草本植物根系對(duì)邊坡淺層土體抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律研究

劉寶勇,代 特*,王文奇

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧阜新 123000;2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院,遼寧阜新 123000)

露天礦開采后所形成的邊幫與排土場(chǎng)是典型的廢棄場(chǎng)地,尤其排土場(chǎng)堆積的巖土結(jié)構(gòu)松散、顆粒尺寸不均,膠結(jié)性差,在降水沖刷與侵蝕等外因作用下,容易造成水土流失,甚至演變成邊坡淺層的局部失穩(wěn)滑動(dòng),給礦山生態(tài)環(huán)境與安全生產(chǎn)帶來(lái)較大威脅[1-3]。由于植物根系固土能力明顯,且不會(huì)對(duì)環(huán)境造成破壞,已受到廣泛的關(guān)注和認(rèn)可。

近年來(lái),許多專家學(xué)者在根系固土機(jī)理和根系固土控制技術(shù)方面進(jìn)行了大量研究,取得了較多的研究成果。Ennos[4]研究認(rèn)為,當(dāng)有外載荷作用在根-土復(fù)合體上時(shí),細(xì)根趨向于斷裂,而粗根可以完整地從土壤中拔出,細(xì)根的加固效果得到了充分體現(xiàn)。Lal[5]研究認(rèn)為,根通過(guò)將土體中的剪應(yīng)力轉(zhuǎn)化為根的拉應(yīng)力來(lái)提供加固作用。Bergado等[6-7]研究認(rèn)為,當(dāng)植物根系受到拉伸作用時(shí),根系受到周圍凹陷凸起的土顆粒約束與嚙合作用,使得根系緊鎖其周圍土體介質(zhì),通過(guò)土體之間的嚙合、摩擦作用以及根系與其周圍土體的相互作用來(lái)提高坡面土體抗剪強(qiáng)度。毛旭芮等[8]通過(guò)對(duì)不同植物根-土復(fù)合體的剪切試驗(yàn),認(rèn)為根系主要通過(guò)影響土體的黏聚力來(lái)增強(qiáng)其抗剪強(qiáng)度。Wang等[9]研究認(rèn)為,根系固土效果與根系結(jié)構(gòu)類型有關(guān),通過(guò)對(duì)根系分類的方法,揭示不同根系的固土機(jī)理。孫慶敏等[10]分析了16種植物根-土抗剪影響因素,認(rèn)為各因素與土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角的灰色關(guān)聯(lián)程度均較大,其中黏聚力與干密度的關(guān)聯(lián)程度最高。朱錦奇等[11]基于根-土復(fù)合體直剪試驗(yàn)和根系拉拔試驗(yàn),分析了不同生長(zhǎng)時(shí)期根系的受力機(jī)制,定量評(píng)估了根系的固土效果。以上研究成果對(duì)淺層邊坡的固土穩(wěn)定方面有較好的揭示,但對(duì)于水與根系共同作用下的土體抗剪特性的認(rèn)識(shí)相對(duì)不足。為此,基于阜新海州露天煤礦為工程依托,筆者采用理論與直剪試驗(yàn)相結(jié)合的方法,研究不同含根率與不同含水率疊加作用下根-土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度及其相關(guān)力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律,從而揭示草本植物根系對(duì)邊坡淺層土體抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律。

1 草本植物根系固土改性力學(xué)分析

在草本植物根系分布的影響范圍內(nèi),根系如同加筋纖維,對(duì)邊坡土體產(chǎn)生了附加力的作用,不僅能增加邊坡土體的黏聚力,還可在一定程度上限制土體發(fā)生側(cè)向膨脹變形,從而提高邊坡土體抗剪強(qiáng)度。因此,可按照加筋土原理分析植物根系對(duì)邊坡土體抗剪能力的改善作用[12]。

如圖1a所示,有根系作用的土體可看作為根-土復(fù)合體,當(dāng)邊坡淺層土體沿滑面發(fā)生剪切失穩(wěn)時(shí),可采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型來(lái)描述復(fù)合體臨界破壞時(shí)的剪應(yīng)力狀態(tài),因此,根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度應(yīng)滿足式(1)。

τ=σtanφ+c+ΔτR

(1)

式中:τ為根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度;σ為無(wú)根系土體的正應(yīng)力;φ為無(wú)根系土體的內(nèi)摩擦角;c為無(wú)根系土體的黏聚力;Δτ為根-土復(fù)合體的附加抗剪強(qiáng)度。

若主根與坡面土體正交,建立出的簡(jiǎn)化力學(xué)分析如圖1b所示[12]。假設(shè)土層剪切區(qū)厚度為H,單根剪切變形角為θ(切應(yīng)變),則單根對(duì)土體作用下所增加的抗剪強(qiáng)度Δτ為:

