李潤(rùn)發(fā)，王桂堯，張永杰，黃永剛

(長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114)

0 引言

膨脹土是一種由強(qiáng)親水性黏土礦物組成的典型非飽和黏土，具有吸水膨脹軟化、失水收縮干裂等特性，經(jīng)常表現(xiàn)為多裂隙、超固結(jié)、反復(fù)脹縮等特征。對(duì)于膨脹土邊坡治理，大量工程實(shí)踐表明，相比剛性防護(hù)與錨桿支護(hù)等傳統(tǒng)處治方式，采用柔性加筋治理的膨脹土邊坡穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性均優(yōu)于傳統(tǒng)治理方式。

在膨脹土邊坡柔性加筋處治的方法研究方面，雷勝友等[1]通過(guò)加筋纖維的方式，得到可有效抑制膨脹土膨脹性的纖維加筋最優(yōu)加筋率；王協(xié)群等[2]采用土工格柵加筋膨脹土，得到加筋可提高膨脹土的邊坡穩(wěn)定性且豎向加筋效果最好的結(jié)論；汪明元等[3]研究了聚酯雙向土工格柵加筋膨脹土的問(wèn)題，認(rèn)為加筋可改變膨脹土的破壞模式并提高土體的峰值強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度;錢葉琳等[4]利用黃麻纖維加筋膨脹土，得到土體抗剪強(qiáng)度隨黃麻纖維長(zhǎng)度的增加先增后減的結(jié)論；張小平等[5]利用聚丙烯纖維加筋膨脹土，得到總脹縮性隨纖維含量增高而降低的結(jié)論。而在利用植物根系加筋處治膨脹土邊坡病害研究方面，劉正明等[6]采用植被覆蓋膨脹土證明植被可降低大氣對(duì)膨脹土強(qiáng)度的影響；周成等[7]利用香根草加筋重塑膨脹土試驗(yàn)，認(rèn)為香根草根系可抑制膨脹土的膨脹變形、降低膨脹力，根土復(fù)合體含水率接近最優(yōu)含水率時(shí)膨脹力最大。但添加死根系與種植活根系對(duì)膨脹土物理力學(xué)特性是否存在不同的影響還不得而知，添加根系制作的膨脹土根土復(fù)合體與生長(zhǎng)于膨脹土中的活根系根土復(fù)合體是否具有不同的物理力學(xué)特性也缺乏研究，因此，能否利用種植香根草的深長(zhǎng)茂密根系的柔性加筋作用處治膨脹土的膨脹性問(wèn)題存在疑問(wèn)。為此，本研究在膨脹土中種植香根草制備土樣，通過(guò)根土復(fù)合體的無(wú)荷膨脹率、膨脹力和強(qiáng)度試驗(yàn)，研究種植香根草根系對(duì)膨脹土物理力學(xué)特性的影響，以便為進(jìn)一步研究利用香根草處治膨脹土邊坡病害問(wèn)題提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土為某開(kāi)挖邊坡的棕紅色弱膨脹土，土樣基本物理特性如表1所示。以內(nèi)徑20 cm，高45 cm 的PVC管作為根土復(fù)合體培育容器。香根草作為一種無(wú)性繁殖的禾木科草本植物，具有根系深長(zhǎng)發(fā)達(dá)、生長(zhǎng)速度快、耐酸堿性強(qiáng)、力學(xué)性能突出、生態(tài)作用明顯等特點(diǎn)。選取長(zhǎng)勢(shì)良好的香根草，在春季種植于土樣中。

表1 試驗(yàn)土樣的基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of test soil sample

2 試驗(yàn)方法

2.1 分組原則及制樣方法

由于弱膨脹土的物理力學(xué)性質(zhì)主要受密實(shí)度與含水率影響，因此試驗(yàn)采用95%，92%，90%的壓實(shí)度，按5 cm高度為1層控制壓實(shí)度，分3層在擊實(shí)模具內(nèi)擊實(shí)并脫模，擊實(shí)模具為內(nèi)徑19.8 cm、高20 cm的高強(qiáng)透明玻璃管，擊實(shí)后從模具底部往上各層壓實(shí)度分別為95%，92%，90%。將擊實(shí)后15 cm高的土柱從模具內(nèi)脫出，按照95%壓實(shí)度土層在上，90%壓實(shí)度土層在下，將其倒放入PVC管內(nèi)后刮毛上表面，按照相同上下順序?qū)⒘硪煌林湃隤VC管與管內(nèi)土柱拼接為高30 cm的擊實(shí)土(圖1)，使高壓實(shí)度土層靠近地面。為方便取出根土復(fù)合體土樣，PVC管切留一條裂縫，用膠帶粘貼裂縫及PVC管內(nèi)壁，用土工布封底。圖1中K表示土樣壓實(shí)度。

