俞曉麗,吳能森,謝成新,鄒文平,林智雄

(福建農林大學交通學院,福建福州35002)

0 引言

根土復合體顧名思義就是根與土的結合體,即在土中加入草根而成的一種復合體,草根通過與土體之間的摩擦力將自身的抗拉強度與土體的抗壓強度結合起來,從而提高了土體的強度,減小了變形。

國外自20世紀70年代開始,就有許多學者通過三軸、直剪和拉拔試驗等手段對根土復合體的應力-應變以及強度特性進行了研究[1],如：Gray andOhashi(1983)以及Mather andGray(1990)利用直剪試驗,證明了砂土中生長少量根系就能顯著提高砂土的抗剪強度[2-3];Greenway(1987)運用力學知識,總結得出植物對邊坡的加固作用主要是通過植物根系來起作用的[4]。而我國關于根土復合體的研究相對較遲,如：王可鈞(1998)進行了植物固坡的力學簡析[5];姜志強等(2005)進行了根系固土作用及植物護坡穩(wěn)定性分析[6];郭維俊等(2006)進行了土壤-植物根系復合體本構關系的理論研究,并就植物根系若干力學問題研究進行了探索[7-8];姚環(huán)等(2007)研究了香根草的力學特性,并對其固土力學特性進行了模擬試驗以及對香根草固土護坡效果概化力學模型計算進行了分析評價[9];陳昌富等(2007)采用室內三軸試驗的方法研究了狗尾草草根加筋土的應力-應變關系以及強度特性,其結果表明含根土的強度和抵抗變形的能力比較素土有顯著的提高[10]。

1 試驗儀器、材料和試驗方法

1.1 試驗儀器

試驗儀器采用南京土壤儀器廠生產的SLB-1型應力應變控制式三軸剪切滲透試驗儀,該儀器主要由試驗機、壓力室、試驗機控制系統(tǒng)、周圍壓力控制系統(tǒng)、反壓控制系統(tǒng)、主應力差量測系統(tǒng)、控制壓力傳感器、排水傳感器、體變傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計算機等組成。儀器采用空氣施加圍壓,計算機自動采集和處理數(shù)據(jù)。三軸試樣由三瓣模來進行制備,其直徑為39.1 mm,高度為80 mm,截面積為12 cm2。

1.2 試驗材料

此次取樣地點位于國道316線K41+150-190處,邊坡坡度為29.6°,屬中等坡度,坡長12.3 m,坡高6.1 m。由于此次取樣地點的土質較差(碎石含量過高),無法采集到根土復合體的原狀土,并且需要采集的試樣較多,不便帶回室內,然而野外試驗又受到時間、環(huán)境條件、試驗設備的限制,故只能采用擾動土進行試驗。試驗采用的是香根草的草根,香根草種植的時間是2009年4月,種植范圍12.3m×31.0 m,種植面積為381.3 m2,株距45 cm左右。通過草根的長度以及質量來控制加筋的數(shù)量。試驗時草根統(tǒng)一采用30 mm的長度,直徑為0.05～0.30 mm,并且每層所加草根的直徑分布大致相當,然后稱量每層草根的質量。

試驗土樣選用的是砂質粘土,經(jīng)過試驗,其物理力學性質指標見表1。

表1 砂質粘土的主要物理力學性質指標

1.3 試驗方法

試驗用土依照《公路土工試驗規(guī)程》擾動土樣的制備程序來進行處理：首先將土樣放入烘箱恒溫110℃烘干8 h,取出土樣將其放到橡皮板上用木碾碾散過2 mm篩,其次按設計含水量配土,取適量烘干后的土,計算所需加水量,將土樣鋪到不吸水的鐵盤內,用噴壺噴灑預計的加水量,充分拌合。試驗用草根統(tǒng)一長度3 cm,然后用游標卡尺測其直徑,由于草根的直徑沿長度方向是變化的,因此測量直徑時采用兩端和中間三者的平均值。為保持同一性,測質量時先用吸水紙把草根表面的水吸干后再稱量。

試驗試樣為重塑土,分四層擊實,每層土的數(shù)量相等,各層接觸面用小刀刨毛。對于加筋的試樣草根分別布置在試樣高度的1/4、1/2和3/4處,放置草根時應使其在試樣截面方向分布均勻。試驗分加筋土和素土兩種情況,對于加筋土全部為三層加筋,每層加筋數(shù)量(g/層)又分為8種情況,分別為0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8和1.0。為了保證試驗準確,每組取4個相同的試樣,分別在圍壓40 kPa、70 kPa、100 kPa和130 kPa下進行試驗,試驗時土樣不飽和,采用固結不排水的方式加載,加荷速率為0.8 mm/min[11]。

2 試驗結果及分析

2.1 土體的應力應變

圖1、圖2為素土與根土復合體在剪切過程中的軸向應變與主應力差之間的關系。由圖1、圖2可以看出,無論是素土還是根土復合體,在軸向應變ε1相等條件下,主應力差值(σ1-σ3)隨圍壓增大而增大,且當ε1較小時,不同圍壓下的應力-應變關系曲線都比較接近,有的甚至重合在一起,但隨著ε1的逐漸增大,應力-應變關系曲線的距離才逐漸隨之增大,最終趨于穩(wěn)定,這一方面說明根土復合體仍具有素土的應力應變特性,另一方面說明草根對土體應力應變特性的影響只有在ε1較大時才比較明顯。還有,在相同的軸向應變條件下,當ε1達到一定值時,與素土相比,根土復合體的(σ1-σ3)明顯更高,這反映了草根具有增強土體強度和抵抗變形能力的作用,而且這種增強作用受草根含量的影響。

