基于人工根材的植被混凝土根-土復(fù)合體室內(nèi)直剪試驗(yàn)

李 燦, 周海清,2, 趙尚毅, 劉 燦, 熬貴勇

(1. 陸軍勤務(wù)學(xué)院 巖土力學(xué)與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 401331;2. 重慶科技學(xué)院 建筑工程學(xué)院, 重慶 401331; 3. 中建隧道建設(shè)有限公司, 重慶 401147)

植被混凝土最初由許文年等[1]提出,主要用于巖質(zhì)邊坡的綠化與生態(tài)恢復(fù)[2].植被混凝土的核心是加入水泥配置植生基材,同時(shí)配以有機(jī)質(zhì)、微量添加劑后拌和均勻,液壓噴射于坡面上.水泥能使基材硬化[3],同時(shí)具備一定強(qiáng)度,能夠附著于裸露的巖質(zhì)坡面上.植被混凝土中的植物種子經(jīng)過(guò)合理養(yǎng)護(hù)后,能在坡面形成有規(guī)模的草本植物[4],根系也逐漸發(fā)育,進(jìn)一步增加植被混凝土的抗剪強(qiáng)度.

目前,針對(duì)根系加強(qiáng)植被混凝土抗剪強(qiáng)度的作用機(jī)理研究較少,大多學(xué)者集中于不同根材和不同根系排列方式的研究,對(duì)根系所處基材研究較少.也有學(xué)者展開(kāi)過(guò)植被混凝土基材下的根-土復(fù)合體研究,如黃曉樂(lè)等[5-6]通過(guò)對(duì)含有狗牙根和紫花苜蓿的植被混凝土進(jìn)行直剪試驗(yàn),分析了基材上不同深度的根-土復(fù)合體基材抗剪強(qiáng)度分布規(guī)律和根系的分形特征,結(jié)果表明基材黏聚力隨土層深度、基材強(qiáng)度隨根系分形維數(shù)增加都呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì).但是自然狀態(tài)下根系交錯(cuò),分形復(fù)雜,難以量化根系對(duì)土體抗剪強(qiáng)度增強(qiáng)的效果.

鑒于此,本文設(shè)計(jì)規(guī)律的根系密度和排列方式,用以量化根系對(duì)植被混凝土抗剪強(qiáng)度的增強(qiáng)作用.量化結(jié)果對(duì)深入了解根系加強(qiáng)植被混凝土抗剪強(qiáng)度作用機(jī)理有較大幫助,在一定程度上能夠指導(dǎo)植被混凝土技術(shù)范圍內(nèi)的工程實(shí)踐.

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

植被混凝土主要由土、有機(jī)質(zhì)、水泥組成.試驗(yàn)用土常規(guī)物性指標(biāo)如表1所示;有機(jī)質(zhì)采用干木屑,用量為干土質(zhì)量的6%;水泥采用重慶小南海水泥廠生產(chǎn)的 P·O 425普通硅酸鹽水泥,該水泥各項(xiàng)指標(biāo)均合格,用量為干土質(zhì)量的8%.

表1 土樣常規(guī)物性指標(biāo)Table 1 The physico-mechanical indexes of soil sample

根系材料采用人工制備的方法,將木條裁剪成直徑1 mm、高25 mm的小木條,并在熱水中浸泡48 h,中途需多次更換熱水,以確保浸泡后小木條變得柔軟,抗彎強(qiáng)度大幅度降低,與真實(shí)根系相近,僅具備拉伸和剪切強(qiáng)度,浸泡后的木條如圖1所示.

圖1浸泡后的小木條
Fig.1Smallwoodenstripaftersoaking

1.2 根系密度

目前,對(duì)于根系密度的定量分析的方法主要有:根長(zhǎng)密度(m·m-3),即單位體積內(nèi)根的總長(zhǎng)度[7];根體積比,即根與根-土復(fù)合體體積之比[8];根質(zhì)量密度(g·m-3),即單位體積內(nèi)根的質(zhì)量[9];根截面比,即根與根-土復(fù)合體橫截面積之比[10].本文采用較為常用的根截面比(root area ratio,RAR)來(lái)評(píng)價(jià)根系密度.采用規(guī)律的圓形對(duì)稱方式布置根系,分別布置5、7、9根,布置平面圖如圖2所示.環(huán)刀面積30 cm2,根直徑1 mm、高20 mm,根據(jù)RAR的定義算出含有不同根數(shù)量的具體RAR值,根的數(shù)量為5、7、9根時(shí)分別對(duì)應(yīng)的RAR值為0.001 31、0.001 83、0.002 36.

