薹草根系纖維土滲透和崩解性能試驗(yàn)

王鳳池,秦美琦,李 棟,孫 琪

(1.沈陽(yáng)建筑大學(xué)交通工程學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110168;2.沈陽(yáng)建筑大學(xué)土木工程學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110168)

工程建設(shè)中大面積的開山、筑堤等破壞了坡體原有的地表情況,更是對(duì)生態(tài)環(huán)境的平衡造成了破壞[1]。傳統(tǒng)的防護(hù)方法主要有噴射混凝土、設(shè)置擋墻等。傳統(tǒng)方法對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)多樣性影響較大,違背了綠色生態(tài)的發(fā)展趨勢(shì)[2],因此植被防護(hù)的方法應(yīng)運(yùn)而生。植物的根系纖維與土體密切的結(jié)合,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)工程防護(hù)的缺陷,既實(shí)現(xiàn)了對(duì)邊坡土體的加固,減少水土的流失,又達(dá)到了保護(hù)自然環(huán)境的目的。

植物護(hù)坡技術(shù)距今已發(fā)展多年,并且在國(guó)外起步較早,20世紀(jì)90年代的中后期,在各國(guó)學(xué)者的推動(dòng)下,植物護(hù)坡技術(shù)得以迅速發(fā)展。A.S.Dhakal[3]通過(guò)觀察被砍伐后的植被對(duì)根系強(qiáng)度的影響,分析了不同的森林管理對(duì)坡的長(zhǎng)期影響以及對(duì)滑坡的發(fā)生的影響。A.K.Leung[4-5]以七葉草和鐵蘇為研究對(duì)象,采用雙環(huán)入滲試驗(yàn),分析其根系對(duì)所處坡體的影響。周紅貴[6]采用變水頭滲透試驗(yàn),以高羊茅根系為研究對(duì)象進(jìn)行滲透試驗(yàn),得出在高羊茅根系的生長(zhǎng)區(qū)域的30 cm內(nèi),復(fù)合土體的滲透系數(shù)大于素土的滲透系數(shù)；此外，還通過(guò)根土復(fù)合體室內(nèi)崩解試驗(yàn)分析對(duì)比了素土、絮狀根系土、稻秸稈根系土、草加稻秸稈根系土的崩解量。李雄威[7]以膨脹土為研究對(duì)象,采取原位滲透試驗(yàn)進(jìn)行滲透性能測(cè)試,試驗(yàn)證明植物根系的存在能夠加強(qiáng)土體的滲透性能。鄧仁貴等[8]研究了林木根系對(duì)坡面土體的崩解性能的影響。李家春等[9]采用崩解儀開展浸水崩解試驗(yàn),通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),含水量、壓實(shí)度和崩解速率之間存在內(nèi)在相關(guān)性。周德培[10]、方華[11]、單煒[12]、王文生[13]、戚國(guó)慶[14]、陳開圣[15]等從水文和力學(xué)機(jī)制角度全面總結(jié)了植被對(duì)邊坡穩(wěn)定的各種影響:植物可以有效防止坡面沖刷、截留降雨,植物根系對(duì)土坡起錨固、加筋作用,植物蒸騰耗水降低孔隙水壓力、增加土的抗剪強(qiáng)度。

研究分析根系纖維土的滲透和崩解性能試驗(yàn),能大力促進(jìn)植物固土護(hù)坡的發(fā)展需要,為植物固土護(hù)坡提供更有力的試驗(yàn)證據(jù)?；诖?筆者選取薹草為研究對(duì)象,以薹草根系纖維含量、根系纖維土的處理方式、試驗(yàn)用土含水率以及根系纖維分布形態(tài)為控制變量,研究根系纖維土的滲透性能和抗崩解性能,并分析其原因,研究結(jié)果表明根系纖維的存在可以提高土體的滲透性能和抗崩解性能。

1 試 驗(yàn)

