李 杰

(淮安市水利勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 淮安 223001)

1 概述

水利工程建設(shè)常遇到不良土層[1- 2]，而土體的力學(xué)特征關(guān)乎水工設(shè)施運(yùn)營可靠性，如何有效解決不良土體力學(xué)缺陷，是水利建設(shè)中常需考慮的問題。因而，研究不良土體的改良對推動土體力學(xué)特征研究有很大意義[3- 4]。解決不良土體力學(xué)問題，劉守偉等[5]、喻心佩等[6]采用了物化改性的方法，通過注漿灌入石灰、固化劑等人工改性劑，使不良土體力學(xué)穩(wěn)定性提升，并在室內(nèi)開展了改良土的力學(xué)研究，為工程改良設(shè)計(jì)提供了參照。李敏等[7]、張慶海等[8]為研究土體力學(xué)問題，綜合了凍融、干濕及熱效應(yīng)等物理作用，研究了土體在物理場耦合作用下剪切力學(xué)特征影響變化，為工程建設(shè)提供了基礎(chǔ)試驗(yàn)依據(jù)。為提升土體承載能力及力學(xué)穩(wěn)定性，除研究物化改性，何偉鵬等[9]、李東彪等[10]通過引入生態(tài)改良理論，基于根系植被的改良治理，分析了植被復(fù)合土的力學(xué)特征，并開展了不同根系植被的復(fù)合土力學(xué)差異分析，為工程遴選合理根系植被提供參考。本文基于小昌馬河整治工程中堤防岸坡不良土體的生態(tài)根系植被改良設(shè)計(jì)，探討了不同根系直徑下植被土的力學(xué)特征影響，為工程土體改良設(shè)計(jì)提供了試驗(yàn)佐證。

2 試驗(yàn)概況

2.1 工程背景

小昌馬河為疏勒河一級支流，控制流域面積超過3200km2，全河道總長為31.5km，干流平均坡降16.30，干流上游河源海拔較高，呈東南-西北走向，平均海拔超過4000m。小昌馬河在中游地帶以泉水出露形式呈現(xiàn)地表河流，在昌馬水庫影響地表徑流活動下，中下游地帶植被發(fā)育較豐富，包括紅柳等根系植被。但下游水位易受地區(qū)地表徑流、雨污等滲流活動影響，導(dǎo)致河段水位常出現(xiàn)警戒汛情，水利部門監(jiān)測表明該地區(qū)水土流失較嚴(yán)重，流失率超過35%。針對小昌馬河中下游河道現(xiàn)狀，對其開展綜合治理。工程部門按照特征河段劃分，將整治工程劃分出4個(gè)標(biāo)段，其中第2個(gè)標(biāo)段經(jīng)過玉門市區(qū)，水流活動整體較緩，水力勢能控制得當(dāng)，河道平均坡度僅為6.5%。但受上游挾沙水流影響，導(dǎo)致該河段內(nèi)部分堤防岸坡出現(xiàn)坡底侵蝕、坡腳沖刷的現(xiàn)象，部分河坡出現(xiàn)防洪危險(xiǎn)，集中在樁號Z24+655～Z26+700區(qū)段內(nèi)，這也是該區(qū)段內(nèi)進(jìn)行河道治理的最大難點(diǎn)。本文所研究堤防位于樁號Z24+655～Z26+700區(qū)段內(nèi)，并以其中堤防典型岸坡開展試驗(yàn)分析，采用生態(tài)植被改性方法，加固堤防岸坡安全。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為探討小昌馬河整治工程中堤防岸坡土體生態(tài)植被改性下力學(xué)特征，采用GTO試驗(yàn)設(shè)備開展土體的三軸剪切試驗(yàn)，該試驗(yàn)設(shè)備如圖1所示。本試驗(yàn)中主要采用該設(shè)備的加載裝置、數(shù)據(jù)采集裝置及中控系統(tǒng)，由于該設(shè)備采集精度較高，且荷載、位移波幅均較低，特別是其位移量程控制在-20～20mm，可較好應(yīng)對大變形土體的塑性變形，而荷載裝置配置有相應(yīng)的低量程傳感器，設(shè)計(jì)荷載為50kN，不論是荷載或是變形裝置，均為全標(biāo)定的力學(xué)傳感器與LVDT設(shè)備，誤差、精度均滿足試驗(yàn)規(guī)程要求[11- 12]。因本試驗(yàn)為土體的三軸壓縮，故試驗(yàn)圍壓裝置采用活塞位移控制，設(shè)定最大圍壓可至10MPa，且圍壓均為液體油壓加載，試驗(yàn)中圍壓加載速率為30kPa/min，加載中活塞震動率不超過0.5%。根據(jù)對堤防Z24+655～Z26+700區(qū)段踏勘得知，其土體均以粉質(zhì)粘土為主，顆粒粒徑分布在0.005～0.25mm，故本文所用試樣均來自堤防Z25+688前后區(qū)段，無各向異性差別。

