馬尼拉草根系增強(qiáng)土體抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬

劉冬民，李 輝*，蔣寧山，梁國(guó)新，王亞偉

(1.青海大學(xué)土木工程學(xué)院，青海 西寧 810016； 2.青海東測(cè)標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)檢測(cè)認(rèn)證科技有限公司，青海 海東 810600)

素土具有較好的抗壓性能和抗剪性能，但抗拉性能很差,植被根系具有較高的抗拉強(qiáng)度，是一種天然的加筋材料[1-3]，將植被根系加入素土中形成根土復(fù)合體[4]，可以有效提高土體的抗拉強(qiáng)度[5]。近年來(lái)，眾多學(xué)者對(duì)根土復(fù)合體的加筋作用做了大量研究，嵇曉雷等[5]通過(guò)三軸試驗(yàn)研究了根系的不同布置方式對(duì)根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的影響；周云艷[6]對(duì)紫穗槐根土復(fù)合體進(jìn)行室內(nèi)直剪試驗(yàn)，指出黏聚力c與含根量正相關(guān)，但內(nèi)摩擦角φ與含根量無(wú)顯著關(guān)系；劉昌義等[7]研究表明，不同植物組合類型的根土復(fù)合體其平均黏聚力c值表現(xiàn)出隨著根系含量和根系干重的增大而增大的規(guī)律；陳昌富等[8]通過(guò)三軸試驗(yàn)得出，隨著加筋量的增加，草根加筋土的黏聚力值呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)；王元戰(zhàn)等[9]研究發(fā)現(xiàn)，重塑草根加筋土隨著圍壓的增大，黏聚力c值也隨之增加。青海由于土質(zhì)原因常有泥石流、滑坡等自然災(zāi)害的發(fā)生，因此在青海研究植被根系對(duì)土體的增強(qiáng)效應(yīng)具有重大意義。

本文以馬尼拉草為試驗(yàn)植被，進(jìn)行室內(nèi)不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)，在不同含水率和含根量條件下，研究馬尼拉草根土復(fù)合體的主應(yīng)力差—軸向應(yīng)變關(guān)系及抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，通過(guò)離散元數(shù)值模擬結(jié)果與室內(nèi)三軸試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，明確馬尼拉草根系對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的增強(qiáng)作用。本研究對(duì)青海地區(qū)合理選擇植被種植及深入探討植被生態(tài)護(hù)坡機(jī)理具有參考意義。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土為重塑粉質(zhì)黏土，取自于青海大學(xué)西門(mén)外20 m土坡處，取土深度為0.3～0.6 m，天然密度為1.60 g/cm3，最大干密度為1.72 g/cm3，天然含水率為13.5%，最優(yōu)含水率為15%。本試驗(yàn)選取的植被為馬尼拉草，禾本科結(jié)縷草屬植物，抗干旱、耐瘠薄能力強(qiáng)，覆蓋度高，根系較發(fā)達(dá)。本試驗(yàn)采用儀器為南京土壤儀器廠生產(chǎn)的SLB-1型應(yīng)力應(yīng)變控制式三軸剪切滲流試驗(yàn)儀，三軸試樣為高80 mm、直徑39.1 mm的圓柱體。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文采用干密度控制原則[8]，控制干密度不變，以含根量、含水率為變量，根據(jù)試驗(yàn)土的天然含水率和最優(yōu)含水率，設(shè)計(jì)土體含水率為13%、15%、17%，按照根土質(zhì)量比設(shè)計(jì)土體含根量為素土(0%)、0.5%、1%、1.5%，分別在圍壓100、150、200 kPa條件下進(jìn)行試驗(yàn)。為了試驗(yàn)具有可比性，同一種工況下選用3種樣本進(jìn)行試驗(yàn)，共108個(gè)樣本。

試驗(yàn)為不固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)，依據(jù)試驗(yàn)規(guī)范[10]將剪切速率定為0.8 mm/min。當(dāng)測(cè)力計(jì)讀數(shù)達(dá)到峰頂時(shí)，繼續(xù)剪切超過(guò)試樣高度的5%視為試驗(yàn)結(jié)束；測(cè)力計(jì)無(wú)峰值時(shí)，剪切應(yīng)變達(dá)到試樣高度的15%視為試驗(yàn)結(jié)束。

