宋 路, 朱海麗,2, 李國(guó)榮, 王 濤, 陳文婷

(1.青海大學(xué) 地質(zhì)工程系, 西寧 810016; 2.中國(guó)科學(xué)院 青海鹽湖研究所, 西寧 810008)

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兩種方法測(cè)定根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)對(duì)比研究

宋 路1, 朱海麗1,2, 李國(guó)榮1, 王 濤1, 陳文婷1

(1.青海大學(xué) 地質(zhì)工程系, 西寧 810016; 2.中國(guó)科學(xué)院 青海鹽湖研究所, 西寧 810008)

為了便捷、有效且減少地表破壞面積地原位測(cè)定根—土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度，采用改制后的十字剪切儀在青海大學(xué)校內(nèi)原生植被生長(zhǎng)的試驗(yàn)區(qū)，分別進(jìn)行了三種植被覆蓋度和三種含水量條件下根—土復(fù)合體原位十字剪切試驗(yàn)和室內(nèi)直接剪切試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示：當(dāng)土體含水量相同時(shí)，室內(nèi)直剪試驗(yàn)測(cè)得的根—土復(fù)合體平均粘聚力為20.39～36.49 kPa，原位十字剪切試驗(yàn)測(cè)得的根—土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度為35.92～102.36 kPa；當(dāng)植被覆蓋度相同時(shí)，室內(nèi)直剪試驗(yàn)測(cè)得的根—土復(fù)合體平均粘聚力為32.46～23.32 kPa，原位十字剪切試驗(yàn)測(cè)得的根—土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度為109.7～68.12 kPa。兩種試驗(yàn)結(jié)果均表現(xiàn)為：根—土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度隨植被覆蓋度的增大而增大，隨含水量的增大而減小。原位十字剪切試驗(yàn)測(cè)得的根—土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度值大于直接剪切試驗(yàn)所測(cè)得的剪切強(qiáng)度值，平均增幅達(dá)到94.23%。兩種試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生差異的主要原因是由于剪切過(guò)程中剪切方式、破壞面積、受剪根系的數(shù)量及破壞程度不同而造成。其中，原位十字剪切試驗(yàn)是在原位不破壞土體結(jié)構(gòu)和根系分布的基礎(chǔ)上，將根—土復(fù)合體完全剪破，相對(duì)更能準(zhǔn)確、直觀地反映邊坡滑坡過(guò)程中的變化規(guī)律。

原位十字剪切試驗(yàn); 直接剪切試驗(yàn); 抗剪強(qiáng)度; 覆蓋度; 含水量

隨著邊坡防護(hù)技術(shù)的不斷發(fā)展，生態(tài)護(hù)坡、混凝土工程護(hù)坡、土工織物護(hù)坡和植物工程措施復(fù)合護(hù)坡技術(shù)方法越來(lái)越多地被運(yùn)用到公路邊坡、鐵路邊坡、庫(kù)岸邊坡、自然邊坡等防護(hù)與生態(tài)保護(hù)[1-4]。由此，關(guān)于植被護(hù)坡的理論研究也逐漸深入，如植物根系增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性[4-7]、根—土相互作用機(jī)理[6,8-10]、不同植被類(lèi)型的護(hù)坡作用[11-13]、植被截雨防滲作用[14-16]等多方面都取得了較豐富的研究成果。其中，對(duì)于植物根系增強(qiáng)土體強(qiáng)度研究方法主要采用室內(nèi)剪切試驗(yàn)[11,17-21]和原位剪切試驗(yàn)[22-24]兩種方法。室內(nèi)剪切試驗(yàn)主要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)直接取樣，室內(nèi)制樣的方法進(jìn)行根—土復(fù)合體直接剪切試驗(yàn)[11,17-19]或三軸壓縮試驗(yàn)[20-21]，但在現(xiàn)場(chǎng)取樣過(guò)程中，難以避免深層取樣時(shí)應(yīng)力釋放引起的擾動(dòng)[25]；與室內(nèi)直剪試樣相對(duì)比，原位剪切試樣能包含土體的宏觀結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)條件較接近于實(shí)際情況。然而，大多原位剪切試驗(yàn)使用的儀器較大、重，不便于攜帶，且在原地開(kāi)挖創(chuàng)面較大，使用范圍具有局限性。因此，為了更加便利、準(zhǔn)確且減小開(kāi)挖創(chuàng)面進(jìn)行根—土復(fù)合體的原位剪切試驗(yàn)，本文采用改制后的十字剪切儀對(duì)根—土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)定，并與室內(nèi)直剪試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析。

