植草根系的加筋效果及機理研究
2021-10-11 00:49:32郝嘉陽許朝陽
山西建筑 2021年20期
郝嘉陽,許朝陽
(1.北京新東方揚州外國語學校，江蘇 揚州 225006； 2.揚州大學建筑科學與工程學院，江蘇 揚州 225009)
1 概述
利用植物護坡避免滑坡或水土流失，在土木和環境工程中得到越來越多的推廣。國內外的學者們也對植物護坡進行了一系列的研究，鄭啟萍等[1]對不同含根量的重塑根土復合體進行直剪試驗，得出在相同含水率和密度條件下，土體的抗剪強度和粘聚力隨含根量的增加而增加。陳昌富等[2]通過三軸試驗研究了草根加筋土抗剪強度的變化規律及筋材的加筋機理。言志信等[3]將土壤與植物根系之間的相互作用歸結為附著粘結型、摩擦型和剪切型三種模式，并指出草本植物根系通過根土之間的摩擦作用將邊坡滑動面上的剪切應力轉化為根的拉應力。吳宏偉等[4]采用離心機模型試驗和人造根，模擬了不同形狀根系的力學加筋作用，揭示了根系形狀對邊坡的變形與破壞機理的影響。
前人的研究主要探究了根系形狀、含量對提高土坡穩定的影響，而實際根系的加筋作用受根系特性影響明顯，原狀根土與重塑根土間的受力性能差別較大，但目前研究較少。本試驗對原狀根系土和重塑根系土進行直剪試驗，比較兩種土樣的抗剪強度，并分析根土之間相互作用的機理。
2 剪切試驗
2.1 試樣制作
本試驗土體取自揚州沿江典型粉土，原狀粉土的性質見表1。試驗采用應變控制式直剪儀，試驗根系主要采用當地最常見的巴根草根系，巴根草根系為木質須根，根常系發達，固坡性能優異，在護坡工程中較常采用，根據根直徑將其分為極細根(<1 mm)，細根(1 mm～2 mm)，中根(2 mm～5 mm)，粗根(>5 mm)[5]，本試驗測得巴根草根系多為細根，較少為中根和粗根，試樣直接用環刀在野外取樣。
表1 原始粉土的主要物理性質
2.2 試驗方案
采用應變控制試直剪儀進行快剪試驗。首先選取不同含根量原狀試樣各一組，測定其抗剪強度。然后對直剪試驗破壞后的試樣進行根土分離，再進行重塑，盡量保持根系的原有形貌與走向，得到含根重塑試樣，分別測定其抗剪強度。最后，測定無根重塑土的抗剪強度，以與前面的試驗結果形成比較。
為計算加筋作用與含根量的關系，引入根質量加筋率，由式(1)計算。
(1)
其中，Rt為土樣根質量加筋率；mr為土樣中根系總質量；ms為土樣的干土質量。
根據加筋率和試驗結果，試樣大致分為三組：A組試樣根質量加筋率較小：Rt<0.2%，B組試樣的根質量加筋率：0.2%
3 試驗結果分析
3.1 巴根草試樣試驗結果
選取巴根草試樣進行快剪試驗，依照含根質量的不同，土樣的剪應力(τ)—剪切應變(s)關系曲線如圖1所示。
比較圖1不同含根量土樣在不同垂直壓力條件下的τ—s關系曲線，對于Rt<0.2%A組試樣，如圖1(a)～圖1(d)所示，其共同特征是含根原狀土、含根重塑土和無根重塑土的殘余應力趨于一致。對于0.2%
3.2 原因分析
為了更直觀地研究根系與根周土體之間的相互作用，采用了數碼電子顯微鏡對直剪破壞土樣中的根系進行了觀察，觀察發現，一些土壤顆粒或附著于根毛之上，與根系表面紋理相互嵌合，或被極細根穿插裹挾,如圖2所示，故根系表面的觸須可膠結土顆粒，根土間存在復雜的生物化學作用。
對于A組試樣，由于含根率低，根系的加筋作用不明顯，故原狀土和重塑土的最終殘余強度趨于一致。對于C組試樣，經挖開觀察發現，根系密集處，根土反而呈松散狀態，故過高的含根量破壞了土體骨架的結構性，說明根系加筋體系中，土骨架提供主要的抗剪強度，根系起束縛增強作用，故而當含根重塑土樣在重塑后，由于根系聚集處被擠入填充進一些土壤，形成了根土復合體結構，其殘余應力反而高于原狀土。對于含根量適中的B組試樣，根系構成了土骨架的筋骨，緊密地將土體束縛住。受剪時，原狀土一方面利用網絡作用增強土體的整體性，另一方面根土間的生物化學作用，可進一步增強根土復合體的抗剪強度，故原狀土強度最高，含根重塑土利用根土復合結構，其抗剪強度和殘余強度較無根土均增大。
4 結語
對含巴根草根原狀粉土以及其重塑土進行直剪試驗，并對根系進行仔細觀察，得到以下結論：根系的加筋效果和根系的含根量關系密切。一方面，根土間存在復雜的生物化學作用，使得根和粉土細粒間相互嵌合、包裹和吸附，并增大了根土間的接觸面積；另一方面，根系的空間網狀結構可將土骨架束縛成一個更為穩固的整體，從而提高土體抗剪強度。對于中粗根系，當根質量加筋率較小(試驗中Rt<0.2%)時，根系的加筋增強作用不明顯；當根質量加筋率適量時，根土間的生物化學作用和根系的網狀結構，對土體加筋作用明顯，使得抗剪強度和殘余強度的排序為原狀土>重塑含根土>重塑無根土；當根質量加筋率較多(試驗中Rt>1%)時，密集的中粗根反而導致土壤原狀結構破壞，土體強度降低。