圖1 DTC三軸剪切試驗(yàn)設(shè)備

凍融物理實(shí)驗(yàn)為研究土體凍融環(huán)境下，其顆粒骨架穩(wěn)定性受削弱程度，本文所有試樣均需完成凍融交替，采用如圖2所示低溫試驗(yàn)箱和烘干箱進(jìn)行。其中低溫試驗(yàn)箱中設(shè)定溫度為-20℃，而解凍溫度放在烘干箱內(nèi)，溫度設(shè)定為25℃，每次凍結(jié)與解凍時(shí)間均為6h[7]。

圖2 凍融試驗(yàn)裝置

為研究生態(tài)植被根系復(fù)合土的力學(xué)特征，采用同環(huán)境同培養(yǎng)皿進(jìn)行，本文為研究植被根系特征的影響，故選用了不同組根系直徑，分別為0.4、0.3、0.2、0.15、0.1mm。從試驗(yàn)對比的角度考量，本試驗(yàn)中改性土根系直徑具有7檔，分別為0.1～0.4mm，梯次為0.05mm。所有從堤防岸坡現(xiàn)場鉆孔取出的樣品，在室內(nèi)重塑后，按照重塑前測定的含水量15%～17%控制改性土樣品含水量，后放在培養(yǎng)皿中進(jìn)行30d養(yǎng)育，每個(gè)培養(yǎng)皿中植被根系覆蓋密度均控制10個(gè)幼苗。待各種不同直徑的根系植被養(yǎng)護(hù)完成后，完成環(huán)刀法試樣制取，保證試樣直徑、高度分別為75、150mm，且設(shè)定有原狀粉質(zhì)黏土對照組試樣。試驗(yàn)圍壓設(shè)定為200、300、400、500kPa，而凍融交替次數(shù)設(shè)定為0～15次，階次為3次，具體試驗(yàn)方案各對照參數(shù)見表1。本試驗(yàn)基于植被根系特征、凍融物理作用下改性土力學(xué)試驗(yàn)，探討改性土設(shè)計(jì)的合理性，為小昌馬河危險(xiǎn)堤防岸坡生態(tài)植被改良提供參考。