1　試驗(yàn)材料與方法

1.1試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)設(shè)在西寧市城北區(qū)廿里鋪青海大學(xué)校園內(nèi)，地理坐標(biāo)為101°44′28″E，36°43′25″N，研究區(qū)地處青海東部湟水流域河谷，黃土高原西緣，屬于高原寒冷干旱—半干旱氣候，年平均氣溫為7.6℃，夏季日極端最高氣溫為34.6℃，冬季日極端最低氣溫為-26.3℃；該地降水量少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，多年平均降水量為380 mm，蒸發(fā)量為1 363.6 mm，試驗(yàn)區(qū)氣候?qū)儆诘湫偷母咴箨懶詺夂騕26]。試驗(yàn)區(qū)植被為原生植物，主要為賴(lài)草(LeymussecalinusGeorgi)、紫花苜蓿(MedicagosativaL.)和冷蒿(ArtemisiafrigidaWilld. Sp. Pl.)等。

1.2試驗(yàn)裝置

根據(jù)一般十字剪切儀十字板頭尺寸較小、量程小等特性，結(jié)合根—土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度峰值及破壞特征[27-30]，對(duì)現(xiàn)有的十字剪切儀主要從板頭尺寸、量程和使用性能等方面進(jìn)行優(yōu)化改制，改制后的十字剪切儀如圖1所示。主要由十字板頭、傳感器、探桿、旋轉(zhuǎn)桿及靜探儀五部分組成：其中十字板頭尺寸為高115 mm，直徑76 mm[24]，高徑比H/D=1.51[31]；試驗(yàn)用探桿長(zhǎng)1.0 m，直徑3.0 cm，旋轉(zhuǎn)桿長(zhǎng)1.0 m，直徑2.0 cm。試驗(yàn)時(shí)十字剪切板頭與傳感器相連，并接到探桿上；探桿為中間空心，傳感器傳輸線(xiàn)直接通過(guò)探桿中間空心處從下端至上端穿出連到靜探儀上，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，拆卸、攜帶及使用方便。試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)施加扭力，在剪切時(shí)土體的抗剪強(qiáng)度可以通過(guò)傳感器直接將剪切強(qiáng)度傳輸?shù)届o探儀中，并直接繪制出剪切強(qiáng)度與時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)。

圖1十字剪切儀裝置圖

1.3試驗(yàn)設(shè)計(jì)及方法

為了更好地驗(yàn)證改制后的十字剪切儀對(duì)根—土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度測(cè)定結(jié)果，本研究分別進(jìn)行根—土復(fù)合體的直接剪切試驗(yàn)與原位十字剪切試驗(yàn)，以此進(jìn)行兩種試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比和驗(yàn)證。在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)，選定植被覆蓋度分別為10%，45%，95%的3塊平地，用卷尺、木釘、細(xì)繩等工具圈定出2.0 m×2.0 m的試驗(yàn)小區(qū)，圈定的每一小區(qū)覆蓋度基本均一；此外選定3塊面積相等的小區(qū)，通過(guò)自然蒸發(fā)或天然降雨、人工澆灌的方式設(shè)置出含水量分別為3%，15%，20%的3塊平地，用同樣方法圈定出來(lái)，以備原位十字剪切試驗(yàn)和直接剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)小區(qū)設(shè)置如圖2所示。

1.3.1原位十字剪切試驗(yàn)試驗(yàn)時(shí)間為2014年5月中旬，試驗(yàn)時(shí)依次在每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)量出0.5 m×0.5 m的對(duì)角點(diǎn)，并標(biāo)記，標(biāo)記點(diǎn)即為原位十字剪切試驗(yàn)的剪切點(diǎn)(共9個(gè))，即設(shè)置試驗(yàn)重復(fù)9次(圖2)；試驗(yàn)前用剪刀將已標(biāo)記點(diǎn)為圓心、10 cm為半徑范圍內(nèi)的地表下0.5 cm以上的所有植被剪除，并裝到自封袋中，密封后用記號(hào)筆做好標(biāo)簽，帶回實(shí)驗(yàn)室稱(chēng)量地上鮮重并測(cè)量其含水量。打開(kāi)原位十字剪切儀電源開(kāi)關(guān)，將板頭用鐵錘垂直貫入到剪切點(diǎn)土壤中，剪切深度為12.0 cm，靜待2～3 min，使受貫入擾動(dòng)的周?chē)馏w能基本恢復(fù)到原來(lái)的應(yīng)力狀態(tài)；剪切時(shí)，由兩人勻速轉(zhuǎn)動(dòng)扭力桿，平均10 s轉(zhuǎn)動(dòng)1°，轉(zhuǎn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間最少為100 s，直至根—土復(fù)合體剪切破壞。試驗(yàn)結(jié)束后，取出剪切破壞后的圓柱土體裝入自封袋中貼上標(biāo)簽，密封后帶回實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行地下生物量統(tǒng)計(jì)工作。生物量統(tǒng)計(jì)工作包括地上植被莖葉鮮重、莖葉含水量以及地下植被根徑、根系鮮重、根系含水量等測(cè)定。

