生態(tài)護(hù)坡中根系對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響

蔣希雁，何春曉，周占學(xué)，郭陽陽

(1.河北省土木工程診斷、改造與抗災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 張家口 075000； 2.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

生態(tài)護(hù)坡，是通過種植植物，利用植物與巖、土體的相互作用(根系錨固作用)對(duì)邊坡表層進(jìn)行防護(hù)、加固，是一種有效的護(hù)坡、固坡方式。邊坡植物不僅可減少地面徑流，防止沖刷，有利于水土保持，而且可為各種小動(dòng)物、微生物的生存繁殖提供場(chǎng)所，有助于逐漸形成完整的生物鏈，使當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境逐漸恢復(fù)[1]。植物根系是生態(tài)護(hù)坡形式的關(guān)鍵，對(duì)增加坡面淺層穩(wěn)定性起著重要作用。

我國從20世紀(jì)90年代開始進(jìn)行了大量的生態(tài)護(hù)坡研究，這些研究主要集中在根系的固土作用等方面，主要表現(xiàn)在對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度的提高上[2]。如：趙麗兵、胡其志等[3-4]通過室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行了草根加筋的復(fù)合土體力學(xué)效應(yīng)試驗(yàn)研究，表明復(fù)合土體遵循摩爾-庫侖準(zhǔn)則。封金財(cái)?shù)萚5-9]通過研究驗(yàn)證了在其他條件一定的情況下，根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度會(huì)隨著土體中根系含量的增加而增大,隨含水量增大而減小；草本植物根系對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的增加作用主要體現(xiàn)在黏聚力上，而對(duì)內(nèi)摩擦角的影響較小。張峰等[10]基于常規(guī)三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)探究植被須根含量和含水量對(duì)重塑非飽和粉質(zhì)黏土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響規(guī)律，得出植被須根可以提高土體的抗剪強(qiáng)度，在最優(yōu)含水率條件下抗剪強(qiáng)度最大的結(jié)論。此外，有關(guān)植物根土復(fù)合體中根系數(shù)量對(duì)根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的影響，國內(nèi)外諸多學(xué)者亦不同程度地開展了研究。

張家口市位于河北省西北部，地處東經(jīng)113°50′～116°30′、北緯39°30′～42°10′,海拔1 300～1 600 m,多年平均氣溫7.8 ℃。目前對(duì)張家口地區(qū)生態(tài)護(hù)坡的研究還比較少。為此，我們采用常規(guī)不固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)，研究張家口某高速公路路堤生態(tài)邊坡不同含水率和含根量對(duì)根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的影響，以期為該地區(qū)生態(tài)護(hù)坡理論提供一定的依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料選取與制備

1.1 試驗(yàn)材料

選取張家口某公路路堤狗尾草生態(tài)邊坡進(jìn)行試驗(yàn)，邊坡表面覆蓋生長茂密的狗尾草。狗尾草在張家口路堤邊坡等地方尤為常見，其根系為須根系。選取植被較密的草皮，去掉土層上面的莖葉，挖取大塊帶根黏性土若干，同時(shí)在相同地點(diǎn)挖取大塊不帶根土若干。通過測(cè)定含水率，得知根土復(fù)合體含水率與素土含水率相差不大，可直接在素土中加根進(jìn)行試驗(yàn)。把根土復(fù)合體中的狗尾草根取出，為消除試驗(yàn)過程中根系含水率的影響，將根系自然風(fēng)干至質(zhì)量不再變化。將素土過2 mm的篩，然后把篩過后的土烘干備用。路堤邊坡土壤的性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 路堤邊坡土壤的性質(zhì)指標(biāo)

1.2 試樣制備

進(jìn)行不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)，需用烘干土加水制備不同含水率的試樣，所加水量計(jì)算公式為

(1)

式中：mw為土樣所需加水量，g；m為烘干后的土樣質(zhì)量，g；ωh為烘干含水率，%；ω為土樣所要求的含水率，%。

試樣直徑39.1 mm，高度80 mm。將風(fēng)干的根剪成2 cm長的小段，然后將剪斷的根分別按烘干土質(zhì)量的0.1%、0.2%、0.3%、0.4%進(jìn)行配比，配置含水率為9%、11%、13%、15%的根土復(fù)合體，將根土復(fù)合體進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁垢鶆蚧旌希總€(gè)試樣的含根量基本相同。

