任 永 強(qiáng)

(鄂爾多斯市神東工程設(shè)計(jì)有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

0 引言

隨著資源的不斷開發(fā)和大規(guī)模的礦山、公路、鐵路、水利等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，形成了大量的裸露邊坡，若不加以防護(hù)治理，會(huì)造成嚴(yán)重的水土流失，甚至產(chǎn)生邊坡失穩(wěn)滑坡、坍塌及泥石流等自然災(zāi)害[1-3]。對(duì)于土質(zhì)邊坡而言，傳統(tǒng)防護(hù)多以漿砌片石、噴射混凝土、噴錨支護(hù)、設(shè)置擋土墻、布置抗滑樁及設(shè)置格構(gòu)梁等工程措施進(jìn)行加固處理。傳統(tǒng)的加固措施對(duì)工程建設(shè)初期的不穩(wěn)定性和雨水沖刷侵蝕方面效果較好，但造價(jià)高且對(duì)生態(tài)環(huán)境并未改善或修復(fù)。而生態(tài)護(hù)坡則不同，隨著時(shí)間的推移，植被不斷生長(zhǎng)繁盛，根系不斷深入土體，起到類似于錨桿加固的效應(yīng)，而且土體中的水分通過植被不斷吸收蒸發(fā)，降低了土體中的含水量，土體容重減小，孔隙水壓力下降，邊坡滑動(dòng)力降低，邊坡穩(wěn)定性提高[4-7]。

植物根系固土護(hù)坡效應(yīng)主要包含兩個(gè)方面：1)根系自身的力學(xué)性能，具有較高的抗拉強(qiáng)度及彈性模量；2)根系對(duì)土體的粘結(jié)作用形成根土復(fù)合纖維土，與原狀土體相比，其抗剪強(qiáng)度大幅提高[8,9]。對(duì)此領(lǐng)域的研究，國內(nèi)目前處于初步階段，且缺乏強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐，因而還未形成系統(tǒng)科學(xué)的理論體系，基于此，本次研究選擇適合神東煤炭集團(tuán)礦區(qū)及周邊地區(qū)生長(zhǎng)的紫穗槐灌木根系為研究對(duì)象，試圖從探討植物根系及根土復(fù)合體的力學(xué)機(jī)制，為礦區(qū)及周邊地區(qū)目前亟待解決的生態(tài)恢復(fù)治理工程和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目邊坡工程生態(tài)防護(hù)治理尋找力學(xué)理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料參數(shù)及研究方法

試驗(yàn)土樣取自國家能源神東煤炭集團(tuán)神東上灣煤礦新副斜井工業(yè)場(chǎng)地的填方段邊坡，取土深度為3 m～3.5 m，試樣平均干密度為1.48 g/cm3、天然含水量為11.2%，屬于黏性土(Q3)。試樣的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

試驗(yàn)前首先對(duì)副斜井工業(yè)場(chǎng)地附近區(qū)域的紫穗槐進(jìn)行采樣調(diào)查，種植時(shí)間為1年～3年，株高180 cm左右，株距50 cm，冠幅約90 cm，如圖1所示。調(diào)查結(jié)果顯示，紫穗槐根系深度可達(dá)1 m～1.5 m。調(diào)查結(jié)果表明，地表下0 cm～40 cm范圍內(nèi)的單株根系體積為387.6 cm3，復(fù)合土單位體積含根率為0.39%，地表下40 cm～80 cm范圍內(nèi)的單株根系體積為181.3 cm3，單位體積含根率為0.18%。直徑為0.8 mm～3.0 mm的根系占根系總數(shù)的體積比為82.7%(見圖2)。

表1 試樣物理力學(xué)參數(shù)