1.1 試件制備

試驗(yàn)選用沈陽(yáng)建筑大學(xué)校園內(nèi)生長(zhǎng)茂盛的薹草,如圖1所示。

圖1 薹草Fig.1 Carex

經(jīng)過(guò)測(cè)量，薹草的根系長(zhǎng)度主要集中在10～15 cm,直徑主要集中0.3～0.6 mm。試驗(yàn)用土選擇沈陽(yáng)本地土,依據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GBT 50123—2019)[16],最大干密度為1.948 g/cm3,最優(yōu)含水率為11.72%,液限指數(shù)為29.47,塑限指數(shù)為16.21。

(1)滲透性試驗(yàn)試件

為研究根系纖維土的滲透性,筆者采用控制變量的方法研究多個(gè)影響因素下的根系纖維土的滲透性能的變化。試驗(yàn)所涉及的影響因素包括:薹草根系纖維的含量、根系纖維的處理方式、試驗(yàn)用土的含水率以及根系纖維的分布形態(tài)。薹草根系纖維的含量分別選取0根、10根、15根、20根和25根。對(duì)試驗(yàn)的根系纖維進(jìn)行處理,得到新鮮根系、風(fēng)干2 h、風(fēng)干4 h、浸水2 h和浸水4 h根系纖維進(jìn)行試驗(yàn)。

薹草根系纖維屬于須根系,筆者制作“個(gè)字形”根系纖維土模擬薹草根系。制作“人字形”、“偏形”和“豎直形”3種形式的根系纖維土模擬其他植物根系,如圖2所示。試驗(yàn)用土的含水率分別為7.74%、10.16%、11.72%、17.31%和19.29%。滲透試驗(yàn)的試件用4cm環(huán)刀進(jìn)行取樣,將根系均勻插入土中,以控制試件內(nèi)根系分布密度。將環(huán)刀上下兩端表面切平,并切記不能來(lái)回涂抹多次,以防止根系纖維土出現(xiàn)堵塞的現(xiàn)象。

圖2 根系纖維分布形態(tài)Fig.2 Root fiber distribution pattern

(2)室內(nèi)崩解試驗(yàn)試件

崩解試驗(yàn)分別以薹草根系纖維含量、根系纖維長(zhǎng)度以及根系纖維的分布方式為影響因素,研究其對(duì)根系纖維土的室內(nèi)浸水崩解性能的影響。薹草根系纖維的含量與分布方式同上。對(duì)試驗(yàn)的根系纖維進(jìn)行處理,得到1 cm、2 cm、3 cm和4 cm的根系纖維。利用4 cm環(huán)刀進(jìn)行取樣,將根系均勻插入土中,以控制試塊內(nèi)根系分布密度。將環(huán)刀上下兩端表面切平。

1.2 根系纖維土滲透性試驗(yàn)

滲透試驗(yàn)在研究土的滲透特性時(shí)是必不可少的,滲透系數(shù)正是衡量土的特性的重要指標(biāo)之一。因此,筆者將從多個(gè)影響因素的角度下,利用變水頭滲透試驗(yàn),分析根系纖維土的滲透性能。滲透性試驗(yàn)使用南京土壤儀器廠的TST-55型滲透儀如圖3所示。

圖3 滲透試驗(yàn)裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of penetration test device