為了更好地探究含根量對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響，每組根土復(fù)合體取5個(gè)試樣，分別在50、100、150、200、250 kPa的圍壓下進(jìn)行靜三軸不固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)；素土取4個(gè)試樣，分別在50、100、150、200 kPa的圍壓下進(jìn)行靜三軸不固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)。加載速率0.8 mm/min，當(dāng)測(cè)力計(jì)讀數(shù)出現(xiàn)峰值時(shí)，剪切應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行至超過5%的軸向應(yīng)變?yōu)橹梗划?dāng)測(cè)力計(jì)讀數(shù)無峰值時(shí)，剪切應(yīng)進(jìn)行到軸向應(yīng)變的15%～20%結(jié)束。土體抗剪強(qiáng)度公式為

τf=c+σtanφ

(2)

式中：τf為土體抗剪強(qiáng)度，kPa；c為黏聚力，kPa；σ為法向應(yīng)力，kPa；φ為內(nèi)摩擦角，(°)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

不同含水率、含根量情況下抗剪強(qiáng)度指標(biāo)見表2。由表2可以看出：根系的存在，使土的黏聚力明顯增大，增量為4.99～81.52 kPa；而內(nèi)摩擦角增量較小，其值在-2.74°～2.32°之間。因此，可以認(rèn)為根系的存在對(duì)內(nèi)摩擦角影響較小，可以忽略，根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的提高主要體現(xiàn)在黏聚力的增大上。

本試驗(yàn)以含水率和含根量作為土體抗剪強(qiáng)度的影響因素進(jìn)行分析和探究。剪切試驗(yàn)土體破壞時(shí)，以最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力和的一半為圓心，最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力差(主應(yīng)力差)的一半為半徑繪制各法向應(yīng)力情況下的摩爾應(yīng)力圓，求得各圓的公切線即為抗剪強(qiáng)度包線。通過試驗(yàn)計(jì)算得到了在不同含根量和含水率條件下的主應(yīng)力差-軸向應(yīng)變曲線。由于不同含水率條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線類似，故只以含水率9%為例，見圖1、2。

表2 各土樣抗剪強(qiáng)度

圖1 含水率9%素土應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖2 含水率9%含根量0.1%根土復(fù)合體應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖1、2可知，在含水率相同的情況下，土的主應(yīng)力差隨著圍壓的增大而增大，主應(yīng)力差隨軸向應(yīng)變?cè)谠囼?yàn)開始時(shí)呈直線上升，隨著應(yīng)變的增加主應(yīng)力差增量逐漸減小，大約在軸向應(yīng)變?yōu)?%處出現(xiàn)峰值，然后隨著應(yīng)變的增加，試件破壞。

從圖3中可以看出，在含水率、圍壓相同的情況下，根土復(fù)合體的主應(yīng)力差明顯大于素土，隨著含根量的增加，加筋效果更明顯，含根量0.4%的根土復(fù)合體比素土的主應(yīng)力差增加了300 kPa，可見加根能明顯提高土的抗剪強(qiáng)度。

圖3 圍壓為50 kPa、含水率為9%時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

從圖4中可以看出，在含根量、圍壓相同的情況下，隨著含水率的提高，土的主應(yīng)力差呈下降趨勢(shì)，含水率越高下降越明顯，在含水率相差2百分點(diǎn)的情況下主應(yīng)力差差值最大能達(dá)到300 kPa，可見含水率能夠顯著影響抗剪強(qiáng)度。

圖4 圍壓為50 kPa、含根量為0.1%時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖5可以看出，在含水率相同情況下，隨著含根量的增加黏聚力逐漸增加，黏聚力與含根量成正相關(guān)關(guān)系，含水率為9%時(shí)隨含根量增加黏聚力的增加尤為顯著。在含根量相同情況下，黏聚力隨著含水率的增加而減小，含水率越高黏聚力越小，含水率在9%～13%時(shí)黏聚力對(duì)含水率最為敏感，含水率在13%～15%時(shí)黏聚力敏感性下降。通過數(shù)值回歸分析，得到黏聚力與含根量之間的關(guān)系式，見表3。

