蔣必鳳 李淑敏 肖元平

(三亞學(xué)院，海南三亞 572000)

牛筋草根土復(fù)合體抗剪性能研究★

蔣必鳳 李淑敏 肖元平

(三亞學(xué)院，海南三亞 572000)

以海南常見的野生草本植物牛筋草為研究對象，利用應(yīng)變控制式直剪儀對不同含水率和不同含根率的含根土體進(jìn)行了快速直剪試驗(yàn)，分析了含根率和含水率對土體有效粘聚力的影響，結(jié)果表明，少量的牛筋草根系能提高土體的抗剪強(qiáng)度，且含根率越高抗剪強(qiáng)度越高;土體抗剪強(qiáng)度隨著含水率增加而降低，但存在一個界限含水率。

牛筋草根系，根土復(fù)合體，抗剪強(qiáng)度，土體

0 引言

植物根系在土體中通過纏繞、穿插、擠壓等作用［1］，對邊坡土體進(jìn)行加強(qiáng)，增加土體的抗剪強(qiáng)度，從而保證邊坡的穩(wěn)定性。土體失去穩(wěn)定而產(chǎn)生滑動的主要原因是土體的抗剪強(qiáng)度減弱，眾多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，在土體中摻入少量的植物根系便能顯著地提高其抗剪強(qiáng)度。

草本植物根系在土中的分布就如同纖維一樣，對土壤起到一定的加筋作用。國內(nèi)外學(xué)者對含根量、含水率、植物不同生長期、坡度等多方面對植物根系的加筋固土作用進(jìn)行了研究。鄭啟萍等對不同含量的狗牙根和麥冬草的根土復(fù)合體進(jìn)行直剪試驗(yàn)，分析了不同根系含量對抗剪強(qiáng)度的影響，認(rèn)為根系含量越大其提高土體抗剪強(qiáng)度的效果相對越好［2］。劉小燕等對狗牙根的根土復(fù)合體在不同含水率條件下進(jìn)行室內(nèi)直剪試驗(yàn)，認(rèn)為植物根系可以顯著增強(qiáng)土體的抗剪強(qiáng)度，根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度隨著含水率的增加而降低;隨著含根量的增加，根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度增強(qiáng);當(dāng)含根量達(dá)到0.3%及以上時根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度增幅有所減緩，即存在最優(yōu)含根量區(qū)域;根系對25%含水率的土體加筋效果最顯著［3］。胡其志等對加入狗牙根根系的根土復(fù)合體試樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)證明抗剪強(qiáng)度隨著含根量的增加而增大，但當(dāng)含根量增至0.4%時根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度增加并不明顯，根土復(fù)合體試樣中存在最佳含根量區(qū)域［4］。研究植物根系加筋土的抗剪強(qiáng)度，對于揭示根系對土體的加強(qiáng)作用有著十分重要的意義。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 植物根系選擇

牛筋草是一年生草本植物，根系極其發(fā)達(dá)，吸收土壤水分和養(yǎng)分的能力很強(qiáng)，分布于中國各省區(qū)及全世界溫帶和熱帶地區(qū)。牛筋草生長對土壤的要求不高，在荒蕪之地和道路兩旁長勢良好，不需要精心養(yǎng)護(hù)，生命力頑強(qiáng)，適合粗放管理型生態(tài)邊坡的護(hù)坡。牛筋草在海南地區(qū)是一種常見的野草，本次試驗(yàn)通過野外挖取牛筋草根系，進(jìn)行根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度研究。

在土壤種類的選擇方面，本試驗(yàn)采用海南地區(qū)常見的紅粘土，天然狀態(tài)下的紅粘土一般具有孔隙比高、含水率高、密度低等特性。

1.2 試驗(yàn)方法選擇

為了有效利用植被增強(qiáng)邊坡土體的穩(wěn)定性，充分發(fā)揮植被涵水固土、改善環(huán)境的效應(yīng)，諸多學(xué)者在植物根系增強(qiáng)土體抗剪強(qiáng)度以及提高邊坡穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)評價方面采用了多種方法，這些方法包括根土復(fù)合體快速直剪試驗(yàn)、三軸剪切試驗(yàn)及現(xiàn)場原位剪切試驗(yàn)等［5］。由于目前還很難在邊坡現(xiàn)場對含根土體進(jìn)行原位測試，大部分學(xué)者采用室內(nèi)三軸剪切和直接剪切實(shí)驗(yàn)來測定含根系土體的抗剪強(qiáng)度，由于直剪試驗(yàn)方法簡單，試驗(yàn)制備較為簡便，本試驗(yàn)采用快速直剪試驗(yàn)方法進(jìn)行抗剪強(qiáng)度研究。隨著圍壓或者垂直壓力的增大，根系的相對加筋效果逐漸消散，最終根土復(fù)合體的強(qiáng)度值與素土相等［6］，因此本試驗(yàn)采用50 kPa，75 kPa，100 kPa，150 kPa四個較低等級的垂直壓力等級進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)。