在裝有試樣的環(huán)刀外壁涂抹一層薄薄的凡士林,將環(huán)刀緩慢的推入滲透儀的套筒中。在滲透儀的套筒內(nèi),先后放入濾紙、透水石、止水墊圈和儀器上蓋,擰緊螺絲至不漏氣、不漏水的密封狀態(tài)。將滲透儀的進(jìn)水口與變水頭的進(jìn)水管相互連接。將排氣管的夾子打開,當(dāng)從排氣管中流出的水不帶有氣泡時(shí),將排氣管的夾子夾好,使水從下到上的飽和試樣。當(dāng)排氣管出現(xiàn)水流流出時(shí),即認(rèn)為滲透試樣已經(jīng)達(dá)到飽和狀態(tài),此刻開始測(cè)定測(cè)壓管讀數(shù)。將測(cè)壓管充水到需要的高度,取下測(cè)壓管與供水瓶之間連接的夾子,按下秒表,開始計(jì)時(shí),記錄水頭h1,經(jīng)過(guò)時(shí)間t1后,記錄水頭h2和時(shí)間t2,并用溫度計(jì)測(cè)量出水口水的溫度,記錄下來(lái)(要求每次測(cè)定水頭差大于10 cm),如此連續(xù)2～3次,再將測(cè)壓管水位回聲到所需高度,再次記錄讀數(shù),前后共測(cè)量9次,試驗(yàn)終止。

1.3 根系纖維土室內(nèi)崩解試驗(yàn)

本試驗(yàn)裝置參考文獻(xiàn)[17]中的試驗(yàn)裝置,用自制的簡(jiǎn)易室內(nèi)崩解試驗(yàn)裝置,如圖4所示。

圖4 崩解試驗(yàn)裝置Fig.4 Disintegration test device

試驗(yàn)所用工具有整理箱、鐵絲網(wǎng)盤、環(huán)刀、細(xì)繩、秒表、溫度計(jì)和電子天平。用細(xì)繩將鐵絲網(wǎng)盤兩端和整理箱兩端連接固定,使鐵絲網(wǎng)盤呈水平狀態(tài),將制備好的試樣放置在鐵絲網(wǎng)盤上;將測(cè)量好溫度的自來(lái)水倒入整理箱中,使水位剛好沒(méi)過(guò)試驗(yàn)土樣表面,并且保證每次試驗(yàn)水位高度相同;水位沒(méi)過(guò)試驗(yàn)土樣的瞬間,按動(dòng)秒表,每2分鐘,將鐵絲網(wǎng)盤連同試件共同水平端出,迅速利用電子天平測(cè)量鐵絲網(wǎng)盤與試樣整體的重量,記錄數(shù)據(jù);稱量后立即水平放入水中,繼續(xù)按照上述方法,每?jī)煞昼娺M(jìn)行測(cè)量,記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù),直至土體完全崩解。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 根系纖維土滲透性能研究

2.1.1 根系纖維含量對(duì)根系纖維土抗?jié)B性的影響

不同薹草根系纖維含量下根系纖維土的滲透系數(shù)如圖5所示。

圖5 根系纖維土滲透系數(shù)與根系纖維數(shù)量的關(guān)系Fig.5 The relationship between the permeability coefficient of root fibrous soil and the number of root fibers

通過(guò)圖5可以看出,加入薹草根系纖維的根系纖維土的飽和滲透系數(shù)均比素土(未加入根系纖維的土)的飽和滲透系數(shù)大。并且隨著根系纖維的增多,滲透系數(shù)增幅也逐漸增大,增幅7.7%～134.8%。當(dāng)根系纖維含量達(dá)到25根時(shí),滲透系數(shù)最大,增幅達(dá)到134.8%。由此可以說(shuō)明,薹草根系纖維可以顯著提高根系纖維土的滲透性能。主要原因是根系纖維的存在改變了土體原有的結(jié)構(gòu),薹草根系纖維在與土體黏結(jié)的同時(shí),對(duì)密實(shí)的土體也有一定的分散作用,使土體與根系纖維接觸處的產(chǎn)生孔隙,極易引起土質(zhì)發(fā)生疏松的現(xiàn)象,由此增大了根系纖維土的孔隙率和透水性,進(jìn)而較大程度地改變了土體的滲透性能。隨著根系纖維含量增多,根系纖維對(duì)土體產(chǎn)生的孔隙作用就愈發(fā)明顯,導(dǎo)致其透水性逐漸加強(qiáng)。

