基于CT掃描植物根-土復合體直剪試驗研究★

楊 釗，黃 婧

(凱里學院建筑工程學院,貴州 凱里 556011)

0 引言

近年來,在基建工程中產生了大量的人工邊坡,破壞了地表原有的植被與生態環境。相較于傳統的邊坡防護模式,采用植被護坡技術兼具固土護坡與修護生態的作用,主要通過根系來增強邊坡的穩定性[1],因此,探究根系的固土機理是十分必要的。

關于植物根系的固土機理研究,國內外學者主要從試驗與理論分析等方面展開研究。研究人員基于試驗研究建立了植物根-土相互作用機理,形成了根系固土的理論基礎“加筋土理論”[2-3]。不同根系形態對土壤的加固機制研究人員也展開了積極的探究,Preston等對植被根的形態分布及根土復合體的抗剪強度進行了一定的探索,表明根系形態對抗剪強度有較大影響[4]。孔綱強等[5]采用透明土探究了不同根系形態與根-土復合體的剪切強度關系,表明混合分布形態下根系增強效應最明顯。同時,不同種類植被、不同根系形態及埋根方式,也在不同程度上影響植被根系的固土阻裂效果[6]。周成等[7]通過直剪試驗和無側限膨脹試驗,結果表明:在不同初始含水率時的膨脹力和抗剪強度指標各不相同。馮國建等[8]、陳麗華等[9]植物根系的拉拔試驗,探究了根系抗拉強度與其分布特征的關系。其他學者也通過數值模擬[10-11]等方法對植物根系的固土機理展開了研究,取得了不錯的成效。然而,植物根系在土壤中的形態與分布是極其復雜的,對于原狀土的測試又缺少有效的手段,這增加了對其研究的難度,而上述研究成果中采用CT實時掃描技術進行根-土復合體的力學性能的研究較少。

因此,本文采用CT掃描技術,通過CT掃描大型直剪試驗探究植物根系固土作用的力學特性、剪切裂縫的發展特征,以期為植物根系固土護坡的作用機理研究提供參考。

1 試驗材料及方案

1.1 試驗設備及材料

本次試驗選用構樹、刺槐、枸杞作為研究對象,這三種植物具有適應性強、耐干旱與貧瘠、根系較長且均勻等優點,選用直徑為2 mm～5 mm的新鮮側根進行試驗。直剪儀器為大型應力控制直剪儀,剪切盒尺寸為:長200 mm,寬200 mm,高150 mm,主要由加載與測量系統組成。水泥為42.5級普通硅酸鹽水泥,試驗土樣為粉質黏土,土樣的基本性質如表1所示。

表1 土壤的基本參數

1.2 試驗方案設計

直剪試驗采用重塑土試樣,將土樣曬干碾碎后過5 mm篩,放入105 ℃烘箱中靜置24 h。將水泥與土攪拌均勻后加水配置成含水率(質量分數)為18.74%的重塑土,并密封靜置24 h使其充分潤濕。每個試樣稱量10.6 kg的重塑土,分三層加入制樣容器中,將6條根系均勻地放入制樣容器中,使其與制樣容器底部接觸并豎直固定,土樣分批填滿后進行壓實,待養護7 d后進行剪切。直剪試驗一共設置5組試樣,分別命名為T-1(純土樣),T-2(6%水泥土樣),T-3(6%水泥的構樹根土樣,平均根徑3.46 mm,根長14.7 cm),T-4(6%水泥的刺槐根土樣,平均根徑3.52 mm,根長14.4 cm),T-5(6%水泥的枸杞根土樣,平均根徑3.66 mm,根長14.6 cm)。試樣分別在50 kPa,100 kPa和150 kPa的垂直壓力下進行剪切,試驗過程中由電腦全程記錄數據,以峰值剪應力值作為試樣的抗剪強度。

CT掃描直剪試驗采用T-2,T-3試樣在50 kPa垂直壓力下進行,在剪切試驗過程的前、中、后期掃描試樣的變形情況,截取縱向剖面CT圖進行分析。

2 試驗結果與分析

2.1 根-土復合體剪應力-位移關系分析

通過直剪試驗得到各試樣在不同垂直壓力下的剪應力-位移曲線和抗剪強度曲線如圖1所示。由圖1(a)—圖1(e)可知,各試樣在剪切過程中均表現為塑性破壞特征,即達到峰值剪應力后隨著剪切位移的增加剪應力迅速下降,并趨于平衡土體即失去承載力;由圖1可知,含根試樣T-3,T-4,T-5的殘余強度均高于未含根試樣T-1與T-2,說明根系有利于提高試樣內部土顆粒的咬合作用。

水泥及根系對試樣剪切變形的影響:對比圖1(a)—圖1(e)中各試樣的剪應力-位移關系圖可知,在相同垂直壓力下,T-2,T-3,T-4,T-5試樣峰值應力所對應的剪切位移明顯高于T-1(不含水泥),如在50 kPa壓力下,T-2—T-5試樣峰值應力所對應的位移分別為4.82 mm,6.04 mm,5.76 mm,5.23 mm,較T-1試樣(4.12 mm)分別增大了17.0%,46.6%,39.8%,26.9%,說明試樣中摻入6%的水泥能夠顯著提高土樣的剪切變形能力,因為水泥作為膠凝材料,在凝結初期能夠有效地提高土壤內部顆粒黏結性,從而提高剪切變形能力。對比T-3—T-5試樣可知,在相同垂直壓力下T-3試樣(含構樹根)的變形能力較好。