表1 試驗(yàn)因素參數(shù)表

3 岸坡改良土力學(xué)特征影響

3.1 凍融作用

基于改良土凍融交替后的力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)處理獲得凍融物理作用影響下改良土應(yīng)力應(yīng)變特征，如圖3所示。從圖3中土體應(yīng)力應(yīng)變特征對比可知，交替愈多，則改良土的加載應(yīng)力水平愈低，即不論是改良土或是原狀粉質(zhì)黏土，其承載能力均會受凍融物理損傷作用影響。對比原狀土在交替0次時(shí)應(yīng)變3%下的偏應(yīng)力為380.2kPa，而交替3、9、15次時(shí)，相應(yīng)的同變形程度時(shí)偏應(yīng)力較之分別減少了39.5%、69%、74.4%；而在植被根系直徑0.15mm的改良土中，同是前者變形，交替3、15次下偏應(yīng)力較之無凍融作用下分別減少了22.2%、63.5%；即植被根系土抗凍融損傷作用強(qiáng)于原狀粉質(zhì)黏土，這也是根系植被改良土力學(xué)穩(wěn)定性提升的重要表現(xiàn)。對比強(qiáng)度特征可知，在粉質(zhì)黏土中無凍融下抗剪強(qiáng)度為432.1kPa，而在交替每階次3次變化中，其強(qiáng)度平均損耗為21.5%，同樣的在根系直徑0.15、0.35mm植被土中，其強(qiáng)度平均降低分別為14.6%、11.6%。分析認(rèn)為，根系土為一種復(fù)合改良土，其顆粒骨架內(nèi)不僅有松散土顆粒，也存在植物根系纖維體，這種多相復(fù)合土內(nèi)部顆粒骨架會受到根系纖維體的拉結(jié)作用，使之整體承載能力提升，故表現(xiàn)出承載強(qiáng)度提升的現(xiàn)象；另一方面，受凍融作用影響，土體內(nèi)部孔隙會逐步脹大，不利于承載能力提升，但由于根系纖維體的存在，可作為“對抗”孔隙膨脹的載體，因而根系土抗凍融損傷作用較強(qiáng)[13- 14]。

從變形特征對比來看，不同交替下根系土的應(yīng)變特征均在彈性變形階段就已有顯著差異，特別的，以低交替作用下試樣彈性模量更大，如無交替下根系直徑0.15mm試樣彈性模量為197.4kPa，而隨交替階次3次增長，試樣彈性模量平均減少了21.8%。對比塑性變形段，交替作用愈強(qiáng)，試樣后期延性變形較大，峰值應(yīng)變也較高。此種現(xiàn)象在原狀、根系土中均有體現(xiàn)，如根系直徑0.35mm試樣在交替12、15次下峰值應(yīng)變分別為4.8%、5.5%，而交替0、3次下僅為3.5%、3.9%；由此說明，凍融物理作用愈強(qiáng)，則試樣塑性變形能力及延性變形發(fā)展均愈強(qiáng)。

3.2 植被根系特征

植被根系特征是對岸坡土體改良效果影響的重點(diǎn)，因而，本文以根系直徑參數(shù)為研究對象，針對不同根系直徑復(fù)合土的力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，獲得了植被根系特征影響下復(fù)合土應(yīng)力應(yīng)變特征，如圖4所示。

圖3 根系改良土受凍融作用影響下應(yīng)力應(yīng)變特征

圖4 改良土受植被根系特征影響下應(yīng)力應(yīng)變特征

分析根系直徑對復(fù)合土力學(xué)特征影響可知，當(dāng)根系直徑愈大，則試樣承載能力愈強(qiáng)，但其承載能力的增長趨勢為減弱；在圍壓200kPa下，根系直徑0.1mm試樣抗剪強(qiáng)度為273.1kPa；而根系直徑為0.2、0.3、0.4mm試樣強(qiáng)度較前者分別增長了38.3%、80.7%、108.3%。在該圍壓下，植被根系直徑參數(shù)每增長0.05mm，則試樣強(qiáng)度平均增長13.1%，但在根系直徑0.1～0.3mm梯次內(nèi)，其強(qiáng)度平均增幅達(dá)16.8%，而直徑超過0.3mm后，強(qiáng)度平均增幅僅為6.5%。同樣，在圍壓500kPa中，各根系土在不同直徑方案內(nèi)強(qiáng)度增幅為減弱態(tài)勢，如在根系直徑0.1～0.3mm與0.3～0.4mm方案內(nèi)，抗剪強(qiáng)度分別具有平均增幅18.5%、9.3%。由此可知，根系直徑控制在合理范疇內(nèi)，即可使不良土改良效果達(dá)到較佳。從本文試驗(yàn)結(jié)果來看，當(dāng)根系直徑為0.3mm時(shí)，復(fù)合土承載強(qiáng)度適配性最高。從根系纖維體細(xì)觀特征考慮，當(dāng)根系直徑愈大，已超過原狀土顆粒內(nèi)部孔隙的最大直徑，纖維體無法有效深入顆?？紫吨羞M(jìn)行拉結(jié)、咬合等[15]，因而再增大根系直徑，對其承載強(qiáng)度的促進(jìn)作用也是“于事無補(bǔ)”，故控制根系直徑在合理范疇內(nèi)即可。