圖1 壓實(shí)示意圖Fig.1 Schematic diagram of compaction

由于擊實(shí)土無(wú)法直接移植香根草，需在擊實(shí)土上表面覆蓋10 cm高松散種植土，取樣時(shí)去除種植土只保留壓實(shí)土，每根PVC管種植5～6株草苗，隨著香根草根系發(fā)育扎入壓實(shí)土內(nèi)形成根土復(fù)合體，按照此法制得24組試樣(圖2)。制樣完成后將PVC管埋入地下，以使香根草根系生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中含水率受大氣影響相對(duì)較小，每根PVC管每次澆水300 mL，試驗(yàn)場(chǎng)地用透明雨棚保證采光的同時(shí)防止降雨對(duì)試樣造成影響。

圖2 香根草培育Fig.2 Vetiver cultivation

在香根草培養(yǎng)容器內(nèi)觀察香根草生長(zhǎng)情況，統(tǒng)計(jì)其根系生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律，其中生長(zhǎng)90 d和 180 d的根系外觀與生長(zhǎng)分布情況如圖3～圖4所示。

圖3 根系分布Fig.3 Root distributions

由圖4可知，90 d香根草在0～20 cm深度范圍內(nèi)根徑大多超過(guò)1 mm，20～30 cm深度范圍內(nèi)根徑大多小于1 mm，同深度范圍180 d香根草根系比90 d 香根草根系粗壯密多。

2.2 取樣及含根量統(tǒng)計(jì)方法

香根草生長(zhǎng)90 d和180 d(圖5)后在PVC管內(nèi)取樣得到試驗(yàn)根土復(fù)合體(圖6)。觀察統(tǒng)計(jì)90 d和180 d根系的分布形態(tài)，確定環(huán)刀取樣位置，用剪刀剪去上部莖葉，然后用土工刀切去種植土得到根土復(fù)合體試樣，切割時(shí)配合剪刀小心剪斷根系，避免對(duì)根土復(fù)合體的擾動(dòng)，用金剛砂線鋸配合剪刀將根土復(fù)合體按5 cm高度為1層切割為土餅，將土餅放入有側(cè)限約束的脫模器內(nèi)用環(huán)刀取樣，每層切取2～3個(gè)試樣并測(cè)記含水率，環(huán)刀直徑為61.8 mm，高為20 mm。

圖5 香根草Fig.5 Vetiver

圖6 根土復(fù)合體Fig.6 Root soil complexes

收集試驗(yàn)結(jié)束后的土樣浸泡于清水中2～3 h，待土體崩解后過(guò)0.25 mm篩，用清水沖洗濾網(wǎng)表面的根系并收集得到草根后稱重，按式(1)計(jì)算得到含根量：

(1)

式中，δ為含根量；m為根系質(zhì)量；V為土樣體積。

2.3 試樣篩選及素土配制方法

香根草生長(zhǎng)90 d后取樣，樣本量為10根PVC管，取含水率相差1%之內(nèi)的土樣進(jìn)行無(wú)荷膨脹率、膨脹力、直剪試驗(yàn)。當(dāng)香根草齡期達(dá)180 d后，按照相同方式取樣，每層以90 d有效試樣含水率為基準(zhǔn)得到180 d同層試樣。根據(jù)90 d與180 d有效土樣含水率平均值配制該層素土試樣進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。0～5，5～10，10～15，15～20，20～25，25～30 cm為土樣的不同深度范圍。

圖7 深度膨脹時(shí)程曲線Fig.7 Curves of depth expansion time history

2.4 無(wú)荷載膨脹率和膨脹力試驗(yàn)