抗拉試驗(yàn)采用WDW-5電子萬能機(jī)測(cè)試，加載速率2 mm/min。試驗(yàn)中，選取12個(gè)不同直徑的根系樣本為一組，根系直徑采用游標(biāo)卡尺測(cè)量。對(duì)于每個(gè)樣本，取其3處不同位置的直徑為其有效直徑，將選好的樣本按根系直徑大小依次放置?？偣矞y(cè)試三組試樣，第一組試樣的根系長(zhǎng)度取40 cm，第二組的根系長(zhǎng)度為60 cm,第三組的根系長(zhǎng)度為80 cm。根系纖維土體抗剪切試驗(yàn)采用如圖3所示的應(yīng)變控制式直剪儀，試樣為重塑土制樣，試樣面積30 cm2，高度2.0 cm，纖維土試樣如圖4所示。固結(jié)歷時(shí)大于12 h，固結(jié)壓力100 kPa,200 kPa,300 kPa,400 kPa，剪切速率為0.8 mm/min。對(duì)土樣進(jìn)行素土和根土復(fù)合體的剪切試驗(yàn)。其中,對(duì)素土進(jìn)行不同含水量條件下的剪切試驗(yàn)，纖維土試樣則需測(cè)試含水率及含根量對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響。

2 植物根系抗拉試驗(yàn)

2.1 根系極限抗拉力

本次試驗(yàn)試樣直徑為0.8 mm～3.0 mm，根系極限拉力與根系直徑的關(guān)系如圖5所示。由圖5可知，紫穗槐根系具有較強(qiáng)的抗拉性能，試驗(yàn)中40 cm長(zhǎng)的根系最大極限拉力可達(dá)到101.24 kN,最小極限拉力54.94 kN，二者比值為1.84；60 cm長(zhǎng)的根系最大極限拉力可達(dá)到89.98 kN,最小極限拉力45.12 kN，二者比值為1.99；80 cm長(zhǎng)的根系最大極限拉力可達(dá)到71.80 kN,最小極限拉力30.88 kN，最大值為最小值的2.32倍；試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，根系所能承受的極限拉力與根的直徑和長(zhǎng)度均有關(guān)，相同的根系長(zhǎng)度，直徑越大，極限拉力越大，呈正相關(guān)性。究起原因，筆者認(rèn)為，隨著根系直徑D的增大，受拉橫截面積增加，且根系木質(zhì)化程度增強(qiáng)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實(shí)。根系直徑D相同的情況下，其極限抗拉力F隨著根系長(zhǎng)度的增加而減小，說明根系的抗拉能力不僅與直徑大小相關(guān)，而且還受長(zhǎng)度的影響。

通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理擬合分析，紫穗槐根系極限抗拉力F與根系直徑D呈冪函數(shù)型增長(zhǎng)曲線，其函數(shù)關(guān)系式為F=m·Dn(m,n均為常數(shù))，不同長(zhǎng)度根系的抗拉力與根徑曲線近似平行。冪函數(shù)回歸方程見表2。

2.2 根系抗拉強(qiáng)度

根系抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式為：

Pi=4Fi/(πD2)

(1)

其中，Pi為單根抗拉強(qiáng)度，MPa；Fi為極限抗拉力，N；D為單根直徑，mm。

抗拉強(qiáng)度與根徑的關(guān)系見圖6。由圖6可知，紫穗槐根系的抗拉強(qiáng)度范圍為10.4 MPa～109.4 MPa，平均抗拉強(qiáng)度為65.25 MPa，根系長(zhǎng)度不同，其抗拉強(qiáng)度與直徑的變化趨勢(shì)也不同。根系越短，抗拉強(qiáng)度隨著根系直徑的增大而減小的幅度越大，根系越長(zhǎng)，其變化幅度越小。當(dāng)根系直徑大于2.8 mm時(shí)，根的長(zhǎng)度對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響可以忽略不計(jì)，抗拉強(qiáng)度均收斂于10.0 MPa左右。

