淺層土坡草根加筋土原位剪切與室內(nèi)直剪試驗(yàn)比較研究

周雨奇++張志遠(yuǎn)++王穎慧++孟佳楠++于宙

摘 要：圍繞表層土體在提高邊坡土體的穩(wěn)定性問(wèn)題，在已有的草根加筋土提高土體抗剪強(qiáng)度的研究及現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)和室內(nèi)直剪試驗(yàn)在此問(wèn)題中的應(yīng)用結(jié)論的基礎(chǔ)上，結(jié)合試驗(yàn)方法的創(chuàng)新，通過(guò)控制兩種試驗(yàn)的試樣含水率和液塑限相同，比較兩種試驗(yàn)方法測(cè)得的草根加筋土的抗剪強(qiáng)度，并討論通過(guò)折減系數(shù)使利用室內(nèi)直剪試驗(yàn)的研究結(jié)果經(jīng)過(guò)修正后替代現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)結(jié)果的可行性。

關(guān)鍵詞：護(hù)坡工程；草根加筋土；抗剪強(qiáng)度

中圖分類(lèi)號(hào)：U417 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）20-0050-03

邊坡土體的穩(wěn)定性在交通公路領(lǐng)域具有重要意義，植被根系的護(hù)坡功能主要體現(xiàn)在其深根的錨固作用和淺根的加筋作用，對(duì)于一般植物根系最多可保持0.7～1.1m土體邊坡的穩(wěn)定性，因此草根加筋土對(duì)于坡面的淺層滑坡具有良好防治作用。已有學(xué)者用三軸壓縮試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)、數(shù)值模擬方法計(jì)算草根加筋作用對(duì)邊坡土體穩(wěn)定性的影響。本文主要探討在不適合使用大型現(xiàn)場(chǎng)直剪儀器的情況下，采用劉斯宏[1]等的現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)方法及室內(nèi)快剪試驗(yàn)得出抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，通過(guò)分析數(shù)據(jù)判斷用室內(nèi)直剪試驗(yàn)代替原位測(cè)定結(jié)果的可行性以及兩者之間的誤差來(lái)源。

周錫九[2]等通過(guò)分析護(hù)坡原理和試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明了植草根系淺層加筋作用的有效性；陳昌富[3]等人通過(guò)三軸壓縮試驗(yàn)證明了草根加筋土的護(hù)坡機(jī)理可以用準(zhǔn)粘聚力原理解釋?zhuān)蝗涡∶鬧4]和陳昌富[5]等人分別通過(guò)直剪試驗(yàn)和室內(nèi)三軸實(shí)驗(yàn)總結(jié)出草根主要提高土體的粘聚力而對(duì)內(nèi)摩擦角提高不明顯的結(jié)論。本文基于莫爾-庫(kù)倫強(qiáng)度理論對(duì)草根加筋土的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)分析，根據(jù)對(duì)比兩種試驗(yàn)方法得出的抗剪強(qiáng)度參數(shù)的差異大小，判斷該種植物的加筋作用是否能夠用室內(nèi)直剪試驗(yàn)結(jié)果替代，并根據(jù)相似原則推斷出同量級(jí)根系直徑的植物都可使用室內(nèi)直剪試驗(yàn)測(cè)定抗剪強(qiáng)度。

1 室內(nèi)直剪試驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

土體的抗剪強(qiáng)度是土體抵抗剪切破壞的極限能力，其數(shù)值等于剪切破壞的滑動(dòng)面上的剪應(yīng)力。土體是否產(chǎn)生剪切破壞決定于它的本身性質(zhì)和組合受力情況，而利用莫爾-庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則可以把這兩個(gè)因素對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響綜合起來(lái)。由莫爾-庫(kù)倫定律，對(duì)于粘性土有τf=c+σ·tanφ分級(jí)加法向荷載，將試驗(yàn)測(cè)得的應(yīng)力應(yīng)變值記錄在表格中并點(diǎn)繪成c-τ曲線(xiàn)，取不同法向應(yīng)力作用下相應(yīng)的峰值剪應(yīng)力（即土的抗剪強(qiáng)度τf），與對(duì)應(yīng)的法向應(yīng)力一起繪成抗剪強(qiáng)度包線(xiàn)即為所求。

