海綿城市消落帶土體結(jié)構(gòu)與適用植被根系固土強度試驗研究*

張春東，丁永明，苗 華，陳代果，韓培鋒

(1.中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213； 2.西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽 621010)

0 引言

近年來，城市內(nèi)澇問題越來越受到重視，海綿城市建設(shè)是緩解該問題的重要途徑之一。海綿城市可較好地應(yīng)對洪澇災(zāi)害，同時可有效處理與利用自然降水，吸收、凈化、調(diào)控雨水，改善城市生態(tài)環(huán)境[1-6]。

利用植被建設(shè)城市公園及河道是海綿城市生態(tài)建設(shè)的重要方式，通過植被與河道邊坡的有效組合，可實現(xiàn)城市治理與生態(tài)效應(yīng)的有機結(jié)合[7-12]。我國自20世紀(jì)90年代起，對植被生態(tài)護(hù)坡與透水混凝土護(hù)坡機理進(jìn)行了大量研究，對植被根系的研究主要集中在根系固土作用等方面，分析了含根量對土體強度的影響，如楊亞川等[13]開展了土壤-草本植被根系復(fù)合體抗水蝕強度與抗剪強度試驗研究，指出了含根量的增加主要表現(xiàn)為土壤抗剪強度的提高；張鋒等[14]開展了含植被須根的重塑加筋土三軸固結(jié)不排水剪切試驗，得出的結(jié)論與楊亞川等的研究相同。對于根系形態(tài)的研究，鐘南等[15]利用隨機函數(shù)方法，考慮時間參數(shù)的影響，重構(gòu)了植被根系幾何形態(tài)與空間結(jié)構(gòu)模型；洪文俊等[16]利用新建高速公路生態(tài)護(hù)坡植被根系，開展了植被根系固土能力研究，結(jié)果表明，植被根系直接影響邊坡密實度；安然等[17]通過數(shù)值模擬計算，分析了裸露邊坡穩(wěn)定性，研究了植被根系附加凝聚力對邊坡穩(wěn)定性的影響，并建立了植被護(hù)坡根系計算模型。

對于海綿城市河道生態(tài)治理工程，由于水位漲落，河道消落帶土體結(jié)構(gòu)不同于一般土體，其護(hù)坡效果直接影響河道建設(shè)。而目前關(guān)于消落帶土體植被根系固土效果的研究較少，為此，本文依托綿陽市小枧城市生態(tài)濕地公園河道工程，開展海綿城市消落帶土體結(jié)構(gòu)與適用植被根系固土強度試驗研究。

1 試驗概況

1.1 原材料

選取綿陽市小枧城市生態(tài)濕地公園河道消落帶土體及植被(狗尾草，其須根系發(fā)達(dá))進(jìn)行室內(nèi)試驗研究。選取植被較好且無雜草的草坪，將植被根系與土壤共同挖出，測得其天然密度為1.623g/cm3，干密度為1.384g/cm3，天然含水率為18.45%。消落帶土體塑限為14.4%，液限為27.3%，最大干密度為1.384g/cm3，天然含水率為18.45%。

1.2 試驗方案

分4層擊實土體，每層土體厚度保持一致且表面刮毛。將狗尾草根系垂直均勻置于土體內(nèi)，將含根量設(shè)為0(重塑素土)，0.2%，0.3%，0.4%，采用三軸固結(jié)不排水的方式進(jìn)行剪切試驗，將圍壓設(shè)為100，200，300kPa。采用應(yīng)變控制加載，剪切速率為0.2mm/min。當(dāng)土體軸向壓縮達(dá)15mm時停止試驗，并選取剪切峰值，如果沒有剪切峰值，則選取軸向應(yīng)變達(dá)15%時的主應(yīng)力差進(jìn)行強度特性分析。

為分析水位漲落過程中消落帶土體干濕循環(huán)對植被根系固土的影響，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，將干濕循環(huán)次數(shù)設(shè)為0，4，8，12，16次，將干濕循環(huán)幅度設(shè)為12%，20%，即脫濕12%，20%為1次干濕循環(huán)，達(dá)預(yù)設(shè)循環(huán)次數(shù)后開展三軸剪切試驗。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 含根量的影響

不同圍壓、含根量下消落帶土體剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線如圖1所示。由圖1可知，不同圍壓下，當(dāng)含根量與剪切位移較小時，消落帶土體剪切應(yīng)力小于重塑素土，含根量越大，消落帶土體剪切應(yīng)力與重塑素土的差值越小，說明當(dāng)含根量較小時，根系對消落帶土體強度無促進(jìn)作用，主要因為含根量較小時，根系占比小，無法達(dá)到根系加筋效果；隨著剪切位移的增大，含根系的消落帶土體剪切應(yīng)力增大，且含根量越大，土體剪切應(yīng)力越大，表現(xiàn)出明顯的根系加筋效果。