2.1.2 根系纖維處理方式對(duì)根系纖維土抗?jié)B性能的影響

根系纖維處理方式主要包括新鮮根系纖維、風(fēng)干2 h、風(fēng)干4 h、浸水2 h和浸水4 h根系纖維。根據(jù)根系纖維土變水頭滲透試驗(yàn),得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果如圖6所示。為繪圖方便,采用XX表示新鮮根系纖維,FG表示風(fēng)干根系纖維,JS表示浸水根系纖維。

圖6 根系纖維土滲透系數(shù)與根系纖維處理方式的關(guān)系Fig.6 The relationship between the permeability coefficient of root fiber soil and the treatment mode of root fiber soil

通過(guò)圖6可以發(fā)現(xiàn),根系纖維處理方式不同,相對(duì)應(yīng)的根系纖維土的滲透系數(shù)也不相同。新鮮根系纖維的根系纖維土的滲透系數(shù)最高,其次是風(fēng)干的根系纖維,最后是浸水處理后的根系纖維。主要原因在于薹草的根系纖維在風(fēng)干以及浸水狀態(tài)下,根系纖維的含水率處于不平衡狀態(tài),會(huì)產(chǎn)生吸水等現(xiàn)象,而新鮮根系纖維的含水率已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定平衡狀態(tài),因此該種情況下根系纖維土的滲透性能最好。風(fēng)干處理的根系纖維的含水率,隨著風(fēng)干時(shí)間的推移,其含水率逐漸降低,進(jìn)行滲透試驗(yàn)時(shí),風(fēng)干根系纖維自身會(huì)先吸取水分,當(dāng)水分吸取飽和后,水分開始滲入土中;而浸水的根系纖維,其含水率已經(jīng)接近飽和,因此其滲透性能最差。

2.1.3 土的含水率對(duì)根系纖維土抗?jié)B性能的影響

試驗(yàn)用土的各種含水率下的根系纖維土的滲透系數(shù)情況如圖7所示。

圖7 根系纖維土滲透系數(shù)與根土的含水率的關(guān)系Fig.7 The relationship between permeability coefficient of root fibrous soil and moisture content of root soil

土的含水率不同對(duì)于植物根系纖維土的滲透系數(shù)的影響亦不相同。試驗(yàn)所選取的土的含水率分別為7.74%、10.16%、11.72%、17.31%和19.29%。當(dāng)土的含水率低于11.72%時(shí),隨著土的含水率的升高,根系纖維土的滲透系數(shù)逐漸降低;當(dāng)土的含水率高于11.72%,隨著土的含水率的升高,根系纖維土的滲透系數(shù)逐漸降低;其中在含水率為11.72%時(shí)滲透系數(shù)達(dá)到最大。主要原因是土的含水率增大時(shí),其根系纖維土的孔隙度減小,滲流通道變窄,結(jié)合達(dá)西定律可知,在水力坡度相同時(shí),根系纖維土的滲透系數(shù)隨著滲透的速度的變化而變化。本試驗(yàn)中,滲流的總水量相同,滲流通道變窄后,滲流速度變慢,因此滲透系數(shù)逐漸降低。而在最優(yōu)含水率情況下,對(duì)應(yīng)的干密度最大,此時(shí),土孔隙中完全沒(méi)有水的存在,因此該情況下,在水流入滲時(shí),根系纖維土吸收水分子速度最快。

2.1.4 根系纖維分布形態(tài)對(duì)根系纖維土抗?jié)B性能的影響

試驗(yàn)所用的根系纖維均為新鮮根系,根系纖維含量均為15根,試驗(yàn)用土的含水率均為11.72%。根系纖維土的滲透系數(shù)與根系纖維的分布形態(tài)的關(guān)系如圖8所示。

圖8 根系纖維土的滲透系數(shù)與根系纖維的分布形態(tài)的關(guān)系Fig.8 The relationship between permeability coefficient and distribution pattern of root fiber soil