通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理擬合分析，紫穗槐根系的抗拉強(qiáng)度P與根系直徑D滿足冪函數(shù)關(guān)系，其式為：P=λ·D-β，其中，λ，β均為常數(shù)，試驗(yàn)中根系長(zhǎng)度為40 cm,60 cm,80 cm的抗拉強(qiáng)度回歸方程見表3，這與程洪、pollen、余芹芹等的研究結(jié)果一致。試驗(yàn)表明，側(cè)根的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)大于主根的抗拉強(qiáng)度，最大值與最小值相差10倍之多，根徑0.8 mm的側(cè)根極限抗 拉強(qiáng)度值與HPB300鋼筋的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(270 MPa)相比，可以達(dá)到其設(shè)計(jì)強(qiáng)度的40.51%，主根的抗拉強(qiáng)度峰值也能達(dá)到HPB300鋼筋抗拉強(qiáng)度的12%。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)知，根系越細(xì)，其抗拉強(qiáng)度越高，對(duì)土體單元的固結(jié)能力越強(qiáng)，護(hù)坡效果越好。

表2 不同根系長(zhǎng)度極限抗拉力與直徑關(guān)系式

根長(zhǎng)/cm樣本數(shù)量回歸方程擬合度4012F=60.20D0.4670.9836012F=47.99D0.5620.9798012F=35.09D0.6620.977

表3 不同根系長(zhǎng)度抗拉強(qiáng)度與直徑關(guān)系式

2.3 根系彈性模量

應(yīng)變?chǔ)庞?jì)算公式為：

ε=ΔL/L

(2)

其中，ΔL為試驗(yàn)中根系長(zhǎng)度的增量，mm；L為根系初始長(zhǎng)度，mm。

彈性模量E的計(jì)算公式為：

E=σ/ε

(3)

其中，σ為試驗(yàn)過程中根系橫截面受的拉應(yīng)力，MPa。

表4 不同根系長(zhǎng)度彈性模量與直徑關(guān)系式

不同根系長(zhǎng)度的彈性模量E與根系直徑D的關(guān)系見圖7，試驗(yàn)中，根系的最大彈性模量為25.55 MPa，最小彈性模量為3.33 MPa，均值為9.05 MPa。根系長(zhǎng)40 cm,60 cm,80 cm的彈性模量平均值分別為12.66 MPa，8.80 MPa，5.69 MPa。根系長(zhǎng)度越長(zhǎng)，彈性模量越小。根系直徑越大，彈性模量越小。彈性模量和根系長(zhǎng)度及直徑均呈負(fù)相關(guān)性。3種長(zhǎng)度根系的彈性模量隨著直徑的增大，其差量在不斷減小。通過對(duì)數(shù)據(jù)曲線擬合分析，3種不同長(zhǎng)度根系的彈性模量E與直徑D存在冪函數(shù)關(guān)系，其函數(shù)式見表4。

3 根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)

圖8～圖11分別為纖維土體在4種不同含水率(差值恒定)條件下的剪切強(qiáng)度與垂直壓力的關(guān)系曲線。試驗(yàn)結(jié)果表明：試樣含水率一定時(shí)，纖維土體抗剪強(qiáng)度與垂直壓力的關(guān)系與素土相類似，均呈線性關(guān)系，抗剪強(qiáng)度隨著垂直壓力的增加而增加，符合庫侖定律τ=σtanφ+c。

3.1 含水率對(duì)復(fù)合土體抗剪強(qiáng)度的影響

圖12，圖13分別為纖維土體強(qiáng)度參數(shù)(c,φ)與含水量關(guān)系曲線。試驗(yàn)結(jié)果表明：素土同纖維土體一樣，粘聚力c隨著含水率的增加而降低，當(dāng)含水率由天然含水量w0(11.2%)增加到1.5w0(16.8%),2.0w0(22.4%),2.5w0(28.0%)時(shí)，粘聚力較天然含水量狀態(tài)下分別降低28.8 kPa,37.0 kPa,41.2 kPa，降幅達(dá)31%,52%，64%。粘聚力隨著含水率的變化，呈非線性降低，降幅Δc隨著含水率的增加逐漸變小。分析其原因?yàn)椋康脑龃笫沟猛令w粒間的膠結(jié)物被溶解，土顆粒表面的水膜加厚，粘結(jié)作用弱化，土顆粒之間的約束摩阻力減小，粘聚力下降。圖13表明，無論是素土還是纖維土體，其內(nèi)摩擦角隨著含水率的增加總體上在不斷減小，但與初始含水狀態(tài)下的內(nèi)摩擦角相比，即使含水量增加到原狀土的2.5倍(接近液限含水量)，內(nèi)摩擦角的變化(Δφ)在2°之內(nèi)，降幅不到10%。在實(shí)際工程中，可以忽略其變化。

