干濕循環(huán)下常春藤根系對(duì)云南紅土的阻裂效應(yīng)

朱維偉，馮國(guó)建，譚洋洋

(1.昆明學(xué)院建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650214；2.昆明學(xué)院美術(shù)與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，云南 昆明 650214)

紅土是富含鐵質(zhì)的母巖在濕熱氣候條件下經(jīng)歷風(fēng)化、微團(tuán)?；俺赏?個(gè)完整的作用過(guò)程后形成的以紅色為基色的土體[1]。云南是我國(guó)紅土最為發(fā)育的地區(qū)之一。云南紅土是一種特殊土，雖然云南各地紅土的性質(zhì)不完全相同，但均具有黏粒含量高、液限高、天然孔隙比大、滲透系數(shù)低、膨脹性較弱而收縮性較強(qiáng)等特點(diǎn)[2-4]。隨著一大批鐵路、高速公路項(xiàng)目的開工，云南面臨大量的紅土邊坡工程問(wèn)題，施工完成的紅土邊坡必然經(jīng)歷干濕循環(huán)這一往復(fù)過(guò)程。在當(dāng)前提倡生態(tài)護(hù)坡的背景下，研究典型護(hù)坡植物根系在干濕循環(huán)效應(yīng)下對(duì)云南紅土的阻裂效應(yīng)十分必要。

趙貴剛等[5]采用自來(lái)水浸泡增濕、低溫脫濕的方法，朱維偉[6]采用自來(lái)水噴淋、自然風(fēng)干的方法對(duì)云南紅土試樣進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，經(jīng)歷干濕循環(huán)后，云南紅土將有裂縫發(fā)育，裂縫會(huì)隨循環(huán)次數(shù)的增加而擴(kuò)展，進(jìn)而可能產(chǎn)生嚴(yán)重的水土流失乃至邊坡失穩(wěn)。馮國(guó)建[7]、Liffena[8]、Joanne[9]等測(cè)試了植物根系的力學(xué)性能，表明植物根系本身具有較高的抗拉及抗剪強(qiáng)度。在一定含根量下，根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度高于素土[10-11]，植物根系對(duì)邊坡淺層有一定的加固效應(yīng)[12]。因云南紅土具有膨脹性弱而收縮性強(qiáng)的土體特性，研究常用護(hù)坡植物根系的阻裂效應(yīng)尤其重要，而這方面目前還鮮有研究。

鑒于此，本研究通過(guò)一種相對(duì)簡(jiǎn)單合理的室內(nèi)重塑土試驗(yàn)，模擬云南紅土經(jīng)歷自然界降水和蒸發(fā)的往復(fù)過(guò)程，以期直觀反映純?cè)颇霞t土及摻常春藤根系的根系—紅土混合土在干濕循環(huán)過(guò)程中裂縫的發(fā)生與擴(kuò)展現(xiàn)象，闡釋常春藤根系對(duì)紅土裂縫擴(kuò)展的約束效應(yīng)，同時(shí)討論常春藤根系對(duì)干濕循環(huán)后云南紅土的阻裂機(jī)制。研究結(jié)果將對(duì)云南紅土防護(hù)工程提供理論參考。

1 材料和方法

取云南紅土土料風(fēng)干并碾碎，取典型護(hù)坡植物常春藤(Hederanepalensis)根系?？刂聘嫡紦魧?shí)筒的體積分?jǐn)?shù)，以體積分?jǐn)?shù)為0%(純紅土)、10%、20%、30%作為含根量控制標(biāo)準(zhǔn)，配制云南紅土、根系的混合土(拌和均勻)，將混合土投入擊實(shí)筒中，按重型Ⅱ—1試驗(yàn)方法[13]將混合土擊實(shí)。擊實(shí)完成后，用鋼絲鋸截取混合土樣，每種含根量截取3個(gè)樣本，進(jìn)行8次干濕循環(huán)，并用裂縫觀測(cè)儀觀測(cè)每次干濕循環(huán)后各樣本的最大裂縫寬度，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后評(píng)價(jià)常春藤根系對(duì)云南紅土干濕循環(huán)裂縫擴(kuò)展的約束效應(yīng)。

