直剪條件下根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度研究

蔣超 顧偉偉 丁周舟 楊輝 梅嶺

摘要：植株根系體量龐大，純天然地形成于土壤表層，它不僅可以涵養(yǎng)水分，而且對(duì)土壤有加筋作用，因此植物根系對(duì)提高根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度有十分積極的作用。為研究根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度性能，采用控制變量的思維，對(duì)復(fù)合體試樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)，測(cè)量并評(píng)估復(fù)合體的孔隙比、含根率以及含水率對(duì)復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的具體影響效果，得出孔隙比、含根量以及含水量的最優(yōu)化選擇。這有利于推動(dòng)“植株加固土壤”在具體工程中的應(yīng)用，進(jìn)而降低施工難度和成本，收獲環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、高效的多重社會(huì)效益。

Abstract： The plant root system has a large volume and it is naturally formed on the surface of the soil. It can not only conserve water but also reinforce the soil. Therefore， the plant root system has a very positive effect on improving the shear strength of root-soil composites. In order to study the shear strength properties of the root-soil complexes， the control variables were used to perform a direct shear test on the composite samples. The specific effects of the pore ratio， the root ratio and the moisture content of the composites on the shear strength of the composites were tested and evaluated， and the optimal selection of void ratio， root volume and moisture content was obtained. This is conducive to promoting the application of "plant-enhanced soil" in specific projects， thereby reducing construction difficulties and costs， and gaining multiple social benefits of environmental protection， economy and efficiency.

關(guān)鍵詞：直剪試驗(yàn)；抗剪強(qiáng)度；根土復(fù)合體

Key words： direct shear test； shear strength； root-soil composites

中圖分類(lèi)號(hào)：TU411.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）25-0203-03

0 引言

草本植物的根系在土體表層盤(pán)根錯(cuò)節(jié)，形成根土復(fù)合體，具有“加筋錨固作用”[1]。目前，國(guó)內(nèi)研究人員已經(jīng)利用直剪試驗(yàn)和三軸試驗(yàn)廣泛地探究了復(fù)合體含水量、土壤種類(lèi)、植株根系種類(lèi)對(duì)土壤-根系復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的影響。但是，目前已有的研究，在地域分布上還較為集中，對(duì)于根系含量、土體孔隙比這些變量的研究還比較欠缺。為此，通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步論證了已有的研究理論成果，并初步探究土體孔隙比以及含根量對(duì)根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，土體孔隙比減小即密實(shí)度增大時(shí)，粘聚力和內(nèi)摩擦角均有所提高；土壤-根系復(fù)合體抗剪強(qiáng)度隨著土壤正向壓力的增大而增大，但隨土壤含水量的增大而減小；含根量提高時(shí)，土體的粘聚力單調(diào)遞增，但內(nèi)摩擦角變化曲線存在峰值。

1 孔隙比對(duì)土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響

土體的孔隙比屬于影響土體抗剪強(qiáng)度的內(nèi)在因素。通過(guò)理論計(jì)算，設(shè)計(jì)配置不同孔隙比的試件進(jìn)行直剪快剪試驗(yàn)。研究結(jié)果表明，土壤-根系復(fù)合體抗剪強(qiáng)度隨著土壤正向壓力的增大而增大，土體孔隙比減小即密實(shí)度增大時(shí)，土壤的粘聚力增強(qiáng)，內(nèi)摩擦角增大。

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理

為了研究孔隙比對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響，選用均勻的黏土并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)篩控制粒徑在0.075mm～1.000mm。制作的試樣高H=2cm，橫截面積A=30cm2，體積V=60cm3。這樣就可以根據(jù)設(shè)計(jì)孔隙比來(lái)計(jì)算所需的土量。計(jì)算方法[2]如下：

由 得 ，

且

得

式中：e為設(shè)計(jì)孔隙比，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)四組孔隙比進(jìn)行分析，分別是0.4、0.6、0.8、1.0；ω為設(shè)計(jì)含水率，本實(shí)驗(yàn)定為20%；ρs為土的顆粒密度，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，ρs取2.7；ρd為土的設(shè)計(jì)干密度；V為土樣的體積，本實(shí)驗(yàn)取60cm3；ms為土的干質(zhì)量；ω0為土的風(fēng)干含水率，本實(shí)驗(yàn)取為0%；m 為風(fēng)干土的質(zhì)量；mw為水的質(zhì)量。