圖1 素土(σ1-σ3)～ε1的關系曲線

2.2 土體的抗剪強度

以含水量為21%為例,分別將素土和草根含量為0.6 g/層的含根土的試驗結果,在τ-σ應力平面上繪制不同圍壓下(40kPa、70kPa、100kPa和130kPa)的摩爾應力圓,并繪制強度包線,如圖3所示。以這種方式可得到不同草根含量下根土復合體的抗剪強度指標c、φ值,見表2。

圖3 根土復合體與素土的強度包線

為了定量描述香根草根系對土的粘聚力和內摩擦角的影響,假設含根土的粘聚力為c1,素土的粘聚力為c2,含根土的內摩擦角為φ1,素土的內摩擦角為φ2,則粘聚力的增長率為εc=(c1-c2)/c2,內摩擦角相對誤差εφ=(φ1-φ2)/φ2。εc、εφ的計算結果見表2。

表2 抗剪強度指標的比較

從圖3可以看出,根土復合體與素土的強度包線接近平行,這意味著根土復合體與素土的內摩擦角φ相差不大,草根對土體的增強作用主要表現(xiàn)為粘聚力的增大。這點從表2的εc、εφ值可以得到較充分的反映,尤其草根含量為0.2～0.7g/層時反映更充分,此時εφ局限在-8.33%～+2.78%的較小范圍內,而εc高達+123.4%～+547.0%。繪制根土復合體粘聚力的增長率εc與草根含量的關系曲線,如圖4所示?？梢姦與隨草根含量的增加呈先增大后減小的分布特點,這表明在根系層數(shù)一定時,根土復合體存在一個最佳含根量。

圖4 粘聚力增長率與草根含量的關系

上述試驗結果的機理分析：當根系含量較小時,伴隨草根含量的增加,草根與土體的接觸面積會隨之增大,由草土摩阻力產生的橫向約束力也隨之增大,這相當于使圍壓σ3增加,從而相應增大軸向應力σ1。因此,按施加圍壓σ3和增大后的軸向應力σ1繪制的應力圓隨之變大,而且當根含量一定時,實際的圍壓增量一定,則各圍壓下的軸向應力σ1增量也就相當,這樣根土復合體與素土的強度包線就近乎平行,從而表現(xiàn)為粘聚力明顯增大而內摩擦角變化很小的現(xiàn)象。但當含根量大于某一限值后,在草與土之間會形成草墊層,使得一部分草根沒有與土體接觸,導致摩阻力及由其產生的橫向約束力降低,因此粘聚力的增量也就隨之降低。

2.3 土體的破壞形態(tài)

圖5為素土和含根土試樣三軸剪切破壞后的形態(tài)：圖5a為15%含水量素土試驗前的試樣外形;圖5b和圖5c分別是圍壓70 kPa和100 kPa時15%含水量素土試驗后的外形;圖5d為15%含水量,含根量0.6g/層試驗前的試樣外形;圖5e、圖5f分別為圍壓70 kPa和100 kPa時15%含水量,含根量0.6g/層試驗后的試樣外形。從圖5b、圖5c可以觀察到,素土的橫向變形基本呈中部大、上下小的漸變狀,這是因為試樣的上下兩端與加載裝置之間存在摩擦力,使得兩端受到約束作用,而試樣中部受到約束作用小的緣故;而從圖5e、圖5f看,含根土樣在加草根層處橫向變形有所減小,尤其在試樣的中部,這也是草土摩阻力產生的橫向約束力作用的結果。此外,含根土樣中部和上下端的橫向變形的漸變趨于平緩,這表明草根具有協(xié)調土體變形的作用,并使土體能較充分地開展變形。

圖5 三軸試驗前后試樣形態(tài)

3 結論

⑴根土復合體具有和素土基本相同的應力-應變特性,但是在應變較大時,根土復合體的主應力差較素土有明顯的增加,說明了草根具有增強土體強度的作用,而且這種增強作用受草根含量和圍壓的影響。

⑵草根對土體的增強作用,表現(xiàn)為粘聚力的明顯增長,而內摩擦角的變化幅度很小,尤其草根含量為0.2～0.7 g/層時反映更充分。但粘聚力的增長率呈先增加而后再減小的分布特點,即在相同的添加草根層數(shù)的條件下,根土復合體存在一個最佳含根量,此時根土復合體的強度最大。

⑶由于草土摩阻力產生的橫向約束力的作用,以及草根具有協(xié)調土體變形并使土體能較充分地開展變形的作用,根土復合土不僅較素土的強度高,而且具有與素土有所不同的剪切破壞形態(tài)。

實際上,香根草根系對于土壤的加固作用更像是一種“釘網(wǎng)效應”,根系的水平須根具有加筋作用,而垂直的根系就像是土釘,將根系牢固地牢“釘”在土中,這種水平和垂直根系的共同作用而產生的“釘網(wǎng)效應”,使土體在整體空間上得到增強。

[1] 謝婉麗,王家鼎,王亞玲.加筋黃土變形和強度特性的三軸試驗研究[J].地球科學進展,2004(19)：333-338.

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[3] Maher,M,D H Gray.Static response of sands reinforcedwith randomly distributed fibers[J].Journal of Geotechnical Engineering(A SCE),1990,116(11)：1661-77.

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[11] JTJ 051-93,公路土工試驗規(guī)程[S].

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