試驗(yàn)所取紅土土料干燥時(shí)呈棕色，浸水后呈紅褐色。其顆粒組成為黏粒占41.25%，粉粒占47.93%，砂粒占10.82%，土壤物理性質(zhì)指標(biāo)見表1。由標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)確定的最大干密度ρdmax為1.62 g/cm3，最佳含水率ωop為17.8%。

表1 紅土土壤物理性質(zhì)

純紅土試樣制備：本次試驗(yàn)土壤含水率ω=21%制備土料，將備好的土料密封于塑料袋中悶料24 h，以保證土壤含水率均勻。然后將土料置于擊實(shí)筒(內(nèi)徑100 mm，高127 mm)中擊實(shí)，擊實(shí)后的土體干密度ρd=1.53 g/cm3，相應(yīng)的壓實(shí)系數(shù)為94.4%。用千斤頂緩慢將擊實(shí)筒中的土樣升起，再用鋼絲鋸小心截取厚度為20 mm的土餅試樣，按此方法共制備純紅土試樣3個(gè)。

含根系的混合土制備：將常春藤根系洗凈后自然風(fēng)干8 h，測(cè)定根系密度；將根系剪短，控制每根根系的長(zhǎng)度不超過(guò)擊實(shí)筒內(nèi)徑的2/3，根系直徑不超過(guò)2 mm；按體積分?jǐn)?shù)為10%、20%、30%作為含根量控制標(biāo)準(zhǔn)，配制云南紅土與常春藤根系的混合土，將混合土拌和均勻，投入擊實(shí)筒中擊實(shí)。用千斤頂緩慢將擊實(shí)筒中的混合土體升起，再用鋼絲鋸小心截取厚度為20 mm的土餅試樣，按此方法共制備混合土試樣9個(gè)。考慮到擊實(shí)過(guò)程會(huì)破壞擊實(shí)筒中的表層根系，擊實(shí)完成后，擊實(shí)筒中上部5 cm高范圍內(nèi)的混合土棄用。

考慮到紅土工程對(duì)象在自然中不可能經(jīng)歷絕對(duì)的“干”和“濕”的循環(huán)效應(yīng)，本次試驗(yàn)的干濕循環(huán)也不是絕對(duì)的“干”和“濕”，而是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬云南紅土在自然界中的增濕與脫濕過(guò)程。本次采用“干”的控制標(biāo)準(zhǔn)為：將土餅試樣置于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)自然風(fēng)干48 h?！皾瘛钡目刂茦?biāo)準(zhǔn)為：(1)用帶針的注射器吸水后緩慢噴淋至試樣表面(針頭至試樣表面距離1 cm，噴淋速度控制為0.5 mL/s)，使試樣表面被水覆蓋，試樣將水吸收后繼續(xù)噴淋，直至5 min后水面不下降；(2)若試樣表面噴淋的水在5 min內(nèi)被吸完，則噴淋至試樣底部有自由水滲出。

2 結(jié)果與分析

純紅土試樣經(jīng)歷2，4，8次干濕循環(huán)后，其表面發(fā)展的裂隙清晰可見。所有純紅土試樣在經(jīng)歷第1次干濕循環(huán)后即有環(huán)形微裂縫發(fā)育，經(jīng)歷多次干濕循環(huán)后，裂縫寬度逐漸增大，初期形成的環(huán)形裂縫逐漸向周邊放射，在第4次干濕循環(huán)后最大裂縫達(dá)到毫米級(jí)寬度。第8次干濕循環(huán)后裂縫擴(kuò)展趨于穩(wěn)定，寬度不再增加(圖1)。