1.2 實(shí)驗(yàn)操作步驟

在現(xiàn)場(chǎng)用環(huán)刀取7份樣本（要求環(huán)刀切到植物根系），密封帶回實(shí)驗(yàn)室，其中3份剔除草根及雜物，經(jīng)液塑限聯(lián)合測(cè)定法測(cè)得含水率、液限、塑限，另外4份做室內(nèi)快剪試驗(yàn)。即在100kPa/200kPa/300kPa/400kPa的四種法向應(yīng)力作用下勻速將試樣剪破，測(cè)定固定時(shí)間段內(nèi)的應(yīng)變，并記錄在表格中。

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由圖表（表1、圖1、圖2）可知，草根加筋土4個(gè)含水率為22.27%的剪切式樣的抗剪強(qiáng)度：內(nèi)摩擦角為11.15°，粘聚力為6.2075kPa。下圖為剪切試驗(yàn)情況（如圖3、圖4）。

2 原位直剪試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)步驟

將340mm*360mm*100mm剪切框嵌入表層土中50mm確保剪切面可切到根系，挖去剪切框邊緣多余土體，再將便攜式直剪儀固定在地面上，用卸扣及受力鐵鏈連接剪切框及直剪儀，安裝數(shù)據(jù)采集、壓力傳感器、位移傳感器等并連接成功；分級(jí)用平均裝土30kg的土袋分級(jí)加荷，轉(zhuǎn)動(dòng)直剪儀轉(zhuǎn)輪開(kāi)始以0.02mm/min的速度使試樣剪破，利用計(jì)算機(jī)軟件成圖，得出應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)。

2.2 試驗(yàn)成果（見(jiàn)圖7、圖8）

2.3 結(jié)果分析

內(nèi)摩擦角為4.81°，粘聚力為208.79kPa。

3 比較分析

通過(guò)控制草根加筋土試樣的含水率和液塑限一定，我們可以由兩種試驗(yàn)的結(jié)果看出：現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)結(jié)果與室內(nèi)直剪試驗(yàn)結(jié)果相比較，現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)測(cè)得的內(nèi)摩擦角φe為4.81°，而室內(nèi)直剪試驗(yàn)的內(nèi)摩擦角φi為11.15°，而兩者測(cè)的粘聚力相差過(guò)大不予采用，考慮將室內(nèi)直剪試驗(yàn)所得的內(nèi)摩擦角乘上安全系數(shù)α予以折減，留出足夠的安全裕度，即：tanφe=α·tanφi其中安全系數(shù)α應(yīng)通過(guò)大量的試驗(yàn)確定，即控制每次對(duì)比試驗(yàn)的土體含水率及液塑限相同，做多組現(xiàn)場(chǎng)直剪和室內(nèi)直剪試驗(yàn)，并繪出含水率與安全系數(shù)的散點(diǎn)圖ω～α，在散點(diǎn)圖中勾出下包絡(luò)曲線(xiàn)即為所求。

在本次試驗(yàn)中，α取值為：

4 結(jié)論及展望

本文通過(guò)對(duì)比在控制含水率、液塑限一定的情況下，室內(nèi)直剪試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)測(cè)得草根加筋土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，確定室內(nèi)直剪試驗(yàn)結(jié)果的誤差及相應(yīng)的修正系數(shù)，用于在沒(méi)有條件做現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)的情況下用室內(nèi)直剪試驗(yàn)結(jié)果經(jīng)修正得到的精確值代替。由于條件限制，沒(méi)有分別用多種尺寸的剪切框做現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)，且室內(nèi)直剪試驗(yàn)剪切框相較于植物根系尺寸太小，應(yīng)當(dāng)在之后的研究中注意幾何及物理相似條件設(shè)計(jì)試驗(yàn)，做大量的對(duì)比試驗(yàn)求得下包絡(luò)曲線(xiàn)ω～α，并使用更大尺寸的現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)用剪切框以消除草根分布不均勻?qū)е碌脑囼?yàn)誤差，以期研究成果能夠在現(xiàn)實(shí)工程中使用；另外，由于邊坡具有傾角，工程中往往需要考慮表層土-根復(fù)合體在有傾角的情況下抗剪強(qiáng)度的變化，因此可在之后的研究中設(shè)計(jì)一種新的適用于邊坡的抗剪強(qiáng)度測(cè)試裝置。

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