按計(jì)算好的土的質(zhì)量，將所需的水和土充分?jǐn)嚢?，使土顆粒均勻?yàn)橹埂Ｈ缓笥脫魧?shí)器擊實(shí)試樣土，每組做出4個(gè)試件，分別在100kpa、200kpa、300kpa和400kPa的正壓力σ下直剪快剪，按5r/min的速度轉(zhuǎn)動(dòng)手輪并分別記下試樣破壞時(shí)直剪儀測(cè)力環(huán)的讀數(shù)。試樣的抗剪強(qiáng)度按照公式τ=CR計(jì)算。其中τ為試樣的抗剪強(qiáng)度（kPa），C為測(cè)力環(huán)的率定系數(shù)（kPa/0.01mm），R為試樣最終破壞時(shí)測(cè)力環(huán)的讀數(shù)（0.01mm）。以正壓力σ（kPa）為橫坐標(biāo)，抗剪強(qiáng)度τ（kPa）為縱坐標(biāo)，繪制每組試樣的τ-σ關(guān)系曲線，最終分析得出孔隙比與土體粘聚力和摩擦角的關(guān)系曲線。

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)得出c-e關(guān)系曲線如圖1所示，φ-e關(guān)系曲線如圖2所示。

由圖1可知，土體的粘聚力隨著孔隙比的增大而減小，且降幅十分明顯。其主要原因是，孔隙比增大時(shí)，分子間引力減小，粘聚力降低；孔隙比減小時(shí)，土體得密實(shí)度得到提高，土顆粒間膠結(jié)作用增強(qiáng)，粘聚力增大。

由圖2可知，孔隙比增大時(shí)，摩擦角隨之減小，降幅較為明顯。這是因?yàn)榭紫侗鹊脑龃笫沟猛馏w密實(shí)度降低，土顆粒間摩擦力隨之減小，摩擦角也變小。

2 含根率對(duì)根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響

欲定量分析含根量對(duì)根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的影響，必須采用擾動(dòng)土進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)控制復(fù)合體的含水率和密實(shí)度一定，改變根系和土壤的配比實(shí)現(xiàn)對(duì)含根量的改變。試驗(yàn)表明，土體中摻入植物根系后抗剪強(qiáng)度明顯提高。在含根量提高時(shí)，土體的粘聚力單調(diào)遞增，但內(nèi)摩擦角變化曲線存在峰值。在含水量為20%的前提下，復(fù)合體的最優(yōu)含根量為15%，即此時(shí)摩擦角達(dá)到最大值。

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理

試驗(yàn)采用草本麥冬提供根系原料。麥冬的根系屬于須根系[3]，根系粗細(xì)較為均勻，數(shù)量多，在土體中緊密纏繞起到加筋作用。試驗(yàn)前將麥冬根系洗凈，剪成1.5cm左右長(zhǎng)度密封備用。試驗(yàn)選用江蘇鎮(zhèn)江地區(qū)的粉質(zhì)黏土，試驗(yàn)前充分烘干，并進(jìn)行篩分，收集粒徑0.075mm～1.000mm的土顆粒備用。

本試驗(yàn)中含水量的計(jì)算公式與《土工試驗(yàn)規(guī)程SL237-1999》相同，即 ，其中mw為所需水的質(zhì)量，ms為所需干土的質(zhì)量。控制含水率為20%，即要求 。本試驗(yàn)中對(duì)含根量的定義為根系質(zhì)量占根土復(fù)合體質(zhì)量的百分比，即 。

探究含根率對(duì)根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的影響時(shí)，共進(jìn)行6組實(shí)驗(yàn)，分別控制含根量為0%、5%、10%、15%、20%、30%。每組試驗(yàn)需制備4個(gè)試樣，為防止復(fù)合體水分過(guò)快揮發(fā)或其他人為因素導(dǎo)致的散失，需要在調(diào)配試驗(yàn)用土后立即制備試樣，且每次調(diào)配不宜過(guò)多。每組試驗(yàn)調(diào)配一次土，配比為100克水+400克干土顆粒。試樣制備的方法和采集數(shù)據(jù)的方法與上述相同。以正壓力σ（kPa）為橫坐標(biāo)，抗剪強(qiáng)度τ（kPa）為縱坐標(biāo)，繪制每組試樣的τ-σ關(guān)系曲線，最終分析得出復(fù)合體含根率與土體粘聚力和摩擦角的關(guān)系曲線。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)得出每組試樣的τ-σ關(guān)系曲線如圖3所示，經(jīng)分析得出的c-ωg和φ-ωg關(guān)系如圖4、圖5所示。

