蔣必鳳 凌 毅 梁安銘 王浩屹

(1.三亞學(xué)院，海南 三亞 572000； 2.海南陽(yáng)光鑫海發(fā)展有限公司，海南 三亞 572000)

土的崩解在土工試驗(yàn)中稱為濕化，是指土體浸水后發(fā)生碎散解體、塌落的現(xiàn)象，是由于水流入滲擠壓氣體，引發(fā)土體內(nèi)部應(yīng)力集中，使斥力超過吸力，進(jìn)而造成土體崩落解體[1]。土體遇水濕化崩解是一種常見現(xiàn)象，土體崩解程度不一造成岸坡失穩(wěn)，危及工程安全[2]。土體的抗崩解能力能夠反映出土體結(jié)構(gòu)被水浸潤(rùn)解體的特性[3]，研究土體的抗崩解能力具有非常重要的意義。而植被護(hù)坡技術(shù)是提高邊坡土體穩(wěn)定性的一種重要手段，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者在此方面的研究成果較多，植物根系能將土壤單粒粘結(jié)起來(lái)，并且發(fā)達(dá)的根系在土體中形成了縱橫交錯(cuò)的根系網(wǎng)，將土壤顆粒緊緊束縛包裹住，形成“加筋土”，對(duì)土體抗崩解能力有很大的增強(qiáng)作用，根據(jù)研究表明，根系越多，土體抗崩解能力越強(qiáng)，土體抵抗流水沖刷的能力越強(qiáng)，從而達(dá)到增強(qiáng)邊坡土體穩(wěn)定性的作用[3]。關(guān)于土體抗崩解性能的影響，相關(guān)學(xué)者研究成果較為豐富，在研究崩解特性的影響因素方面，曾慶建等[4]研究不同含水率和溫度下紅黏土的崩解特性，認(rèn)為在自然氣候范圍內(nèi)，含水率是土體崩解的主要影響因素；李家春等[5]認(rèn)為壓實(shí)土的含水量、壓實(shí)度是影響崩解的主要因素，崩解速度隨壓實(shí)度增大、含水量增加而減??；王桂堯等[6]認(rèn)為草類根系能顯著提高根—土復(fù)合體的抗崩解特性；張澤等[7]發(fā)現(xiàn)隨著初始含水量的增大，其崩解時(shí)間越長(zhǎng)，崩解速率逐漸變?。焕钕舶驳萚8]研究把原狀黃土的崩解主要分為崩離、迸離和解離3個(gè)過程，并認(rèn)為天然含水率和結(jié)構(gòu)性是影響崩解性的重要因素；談云志等[9]研究認(rèn)為紅黏土的初始?jí)簩?shí)狀態(tài)對(duì)其變形影響顯著；薛璟等[10]設(shè)計(jì)了正三棱柱、正四棱柱、正五棱柱、正六棱柱、圓柱的試樣進(jìn)行了原位黃土崩解試驗(yàn)，研究表明黃土的崩解速率與邊界有關(guān)，橫截面越尖銳則其相應(yīng)的崩解速率也就越快，試樣棱邊數(shù)越少，相同條件下所產(chǎn)生的崩解量越多；袁亮等[11]認(rèn)為造成黃土崩解性差異的主要因素有顆粒級(jí)配、含水率、礦物成分等，其中，顆粒成分、礦物成分是造成粉土與黏性土崩解差異的主要因素；沙琳川等[12]認(rèn)為崩解量和崩解速率隨著試樣的初始含水率的降低而增加，稻秸稈摻加比例對(duì)試樣崩解現(xiàn)象影響不大；鄧仁貴等[13]認(rèn)為林木根系能大大增強(qiáng)坡面土抗崩解能力。

從文獻(xiàn)資料可知，含水率和植物根系含量是影響含根土體崩解性能的主要因素，本文通過設(shè)計(jì)多組初始含水率和根系含量進(jìn)行正交試驗(yàn)，研究?jī)烧邔?duì)根土復(fù)合體崩解性能的影響。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1)試驗(yàn)材料。

試驗(yàn)用土為海南省一般紅黏土，過2 mm篩，并在室內(nèi)用鼓風(fēng)干燥機(jī)將土樣連續(xù)24 h進(jìn)行烘干。試驗(yàn)采用椰殼纖維代替植物根系，研究根系對(duì)土體抗崩解能力的影響。椰纖維如圖1所示。

2)試驗(yàn)儀器。

參照蔣定生設(shè)計(jì)的土壤崩解儀自制崩解儀進(jìn)行土壤崩解試驗(yàn)，主要試驗(yàn)所用儀器為JY5001型電子靜水天平，方格網(wǎng)采用1 cm×1 cm自制方格網(wǎng)。儀器如圖2所示。

3)試件制作。

為避免試件大小、形狀等因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，本實(shí)驗(yàn)試樣制作統(tǒng)一采用100 cm3的環(huán)刀進(jìn)行制樣，每個(gè)重塑土樣的直徑為50.46 mm，高度為50 mm。

4)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法是多因子實(shí)驗(yàn)中較為常用的一種方法。本試驗(yàn)設(shè)計(jì)纖維含量和含水率兩個(gè)因素，纖維含量設(shè)計(jì)0‰，1‰，2‰，3‰，5‰，7‰，共6個(gè)水平；含水率設(shè)計(jì)15%，17%，20%，23%，25%，共5個(gè)水平，共設(shè)計(jì)30組試驗(yàn)，每組設(shè)計(jì)3個(gè)平行試樣進(jìn)行試驗(yàn)。