(2)

式中:T為單根抗拉力;a為單根作用的土體面積;φ為土體內(nèi)摩擦角。

若在面積為A的土體內(nèi)有n個(gè)根的作用,根的抗拉力分別為T1,T2,…,Tn,剪切變形角分別為θ1,θ2,…,θn,則根系對(duì)土體作用下所增加的抗剪強(qiáng)度為:

(3)

將式(3)代入式(1)可得由草本植物根系作用下土體的抗剪強(qiáng)度為:

(4)

從式(4)可知,根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的增加,主要體現(xiàn)在黏聚力與法向應(yīng)力變化。事實(shí)上,根-土復(fù)合體的內(nèi)摩擦角也會(huì)產(chǎn)生變化,但復(fù)合體中的根系占比較小,因此,可認(rèn)為內(nèi)摩擦角仍然以土體為主,即根-土復(fù)合體的內(nèi)摩擦角與原始素土相比變化很小,可適當(dāng)忽略。

注:a.根系固坡示意;b.單根與土體相互作用。Note: a.Schematic diagram of root system slope stabilization;b.The interaction between a single root and soil.圖1 根與土相互作用簡(jiǎn)化力學(xué)模型Fig.1 Simplified mechanical model of root-soil interaction

2 區(qū)域概況與試樣制備

2.1 采樣區(qū)概況樣本采集區(qū)位于遼寧省阜新市海州露天礦坑內(nèi),且距離地面50 m左右的坡面,如圖2所示。該礦地處121°01′～122°56′E,41°41′～42°56′N。全年氣溫變化較大,多風(fēng)、少雨且干燥。夏季最高氣溫可達(dá)40.6 ℃,冬季最低氣溫-28.4 ℃,年均氣溫7.8 ℃,年降水量為519.3 mm,屬于半干旱地區(qū)。另外,地下水資源的抽采較為嚴(yán)重,一些地區(qū)地下水位仍呈持續(xù)下降[13-14]。

海州露天礦經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期開采,形成了占地面積約7.02 km2的巨大礦坑,整體呈長(zhǎng)方形,為西南—東北走向,地面標(biāo)高為130～170 m,礦坑高程170～180 m,開采深度350 m。該礦南幫最終邊坡角約為38°,北幫為18°～20°,礦坑內(nèi)邊幫生態(tài)遭到一定程度破壞,以草本植物為主[14]。

2.2 試樣制備海州露天礦坑內(nèi)坡面以草本植物為主,常見(jiàn)馬唐草、狗尾草等多種草本植物,選取坡面最為常見(jiàn)的馬唐草與狗尾草為研究對(duì)象,其根系均為須根系。剪去地表以上的莖葉部分,挖取帶根土體帶回實(shí)驗(yàn)室。將根系與土體分離,自然風(fēng)干至根系質(zhì)量不再發(fā)生變化,以消除根系含水量對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。同時(shí),測(cè)定土體含水率后過(guò)2 mm細(xì)篩,并放入烘干箱烘干24 h。

由于有根系土體和無(wú)根系土體的天然含水率幾乎相同,因此試驗(yàn)所采用不同含水率剪切樣可直接在烘干土中加水制備。所采用環(huán)刀內(nèi)徑為61.8 mm,高20 mm。將風(fēng)干后的根系剪成2 cm的小段,設(shè)置試樣含根率分別為0、0.1%、0.2%、0.3%與0.4%,并將上述4種根-土復(fù)合試樣的含水率分別控制在9%、11%與13%。試樣加水后密封靜置,使土體與水充分融合,將根系加入過(guò)篩后的烘干土體中,使根系在土體中均勻分布。將配置好的根-土復(fù)合試樣密封壓實(shí)靜置12 h,每種試驗(yàn)配置4個(gè)環(huán)刀樣,在剪切盒底部依次放入透水石和濕濾紙,對(duì)齊上下兩盒后插上銷釘,將試樣以靜力壓入,在其上依次放濕濾紙和透水石,蓋上剪切盒的上蓋,開始進(jìn)行直剪試驗(yàn)(圖3)。

3 根-土復(fù)合體抗剪能力試驗(yàn)

在含根率為0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%且含水率為9%、11%、13%的組合條件下,設(shè)置100、200與300 kPa不同垂直壓力進(jìn)行直剪試驗(yàn),應(yīng)力環(huán)系數(shù)為3.0。試驗(yàn)參照GB/T 50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[15]進(jìn)行。

τ=10×CgR/A

(5)