1.3 試樣制作

本試驗(yàn)采用擾動土紅粘土，烘干碾碎后加入一定比例的水和植物根系制作土樣，采用應(yīng)變控制式直剪儀，按照土工試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行重塑根系加筋土直接剪切試驗(yàn)。在植物根系選擇時，選用新鮮的牛筋草根系，剪成2 cm長度，與土體隨機(jī)混合，模擬根系三維生長規(guī)律，采用四種含根量(根的質(zhì)量/干土的質(zhì)量)0%，0.5%，1%，1.5%在含水率為10%，15%，18%三種情況下分別進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不同含根率根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度

本試驗(yàn)測定了不同含水率下含根率為0%，0.5%，1%，1.5%土體的抗剪強(qiáng)度，如圖1～圖3所示。從圖1～圖3中可以看出，每一種含水率下，含根土體的有效粘聚力c值和內(nèi)摩擦角均超過了不含根土體(含根率為0%)，在土體中加入少量的牛筋草根系，便能提高土體的抗剪強(qiáng)度;同一種含水率下，隨著含根率的增加，土體的抗剪強(qiáng)度也隨之增加。

圖1 含水率為10%時含根土樣的抗剪強(qiáng)度

圖2 含水率為15%時含根土樣的抗剪強(qiáng)度

圖3 含水率為18%時含根土樣的抗剪強(qiáng)度

2.2 不同含水率根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度

本試驗(yàn)分析了不同含根率下含水率對土體抗剪強(qiáng)度的影響，如圖4～圖7所示。從圖4～圖7中可以看出，每一種含根率下，土體的抗剪強(qiáng)度隨著含水率的增加而降低。當(dāng)含水率為10%時的含根土體的有效粘聚力c值明顯高于含水率為15%和18%的含根土體的有效粘聚力c值;含水率為15%和18%的含根土體的有效粘聚力c值相差不大，隨著含水率的增加，土體的抗剪強(qiáng)度變化趨于平緩，存在一個界限含水率。

圖4 含根率為0%時含根土樣的抗剪強(qiáng)度

圖5 含根率為0.5%時含根土樣的抗剪強(qiáng)度

圖6 含根率為1%時含根土樣的抗剪強(qiáng)度

圖7 含根率為1.5%時含根土樣的抗剪強(qiáng)度

3 結(jié)語

本試驗(yàn)采用重塑根系加筋土進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)得出牛筋草根系能夠增強(qiáng)土體的抗剪強(qiáng)度，從而增加邊坡的穩(wěn)定性。但重塑根系土還不能真實(shí)模擬出牛筋草根系的三維生長規(guī)律，植物根系與土體相互纏繞、穿插和擠壓能進(jìn)一步提高邊坡土體的抗剪強(qiáng)度。同時牛筋草生態(tài)適應(yīng)能力較強(qiáng)，可以作為粗放管理型邊坡的護(hù)坡植物，適用于對景觀效果要求不高的邊坡。

［1］ 王元戰(zhàn)，張智凱.植物根系加筋土剪切試驗(yàn)研究綜述［J］.水道港口，2012，33(4):330-336.

［2］ 鄭啟萍，徐得潛.草本植物護(hù)坡機(jī)理及其固土效應(yīng)試驗(yàn)研究［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2014，37(2):225-228.

［3］ 劉小燕，桂 勇.植物根系固土護(hù)坡抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究［J］.江西理工大學(xué)學(xué)報，2013，34(3):32-37.

［4］ 胡其志，周 政，肖本林，等.生態(tài)護(hù)坡中土壤含根量與抗剪強(qiáng)度關(guān)系試驗(yàn)研究［J］.土工基礎(chǔ)，2010(5):85-87.

［5］ 盧海靜，王 磊.植物根—土復(fù)合體原位剪切試驗(yàn)研究現(xiàn)狀及其進(jìn)展［J］.中國水土保持，2013(7):42-46.

［6］ 文 偉，李艷榮.不同圍壓下草本植物根系對土體加筋效應(yīng)試驗(yàn)研究［J］.力學(xué)季刊，2016，31(7):124-130.

Research on the shear strength of eleusine indica root soil composite★

Jiang Bifeng Li Shumin Xiao Yuanping

(Sanya College，Sanya 572000，China)

Taking the common wild herbs eleusine indica in Hainan as the research object，this paper made quick direct shear test using strain controlled direct shear apparatus to root soil with different water content and different root contain，analyzed the influence of root contain and water content to the effective cohesion of soil，the results showed that small amount eleusine indica roots could improve the soil shear strength，and had higher shear strength with higher root contain，the soil shear strength decreased with the increase of water content，but there was a limit water content.

eleusine indica root system，root soil complex，shear strength，soil

TU432

A

1009-6825(2016)35-0063-03

2016-09-30 ★:海南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目(項(xiàng)目編號:hnky2015-53)

蔣必鳳(1984-)，女，講師