圖2根系分布示意圖
Fig.2Rootdistributiondiagram

1.3 制樣方法與過(guò)程

首先用占干土質(zhì)量8%的水泥和占干土質(zhì)量6%的干木屑配置植被混凝土,然后按照含水率20%加入對(duì)應(yīng)水量,浸潤(rùn)2 h,使用調(diào)土工具拌和均勻,按照干密度1.5 g·m-3計(jì)算每個(gè)環(huán)刀土樣所需的質(zhì)量,在環(huán)刀內(nèi)加入對(duì)應(yīng)質(zhì)量的土后,利用壓實(shí)設(shè)備壓實(shí).

壓實(shí)后準(zhǔn)備布置根系,此時(shí)環(huán)刀仍包裹土樣,主要防止布置根系時(shí)土樣破損和后續(xù)二次壓實(shí)的需要.為了更加準(zhǔn)確地定位根系,事先制作定位靶紙,將靶紙放在環(huán)刀頂面,如圖3a所示,然后使用細(xì)針在對(duì)應(yīng)位置制作略小于1 mm的孔洞(如圖3b所示).在孔洞位置插入事前準(zhǔn)備好的人造根系,插入時(shí)需小心,完全插入后,將裸露在環(huán)刀土樣外的部分剪掉,如圖3c所示.最后,再將環(huán)刀土樣放到壓實(shí)設(shè)備中進(jìn)行二次壓實(shí),以保證根系與土體的緊密接觸.

圖3 根-土復(fù)合體制作過(guò)程Fig.3 Root-soil composite manufacturing process(a)—定位靶紙; (b)—制作孔洞; (c)—最終土樣.

將制備好的土樣放入保濕缸中養(yǎng)護(hù).考慮到養(yǎng)護(hù)過(guò)程中水泥會(huì)逐漸增強(qiáng)土體的抗剪強(qiáng)度,養(yǎng)護(hù)時(shí)間的確定十分關(guān)鍵.根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),植被混凝土施工30 d后即有草本植物長(zhǎng)出,60 d后植被生長(zhǎng)基本穩(wěn)定,同時(shí)植被混凝土和水泥土、結(jié)構(gòu)性土[11]具有相似的力學(xué)特性,根據(jù)文獻(xiàn)[12],水泥土養(yǎng)護(hù)60 d后強(qiáng)度增長(zhǎng)極其緩慢,養(yǎng)護(hù)90 d后強(qiáng)度基本穩(wěn)定.結(jié)合兩者,最終確定養(yǎng)護(hù)時(shí)間為60 d.

1.4 室內(nèi)直剪試驗(yàn)

室內(nèi)直剪試驗(yàn)采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的ZJ型應(yīng)變控制直剪儀,控制剪切速度為0.8 mm·min-1,量力環(huán)率定系數(shù)C=4.59 N·(0.01 mm)-1,即C=459 N·mm-1.每0.2 mm(即半個(gè)手輪)記錄1次位移數(shù)據(jù).土樣分別在50、100、150、200 kPa垂直壓力下進(jìn)行剪切,每組試驗(yàn)共2個(gè)土樣,重復(fù)剪切2次,取平均值作為最終試驗(yàn)數(shù)據(jù).

室內(nèi)直剪試驗(yàn)剪應(yīng)力計(jì)算公式為

(1)

式中:τ為試樣所受的剪應(yīng)力,kPa;C為量力環(huán)率定系數(shù),N·(0.01 mm)-1;R為量力環(huán)百分表讀數(shù),0.01 mm;A0為環(huán)刀試樣底面積,cm2.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線

繪制不同根截面比在不同垂直壓力下的剪應(yīng)力-剪切位移曲線, 如圖4所示. 每組試樣都出現(xiàn)了不同程度的應(yīng)變軟化, 即曲線達(dá)到峰值強(qiáng)度后迅速下降, 隨后達(dá)到較穩(wěn)定狀態(tài). 出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是植被混凝土基材中含有水泥, 水泥的硬化作用使根-土復(fù)合體在破壞時(shí)呈脆性狀態(tài). 隨著垂直壓力的增加, 剪應(yīng)力呈現(xiàn)一定規(guī)律的增加.

圖4 相同根截面比的根-土復(fù)合體在不同垂直壓力下的剪應(yīng)力-位移曲線圖Fig.4 Shear stress-displacement curves of root-soil composites with same RAR under different vertical pressure(a)—RAR=0; (b)—RAR=0.001 31; (c)—RAR=0.001 83; (d)—RAR=0.002 36.