注:①—⑨表示每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)設(shè)定的原位十字剪切試驗(yàn)點(diǎn)

圖2試驗(yàn)小區(qū)設(shè)置及試驗(yàn)剪切點(diǎn)布置圖

1.3.2直接剪切試驗(yàn)直剪試驗(yàn)是在5個(gè)試驗(yàn)小區(qū)采用原位取樣，采樣時(shí)間為2014年5月中旬，為了使試驗(yàn)結(jié)果更具有代表性，每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)分不同方位隨機(jī)設(shè)定3個(gè)取樣點(diǎn)，每個(gè)取樣點(diǎn)取樣深度為4 cm，取四個(gè)環(huán)刀試樣。取得的試樣裝入環(huán)刀盒內(nèi)后在原地用膠帶塑封，防止水分散失，在4～6 h內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行室內(nèi)快剪試驗(yàn)，剪切速度為2.4 mm/min。

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1生物量統(tǒng)計(jì)結(jié)果與分析

在實(shí)驗(yàn)室對(duì)試驗(yàn)點(diǎn)上以10 cm為半徑范圍內(nèi)地表植被的凈含量、含水量，以及剪切破壞后破壞的圓柱土體內(nèi)植物根系的凈含量、含水量進(jìn)行測(cè)定。結(jié)果如表1所示。由表1可得出，在含水量相同的條件下，隨著植被覆蓋度的逐漸增大，地上莖葉質(zhì)量、地下根系質(zhì)量依次增大。當(dāng)植被覆蓋度從10%增至45%，95%時(shí)，其地上莖葉質(zhì)量增幅依次為331.65%，1395.29%；地下12 cm以?xún)?nèi)根系質(zhì)量平均增幅依次為335.35%，500.67%，在相同植被覆蓋度條件下，地上植被莖葉鮮重和地下植被根系質(zhì)量變化幅度較小。

2.2不同植被覆蓋度對(duì)根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的影響

含水量均為15%條件下，對(duì)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)植被覆蓋度分別為10%，45%，95%的試驗(yàn)小區(qū)，分別進(jìn)行了原位十字剪切試驗(yàn)和室內(nèi)直接剪切試驗(yàn)，兩種試驗(yàn)方法測(cè)得的根—土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度結(jié)果如表2所示。

表1　試驗(yàn)區(qū)根-土復(fù)合體物理性質(zhì)指標(biāo)及植被生物量指標(biāo)

