草根加筋土的室內(nèi)直剪試驗(yàn)研究

任小敏 王澤華

（1.安徽省公路工程檢測中心 合肥 230022； 2.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 武漢 430056）

土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)是研究土的強(qiáng)度特性和確定土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)的方法有室內(nèi)試驗(yàn)和原位試驗(yàn)。植物根系對(duì)邊坡巖土體有加筋作用，能夠提高邊坡表層巖土體的穩(wěn)定性，但是能在多大程度土有所提高，卻鮮有人提出一個(gè)定量指標(biāo)?？紤]到巖土介質(zhì)的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ是衡量巖土邊坡穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，所以本研究也試圖通過室內(nèi)直剪（快剪）實(shí)驗(yàn)，測定邊坡巖土體在有、無根系情況下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ，來分析草本植物根系對(duì)邊坡土體抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)。

在土壤－根系復(fù)合體的含根量Rw、含水量一定的情況下，其抗剪強(qiáng)度τ符合庫倫定律。

該式形式上與粘性土的抗剪弧度表達(dá)式表達(dá)形式相同，但物理意義卻有些不同。對(duì)粘性土而言，其抗剪強(qiáng)度包括：①由土顆粒的表而摩擦力以及顆粒間的嵌入和聯(lián)鎖作用產(chǎn)生的咬合力；②由原始粘聚力、固化粘聚力和毛細(xì)粘聚力組成的內(nèi)聚力。而在土壤－根系這一復(fù)合體中，由于根系的存在，使其復(fù)合體中的摩擦力分量比土的摩擦力分量要大。同時(shí)，土中存在的根系將增加土的抗剪強(qiáng)度，與粘性土中僅存在范得華力和庫倫力的效果差異較大。因此土中根系含量增多，將使其復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度增大。

1 加筋土的剪切試驗(yàn)研究綜述

加筋土是在填土中加入筋材而形成的一種復(fù)合體，筋材通過與土體之間的摩擦力將自身的抗拉強(qiáng)度與土體的抗壓強(qiáng)度結(jié)合起來，從而提高了土體的強(qiáng)度，減小了變形。對(duì)于植物根系加筋土的研究，Endo和Tsuruta，以及Wu和Watson等在現(xiàn)場直接測定含有植物根系土體的抗剪強(qiáng)度，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出根系與土體相互作用的力學(xué)特性，進(jìn)而研究了植物垂直根系對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的增強(qiáng)作用［1］。

楊亞川等［2］提出了根－土復(fù)合體的概念，對(duì)草本根－土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度及抗水蝕進(jìn)行了研究，概述了草本植物根系保持水土效能的機(jī)理，提出將根莖連接處形成的微型“攔土柵”及“慮水土體”抵抗徑流推移破壞的極限能力，作為土壤－草本植被根系復(fù)合體的抗水蝕強(qiáng)度，研究了它與根量的相關(guān)性，通過試驗(yàn)證明了其符合庫倫定律，以及復(fù)合體抗剪強(qiáng)度隨含根量增大而增大，隨含水量增大而減小，復(fù)合體的粘聚力隨含根量呈正比相關(guān)關(guān)系，而內(nèi)摩擦角與含根量關(guān)系不大。

王文生等［3］通過試驗(yàn)得出，對(duì)于沙性土，隨著植物根系的加筋作用，粘聚力值急劇增大，為2.5～4.0倍，土體與植物根系間的內(nèi)摩擦角φ值變化不大；對(duì)于粘性土，c，φ值增加幅度較小，為25%～40%倍。陳昌富等［4］通過三軸壓縮試驗(yàn)研究得出：“對(duì)于抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，與素土相比草根加筋土的內(nèi)摩擦角φ變化較?。ㄏ鄬?duì)變化率絕對(duì)值在11%以內(nèi)），但粘聚力c增長較大（最大可達(dá)9倍）”。

2 試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)步驟

2.1 試驗(yàn)原理

直剪試驗(yàn)是測定預(yù)定剪破面上抗剪強(qiáng)度最簡便和最常用的方法，通常是從工區(qū)某個(gè)位置取出土樣，制成幾個(gè)試樣，用幾個(gè)不同的垂直壓力作用于試樣上，然后施加剪切力，測得剪應(yīng)力與位移的關(guān)系曲線，從曲線上找出試樣的極限剪應(yīng)力作為該垂直壓力下的抗剪強(qiáng)度。通過幾個(gè)試樣的抗剪強(qiáng)度確定強(qiáng)度包絡(luò)線，求出抗剪強(qiáng)度參數(shù)c，φ。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

應(yīng)變式直剪儀（SJ－1，測力環(huán)系數(shù)為1.888 kPa／0.01mm）、環(huán)刀（截面積 F＝30cm2，直徑＝61.8mm，高20mm）、秒表、削土刀、剪刀及蠟紙等。

2.3 試驗(yàn)步驟

（1）切取試樣。試驗(yàn)土樣按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》［5］擾動(dòng)土樣的制備程序處理。在制樣器內(nèi)壁涂上一層凡士林，把過2mm篩后的擾動(dòng)土裝入制樣器內(nèi)，然后用擊實(shí)器擊5～7下，飽和器內(nèi)的土層宜為3～5層，每一層的土量應(yīng)基本一致，每層接面刮毛，刮平土樣后取出切開。每組試樣4個(gè)，在切分時(shí)可用剪刀剪斷植物根。破壞時(shí)重新制取，并測定試樣密度和含水率。