為了更好地分析在同一垂直壓力下,不同根截面比試樣的剪應(yīng)力變化趨勢(shì),繪制曲線如圖5所示.在任意垂直壓力下,不含有根系的植被混凝土(RAR=0)試驗(yàn)曲線峰值點(diǎn)明顯都低于其他曲線;隨著RAR的增加,根-土復(fù)合體的峰值強(qiáng)度有所增加,但是增加幅度有限.在曲線彈性階段,不含有根系的植被混凝土斜率最小,剪應(yīng)力增加速度最慢;隨著RAR的增加,斜率增大,說(shuō)明剪應(yīng)力增加速度與RAR呈正相關(guān).3種不同根截面比下的曲線差異較小,但是在垂直壓力為100 kPa時(shí)此種規(guī)律不明顯,說(shuō)明隨著根系含量的增多,根-土復(fù)合體的剛度增加,側(cè)面反映出土體抗剪強(qiáng)度的提高.

2.2 黏聚力與內(nèi)摩擦角的變化分析

通過(guò)擬合同一根截面比根-土復(fù)合體的峰值強(qiáng)度與垂直壓力的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)兩者線性相關(guān),符合摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則的抗剪強(qiáng)度公式

τf=c+σtanφ.

(2)

式中:τf為剪切破裂面上的剪應(yīng)力,即土的抗剪強(qiáng)度,kPa;c為土體黏聚力,kPa;φ為土體內(nèi)摩擦角,(°);σ為破壞面上的法向應(yīng)力,kPa.

圖6為不同根截面比根-土復(fù)合體峰值強(qiáng)度與垂直壓力的擬合曲線, 圖中截距代表黏聚力數(shù)值, 斜率代表內(nèi)摩擦角的tan值; 擬合公式如式(3)所示. 根據(jù)式(2)可推算出不同根截面比下的根-土復(fù)合體的黏聚力和內(nèi)摩擦角, 見(jiàn)表2.

圖5 不同根截面比的根-土復(fù)合體在同一垂直壓力下的剪應(yīng)力-位移曲線圖Fig.5 Shear stress-displacement curves of root-soil composites with different RAR under same vertical pressures(a)—垂直壓力=50 kPa; (b)—垂直壓力=100 kPa; (c)—垂直壓力=150 kPa; (d)—垂直壓力=200 kPa.

圖6 不同根截面比根-土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度-垂直壓力關(guān)系

(3)

通過(guò)計(jì)算根-土復(fù)合體相對(duì)于不含有根系的植被混凝土的抗剪強(qiáng)度增加率,發(fā)現(xiàn)黏聚力增加效果明顯,RAR=0.001 31的根-土復(fù)合體黏聚力相比于素植被混凝土增加了17.91 kPa,增加率為26.7%;RAR=0.002 36的根-土復(fù)合體黏聚力相比于素植被混凝土增加了23.4 kPa,增加率為34.9%.說(shuō)明含有根系的植被混凝土黏聚力增加明顯,增加范圍在25%～35%之間,若繼續(xù)增加根系密度,黏聚力還會(huì)繼續(xù)增加,但其增加還需要進(jìn)一步試驗(yàn)研究.

表2 不同根截面比的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)Table 2 Shear strength index of different RAR

植被混凝土與根-土復(fù)合體內(nèi)摩擦角增加效果不明顯,3種不同根截面比的根-土復(fù)合體分別增加了1.021°、1.346°和1.930°,相比于素植被混凝土而言,最高增加率為6.6%.說(shuō)明根系增強(qiáng)植被混凝土抗剪強(qiáng)度主要體現(xiàn)在黏聚力上,對(duì)內(nèi)摩擦角影響甚微,這也與多位學(xué)者在研究其他基材下的根-土復(fù)合體抗剪特性得出的結(jié)論相似[13-14].

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)人工根材下的植被混凝土根-土復(fù)合體進(jìn)行室內(nèi)直剪試驗(yàn),分析試驗(yàn)結(jié)果主要得出以下結(jié)論.

1) 植被混凝土根-土復(fù)合體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈應(yīng)變軟化特性,在同一垂直壓力下, 峰值強(qiáng)度與RAR呈正相關(guān). 曲線彈性段斜率變化規(guī)律說(shuō)明根-土復(fù)合體剛度隨著根截面的增加而增加, 側(cè)面表明RAR增加能夠提升土體的抗剪強(qiáng)度.

2) 植被混凝土根-土復(fù)合體在同一RAR下,峰值強(qiáng)度與垂直壓力符合線性關(guān)系,線性擬合的決定系數(shù)R2>0.98,說(shuō)明植被混凝土根-土復(fù)合體符合摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則.

3) 根系能夠明顯增強(qiáng)植被混凝土的抗剪強(qiáng)度,其中黏聚力增加效果較為明顯,相比于素植被混凝土,RAR=0.002 36時(shí),黏聚力增加最多,為23.4 kPa,黏聚力增加率為34.9%;內(nèi)摩擦角增加效果不夠顯著,最高增加1.93°,增加率為6.6%.