由圖3可知，同一含水率條件下，根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度明顯高于同等條件下的素土試樣。各個(gè)含根率條件下抗剪強(qiáng)度曲線大多接近平行，內(nèi)摩擦角的變化幅度并不十分明顯，根系的加筋作用主要提高土體的粘聚力。由圖4可知，根土復(fù)合體的粘聚力隨著含根率的提高而單調(diào)遞增，且增幅較為明顯。由圖5可知，根土復(fù)合體的內(nèi)摩擦角隨著含根量的提高，先增大后減小，在含根率為15%左右取得最大值。可以認(rèn)定，15%左右為最優(yōu)含根量區(qū)。

3 含水率對(duì)根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響

在天然情況下，受降雨、蒸發(fā)、灌溉等因素的影響，土體的含水率變化很大，土體的強(qiáng)度主要因含水率的變化而變化[4]。試驗(yàn)探究根土復(fù)合體在不同含水率的條件下，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c和φ的變化情況。結(jié)果表明，含水率較低時(shí)，粘聚力隨著含水率的增加而小幅度遞增，當(dāng)含水率達(dá)到一定程度后，土體粘聚力會(huì)大幅度下降。而摩擦角始終呈現(xiàn)急劇遞減的趨勢(shì)。對(duì)比素土試驗(yàn)和含根率15%的根土復(fù)合體試驗(yàn)還可以發(fā)現(xiàn)，在同等含水率條件下，植物根系明顯可以提高復(fù)合體的粘聚力，復(fù)合體的粘聚力約為同等條件下素土的兩倍。

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理

試驗(yàn)采用草本麥冬提供根系原料。含根率以及含水率的計(jì)算方法和上述試驗(yàn)相同。本輪試驗(yàn)需要進(jìn)行兩組平行試驗(yàn)，對(duì)比研究素土試樣和含根率為15%的根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)受含水率變化的影響。設(shè)計(jì)含水率分別為0%、10%、20%和30%。為了盡量避免水分散失造成的影響，應(yīng)在制備原料土體后盡快制備試樣并實(shí)施試驗(yàn)。

試驗(yàn)操作方法和上述情況相同。采集數(shù)據(jù)后，以正壓力σ（kPa）為橫坐標(biāo)，抗剪強(qiáng)度τ（kPa）為縱坐標(biāo)，繪制每組試樣的τ-σ關(guān)系曲線，對(duì)比分析得出復(fù)合體含水率與土體粘聚力和摩擦角的關(guān)系曲線。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)得出不同含水率每組試樣的τ-σ關(guān)系曲線，將素土試驗(yàn)和復(fù)合體試驗(yàn)得出的τ-σ關(guān)系曲線堆疊在同一坐標(biāo)平面內(nèi)，經(jīng)數(shù)據(jù)分析處理得出的c-ω和φ-ω關(guān)系如圖6、圖7所示。

由圖6不難看出，隨著含水率的增大，復(fù)合體的粘聚力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，且降幅遠(yuǎn)大于增幅。對(duì)比素土試樣，可以發(fā)現(xiàn)根系土的粘聚力約是素土的兩倍，加筋作用顯著。由圖7可以看出，隨著含水率的提高，復(fù)合體的摩擦角逐漸減小，降幅十分明顯。當(dāng)含水率較大時(shí)，根系加筋作用才較為明顯地體現(xiàn)出來(lái)。

4 總結(jié)

土體的孔隙比對(duì)土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c和φ存在影響，且孔隙比較小時(shí)，該影響較為明顯。隨著土體孔隙比的增大，土壤的粘聚力和內(nèi)摩擦角都隨之減小。同等含水率條件下，根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度明顯高于同等條件下的素土試樣。根系的加筋作用主要提高土體的粘聚力，對(duì)摩擦角影響不大。當(dāng)含水率為20%時(shí)，根土復(fù)合體的粘聚力隨著含根率的提高而單調(diào)遞增，且增幅較為明顯；內(nèi)摩擦角隨著含根量的提高，先增大后減小，在含根率為15%左右取得最大值?？梢哉J(rèn)定，15%左右為最優(yōu)含根量區(qū)。含水率較低時(shí)，粘聚力隨著含水率的增加而小幅度遞增，當(dāng)含水率達(dá)到一定程度后，土體粘聚力會(huì)大幅度下降。而摩擦角始終呈現(xiàn)急劇遞減的趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]曹波，曹志東，等.植物根系固土作用研究進(jìn)展[J].水土保持應(yīng)用技術(shù)，2009（1）：26-28.

[2]王星華，黃長(zhǎng)溪，等.直剪快剪條件下黏土抗剪強(qiáng)度影響因素探討[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012，9（5）：46-49.

[3]劉曉燕，桂勇，等.植物根系護(hù)土固坡抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J].江西理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，34（3）：32-37.

[4]黃琨，萬(wàn)軍偉，等.非飽和土的抗剪強(qiáng)度與含水率關(guān)系的試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，33（9）：2012.