按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL237—1999)，對(duì) 90 d 與180 d齡期根土復(fù)合體試樣進(jìn)行無(wú)荷膨脹率試驗(yàn)，用平衡加壓法測(cè)定膨脹力，試驗(yàn)結(jié)束后收集試樣統(tǒng)計(jì)含根量。無(wú)荷膨脹率為土樣在有側(cè)限約束條件下膨脹增量與土樣初始高度之比值，膨脹力為土樣在吸水膨脹時(shí)所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。

由于相鄰兩層壓實(shí)度不同，而壓實(shí)度相同不同深度位置土層的含水率差異超過(guò)2%，因此無(wú)法進(jìn)行豎向不同深度范圍土層的對(duì)比試驗(yàn)，只進(jìn)行同一深度范圍內(nèi)不同含根量根土復(fù)合體的膨脹性比較試驗(yàn)。

2.5 直接剪切試驗(yàn)

試驗(yàn)按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》中的快剪試驗(yàn)方法，采用等應(yīng)變直剪儀進(jìn)行試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 無(wú)荷膨脹率試驗(yàn)結(jié)果及分析

無(wú)荷膨脹率試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，90和 180表示生長(zhǎng)齡期，P表示根土復(fù)合體試樣，SP表示素土試樣，A～F表示不同取樣深度，1和2表示平行試驗(yàn)組號(hào)。由文獻(xiàn)[8]可知，膨脹力的產(chǎn)生發(fā)展可分為吸水膨脹、加速膨脹和緩慢膨脹3個(gè)階段。由膨脹時(shí)程曲線可知，植物根系可加快吸水膨脹階段的膨脹土膨脹潛勢(shì)釋放，當(dāng)膨脹潛勢(shì)釋放至一定程度時(shí)，根系對(duì)膨脹潛勢(shì)有抑制作用。

(1)由圖7(a)和圖7(d)可知，0～5 cm層與15～20 cm層根土復(fù)合體膨脹穩(wěn)定時(shí)間大于素土，而無(wú)荷膨脹率小于素土，且無(wú)荷膨脹率隨含根量的增高而降低，說(shuō)明香根草根系的包裹加筋作用可降低膨脹土的膨脹性。由于該兩層土樣的密實(shí)度高，而高密實(shí)度下根系的阻流作用[9]使得進(jìn)入土體的水分減小，從而延緩膨脹潛勢(shì)的釋放。

(2)由圖7(c)和圖7(f)可知，10～15 cm層與25～30 cm層根土復(fù)合體無(wú)荷膨脹率和膨脹穩(wěn)定時(shí)間均小于素土，說(shuō)明該兩層香根草根系加快了膨脹潛勢(shì)的釋放，這與0～5 cm和15～20 cm層的試驗(yàn)結(jié)果不同。這是因?yàn)槊軐?shí)度較低時(shí)，根系提高了土體滲透性，吸水膨脹完成時(shí)間變短，因此膨脹穩(wěn)定時(shí)間較短。

3.2 膨脹力試驗(yàn)結(jié)果及分析

膨脹力試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，相同深度范圍試樣的密度和含水率相差很小，因此假定密度與含水率相同。由試驗(yàn)結(jié)果可知，含根量不同土樣的膨脹力相差較大。

由表2可知，同深度范圍，含根量高的180 d根土復(fù)合體膨脹力均小于含根量低的90 d根土復(fù)合體，說(shuō)明香根草根系有減小膨脹力的作用，這與雷勝友等采用麻絲纖維加筋膨脹土的試驗(yàn)結(jié)果相同。這是因?yàn)橄愀莞狄种婆蛎浟Φ臋C(jī)理類似于纖維材料，即通過(guò)根系網(wǎng)的包裹作用限制土體變形，同時(shí)根系與土體界面的摩擦力抵消和抑制了部分膨脹力，且根系比表面積越大，則根土接觸面積越大，抑制作用也越明顯。相同含根量下，根系質(zhì)量相同的細(xì)根比粗根擁有更多的根系數(shù)量和更大的比表面積，因此相同含根量下細(xì)根加筋效果優(yōu)于粗根。