圖5 黏聚力-含根量擬合關(guān)系

由圖6可知，在相同含水率情況下，隨著含根量的增加黏聚力增加；在相同含根量下，隨著含水率的增加黏聚力呈下降趨勢(shì)，黏聚力與含水率對(duì)數(shù)成反比。

表3 黏聚力與含根量的關(guān)系式

圖6 黏聚力-含水率擬合關(guān)系

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因，是含水率的增加使得結(jié)合水膜變厚，土體之間的膠合作用降低使得黏聚力下降，而根系的牽引作用在剪切中約束了土體的變形，在一定程度上降低了黏聚力的下降。通過擬合得到黏聚力與含水率之間的關(guān)系式，見表4。

表4 黏聚力與含水率的關(guān)系式

2.2 根系加筋效應(yīng)公式建立

通過以上分析可以得出，含根量對(duì)內(nèi)摩擦角的影響較小，可以忽略不計(jì)。為了更好地研究植被根系對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響，引入黏聚力增量(Δc)的概念，得到黏聚力增量與含根量的關(guān)系圖，見圖7。

圖7 黏聚力-含根量增量擬合關(guān)系

由圖7可知，隨著含根量的增大黏聚力明顯增大，不同含水率情況下增加的幅度不相同，11%、13%、15%含水率情況下隨含根量的增大黏聚力的增加幅度不大，而9%含水率時(shí)隨含根量的增大黏聚力的增加幅度明顯，表明土體在9%含水率時(shí)較敏感。通過擬合得到黏聚力增量與含根量的關(guān)系式，見表5。

表5 黏聚力增量與含根量的擬合函數(shù)表達(dá)式

由表5可得根土復(fù)合體的黏聚力表達(dá)式，見表6。

表6 根土復(fù)合體黏聚力表達(dá)式

通過分析可得抗剪強(qiáng)度與含根量之間的關(guān)系為

τf=c+σtanφ=c0+a+bx+σtanφ

(3)

式中：τf為土體抗剪強(qiáng)度，kPa；c0為素土黏聚力，kPa；a、b為模型系數(shù)，與根系種類、分布、含水率有關(guān)；σ為土體剪切面上法向應(yīng)力，kPa；φ為內(nèi)摩擦角，(°)；x為含根量，%。

由式(3)知抗剪強(qiáng)度與含根量成線性正相關(guān)，因此在一定條件下，只要給定了含根量和含水率就能初步計(jì)算出抗剪強(qiáng)度，這為本地區(qū)生態(tài)護(hù)坡提供了理論支持。

3 結(jié) 論

采用靜三軸不排水不固結(jié)試驗(yàn)測(cè)定不同含根量、不同含水率對(duì)公路路堤邊坡重塑粉質(zhì)黏土抗剪指標(biāo)的影響，結(jié)果表明：

根土復(fù)合體與素土的應(yīng)力-應(yīng)變變化趨勢(shì)相同，說明摩爾-庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則同樣適用于根土復(fù)合體，主要差別體現(xiàn)在黏聚力的不同，素土和根土復(fù)合體均大約在軸向應(yīng)變2%處出現(xiàn)主應(yīng)力差峰值，然后逐漸趨于破壞。

通過根土復(fù)合體與素土的比較發(fā)現(xiàn)，根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度明顯大于素土，說明根能起到加筋作用，能夠用來約束土體變形，增加抗剪強(qiáng)度。

加根能夠增加黏聚力，但是加根后內(nèi)摩擦角變化幅度不大，說明加根對(duì)內(nèi)摩擦角影響較小。

比較不同含水率的試樣發(fā)現(xiàn)，隨著試樣含水率的提高，黏聚力呈下降趨勢(shì)，因?yàn)殡S著含水率的增加，結(jié)合水膜變厚，土體之間的膠合作用降低使得黏聚力下降。

在一定條件下黏聚力和含根量呈線性正相關(guān)，和含水率對(duì)數(shù)呈反比，即在一定條件下隨著含水率增大黏聚力降低。通過擬合得到根系加筋效應(yīng)公式τf=c0+a+bx+σtanφ，即在一定條件下，只要給定含水率和含根量就能初步計(jì)算出抗剪強(qiáng)度。