根系纖維分布形態(tài)無(wú)論如何變化,其根系纖維土的滲透系數(shù)皆比素土的滲透系數(shù)大。與素土作對(duì)照,得出各種根系纖維分布形態(tài)下,20 ℃平均滲透系數(shù)增幅在7.9%～83.2%。按照由大到小的順序排列依次為豎直形、個(gè)字形、偏形、人字形。根據(jù)達(dá)西定律可知,在水力坡度i相同時(shí),根系纖維土的滲透系數(shù)k隨著滲透速度v的變化而變化,滲透的速度越快,其滲透系數(shù)越大;同理,滲透速度越慢,其滲透系數(shù)越小。在本試驗(yàn)中,根系纖維的分布形態(tài)不同改變了滲流路徑的大小,滲流路徑越長(zhǎng),其滲流速度越慢,相對(duì)應(yīng)的滲透系數(shù)便越小;同理,滲流路徑越短,其滲流速度越快,相對(duì)應(yīng)的滲透系數(shù)越大。由上至下,垂直距離最短,故豎直根系為滲流最短路徑。

2.2 根系纖維土崩解性能研究

2.2.1 根系纖維含量對(duì)根系纖維土崩解性能的影響

筆者采用崩解速度這一指標(biāo)來(lái)衡量根系纖維含量對(duì)根系纖維土崩解的影響程度。不同根系纖維含量(0根、10根、15根和20根)對(duì)根系纖維土崩解性能的影響如圖9和圖10所示。

圖9 根系纖維含量與平均崩解速度的關(guān)系Fig.9 Relationship between root fiber content and average disintegration rate

圖10 根系纖維含量不同時(shí)的崩解剩余量與時(shí)間的關(guān)系Fig.10 Relationship between disintegration residue and time with different root fiber contents

從圖9中可以看出,隨著根系纖維的增多,根系纖維土的崩解速度越來(lái)越低,當(dāng)根系纖維含量為0根時(shí),根系纖維土的崩解速度為12.67 根/min,當(dāng)根系纖維含量為20根時(shí),根系纖維土的崩解速度為8.21 根/min。從圖10可以得出,根系纖維土在每?jī)煞昼妰?nèi)的崩解變化率隨著時(shí)間的推移而變化,崩解變化率的絕對(duì)值最小為0.43%,最大為13.25%,具體變化為先小后大,然后變小,最終為0%。

綜上所述,根系纖維含量越多,根系纖維土每分鐘的崩解量即崩解速度越慢,說(shuō)明根系纖維的存在可以有效提高根系纖維土的抗崩解性,主要原因在于根系纖維的存在,能夠很大程度上增強(qiáng)根系纖維土內(nèi)部的聯(lián)結(jié)力,進(jìn)而阻礙了根系纖維土的崩解。

2.2.2 根系纖維長(zhǎng)度對(duì)根系纖維土崩解性能的影響

不同根系纖維長(zhǎng)度對(duì)根系纖維土崩解性能的影響如圖11和圖12所示。

圖11 根系纖維長(zhǎng)度與平均崩解速度的關(guān)系Fig.11 Relationship between root fiber length and mean disintegration rate

圖12 根系纖維長(zhǎng)度不同時(shí)崩解剩余量與時(shí)間的關(guān)系Fig.12 Relationship between time and calving residue of root fibers with different length

從圖12中可以看出,隨著時(shí)間的推移,不同根系纖維長(zhǎng)度下的根系纖維土的崩解情況不同,但所有根系纖維長(zhǎng)度下的根系纖維土的崩解剩余量均呈下降趨勢(shì)。根系纖維長(zhǎng)度越長(zhǎng),根系纖維土的平均崩解速度越小,即每分鐘根系纖維土的崩解量越少,根系纖維土的崩解剩余量越多,其抗崩解能力越強(qiáng)。因?yàn)楦道w維長(zhǎng)度越長(zhǎng),其與土顆粒的黏結(jié)力越大,因此存在加固土體、抵抗崩解、防止水土流失的作用。