從變形特征分析可知，同一圍壓下不同直徑的根系土應(yīng)力應(yīng)變發(fā)展走向基本一致，如圍壓100kPa下試樣具有脆性變形，各試樣峰值應(yīng)變差距較小，維持在3.7%～5%；而圍壓400kPa下各試樣均具有延性變形特征，峰值應(yīng)力后承載應(yīng)力下降較緩。另一方面，彈性模量參數(shù)受根系直徑影響特性與強(qiáng)度變化一致。由此表明，根系直徑改變，對復(fù)合土的變形發(fā)展影響較小，重點(diǎn)影響其承載能力。

4 岸坡改良土抗剪強(qiáng)度特征影響

物理交替作用與植被根系特征對根系土的改良影響，會在土體抗剪強(qiáng)度特征參數(shù)中得到體現(xiàn)，筆者基于根系改良土力學(xué)試驗(yàn)，獲得2抗剪特征參數(shù)影響變化特征，如圖5所示。

圖5 抗剪特征參數(shù)受摻量影響變化

分析抗剪強(qiáng)度特征參數(shù)可知，根系直徑與2抗剪特征參數(shù)均為正相關(guān)關(guān)系，在交替3次時(shí)，根系直徑0.2、0.3、0.4mm改良土試樣黏聚力較之直徑0.1mm下分別增大了14%、26.4%、27.1%。在該交替方案中，當(dāng)根系直徑每增大0.05mm，則黏聚力可提升4.3%，但在根系直徑0.1～0.3mm梯次內(nèi)，其黏聚力平均提升達(dá)6.4%；而在直徑超過0.3mm后，黏聚力平均增幅為0.3%。同樣，在交替0、12次方案中，均以根系直徑0.3mm為影響節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)后黏聚力的提升幅度較小，2方案在該節(jié)點(diǎn)后分別具有的平均增幅僅為0.4%、0.3%。對比可知，隨凍融交替作用增強(qiáng)，根系土黏聚力水平均有降低，如根系直徑0.2mm時(shí)，交替6、12次試樣，黏聚力較之交替0次下分別減少了17.9%、24.3%；同時(shí)受根系直徑參數(shù)影響也有減弱。相比之下，內(nèi)摩擦角全過程受根系直徑影響弱于黏聚力[16- 17]，交替3、6次時(shí)，根系直徑每階次增長時(shí)，其內(nèi)摩擦角平均增幅分別僅為0.9%、0.8%，而在其他交替方案中亦是如此。分析認(rèn)為，根系纖維體的存在，對岸坡原狀粉質(zhì)黏土的粘結(jié)性產(chǎn)生改變更具影響，特別是其拉結(jié)性、顆粒間粘結(jié)碰撞特征，這也是堤防岸坡土體固土改性的本質(zhì)。

5 結(jié)論

(1)凍融物理作用愈反復(fù)，則改良土承載應(yīng)力愈低，但根系改良土抗凍融損傷作用強(qiáng)于原狀土；交替愈多，則土體彈性模量更低，但延性變形愈大。

(2)根系直徑愈大，根系改良土承載能力愈高，但促進(jìn)效果在減弱，特別是在根系直徑0.3mm后；根系直徑參數(shù)改變，對根系土應(yīng)變走向影響較小。

(3)根系直徑與抗剪特征參數(shù)均為正相關(guān)關(guān)系，凍融作用與之具有抑制作用；黏聚力參數(shù)在根系直徑0.3mm后增幅較緩，交替0、12次方案中，根系直徑超過0.3mm后試驗(yàn)分別具有的平均增幅僅為0.4%、0.3%；內(nèi)摩擦角受根系直徑影響弱于黏聚力。