（2）安裝試樣。在下盒放入潔凈透水板和濾紙，將一帶有試樣的環(huán)刀刃口向上，對(duì)準(zhǔn)剪切盒口，在試樣上放濾紙和透水板，將試樣小心地壓入盒內(nèi)。

（3）試驗(yàn)準(zhǔn)備。移動(dòng)傳動(dòng)裝置，使上盒前端鋼珠剛好與測力計(jì)接觸，順次加上傳壓裝置，每組4個(gè)試樣，加1，3，5，7個(gè)1.275kg的砝碼。分別在100，200，300，400kPa 4種不同的垂直壓力下進(jìn)行剪切。并將百分表歸零。

（4）試樣剪切。拔出固定銷釘，開動(dòng)秒表、記錄。以0.8mm／min（4r／min）的速度勻速加荷施加水平剪力，手輪每轉(zhuǎn)2圈時(shí)記錄測力計(jì)和位移讀數(shù)，直至測力計(jì)讀數(shù)出現(xiàn)峰值。如測力計(jì)中的測微表指針不再前進(jìn)或顯著后退，表示試樣已經(jīng)被剪破，但一般宜剪至剪切變形達(dá)4mm為止。若量表指針再繼續(xù)增加，則剪切變形應(yīng)達(dá)6mm為止。無根土和草根加筋土試樣剪切后分別見圖1和圖2。

圖1 無根土試驗(yàn)剪切后

圖2 草根加筋土試驗(yàn)剪切后

3 試驗(yàn)結(jié)果整理與分析

3.1 計(jì)算

剪切位移按下式計(jì)算

式中：ΔL 為剪切位移，0.01mm，計(jì)算至0.1；n為手輪轉(zhuǎn)數(shù)；R為百分表讀數(shù)。

剪應(yīng)力按下式計(jì)算

式中：τ為剪應(yīng)力，kPa，計(jì)算至0.1；C為測力計(jì)校正系數(shù)，kPa／（0.01mm）。

3.2 制圖

以剪應(yīng)力τ為縱坐標(biāo)、剪切位移ΔL為橫坐標(biāo)，繪制剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線，見圖3～圖4。取曲線上剪應(yīng)力的峰值為抗剪強(qiáng)度；無峰值時(shí)，取剪切位移4mm所對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力為抗剪強(qiáng)度。

圖3 無根土剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線

圖4 草本根系加筋土剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線

以抗剪強(qiáng)度為縱坐標(biāo)、垂直壓力為橫坐標(biāo)，繪制抗剪強(qiáng)度與垂直壓力關(guān)系曲線，把不同根系土樣的室內(nèi)直剪試驗(yàn)結(jié)果繪制在同一張圖上，見圖5。直線的傾角為內(nèi)摩擦角，直線在縱坐標(biāo)上的截距為粘聚力。

圖5 抗剪強(qiáng)度與垂直壓力關(guān)系曲線

由圖5可見：

（1）4條強(qiáng)度線都是隨著法向壓力呈正比例增長關(guān)系，植物根系加筋后的土體仍然符合摩爾－庫侖定律，即τ＝c＋σtanφ。

（2）相對(duì)無根土樣的強(qiáng)度線來說，草本、灌木及喬木根系土樣的強(qiáng)度線明顯偏上。也就是說植物根系的存在對(duì)于土壤起著很好的加筋作用，對(duì)土體的抗剪強(qiáng)度顯著提高，從無根、草本、灌木及喬木土樣的強(qiáng)度線來看，內(nèi)摩擦角φ從19.09°增加到24.32°；粘聚力c從10.83kPa增加到27.92kPa。

4 結(jié)論

（1）從試驗(yàn)結(jié)果整體來看，無根土樣的強(qiáng)度線明顯低于草本根系土樣的強(qiáng)度線，說明草本根系對(duì)土體的加筋作用明顯。

（2）直接剪切試驗(yàn)反映出植物根系加筋后土樣的抗剪強(qiáng)度增強(qiáng)，內(nèi)摩擦角提高幅度不大，而粘聚力提高幅度較大。

通過該試驗(yàn)研究，說明植物根系的存在對(duì)邊坡淺層土體有明顯的加固作用，在公路邊坡中應(yīng)用植被護(hù)坡有很好的理論應(yīng)用價(jià)值。

［1］ 周 成.植被防護(hù)土坡的計(jì)算方法［M］.北京：中國水利水電出版社，2008.

［2］ 楊亞川，莫永京，王芝芳，等.土壤－草本植被根系復(fù)合體抗水蝕強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)研究［J］.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1996（2）：31－38.

［3］ 王文生，楊曉華，謝永利.公路邊坡植物的護(hù)坡機(jī)理［J］.長安大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005，25（4）：26－30.

［4］ 陳昌富，劉懷星，李亞平.草根加筋土的護(hù)坡機(jī)理及強(qiáng)度準(zhǔn)則試驗(yàn)研究［J］.中南公路工程，2006（4）：14－17.

［5］ JTG E40－2007公路土工試驗(yàn)規(guī)程［S］.北京：人民交通出版社，2007.