蔣希雁，何春曉，周占學，郭陽陽

(1.河北省土木工程診斷、改造與抗災重點實驗室，河北 張家口 075000； 2.河北建筑工程學院，河北 張家口 075000)

生態(tài)護坡，是通過種植植物，利用植物與巖、土體的相互作用(根系錨固作用)對邊坡表層進行防護、加固，是一種有效的護坡、固坡方式。邊坡植物不僅可減少地面徑流，防止沖刷，有利于水土保持，而且可為各種小動物、微生物的生存繁殖提供場所，有助于逐漸形成完整的生物鏈，使當地的生態(tài)環(huán)境逐漸恢復[1]。植物根系是生態(tài)護坡形式的關鍵，對增加坡面淺層穩(wěn)定性起著重要作用。

我國從20世紀90年代開始進行了大量的生態(tài)護坡研究，這些研究主要集中在根系的固土作用等方面，主要表現在對土壤抗剪強度的提高上[2]。如：趙麗兵、胡其志等[3-4]通過室內試驗進行了草根加筋的復合土體力學效應試驗研究，表明復合土體遵循摩爾-庫侖準則。封金財等[5-9]通過研究驗證了在其他條件一定的情況下，根土復合體的抗剪強度會隨著土體中根系含量的增加而增大,隨含水量增大而減小；草本植物根系對土體抗剪強度的增加作用主要體現在黏聚力上，而對內摩擦角的影響較小。張峰等[10]基于常規(guī)三軸固結不排水剪切試驗探究植被須根含量和含水量對重塑非飽和粉質黏土抗剪強度指標的影響規(guī)律，得出植被須根可以提高土體的抗剪強度，在最優(yōu)含水率條件下抗剪強度最大的結論。此外，有關植物根土復合體中根系數量對根土復合體抗剪強度的影響，國內外諸多學者亦不同程度地開展了研究。

張家口市位于河北省西北部，地處東經113°50′～116°30′、北緯39°30′～42°10′,海拔1 300～1 600 m,多年平均氣溫7.8 ℃。目前對張家口地區(qū)生態(tài)護坡的研究還比較少。為此，我們采用常規(guī)不固結不排水剪切試驗，研究張家口某高速公路路堤生態(tài)邊坡不同含水率和含根量對根土復合體抗剪強度的影響，以期為該地區(qū)生態(tài)護坡理論提供一定的依據。

1 試驗材料選取與制備

1.1 試驗材料

選取張家口某公路路堤狗尾草生態(tài)邊坡進行試驗，邊坡表面覆蓋生長茂密的狗尾草。狗尾草在張家口路堤邊坡等地方尤為常見，其根系為須根系。選取植被較密的草皮，去掉土層上面的莖葉，挖取大塊帶根黏性土若干，同時在相同地點挖取大塊不帶根土若干。通過測定含水率，得知根土復合體含水率與素土含水率相差不大，可直接在素土中加根進行試驗。把根土復合體中的狗尾草根取出，為消除試驗過程中根系含水率的影響，將根系自然風干至質量不再變化。將素土過2 mm的篩，然后把篩過后的土烘干備用。路堤邊坡土壤的性質指標見表1。

表1 路堤邊坡土壤的性質指標

1.2 試樣制備

進行不固結不排水三軸試驗，需用烘干土加水制備不同含水率的試樣，所加水量計算公式為

(1)

式中：mw為土樣所需加水量，g；m為烘干后的土樣質量，g；ωh為烘干含水率，%；ω為土樣所要求的含水率，%。

試樣直徑39.1 mm，高度80 mm。將風干的根剪成2 cm長的小段，然后將剪斷的根分別按烘干土質量的0.1%、0.2%、0.3%、0.4%進行配比，配置含水率為9%、11%、13%、15%的根土復合體，將根土復合體進行充分攪拌，使根均勻混合，每個試樣的含根量基本相同。

為了更好地探究含根量對土體抗剪強度的影響，每組根土復合體取5個試樣，分別在50、100、150、200、250 kPa的圍壓下進行靜三軸不固結不排水剪切試驗；素土取4個試樣，分別在50、100、150、200 kPa的圍壓下進行靜三軸不固結不排水剪切試驗。加載速率0.8 mm/min，當測力計讀數出現峰值時，剪切應繼續(xù)進行至超過5%的軸向應變?yōu)橹?；當測力計讀數無峰值時，剪切應進行到軸向應變的15%～20%結束。土體抗剪強度公式為

τf=c+σtanφ

(2)

式中：τf為土體抗剪強度，kPa；c為黏聚力，kPa；σ為法向應力，kPa；φ為內摩擦角，(°)。

2 試驗結果及分析

2.1 試驗結果

不同含水率、含根量情況下抗剪強度指標見表2。由表2可以看出：根系的存在，使土的黏聚力明顯增大，增量為4.99～81.52 kPa；而內摩擦角增量較小，其值在-2.74°～2.32°之間。因此，可以認為根系的存在對內摩擦角影響較小，可以忽略，根土復合體抗剪強度的提高主要體現在黏聚力的增大上。

本試驗以含水率和含根量作為土體抗剪強度的影響因素進行分析和探究。剪切試驗土體破壞時，以最大主應力與最小主應力和的一半為圓心，最大主應力與最小主應力差(主應力差)的一半為半徑繪制各法向應力情況下的摩爾應力圓，求得各圓的公切線即為抗剪強度包線。通過試驗計算得到了在不同含根量和含水率條件下的主應力差-軸向應變曲線。由于不同含水率條件下的應力-應變曲線類似，故只以含水率9%為例，見圖1、2。