5)試驗(yàn)方法。

根據(jù)土工試驗(yàn)規(guī)范相關(guān)要求進(jìn)行崩解試驗(yàn)，試驗(yàn)方法具體如下：a.按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求制作好試樣，如圖3所示；b.調(diào)整好儀器，懸掛好方格網(wǎng)，并在桶中加入水，保證每次試驗(yàn)用水量一致；c.將制作好的試樣放置在方格網(wǎng)中央，保持方格網(wǎng)水平并不要傾斜，立即記錄試樣在水中的讀數(shù)即崩解時(shí)間為0時(shí)刻的讀數(shù)，并開始記錄崩解時(shí)間；d.時(shí)間以min為單位，記錄0 min,0.5 min,1 min,2 min,3 min,4 min,5 min,6 min,7 min,8 min,9 min,10 min,15 min,20 min,25 min,30 min時(shí)試樣在水中的讀數(shù)；并觀察土體在水中的崩解情況；e.試驗(yàn)結(jié)束后，整理試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算土體在每一個(gè)讀數(shù)時(shí)刻的累計(jì)崩解百分比，計(jì)算公式如式(1)所示。

(1)

其中，Bt為試塊的累計(jì)崩解百分比,%；Dt為試塊在崩解時(shí)靜水天平顯示的實(shí)時(shí)度數(shù),g；D0為試塊在放入水中時(shí)靜水天平顯示的初始度數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 初始含水率對(duì)加筋土體抗崩解性能的影響

根據(jù)相關(guān)的文獻(xiàn)資料研究，大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為初始含水率對(duì)土體的崩解具有較大的影響。該實(shí)驗(yàn)選擇了初始含水率為15%，17%，20%，23%，25%共5種情況進(jìn)行探討。不同初始含水率下根土復(fù)合體累計(jì)崩解量的曲線如圖4所示。從圖4可以看出隨著初始含水率的增加，含根土體累計(jì)崩解量降低，初始含水率為20%時(shí)，累計(jì)崩解量達(dá)到最低，然后隨著初始含水率繼續(xù)增加，累計(jì)崩解量又開始增加。如圖5所示，從崩解的速率來(lái)看，土樣放入水中，一開始有氣泡冒出，水開始渾濁，試驗(yàn)開始10 min內(nèi)試樣崩解速率較快，15 min以后趨于平穩(wěn)，但偶爾會(huì)出現(xiàn)試塊突然增大崩解量的情況。試驗(yàn)結(jié)束后試塊放置在靜水中24 h，一般試塊會(huì)發(fā)生完全崩解。

2.2 纖維含量對(duì)加筋土體抗崩解性能的影響

纖維如同植物根系，纖維之間的交錯(cuò)形成加筋網(wǎng)，緊緊包裹住土體，增強(qiáng)土體的抗崩解能力。從圖6可以看出，添加一定量的纖維后，加筋土體的抗崩解能力明顯提高，隨著纖維含量提高，加筋土體抗崩解能力提高，但當(dāng)纖維含量增加到5‰之后，再增加纖維含量，土體抗崩解能力開始減弱。從圖7可以看出，崩解試驗(yàn)開始10 min內(nèi)土體的崩解速度較快，然后慢慢趨于平緩，對(duì)于不含纖維的土體，在30 min時(shí)，全部崩解。

2.3 正交作用下加筋土體抗崩解能力

利用含水率和纖維含量?jī)梢蛩剡M(jìn)行正交試驗(yàn)，崩解時(shí)間為30 min時(shí)的累計(jì)崩解量百分比如表1所示，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)初始含水率為20%、纖維含量為5‰時(shí)，土體的累計(jì)崩解量最低；其次初始含水率為20%、纖維含量為7‰時(shí)，累計(jì)崩解量也較低。當(dāng)含水率為15%，纖維含量為0‰時(shí)，30 min累計(jì)崩解量最高。

表1 含水率和纖維含量正交作用下土體累計(jì)崩解量

3 結(jié)論

通過對(duì)不同初始含水率和纖維含量的加筋土體進(jìn)行正交崩解試驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

1)初始含水率對(duì)加筋土體崩解能力有較大影響，隨著初始含水率增加，加筋土體累計(jì)崩解量降低，在初始含水率為20%時(shí)，30 min累計(jì)崩解量最低，超過20%時(shí)，30 min累計(jì)崩解量又開始增加，即存在初始含水率的一個(gè)峰值。

2)纖維含量對(duì)加筋土體抗崩解能力也有較大影響，少量的纖維加筋即可以提高土體的抗崩解能力，隨著纖維含量增加，土體的抗崩解能力也增加，但是纖維含量具有一個(gè)峰值，超過峰值以后，纖維增加而土體抗崩解能力反而下降。

3)試樣剛放入水中時(shí)有大量氣泡產(chǎn)生，重塑土體試樣表面土層開始發(fā)生崩解，開始速率相對(duì)較慢，崩解速率一般在實(shí)驗(yàn)的5 min～10 min內(nèi)達(dá)到峰值，之后趨于平緩，不含纖維土體在30 min內(nèi)全部崩解。

4)通過正交實(shí)驗(yàn)，初始含水率為20%和纖維含量為5‰時(shí)，重塑加筋土體的30 min累計(jì)崩解量最低，可以作為較優(yōu)的配合比。