表2　不同植被覆蓋度下兩種試驗(yàn)方法抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

當(dāng)植被覆蓋度從10%增大至45%，95%時(shí)，根—土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度也呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，且兩種試驗(yàn)方法所測(cè)得的復(fù)合體剪切強(qiáng)度變化趨勢(shì)一致。與10%植被覆蓋度下的抗剪強(qiáng)度相比，當(dāng)植被覆蓋度增至45%，95%時(shí)，原位十字剪切試驗(yàn)測(cè)得的根—土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的增大幅度依次為56.79%，184.97%；室內(nèi)直接剪切試驗(yàn)平均粘聚力的增大幅度依次為35.7%，78.96%，而內(nèi)摩擦角無(wú)明顯變化規(guī)律。由于在十字剪切試驗(yàn)過(guò)程中，被剪切根—土復(fù)合體未受到垂直壓力作用，故垂直壓力為零。根據(jù)莫爾—庫(kù)倫定律，即τf=σtanφ+c，其中法向壓力σ=0條件下，直剪試驗(yàn)測(cè)得的復(fù)合體粘聚力即為復(fù)合體抗剪強(qiáng)度。因此當(dāng)植被覆蓋度為10%，45%和95%時(shí)，原位十字剪切試驗(yàn)的平均剪切強(qiáng)度較室內(nèi)直剪試驗(yàn)平均剪切強(qiáng)度，增大幅度依次為76.16%，103.54%，180.52%；由此可見(jiàn)，兩種試驗(yàn)方法所測(cè)得的根—土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度存在一定的差異，但隨著植被覆蓋度的增大，均呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。兩種試驗(yàn)方法在剪切強(qiáng)度值表現(xiàn)出的差異，一是由于剪切破壞面不同，十字剪切試驗(yàn)的剪切破壞面有水平和垂直兩個(gè)方向上的，而直剪試驗(yàn)僅在水平方向上，且剪切面積僅為30 cm2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于十字剪切試驗(yàn)的剪切破壞面積320 cm2；二是根系作用不同，十字剪切試驗(yàn)最終剪切破壞的是一個(gè)圓柱體，故剪切破壞過(guò)程中不僅承受剪切高度范圍內(nèi)水平方向根系的加筋、牽拉、纏繞作用，且承受剪切圓柱底面垂直或近垂直方向根系的作用，而直剪試驗(yàn)剪切破壞過(guò)程中不存在水平方向根系的作用；三是剪切位移量不同，直剪試驗(yàn)的剪切位移量為4 mm，剪切結(jié)束時(shí)復(fù)合體未完全剪破，而十字剪切試驗(yàn)的剪切位移量是從試驗(yàn)開(kāi)始直至復(fù)合體完全剪破，平均位移可達(dá)60 mm。

圖3不同植被覆蓋度下根-土復(fù)合體剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線(xiàn)

根—土復(fù)合體在剪切作用下，其應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)亦呈現(xiàn)一定規(guī)律，現(xiàn)分別以I、Ⅲ、V三個(gè)試驗(yàn)小區(qū)中垂直壓力為50 kPa下的直剪試驗(yàn)與原位十字剪切試驗(yàn)剪應(yīng)力與剪切位移曲線(xiàn)為例，由圖3可以看出，直剪試驗(yàn)時(shí)，在剪切位移為0～1 mm階段(圖3A)，剪應(yīng)力與剪切位移曲線(xiàn)非常接近，剪切位移在0～1 mm階段復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度呈線(xiàn)性增大；之后，隨著剪切位移的不斷增大，復(fù)合體開(kāi)始出現(xiàn)塑性變形，此階段根系對(duì)土體的增強(qiáng)作用逐漸發(fā)揮出來(lái)，復(fù)合體中的剪應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)換成根的拉應(yīng)力而被轉(zhuǎn)移和擴(kuò)散，當(dāng)剪切位移達(dá)到4 mm時(shí)，復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度達(dá)到了峰值；原位十字剪切試驗(yàn)在剪切位移在0～15 mm階段(圖3B)，復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度呈線(xiàn)性增大，復(fù)合體處于彈性變形階段，剪應(yīng)力的增長(zhǎng)速率隨植被覆蓋度的增大而增大；在剪切位移約達(dá)到34 mm時(shí)，復(fù)合體剪應(yīng)力達(dá)到峰值。由于十字剪切試驗(yàn)過(guò)程使試樣完全剪破，因此其剪切位移可達(dá)到60 mm左右，隨著剪切繼續(xù)，剪應(yīng)力逐漸下降。并且根據(jù)圖3，均可以看出在含水量相同條件下，剪應(yīng)力達(dá)到峰值前，在相同剪切位移條件下，植被覆蓋度越大，其剪應(yīng)力相應(yīng)越大。

2.3不同含水量對(duì)根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的影響分析

在含水量分別為3%，15%，20%，植被覆蓋度均為45%下的試驗(yàn)小區(qū)Ⅱ，Ⅳ，V分別進(jìn)行原位十字剪切試驗(yàn)和直接剪切試驗(yàn)，兩種試驗(yàn)方法測(cè)得的根—土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度結(jié)果如表3所示。