圖1 純紅土試樣裂縫擴(kuò)展

摻常春藤根系的混合土經(jīng)歷2、4、8次干濕循環(huán)后的裂縫擴(kuò)展情況表明，常春藤根系可以有效地約束云南紅土的裂縫擴(kuò)展，根系較高的抗拉強(qiáng)度承受了較大的脹縮應(yīng)力。摻入常春藤根系后，混合土試樣在干濕循環(huán)的裂縫形態(tài)完全不同于純紅土試樣，多呈不規(guī)則的短裂縫，不再出現(xiàn)明顯的環(huán)形裂縫，其機(jī)制可能是由于根系的占位，改變了試樣脫濕過(guò)程中的收縮軸，即試樣不再是整體沿中心均勻地收縮(圖2)。

圖2 摻常春藤根系的混合土試樣裂縫擴(kuò)展

用100倍裂縫觀測(cè)儀讀取各試樣的最大裂縫寬度，可得試樣在經(jīng)歷0-8次干濕循環(huán)后的平均最大裂縫寬度及其變化趨勢(shì)，摻10%和20%常春藤根系時(shí)，從第1次干濕循環(huán)后就顯示出阻裂效應(yīng)；而摻30%常春藤根系時(shí)，在第4次干濕循環(huán)后才顯示出阻裂效應(yīng)。經(jīng)歷第8次干濕循環(huán)后，摻10%、20%和30%根系試樣的平均最大裂縫寬度為純紅土試樣的17%(0.29 mm/1.68 mm)、17%(0.29 mm/1.68 mm)和82%(1.37 mm/1.68 mm)(圖3)。

用SPSS軟件對(duì)圖3中的4組數(shù)據(jù)進(jìn)行非參數(shù)檢驗(yàn)。從4組的平均秩次判斷，3個(gè)摻根系組的平均最大裂縫寬度均小于純紅土組，而10%、20%根系組裂縫寬度較小，30%根系組裂縫寬度較大。摻20%常春藤根系組對(duì)試樣裂縫擴(kuò)展的約束效應(yīng)最顯著(表2)。

表2 四組試樣最大裂縫寬度非參數(shù)檢驗(yàn)結(jié)果

圖3 干濕循環(huán)后試樣的平均最大裂縫寬度

3 討論

干濕循環(huán)下純紅土試樣的裂縫發(fā)展過(guò)程如下：第1次干濕循環(huán)過(guò)程為裂縫發(fā)育期，純紅土試樣的增濕只在原樣的孔隙間發(fā)生，增濕效應(yīng)使紅土吸水，脫濕效應(yīng)在于遷出孔隙中的水分，但仍會(huì)造成紅土的含水率不同，軟化紅土顆粒間的連接，以致試樣出現(xiàn)微裂縫。第2-4次干濕循環(huán)過(guò)程為裂縫擴(kuò)展期，經(jīng)歷過(guò)裂縫發(fā)育過(guò)程后，純紅土試樣吸水增濕的主要效應(yīng)在于增大紅土顆粒間的水膜厚度，引起紅土膨脹開裂；脫濕的主要效應(yīng)在于減小紅土顆粒間的水膜厚度，引起紅土的失水收縮開裂，微裂隙逐漸發(fā)展成宏觀裂縫。第5次干濕循環(huán)以后為裂縫穩(wěn)定期，純紅土試樣吸水增濕的主要作用是充填裂縫；脫濕的主要作用在于減小裂縫中紅土顆粒間的水分。