1.3 試驗(yàn)方法

將試驗(yàn)土放入烘箱(105～110 ℃)烘干，8 h后取出，降至室溫后將其放到橡皮板上用圓柱形鐵碾碾碎，過(guò)2 mm篩；用清水沖洗馬尼拉草根系的土，直至根系被沖洗干凈，然后剪成20 mm小段，在自然條件下風(fēng)干，消除水分對(duì)根系質(zhì)量的影響；根據(jù)設(shè)計(jì)的含水率計(jì)算出重塑烘干土所需的加水量，用噴壺均勻噴灑在土上，然后用保鮮膜封閉，靜置一晝夜；將土和馬尼拉草根系等質(zhì)量分成4份后進(jìn)行攪拌，攪拌過(guò)程中需使根系均勻分布在土中，制作土體時(shí)分4層壓實(shí)，每層土的質(zhì)量相等，各層接觸面用小刀刮毛。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 土體抗剪強(qiáng)度的特性分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Origin軟件進(jìn)行處理，根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，將軸向應(yīng)變(ε1)設(shè)定為X軸，主應(yīng)力差(σ1-σ3)設(shè)為Y軸，土體的主應(yīng)力差—軸向應(yīng)變關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1 不同含水率條件下土體的主應(yīng)力差—軸向應(yīng)變關(guān)系曲線

由圖1可知：(1)壓縮開(kāi)始階段，土體的主應(yīng)力差—軸向應(yīng)變曲線大致呈線性關(guān)系，主應(yīng)力差相差不大，這是因?yàn)榇藭r(shí)土體間的相對(duì)位移較小，根系與土體的相互作用力小，錨固效應(yīng)不明顯。(2)在相同含根量和含水率條件下，隨著圍壓的增大，土體破壞時(shí)的主應(yīng)力差增大。在含水率為15%、圍壓為100 kPa的條件下，素土和含根量為0.5%根土復(fù)合體的主應(yīng)力差—軸向應(yīng)變曲線趨于某一極限值，其他工況的關(guān)系曲線均呈應(yīng)變硬化型，無(wú)明顯峰值。(3)含水率對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響較大，隨著含水率的增加，土體破壞時(shí)的主應(yīng)力差受圍壓和含根量的影響產(chǎn)生變化。含水率較小且圍壓低時(shí)，隨著含根量的增加，土體破壞時(shí)的主應(yīng)力差增幅較小；含水率較大且圍壓高時(shí)，隨著含根量的增加，土體破壞時(shí)的主應(yīng)力差增幅顯著。(4)在相同圍壓和含水率條件下，隨著含根量的增加，土體破壞時(shí)的主應(yīng)力差逐漸增大，即土體的抗剪強(qiáng)度增加。因?yàn)楹枯^少(0.5%)時(shí)，根土接觸面積較小，根系發(fā)揮的加筋作用也較小，隨著含根量的增加，根土接觸面積增大，土中的剪應(yīng)力轉(zhuǎn)換成根系的拉應(yīng)力也越多，土體破壞時(shí)的主應(yīng)力差增大，即土體的抗剪強(qiáng)度增加。

2.2 土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)的對(duì)比分析

根據(jù)摩爾-庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則，對(duì)不同含水率和含根量條件下土體的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到不同工況下土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、φ值，見(jiàn)公式(1)：

τ=c+σtanφ

(1)

式中：τ為土體抗剪強(qiáng)度(kPa)，c為土體黏聚力(kPa)，σ為土體法向應(yīng)力(kPa)，φ為土體內(nèi)摩擦角(°)。

為了直觀評(píng)價(jià)馬尼拉草根系對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的提升效果，假設(shè)素土的黏聚力為c，根土復(fù)合體相對(duì)于素土黏聚力的增值為Δc，內(nèi)摩擦角為φ，根土復(fù)合體相對(duì)于素土內(nèi)摩擦角的增值為Δφ，本文引入黏聚力增加率mc與內(nèi)摩擦角增加率mφ，定義見(jiàn)公式(2)、公式(3)：

(2)

(3)

根據(jù)以上定義，可以計(jì)算出不同工況下土體黏聚力的增加率與內(nèi)摩擦角的增加率，結(jié)果如表1所示。

表1 不同含水率和含根量條件下土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

將表1中得到的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、φ值用曲線圖表示，體現(xiàn)不同含水率和含根量對(duì)土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響規(guī)律，如圖2、圖3所示。

圖2 含水率與黏聚力關(guān)系曲線

圖3 含根量與黏聚力關(guān)系曲線

分析表1和圖2、圖3可知：(1)相比于素土，馬尼拉草根系的加入，明顯提高了土體的抗剪強(qiáng)度。含水率為13%、含根量為1.5%時(shí)，根土復(fù)合體黏聚力增加率最高，達(dá)到245.50%；含水率為17%、含根量為1.5%時(shí)，根土復(fù)合體的黏聚力達(dá)到最大值，為91.96 kPa；含水率(≤15%)較低、含根量相同時(shí)，土體黏聚力的值相差不大。含根量和含水率對(duì)土體的內(nèi)摩擦角影響不大。

