu)含根量大致在0.3%附近，對(duì)30%含水率土樣在0.4%附近，35%～45%含水率土樣在0.5%附近(圖3)。

圖3 不同含水率梯度下黏聚力增加值Δc隨含根量的變化趨勢(shì)

圖3也能反映不同含水率情況下，植物根系對(duì)土體抗剪強(qiáng)度提升作用的差異性，由圖3可見(jiàn)，在30%含水率情況下，根—土復(fù)合體的黏聚力提升效果最為顯著，土樣的Δc值有總體隨含水率上升呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)表1數(shù)據(jù)及圖3分析可知Δc值在20%～30%含水率區(qū)間內(nèi)快速提升，隨后在30%～35%急劇下降，最后在35%～45%平緩下降。且在不同含根量情況下均于30%含水率達(dá)到最大值，而此含水率恰好接近土樣的塑性極限值。

3 結(jié) 論

(1) 高羊茅根系雖不能阻止高液限土因含水量上升引起的強(qiáng)度下降，但在不同含水率下都能有效提高土體的抗剪強(qiáng)度，就對(duì)高液限土的水敏性具有有效的抑制作用。

(2) 不同含水率梯度下，草本植物根系對(duì)黏聚力c的提升作用明顯，土樣在添加草根含量達(dá)到最優(yōu)含根量附近時(shí)Δc達(dá)到7.48～35.53 kPa，c值較素土組增幅最多可達(dá)40.5%；在添加草根含量達(dá)到最優(yōu)含根量附近時(shí)Δφ的數(shù)值為0.21°～2.62°，說(shuō)明不管在何種含水率下，摻加草根對(duì)內(nèi)摩擦角φ的提升作用都較小。

(3) 受結(jié)合水膜厚度、膠結(jié)物質(zhì)、毛細(xì)水等影響，高液限土素土在塑限附近時(shí)黏聚力下降幅度明顯增大。摻根組土樣的Δc值隨著含水率的增加呈現(xiàn)先上升后減小的趨勢(shì)，其拐點(diǎn)在土樣塑限值附近，即在土樣含水率達(dá)到塑限值附近時(shí)Δc值也可達(dá)到最大。

(4) 草本植物根系對(duì)高液限土的加固作用與含水率有關(guān)。20%和25%含水率的土樣最優(yōu)含根量大致在0.3%，對(duì)30%含水率土樣在0.4%附近，對(duì)35%～45%含水率土樣在0.5%附近，表現(xiàn)為含水率越高則最優(yōu)含根量越高。

本試驗(yàn)研究表明，高液限土中摻加草本植物根系可顯著抑制其水敏性，使其抗剪強(qiáng)度隨含水率上升而急劇下降的趨勢(shì)得到極大緩解。結(jié)果也表明不同含水率梯度下植物根系所發(fā)揮的作用差異顯著，說(shuō)明在實(shí)際工程中，對(duì)植物根系加固土體的作用不應(yīng)局限在某個(gè)含水率下研究，在理論計(jì)算和數(shù)值模擬中應(yīng)重視含水率變化的影響。本文沒(méi)有對(duì)Δc值隨含水率變化的原因作進(jìn)一步研究分析，今后應(yīng)深化該方面研究，為科學(xué)使用植物防治邊坡水土流失、加固土體提供更多理論依據(jù)。

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Reinforcing Effect of Herb Roots on High Liquid Limit Soil

FANG Shisheng, YAO Xin, TAN Zhangqin, CHEN Haiwei

(SchoolofCivilandHydraulicEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei,Anhui230009,China)

[Objective] The strengthening effect of herbaceous plant root system on the high liquid limit soil was explored to provide the basis for reasonable estimation of the plant root system about the effect of slope protection on the high liquid limit soil.[Methods] Root-soil complexus of tall fescue couch grass root and high liquid limit soil were taken as research object, and the influences of water content and root amount on shearing strength of the complexus were explored through a series of indoor direct shear tests. [Results] The cohesion ability can be greatly improved by adding root system to soil samples, and the internal friction angle was also increased slightly. The reinforcement effect of root system on the soil increased initially with the increase of moisture content, decreased as moisture continued increasing. There existed difference for optimal root amount with regard to reinforcement under different moisture content of the complexus. When soil moisture content was 20%～25%, 30%, and 35%～45%, the optimal root amount was around 0.3%, 0.4%, and 0.5%, respectively. [Conclusion] The herbaceous plant root system can effectively suppress the water sensitivity of high liquid limit soil. There is significant influence on different root systems for different moisture content.

high liquid limited soil; water sensitivity; direct shear tests; correlation of moisture content; root content;shear strength

2016-08-31

2016-11-28

安徽省2013年交通科技進(jìn)步計(jì)劃項(xiàng)目“平原地區(qū)老路改擴(kuò)建一級(jí)公路關(guān)鍵技術(shù)研究”(201360)

方詩(shī)圣(1962—),男(漢族),安徽省岳西縣人,博士,教授,研究方向?yàn)楣こ探Y(jié)構(gòu)分析與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)仿真。E-mail:376787353@qq.com。

A

1000-288X(2017)03-0043-05

U213.1+3， P642