試驗(yàn)結(jié)果表明，不同含根量對(duì)云南紅土干濕循環(huán)后的裂縫擴(kuò)展具有不同的約束效應(yīng)。摻10%和20%常春藤根系均能顯著約束云南紅土干濕循環(huán)后的裂縫擴(kuò)展，且二者的約束效應(yīng)幾乎相同。在經(jīng)歷第8次干濕循環(huán)后，摻10%和20%根系試樣的平均最大裂縫寬度僅為純紅土試樣的17%。一方面，植物根系有較高的抗拉強(qiáng)度[8,14]，隨機(jī)分布在土樣中，在紅土吸濕膨脹和脫濕收縮過(guò)程中分擔(dān)了較高的脹縮應(yīng)力，且不至大規(guī)模地破壞紅土顆粒間的原樣聯(lián)結(jié)；另一方面，筆者將常春藤根系與黃茅、狗牙根等根系進(jìn)行了表面光滑程度對(duì)比，發(fā)現(xiàn)常春藤根系表面較粗糙[15]，能與紅土顆粒形成較好的摩擦聯(lián)結(jié)，根土復(fù)合體的整體性較強(qiáng)。摻30%常春藤根系亦能約束云南紅土的裂縫擴(kuò)展，但這種阻裂效應(yīng)明顯弱于10%或20%摻量，可能的機(jī)制是過(guò)多的根系大規(guī)模地切斷了原樣紅土顆粒間的有效聯(lián)結(jié)，使根土混合體的整體性變?nèi)?，反而降低了其阻裂能力。文獻(xiàn)[16]的研究也認(rèn)為根系增強(qiáng)土體強(qiáng)度存在最優(yōu)含根量。因此，不能也沒必要一味地追求高密度種植。

試驗(yàn)揭示了純紅土試樣隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而出現(xiàn)的裂縫產(chǎn)生與擴(kuò)展現(xiàn)象，也揭示了常春藤根系對(duì)紅土的阻裂效應(yīng)。本研究采用的試驗(yàn)方法，仍存在著一些不合理的因素，如制樣過(guò)程中的人為擾動(dòng)、試樣尺寸偏小、將根系與紅土一起進(jìn)行了壓實(shí)處理等。另外，有研究表明，實(shí)際根土復(fù)合體中的毛細(xì)根系及其生物活性對(duì)土體的加筋效應(yīng)優(yōu)于人為添加在土中的根系[17]。但是，本研究的試驗(yàn)方法具有試樣尺寸、密實(shí)程度、含水率等容易控制的優(yōu)點(diǎn)?？紤]到目前云南紅土開裂及根系阻裂研究的實(shí)際困難，筆者采用的方法還是值得推薦。該試驗(yàn)方法使得借助常規(guī)試驗(yàn)儀器，研究植物根系對(duì)云南紅土經(jīng)歷干濕循環(huán)后裂縫擴(kuò)展的約束效應(yīng)成為可能，從而為云南紅土工程問(wèn)題分析提供相對(duì)合理有效的依據(jù)。而一些研究表明，根系形態(tài)[18-19]以及細(xì)胞壁成分[20]等也會(huì)影響固坡效應(yīng)，因此，今后可多學(xué)科聯(lián)合，深入研究不同植物根系及其分布形態(tài)對(duì)云南紅土在不同干濕循環(huán)控制條件以及大尺寸試樣條件下裂縫擴(kuò)展約束效應(yīng)。

4 結(jié)論

1)使用一種較合理的簡(jiǎn)單試驗(yàn)方法，測(cè)試了干濕循環(huán)過(guò)程中純?cè)颇霞t土以及摻常春藤根系的混合土的最大裂縫寬度。試驗(yàn)反映了純?cè)颇霞t土以及摻根系的混合土在干濕循環(huán)過(guò)程中裂縫的發(fā)生、擴(kuò)展現(xiàn)象。

2)干濕循環(huán)條件下，含根量會(huì)影響常春藤根系對(duì)云南紅土的阻裂效應(yīng)。摻10%和20%常春藤根系時(shí)，從第1次干濕循環(huán)后就顯示出明顯的阻裂效應(yīng)；而摻30%常春藤根系時(shí)，在第4次干濕循環(huán)后才顯示出較弱的阻裂效應(yīng)。

3)第8次干濕循環(huán)后，摻10%、20%和30%常春藤根系試樣的平均最大裂縫寬度為純紅土試樣的17%、17%和82%，統(tǒng)計(jì)分析表明，20%摻根量時(shí)阻裂效果最優(yōu)。