2.2.3 根系纖維分布方式對(duì)根系纖維土崩解性能的影響

不同根系纖維分布方式的平均崩解速度和崩解剩余量與時(shí)間的關(guān)系如圖13和圖14所示。其中,SZ代表豎直形,PX代表偏形,RX代表人字形,GZ代表個(gè)字形。

圖13 根系纖維分布方式與平均崩解速度的關(guān)系Fig.13 The relationship between the distribution pattern of root fibers and the mean disintegration rate

圖14 根系纖維分布方式不同時(shí)崩解剩余量與時(shí)間的關(guān)系Fig.14 The relationship between the residual amount of disintegration and time in different distribution modes of root fibers

從圖中可以看出,根系纖維分布方式不同時(shí),根系纖維土的崩解情況不同,崩解所用時(shí)長(zhǎng)也不相同,但崩解趨勢(shì)大致相同。也可以看出4種根系分布形態(tài)的根系纖維土的平均崩解速度由小到大依次為個(gè)字形根系纖維,人字形根系纖維,偏形根系纖維,豎直形根系纖維。平均崩解速度越小,崩解量越少,抗崩解能力越強(qiáng)。主要原因在于根系纖維在土中以不同的形態(tài)進(jìn)行分布,構(gòu)成不同的網(wǎng)格,與土體緊密聯(lián)結(jié),增強(qiáng)了土顆粒與根系纖維之間的摩擦力與黏結(jié)力,提高了根系纖維土的抗崩解能力。

3 滲透與崩解的關(guān)系

土的崩解破壞機(jī)理是由于土體浸水以后,由于土的吸水作用會(huì)將土顆粒包圍成水膜,破壞了土顆粒之間的膠結(jié)黏聚力,而且未排出的空氣隨著水膜的增大受到壓縮,導(dǎo)致孔隙內(nèi)氣壓增大,產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,使土體發(fā)生崩解破壞[18-21]。從試驗(yàn)中可以看出,由于根系纖維的存在使水可以順著根系纖維滲透,其滲透系數(shù)變大,而且根系纖維使土顆粒之間產(chǎn)生了更好的黏聯(lián)作用。這一現(xiàn)象延緩了水膜的形成,減少了封閉壓縮的氣體,從而減緩了土顆粒之間的膠結(jié)黏聚力喪失的速度。隨著根系纖維含量的增多,滲透系數(shù)也隨之變大,孔隙內(nèi)封閉的氣泡體積變小,根系纖維與土顆粒的黏結(jié)及摩擦力也增大,因此土體的平均崩解速度降低,崩解剩余量也增多。

4 結(jié) 論

(1)在其他試驗(yàn)影響因素相同的情況下,隨著根系纖維含量的增多,根系纖維土的滲透性能逐漸增大;風(fēng)干處理的根系纖維的根系纖維土的滲透性能要高于浸水處理的根系纖維土;試驗(yàn)用土的含水量越高,根系纖維土的滲透系數(shù)越低;此外,根系纖維不同分布形態(tài)下的滲透性能不同,從小到大排列順序依次為人字形、偏形、個(gè)字形、豎直形。

(2)根系纖維含量增多的同時(shí),減慢了根系纖維土的崩解速度,提高了根系纖維土的抗崩解性能;根系纖維長(zhǎng)度越長(zhǎng),崩解破壞所用的時(shí)長(zhǎng)越長(zhǎng),崩解速度越緩慢,則其抗崩解能力越強(qiáng);此外,在根系纖維分布方式不同時(shí),根系纖維抵抗崩解的能力不同,從大到小的排列順序依次為個(gè)字形、人字形、偏形、豎直形。無(wú)論何種方式下的崩解,最終崩解剩余量均趨于定值,因土體全部崩解脫落,剩余量?jī)H為根系纖維。

(3)根系纖維的存在提高了土體的滲透性能,進(jìn)而提高了土體的抗崩解能力。