由表3可以看出，隨著含水量的增大，根—土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，且兩種試驗(yàn)方法所測(cè)得的復(fù)合體剪切強(qiáng)度變化趨勢(shì)一致。原位十字剪切試驗(yàn)測(cè)得的根—土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度，與3%土壤含水量條件下的抗剪強(qiáng)度相比，當(dāng)含水量增至15%，20%時(shí)，抗剪強(qiáng)度的減小幅度為18.69%，37.89%，而室內(nèi)直剪試驗(yàn)測(cè)得的復(fù)合體平均粘聚力減小幅度為14.69%，28.16%；同樣根據(jù)在法向壓力σ=0條件下，直剪試驗(yàn)測(cè)得的復(fù)合體粘聚力即為復(fù)合體抗剪強(qiáng)度，將復(fù)合體含水量為3%，15%和20%時(shí)的原位十字剪切試驗(yàn)測(cè)得的平均剪切強(qiáng)度與室內(nèi)直剪試驗(yàn)平均剪切強(qiáng)度比較，增大幅度依次為70.4%，68.98%，65.77%。由此可見(jiàn)，室內(nèi)直接剪切試驗(yàn)所測(cè)得的復(fù)合體抗剪強(qiáng)度減小幅度略小于原位十字剪切試驗(yàn)，原位十字剪切試驗(yàn)測(cè)得的抗剪強(qiáng)度值大于室內(nèi)直剪試驗(yàn)。

表3　不同土壤含水量?jī)煞N試驗(yàn)方法抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

分別以Ⅱ，Ⅳ，V三個(gè)試驗(yàn)小區(qū)中垂直壓力為50 kPa下的直剪試驗(yàn)與原位十字剪切試驗(yàn)剪應(yīng)力與剪切位移曲線(xiàn)為例(圖4)。根據(jù)圖4A室內(nèi)直剪試驗(yàn)可以看出，在剪切位移為0～0.5 mm階段，復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度呈線(xiàn)性增大；隨著剪切繼續(xù)，剪應(yīng)力與剪切位移表現(xiàn)為非線(xiàn)性關(guān)系。根據(jù)圖4B可以看出，原位十字剪切試驗(yàn)，在剪切位移為0～15 mm階段，復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度呈線(xiàn)性增大，此時(shí)，復(fù)合體處于彈性變形階段，且剪應(yīng)力的增長(zhǎng)速率隨復(fù)合體含水量的增大而減??；在剪切位移約達(dá)到30 mm時(shí)，含水量為15%和20%復(fù)合體剪應(yīng)力均達(dá)到了峰值，而剪切位移達(dá)到45 mm時(shí)，含水量為3%的復(fù)合體的剪應(yīng)力最終達(dá)到峰值。這表明復(fù)合體含水量愈大，其達(dá)到剪切峰值的剪切位移相對(duì)越小，剪切強(qiáng)度愈低，這從一方面解釋了青藏高原黃土區(qū)降雨季節(jié)，邊坡滑坡現(xiàn)象增多的原因。

圖4不同含水量根-土復(fù)合體剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線(xiàn)

兩種試驗(yàn)方法所測(cè)得的復(fù)合體剪切強(qiáng)度存在著一定的差異，但隨著復(fù)合體含水量的增大，兩種試驗(yàn)方法測(cè)得的復(fù)合體剪切強(qiáng)度均呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，其主要原因是由于含水量的增加，根—土界面上的含水量變高，土顆粒間結(jié)合水膜的厚度增加而起到潤(rùn)滑作用，同時(shí)水分子將根系與土體及土顆粒間牢固的連接分開(kāi)，摩擦力降低，由此使復(fù)合體的強(qiáng)度減弱。淺層邊坡土體抵抗剪切破壞能力變?nèi)?，滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，危害人類(lèi)生命財(cái)產(chǎn)安全。

3　結(jié)論與討論

(1) 兩種試驗(yàn)方法測(cè)得的根—土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度在相同含水量的條件下，均隨覆蓋度的增大而增大；在相同植被覆蓋度條件下，均隨含水量的增加而減小。原位十字剪切試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度值明顯高于直接剪切試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度值，平均增大48.94 kPa，主要原因是由于兩種試驗(yàn)方法在試驗(yàn)過(guò)程中剪切方式、剪切破壞面積、受剪根系的數(shù)量以及破壞程度不同而產(chǎn)生。

(2) 直接剪切試驗(yàn)一般多是采用室內(nèi)重塑土制樣或原位取樣并運(yùn)回室內(nèi)進(jìn)行剪切試驗(yàn)，在一定程度上破壞了土體固有的結(jié)構(gòu)和根系在空間的展布狀態(tài)，且剪切試樣較小、剪切面固定、剪切破壞不完全；而原位十字剪切試驗(yàn)是在原位不破壞土體結(jié)構(gòu)和根系分布的基礎(chǔ)上，將根—土復(fù)合體剪破，因此更能全面地反映根—土復(fù)合體的剪切破壞過(guò)程，其剪切位移遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)直剪試驗(yàn)的4 mm，可達(dá)到70 mm左右，因此能夠更直觀地反映邊坡滑坡過(guò)程中的變化規(guī)律。