(2)如圖2所示，含水率梯度為13%和15%時(shí)，土體黏聚力的變化不明顯。由文獻(xiàn)[11-13]可知，含水率較小時(shí)，土顆粒與土顆粒的接觸比較松散，土顆粒與植物根系的接觸也較為松散，從而使根土之間的聯(lián)結(jié)較弱；含水率繼續(xù)增大，土顆粒與水形成結(jié)合水膜，水膠結(jié)逐漸增強(qiáng)，土體黏聚力也相應(yīng)增大，根土之間的咬合能力逐漸提高。

(3)由圖3可知，不同含水率條件下土體的黏聚力隨著含根量的增加而增加。含水率為17%、含根量大于1%時(shí)，土體的黏聚力增幅明顯，這是因?yàn)殡S著含根量的增加，土體與根系的有效接觸面積增大，根土復(fù)合體錨固總力增大，土體的抗剪強(qiáng)度隨之增大；含水率為15%、含根量較高(≥1%)時(shí)，曲線呈現(xiàn)平緩趨勢(shì)，這可能是因?yàn)?.5%的根系含量是其最優(yōu)含根量。

3 離散元數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 離散元數(shù)值模擬結(jié)果與室內(nèi)三軸試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析

本文使用PFC2D軟件模擬了含水率13%與素土、含根量0.5%兩種工況下試樣的不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與室內(nèi)三軸試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，如圖4所示。由圖4可知，相同工況下，室內(nèi)三軸試驗(yàn)結(jié)果與離散元數(shù)值模擬結(jié)果的主應(yīng)力差—軸向應(yīng)變關(guān)系曲線變化規(guī)律相近，均呈應(yīng)變硬化型，且數(shù)值變化也較為相似，由此說(shuō)明室內(nèi)三軸試驗(yàn)結(jié)果是可靠的，離散元數(shù)值模擬的結(jié)果也是可靠的。

圖4 室內(nèi)三軸試驗(yàn)與離散元數(shù)值模擬的主應(yīng)力差—軸向應(yīng)變關(guān)系曲線對(duì)比圖

3.2 離散元數(shù)值模擬細(xì)觀機(jī)理分析

接觸力鏈圖可從細(xì)觀上分析黃土的力學(xué)特性[14]。軸向應(yīng)變?yōu)?5%時(shí)，不同圍壓下土體接觸力鏈圖的差距較明顯，見(jiàn)圖5。

圖5 軸向應(yīng)變?yōu)?5%時(shí)不同圍壓下土體的接觸力鏈圖

含水率和含根量相同，圍壓較小時(shí)土體接觸力鏈的分布比圍壓較大時(shí)稀疏，受力的土顆粒數(shù)較少，土體的抗剪強(qiáng)度較低；含水率和圍壓相同時(shí)，隨著含根量的增加，土體接觸力鏈的分布更加密實(shí)，受力的土顆粒數(shù)增多，土體的抗剪強(qiáng)度增加。

4 討論與結(jié)論

本文以馬尼拉草為試驗(yàn)植被，研究不同含水率和含根量條件下馬尼拉草根系對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響，通過(guò)離散元數(shù)值模擬結(jié)果與室內(nèi)三軸試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了試驗(yàn)的可靠性。得出結(jié)論如下：

(1)土體的抗剪強(qiáng)度與含根量、含水率呈正相關(guān)，除個(gè)別工況外，土體的主應(yīng)力差—軸向應(yīng)變曲線均呈應(yīng)變硬化型，無(wú)明顯峰值。

(2)不同含水率條件下土體的黏聚力隨含根量的增加而增加。隨著含根量的增加，含水率越高土體的黏聚力增幅越明顯；含根量和含水率對(duì)土體的內(nèi)摩擦角影響不大。該結(jié)果與張興玲等[15]的研究發(fā)現(xiàn)基本相似。

(3)比較離散元數(shù)值模擬結(jié)果與室內(nèi)三軸試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)二者可以相互印證且試驗(yàn)結(jié)果都較可靠；通過(guò)接觸力鏈圖發(fā)現(xiàn)，植被根系的加入可以增加受力的土顆粒數(shù)，使得土體的抗剪強(qiáng)度得到提升，這與蔡國(guó)慶等[14]得出的結(jié)論一致。

本文研究的含根量均在2%以下，這是因?yàn)樵陬A(yù)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)含根量達(dá)到2%時(shí)，土與馬尼拉草根系的結(jié)合度并不好，根土有效接觸面積下降，強(qiáng)度降低，拆模時(shí)試樣已松散破壞。因此，可以預(yù)估馬尼拉草根土復(fù)合體的最優(yōu)含根量介于1.5%～2%，但這還需要進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證。