2.2 不同根系與試樣強度的關系分析

由圖1(f)可知,在相同條件下隨試樣編號的增加抗剪強度呈先增后降的變化,T-3,T-4,T-5試樣的抗剪強度明顯大于T-1,T-2試樣,其中T-3的抗剪強度最大;如100 kPa壓力下,含根試樣T-3,T-4,T-5的抗剪強度分別為32.3 kPa,25.4 kPa,22.4 kPa,較未含根試樣T-2(17.1 kPa)分別增大了88.3%,48.5%,31.0%,說明試樣中摻入三種植物根系均能在一定程度上增強土樣的剪切強度。

其中含構樹根的試樣增強表現最為顯著,含枸杞根最弱。因為植物根系在試樣剪切過程中充當了“加筋”的作用,能將土體受到的剪切力傳遞到較穩定的深層,從而提高了剪切強度。在實際邊坡中利用根系與深底層的錨固作用力,能夠有效阻止淺層土體的滑動,從而增強土體的抗剪強度與延性,進而使坡面的穩定性增加,邊坡的穩定安全系數提高[12-13]。因此,在邊坡中采用植被來進行邊坡的防護與治理是可行的。

通過函數擬合得到不同試樣的抗剪指標如表2所示。由表2可知,含根試樣T-3,T-4,T-5的黏聚力c與內摩擦角φ較不含根試樣T-1,T-2有明顯增大:如含根試樣T-3,T-4,T-5較未含根試樣T-2黏聚力c分別增大了56.3%,70.4%,74.8%,內摩擦角φ分別增大了70.3%,36.6%,26.2%,其中含構樹根試樣T-3內摩擦角增大最為顯著,而含枸杞根試樣T-5黏聚力增大最為顯著。說明植物根系的存在能明顯地提高土樣的黏聚力與內摩擦角。

表2 試樣的抗剪強度指標

綜上可知,三種植物根系的存在對土樣的抗剪強度、剪切變形能力、內摩擦角和黏聚力均有不同程度的提高,因此在邊坡中通過種植植被來提高邊坡土壤的穩定性是有效的。

2.3 CT直剪掃描圖像及剪切變形演化分析

根據T-2,T-3試樣在50 kPa垂直壓力下的剪切過程進行CT掃描,得到含構樹根T-3與含水泥T-2試樣的剪切裂縫演化情況分別如圖2所示。由圖2(a)可知,對于不含根的T-2試樣在剪切過程中,隨著水平位移的增加,試樣內部沿著剪切縫處有明顯的裂隙出現,而當剪切位移達到5 mm左右時,繼續增加水平推力,試樣內部的裂縫迅速擴大,形成了貫通式裂縫,土體發生了剪切破壞,土體的抗剪強度迅速降低,并最終趨于平衡。

由圖2(b)可知,含根試樣T-3在剪切前中期過程中裂縫不明顯,這是因為有根系的存在,在剪切變形過程中根系與土體的變形模量相差較大,加載水平推力的過程中,根系和土體之間將會發生相對位移,為保持根土之間的變形協調,根系將承受的剪力傳遞給深層土體,因此裂縫較小;但隨著水平推力的逐漸增加,變形也逐漸增大。由圖2(b)與圖1(c)可知,當剪切位移到6.0 mm左右時,即試樣剪切應力達到峰值,此時試樣的剪切裂縫已十分明顯,但未形成連續貫通的裂縫,因為根系的存在使土體內的剪應力分配更均勻。對比T-2,T-3試樣的剪應力-應變及CT掃描圖可知,含根試樣T-3試樣的抗剪強度及變形能力均高于T-2試樣,因為根系的加筋作用使土體內部顆粒間的應力再分配,從而提高了剪切強度。

此外,通過對比圖1(b)與圖1(c),圖2(a)與圖2(b)可知,未含根試樣T-2的水平剪切裂縫為貫通式的集中裂縫,裂縫中部寬,兩端窄;而含根T-3試樣的為網狀型裂縫,裂縫寬度較均勻,沒有出現聯通兩端的貫通式裂縫。含根系試樣T-3不僅提高了土體的抗剪強度,而且對阻止土體裂隙的迅速擴張也起到了很好的作用。說明土樣在受到剪力的作用時,根系能將所受到的剪力均勻地傳遞到土樣深層,從而提高了土樣的抗裂性能與抗剪強度。

3 結論

1)隨著剪切位移的增加各試樣的剪應力逐漸增大,達到峰值應力后迅速降低并趨于穩定;摻入根系后各試樣的剪切強度及變形能力均有顯著提升,其中構樹根對土樣的增強作用最為顯著;摻入根系后試樣的剪切強度指標均有提升,較未含根試樣T-2含構樹根T-3試樣內摩擦角提升70.3%,含刺槐根T-4試樣黏聚力提升74.8%。

2)植物根系的存在能夠顯著地抑制剪切裂縫擴展為網狀型裂縫,根-土的加筋作用使得試樣的裂縫寬度與長度較小,抗剪能力提高。綜合分析可知,三種植物根系中構樹根系對土體的加固作用較優。