(3) 經(jīng)改制后的原位十字剪切試驗(yàn)儀在剪切過(guò)程中，在水平方向施加扭力，試樣受到剪切作用力，當(dāng)試樣完全剪切破壞后試驗(yàn)結(jié)束，最終得到根—土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度值；而直剪試驗(yàn)僅對(duì)受剪試樣施加水平方向的剪切作用力，當(dāng)達(dá)到固定的剪切位移時(shí)試驗(yàn)結(jié)束，最終通過(guò)建立垂直壓力與抗剪強(qiáng)度峰值的函數(shù)關(guān)系式，從而可得到根—土復(fù)合體兩個(gè)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，即粘聚力和內(nèi)摩擦角，更便于對(duì)根—土相互作用進(jìn)行理論分析和對(duì)比研究。

此外，改制后的十字剪切儀測(cè)定根—土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度，但仍存在不足之處，如：加載方式為手動(dòng)加載，旋轉(zhuǎn)時(shí)不能更好地保持持續(xù)的勻速轉(zhuǎn)動(dòng)；靜探儀每10 s采集一次剪切數(shù)值，不能更精確、清晰地反映剪應(yīng)力變化特征；且該儀器不能通過(guò)試驗(yàn)直接測(cè)根土復(fù)合體的粘聚力和內(nèi)摩擦角，因此目前還未能正確建立兩種試驗(yàn)結(jié)果的的函數(shù)關(guān)系式，對(duì)分析根系作用機(jī)制存在一定局限性；以上不足之處，有待進(jìn)一步試驗(yàn)研究工作。

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Comparative Research for Two Experimental Methods to Determine Soil-Root Composite Shear Strength

SONG Lu1, ZHU Haili1,2, LI Guorong1, WANG Tao1, CHEN Wenting1

(1.DepartmentofGeologicalEngineering,QinghaiUniversity,Xi′ning810016,China; 2.QinghaiInstituteofSaltLakes,ChineseAcademyofSciences,Xi′ning810008,China)

In order to determine the shear strength of soil-root composite more effectively and conveniently, and decrease the surface damage area， shear tests were carried out with different vegetation coverage and different water contents by using reformed in-situ vane shear apparatus and direct shear apparatus respectively on the campus of Qinghai University. The experimental results showed that the average cohesion of soil-root composites ranges from 20.39 kPa to 36.49 kPa under same water content by direct shear test, while the average shear strength of soil-root composites ranges from 35.92 kPa to 102.36 kPa through in-situ vane shear test. Then the average cohesion of soil-root composites ranges from 32.46 kPa to 23.32 kPa under same vegetation coverage by direct shear apparatus, while the average shear strength ranges from 109.7 kPa to 68.12 kPa by in-situ vane shear test. The results of two test methods both showed that the shear strength of soil-root composite increased with the increase of vegetation coverage, and decreased with increase of water content. The soil-root composite shear strength of in-situ vane shear test was higher than that of the direct shear test, the average increment reached to 94.23%. The main reasons for making differences between the two methods are due to various shear mode, shear failure area, the number of roots available to shear and damage degree. In situ vane shear test can reflect the change pattern more accurately and visually in the process of landslide because soil-root composites were destroyed completely and the soil structure and root distribution were not destroyed compared with the direct shear test.

In-situ vane shear test; direct shear test; shear strength; vegetation coveraye; water content

2015-10-15

2015-11-20

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41302258);青海大學(xué)“123高層次人才培養(yǎng)工程”資助項(xiàng)目;青海大學(xué)“地質(zhì)資源與地質(zhì)工程創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”項(xiàng)目(4056051201)

宋路(1991—),男,新疆哈密人,碩士研究生,主要從事地質(zhì)災(zāi)害及其防治研究。E-mail:songlu.2007@163.com

朱海麗(1977—),女,江蘇溧陽(yáng)人,副教授,主要從事植被護(hù)坡與濱河生態(tài)學(xué)研究。E-mail:qdzhuhaili@163.com

TU411.7

A

1005-3409(2016)04-0282-06