圖8為同深度范圍、不同含根量根土復(fù)合體與素土膨脹力差值ΔP的關(guān)系曲線，擬合曲線方程如表3所示。由圖8及表3可以看出，ΔP與δ呈較明顯的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)最小為0.91，最大為0.98，線性關(guān)系良好，說(shuō)明含根量越高膨脹力降幅越大，根系對(duì)膨脹力的抑制作用越明顯[10-11]。

3.3 室內(nèi)直剪試驗(yàn)結(jié)果及分析

90 d根土復(fù)合體的應(yīng)力-位移關(guān)系除0～5 cm土層呈應(yīng)變軟化型外，其余土層均呈應(yīng)變硬化型，見(jiàn)圖9(a)；而180 d根土復(fù)合體所有土層均呈應(yīng)變軟化型，見(jiàn)圖9(b)。90 d和180 d根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度結(jié)果如表4所示，擬合公式如表5所示。黏聚力增量ΔC及內(nèi)摩擦角增量Δφ與含根量關(guān)系的擬合曲線如圖10～圖11所示，擬合方程分別見(jiàn)表6、表7。

表2 膨脹力試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Expansion force test result

由圖9可知，`90 d根土復(fù)合體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系除0～5 cm層呈應(yīng)變軟化型之外，其余土層均呈應(yīng)變硬化型，而180 d根土復(fù)合體各土層均呈應(yīng)變軟化型。同深度范圍內(nèi)，180 d根土復(fù)合體含根量高于90 d 根土復(fù)合體，說(shuō)明含根量對(duì)根土復(fù)合體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系影響顯著。因?yàn)?0 d根土復(fù)合體根系細(xì)少，其根系抗拉強(qiáng)度低，剪應(yīng)變未達(dá)到土體允許最大變形時(shí)根系已被拉斷，根系拉斷后土體承擔(dān)剪應(yīng)力，根系加筋效果不明顯，因此90 d根土復(fù)合體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系幾乎均呈應(yīng)變硬化型。180 d根土復(fù)合體香根草根徑粗大，根系密集且抗拉強(qiáng)度高，剪應(yīng)變達(dá)到峰值后，細(xì)根被拉斷，粗根與接觸面產(chǎn)生滑動(dòng)位移，根系受力由靜摩擦力轉(zhuǎn)為滑動(dòng)摩擦力，當(dāng)滑動(dòng)位移達(dá)到極值后，摩擦力大幅減小，抗剪強(qiáng)度迅速降低，故呈應(yīng)變軟化型；軟化程度與土層密實(shí)度有關(guān)，高密實(shí)度土層如0～5 cm土層軟化程度大于其他低密實(shí)度土層，這是因?yàn)楦呙軐?shí)度土層土粒咬合緊密，根系與土體有效接觸面積大，因而摩擦力大，峰值強(qiáng)度高，軟化程度比其他低密實(shí)度土層高。

圖8 ΔP-δ關(guān)系曲線Fig.8 ΔP-δ curves

表3 ΔP-δ擬合公式匯總Tab.3 Summary of fitting formulas

圖9 應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.9 Curves of stress vs. strain

由表4可知，0～5 cm土層180 d根土復(fù)合體黏聚力相比素土最大提高181.81 kPa，90 d根土復(fù)合體黏聚力比素土最大提高45.02 kPa，5～10 cm土層180 d根土復(fù)合體黏聚力比素土最大提高91.45 kPa，90 d根土復(fù)合體黏聚力比素土最大提高23.43 kPa。同深度范圍內(nèi)，90 d根土復(fù)合體內(nèi)摩擦角φ值略小于素土，這與文獻(xiàn)[12]的試驗(yàn)結(jié)果相同，但同深度范圍內(nèi)，180 d根土復(fù)合體內(nèi)摩擦角φ值比素土有較明顯提高。這是因?yàn)?0 d根土復(fù)合體含根量低，根系抗拉強(qiáng)度小于最大靜摩擦力，隨剪切位移增大根系被拉斷幾乎不產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦力；180 d根土復(fù)合體含根量高，根系抗拉強(qiáng)度大于最大靜摩擦力，隨剪切位移增大根系被拉出產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦力提高了土體內(nèi)摩擦角，故180 d根土復(fù)合體黏聚力C與內(nèi)摩擦角φ比素土均有明顯提高。