圖1 不同圍壓、含根量下消落帶土體剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線

2.2 干濕循環(huán)次數(shù)的影響

100kPa圍壓下，不同干濕循環(huán)次數(shù)、含根量下消落帶土體剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線如圖2所示。由圖2可知，不同干濕循環(huán)次數(shù)下，當(dāng)含根量與剪切位移較小時，消落帶土體剪切應(yīng)力小于重塑素土，含根量越大，消落帶土體剪切應(yīng)力與重塑素土的差值越小，同樣說明當(dāng)含根量較小時，根系對消落帶土體強度的促進(jìn)作用較小。隨著剪切位移的增大，含根系的消落帶土體剪切應(yīng)力增大，且含根量越大，土體剪切應(yīng)力越大，同樣表現(xiàn)出明顯的根系加筋效果。

圖2 不同干濕循環(huán)次數(shù)、含根量下消落帶土體剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線

為進(jìn)一步分析干濕循環(huán)次數(shù)的影響，繪制最大、最小圍壓和含根量下消落帶土體剪切應(yīng)力隨干濕循環(huán)次數(shù)變化曲線，如圖3所示。由圖3可知，不同圍壓和含根量下，隨著干濕循環(huán)次數(shù)N的增加，消落帶土體剪切應(yīng)力均逐漸減小，且變化趨勢基本相同。由圖3a，3b可知，100kPa圍壓下，當(dāng)含根量較大時(0.4%)，消落帶土體剪切應(yīng)力隨著剪切位移的增加增幅較大，且前期增速快，后期增速慢。由圖3c，3d可知，300kPa圍壓下，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，不同含根量消落帶土體剪切應(yīng)力先增大后減小，當(dāng)含根量較大時(0.4%)，曲線拐點對應(yīng)的剪切位移較小，即表現(xiàn)出剪切位移軟化特征，含根量越小，剪切位移軟化特征越弱。

圖3 消落帶土體剪切應(yīng)力隨干濕循環(huán)次數(shù)變化曲線

2.3 黏聚力變化規(guī)律

含根量及干濕循環(huán)次數(shù)對消落帶土體黏聚力具有一定影響，為此，選取圍壓為100kPa，分析不同含根量及干濕循環(huán)次數(shù)下土體黏聚力變化規(guī)律，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，含根量越大，消落帶土體黏聚力越大，當(dāng)含根量較大時(0.4%)，黏聚力明顯提高。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，消落帶土體黏聚力逐漸降低，干濕循環(huán)前期降低較明顯，后期降低速率減緩并趨于穩(wěn)定，表明土體出現(xiàn)明顯強度劣化現(xiàn)象，但不同含根量下強度劣化程度存在一定差異。

圖4 消落帶土體黏聚力變化曲線

2.4 內(nèi)摩擦角變化規(guī)律

含根量及干濕循環(huán)次數(shù)對消落帶土體內(nèi)摩擦角也具有一定影響，同樣選取圍壓為100kPa，分析不同含根量及干濕循環(huán)次數(shù)下土體內(nèi)摩擦角變化規(guī)律，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，含根量不為0時，隨著含根量的增大，消落帶土體內(nèi)摩擦角逐漸增大。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，內(nèi)摩擦角呈波動變化趨勢，變化幅度較小。

圖5 消落帶土體內(nèi)摩擦角變化曲線

3 結(jié)語

1)由含根量對消落帶土體剪切應(yīng)力的影響可知，當(dāng)含根量較小時，根系對消落帶土體強度無促進(jìn)作用，無法達(dá)到根系加筋效果；當(dāng)剪切位移較小時，重塑素土剪切應(yīng)力較大，而含根系的消落帶土體剪切應(yīng)力較小，隨著剪切位移的增大，含根系的消落帶土體剪切應(yīng)力增大，且含根量越大，土體剪切應(yīng)力越大，表現(xiàn)出明顯的根系加筋效果。

2)由干濕循環(huán)次數(shù)對消落帶土體剪切應(yīng)力的影響可知，最大、最小圍壓和含根量下，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，消落帶土體剪切應(yīng)力逐漸減小，干濕循環(huán)次數(shù)對土體強度的影響較大。

3)由含根量對消落帶土體黏聚力的影響可知，含根量越大，消落帶土體黏聚力越大，當(dāng)含根量較大時(0.4%)，黏聚力明顯提高。

4)由干濕循環(huán)次數(shù)對消落帶土體黏聚力的影響可知，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，土體黏聚力逐漸降低，干濕循環(huán)前期降低較明顯，后期降低速率減緩并趨于穩(wěn)定，表明土體出現(xiàn)明顯強度劣化現(xiàn)象，但不同含根量下強度劣化程度存在一定差異。

5)由含根量對消落帶土體內(nèi)摩擦角的影響可知，含根量不為0時，隨著含根量的增大，消落帶土體內(nèi)摩擦角逐漸增大。

6)由干濕循環(huán)次數(shù)對消落帶土體內(nèi)摩擦角的影響可知，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，內(nèi)摩擦角呈波動變化趨勢，變化幅度較小。