3.2 含根率對(duì)復(fù)合土體抗剪強(qiáng)度的影響

圖14,圖15分別為纖維土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)(c,φ)與含根量關(guān)系曲線。圖14表明：含水量一定時(shí)，纖維土體的粘聚力大于素土的粘聚力。當(dāng)含根量為0.18%時(shí)，在4種不同含水量的試樣中，粘聚力較素土試樣的增量Δc依次為11.4 kPa,8.3 kPa,5.2 kPa,3.2 kPa，平均增幅達(dá)24%。當(dāng)含根量為0.39%時(shí)，在4種不同含水量的試樣中，粘聚力增量Δc依次為19.7 kPa,14.0 kPa,10.9 kPa,7.3 kPa，平均增幅達(dá)45.5%。由此表明，纖維土體含根量越大，粘聚力的增量Δc越大。究其原因是纖維土體發(fā)生剪切破壞時(shí)，根系與土體之間的摩擦效應(yīng)，使得根系分擔(dān)了部分拉力，類似于根系對(duì)土體的錨固作用，使纖維土體的抗剪強(qiáng)度得以提高。內(nèi)摩擦角的增量Δφ隨著含根量的增加總體上呈增大的趨勢(shì)，平均變化范圍在1.16°～1.58°，增量Δφ較小，原因是纖維土體的內(nèi)摩擦角主要取決于土顆粒級(jí)配、顆粒大小及粗糙度，植物根系對(duì)內(nèi)摩擦角的影響微乎其微，在工程實(shí)際當(dāng)中，可以忽略其變化。

4 結(jié)論

1)當(dāng)根系長(zhǎng)度一定時(shí)，根系承受的極限拉力與直徑成冪函數(shù)的關(guān)系，根系直徑越大，能承受的極限拉力越大；根系的單根抗拉強(qiáng)度隨著直徑的增大而逐漸降低，降幅呈冪函數(shù)的關(guān)系；根系的彈性模量隨著根系的直徑增大而減小，其相對(duì)關(guān)系也呈冪函數(shù)型曲線。

2)根系直徑一定時(shí)，隨著根系長(zhǎng)度的增加，極限抗拉力、抗拉強(qiáng)度及彈性模量均減小，且差異較大，短根的力學(xué)性能優(yōu)于長(zhǎng)根的力學(xué)性能。說明植物根系對(duì)邊坡淺層土體具有良好的加固機(jī)理。

3)根系具有較大的抗拉能力，能對(duì)淺層邊坡起到錨固作用。與工程實(shí)際中常用的HPB235鋼筋(Q235)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值210 MPa相比，紫穗槐根系可以對(duì)邊坡提供0.12倍～0.52倍鋼筋的拉力。

4)根土纖維體的抗剪強(qiáng)度同樣符合庫倫強(qiáng)度理論，與垂直壓力呈線性變化。隨著含水量的增大，其粘聚力在不斷降低，降幅呈非線性變化趨勢(shì)，天然含水率至塑限含水率范圍內(nèi)降幅較大，塑限含水率至液限含水率的范圍內(nèi)，其降幅較小。內(nèi)摩擦角隨著含水率的增加而減小，但其變化范圍較小，素土及不同含根率的纖維土體中，內(nèi)摩擦角的降幅均小于1.5°，在實(shí)際工程應(yīng)用中，可以忽略內(nèi)摩擦角的變化。

5)與素土比較，在相同的垂直壓力下，纖維土的抗剪強(qiáng)度大幅提升。含水率一定時(shí)，纖維土體的含根量越大，其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c,φ越高，固土效果越好。含根量對(duì)c的影響遠(yuǎn)大于φ的影響。