由圖10、圖11及表6、表7可知，黏聚力增量ΔC與含根量δ呈線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)最小為0.91，最大為0.99，說(shuō)明香根草根系可提高黏聚力，ΔC-δ擬合曲線斜率越高，含根量影響越顯著。同深度范圍內(nèi)，黏聚力增量ΔC隨含根量δ呈線性增高，這與國(guó)內(nèi)外其他學(xué)者的研究不同[13-17]。理論上講，同深度范圍內(nèi)黏聚力增量ΔC不可能隨含根量δ無(wú)限增大，當(dāng)含根量δ超過(guò)某一值后，ΔC將隨δ增大而減小，造成這種試驗(yàn)結(jié)果的原因主要是試驗(yàn)種植香根草生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)間短，整體含根量較小未達(dá)到最優(yōu)含根量，因此ΔC隨δ線性增大。內(nèi)摩擦角增量Δφ與含根量δ也呈近似線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)最高為0.98，最低為0.62，但高含根量0～15 cm范圍土層相關(guān)系數(shù)明顯高于低含根量15～30 cm范圍土層。說(shuō)明高含根量土層Δφ-δ線性關(guān)系可靠，低含根量Δφ-δ線性關(guān)系不明顯。原因之一是因?yàn)?～15 cm土層根系靠近地表，含根量高根徑較粗，根系與土體的有效接觸面積大于15～30 cm土層，內(nèi)摩擦角有較大提升，而低含根量土層內(nèi)摩擦角幾乎無(wú)提高，因此0～15 cm 范圍內(nèi)Δφ-δ擬合曲線相關(guān)系數(shù)大于15～30 cm范圍土層；原因之二是因?yàn)樽匀簧L(zhǎng)狀態(tài)下，根系的生長(zhǎng)發(fā)育具有不確定性[18]，由于直剪試驗(yàn)試樣尺寸的局限性，環(huán)刀內(nèi)的根土復(fù)合體存在含根量相同但根系分布方式、根數(shù)、根徑不同的可能性[19-20]，試驗(yàn)結(jié)果有一定的離散性。試樣尺寸對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響還需制作不同尺寸的試樣進(jìn)行原位試驗(yàn)進(jìn)一步研究。

表4 直剪試驗(yàn)結(jié)果匯總Tab.4 Summary of direct shear test result

表5 直剪擬合公式匯總Tab.5 Summary of direct shear fitting formulas

圖10 ΔC-δ曲線Fig.10 ΔC-δ curves

圖11 Δφ-δ曲線Fig.11 Δφ-δ curves

表6 ΔC-δ擬合公式匯總Tab.6 Summary of ΔC-δ fitting formulas

表7 Δφ-δ擬合公式匯總Tab.7 Summary of Δφ-δ fitting formulas

4 結(jié)論

(1)種植香根草活根系可顯著降低膨脹土的膨脹力和無(wú)荷膨脹率，其中膨脹力降幅ΔP與含根量δ呈正相關(guān)，含根量越高其膨脹力降幅越大。無(wú)荷膨脹率也隨含根量增高而降低，但不同密實(shí)度土層中膨脹潛勢(shì)釋放的表現(xiàn)不同，其中密實(shí)度較高土層中的根系延緩膨脹潛勢(shì)釋放，而密實(shí)度較低土層中的根系則加快膨脹潛勢(shì)釋放。

(2)不同含根量對(duì)膨脹土根土復(fù)合體加載過(guò)程中的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系影響顯著，其中高含根量根土復(fù)合體均為應(yīng)變軟化型，且密實(shí)度越高其應(yīng)變軟化現(xiàn)象表現(xiàn)越明顯，而低含根量根土復(fù)合體大都為應(yīng)變硬化型。

(3)香根草根系根土復(fù)合體的黏聚力增量和內(nèi)摩擦角增量均隨含根量的增加而線性增加，但含根量對(duì)黏聚力影響顯著，而對(duì)內(nèi)摩擦角影響較小，其中地表淺層粗根系對(duì)根土復(fù)合體內(nèi)摩擦角的提高作用相對(duì)較大。