表2 各土樣抗剪強度

圖1 含水率9%素土應力-應變曲線

圖2 含水率9%含根量0.1%根土復合體應力-應變曲線

由圖1、2可知，在含水率相同的情況下，土的主應力差隨著圍壓的增大而增大，主應力差隨軸向應變在試驗開始時呈直線上升，隨著應變的增加主應力差增量逐漸減小，大約在軸向應變?yōu)?%處出現峰值，然后隨著應變的增加，試件破壞。

從圖3中可以看出，在含水率、圍壓相同的情況下，根土復合體的主應力差明顯大于素土，隨著含根量的增加，加筋效果更明顯，含根量0.4%的根土復合體比素土的主應力差增加了300 kPa，可見加根能明顯提高土的抗剪強度。

圖3 圍壓為50 kPa、含水率為9%時的應力-應變曲線

從圖4中可以看出，在含根量、圍壓相同的情況下，隨著含水率的提高，土的主應力差呈下降趨勢，含水率越高下降越明顯，在含水率相差2百分點的情況下主應力差差值最大能達到300 kPa，可見含水率能夠顯著影響抗剪強度。

圖4 圍壓為50 kPa、含根量為0.1%時的應力-應變曲線

由圖5可以看出，在含水率相同情況下，隨著含根量的增加黏聚力逐漸增加，黏聚力與含根量成正相關關系，含水率為9%時隨含根量增加黏聚力的增加尤為顯著。在含根量相同情況下，黏聚力隨著含水率的增加而減小，含水率越高黏聚力越小，含水率在9%～13%時黏聚力對含水率最為敏感，含水率在13%～15%時黏聚力敏感性下降。通過數值回歸分析，得到黏聚力與含根量之間的關系式，見表3。

圖5 黏聚力-含根量擬合關系

由圖6可知，在相同含水率情況下，隨著含根量的增加黏聚力增加；在相同含根量下，隨著含水率的增加黏聚力呈下降趨勢，黏聚力與含水率對數成反比。

表3 黏聚力與含根量的關系式

圖6 黏聚力-含水率擬合關系

產生上述現象的原因，是含水率的增加使得結合水膜變厚，土體之間的膠合作用降低使得黏聚力下降，而根系的牽引作用在剪切中約束了土體的變形，在一定程度上降低了黏聚力的下降。通過擬合得到黏聚力與含水率之間的關系式，見表4。

表4 黏聚力與含水率的關系式

2.2 根系加筋效應公式建立

通過以上分析可以得出，含根量對內摩擦角的影響較小，可以忽略不計。為了更好地研究植被根系對土體抗剪強度的影響，引入黏聚力增量(Δc)的概念，得到黏聚力增量與含根量的關系圖，見圖7。

圖7 黏聚力-含根量增量擬合關系

由圖7可知，隨著含根量的增大黏聚力明顯增大，不同含水率情況下增加的幅度不相同，11%、13%、15%含水率情況下隨含根量的增大黏聚力的增加幅度不大，而9%含水率時隨含根量的增大黏聚力的增加幅度明顯，表明土體在9%含水率時較敏感。通過擬合得到黏聚力增量與含根量的關系式，見表5。

表5 黏聚力增量與含根量的擬合函數表達式

由表5可得根土復合體的黏聚力表達式，見表6。

表6 根土復合體黏聚力表達式

通過分析可得抗剪強度與含根量之間的關系為

τf=c+σtanφ=c0+a+bx+σtanφ

(3)

式中：τf為土體抗剪強度，kPa；c0為素土黏聚力，kPa；a、b為模型系數，與根系種類、分布、含水率有關；σ為土體剪切面上法向應力，kPa；φ為內摩擦角，(°)；x為含根量，%。

由式(3)知抗剪強度與含根量成線性正相關，因此在一定條件下，只要給定了含根量和含水率就能初步計算出抗剪強度，這為本地區(qū)生態(tài)護坡提供了理論支持。

3 結 論

采用靜三軸不排水不固結試驗測定不同含根量、不同含水率對公路路堤邊坡重塑粉質黏土抗剪指標的影響，結果表明：

根土復合體與素土的應力-應變變化趨勢相同，說明摩爾-庫侖強度準則同樣適用于根土復合體，主要差別體現在黏聚力的不同，素土和根土復合體均大約在軸向應變2%處出現主應力差峰值，然后逐漸趨于破壞。

通過根土復合體與素土的比較發(fā)現，根土復合體的抗剪強度明顯大于素土，說明根能起到加筋作用，能夠用來約束土體變形，增加抗剪強度。

加根能夠增加黏聚力，但是加根后內摩擦角變化幅度不大，說明加根對內摩擦角影響較小。

比較不同含水率的試樣發(fā)現，隨著試樣含水率的提高，黏聚力呈下降趨勢，因為隨著含水率的增加，結合水膜變厚，土體之間的膠合作用降低使得黏聚力下降。

在一定條件下黏聚力和含根量呈線性正相關，和含水率對數呈反比，即在一定條件下隨著含水率增大黏聚力降低。通過擬合得到根系加筋效應公式τf=c0+a+bx+σtanφ，即在一定條件下，只要給定含水率和含根量就能初步計算出抗剪強度。