式中:τ為剪應(yīng)力;Cg為應(yīng)力環(huán)系數(shù);R為位移計(jì)讀數(shù);A為試樣面積。

3.1 根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律通過(guò)式(5)繪制剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線,由于不同正壓力下曲線變化規(guī)律相近,故展示向應(yīng)力為200 kPa的曲線,具體如圖4、5所示。從圖中可知,根-土復(fù)合體剪應(yīng)力隨剪切位移的增加而呈現(xiàn)非線性升高趨勢(shì);在正壓力與含水率一定的前提下,狗尾草最大剪應(yīng)力(即抗剪強(qiáng)度)隨著根系含量的增加而增大,但馬唐草并不完全遵循這一規(guī)律,而是當(dāng)含水率為9%、含根率達(dá)到0.3%時(shí),抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大,說(shuō)明馬唐草的最優(yōu)含根率為0.3%。這表明每種草本植物需要找到自身的最優(yōu)含根比例,才能得到其最佳抗剪強(qiáng)度。

圖2 采樣位置Fig.2 Sampling position

注:a.環(huán)刀樣;b.直剪試驗(yàn)設(shè)備。Note: a.Ring knife like;b.Direct shear test equipment.圖3 直剪試樣制備Fig.3 Direct shear specimen preparation

通過(guò)進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理,得到圖6、7。從圖中可知:2種植物的根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度隨正壓力的增加而呈現(xiàn)增大趨勢(shì);在正壓力與含根率相同的前提下,根-土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度整體上隨含水率的升高而呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。例如,馬唐草根-土復(fù)合體在正壓力為200 kPa且含根率為0.3%時(shí),相比含水率9%的試樣來(lái)說(shuō),含水率11%的根-土復(fù)合試樣的抗剪強(qiáng)度下降了14.9%,含水率13%試樣下降了21.0%;狗尾草在正壓力為200 kPa且含根率為0.4%時(shí),相比于含水率為9%試樣來(lái)說(shuō),含水率11%試樣抗剪強(qiáng)度下降了18.0%,含水率13%試樣抗剪強(qiáng)度下降了19.0%。馬唐草含根率在0～0.3%時(shí),其根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度隨含根率增加而增大;含根率為0.3%時(shí),其抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大;含根率大于0.3%時(shí),其抗剪強(qiáng)度下降。如正壓力為200 kPa條件下,在含水率9%且含根率為0.3%時(shí),馬唐草根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度相比于含根率為0時(shí)增加了23.8%。

狗尾草根-土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度隨含根率的增加而增大,未出現(xiàn)最優(yōu)含根率,說(shuō)明狗尾草最優(yōu)含根率較大,試驗(yàn)中未測(cè)試到該范圍。在正壓力為200 kPa下,狗尾草含根率每增加0.1%,其抗剪強(qiáng)度增加的范圍為0.5%～13.7%;同樣在正壓力為200 kPa下,在含水率為9%且含根率為0.4%時(shí),狗尾草根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度較相同含水率下的素土提高了21.6%。

注:a.含水率9%;b.含水率11%;c.含水率13%。Note:a.Moisture content 9%;b.Moisture content 11%;c.Moisture content 13%.圖4 馬唐草根-土復(fù)合體剪應(yīng)力與剪切位移的關(guān)系Fig.4 Relationship between shear stress and shear displacement of root soil composite of Digitaria sanguinalis

注:a.含水率9%;b.含水率11%;c.含水率13%。Note: a.Moisture content 9%;b.Moisture content 11%;c.Moisture content 13%.圖5 狗尾草根-土復(fù)合體剪應(yīng)力與剪切位移的關(guān)系Fig.5 Relationship between shear stress and shear displacement of root soil composite of Setaria viridis

注:a.正壓力100 kPa;b.正壓力200 kPa;c.正壓力300 kPa。Note: a.Positive pressure 100 kPa;b.Positive pressure 200 kPa;c.Positive pressure 300 kPa.圖6 不同正壓力與含水率條件下馬唐草根-土復(fù)合體剪應(yīng)力與含根率的關(guān)系Fig.6 Relationship between the shear stress and the root content of the root soil composite of Digitaria sanguinalis under different normal stress and water content

3.2 根-土復(fù)合體黏聚力變化規(guī)律黏聚力與內(nèi)摩擦角是衡量抗剪強(qiáng)度的2個(gè)重要指標(biāo),在根系作用下的土體黏聚力是最重要的指標(biāo)之一。將試驗(yàn)中的正壓力與抗剪強(qiáng)度代入摩爾-庫(kù)倫公式,可計(jì)算得到根-土復(fù)合體的黏聚力,含根率與黏聚力的擬合關(guān)系如圖8與表1所示,擬合系數(shù)具有統(tǒng)計(jì)意義。

從圖8a可知,馬唐草根-土黏聚力總體上隨含根率的增加呈先增后減的趨勢(shì),與最大剪應(yīng)力曲線趨勢(shì)相一致;試樣含水率為9%與11%時(shí),0.3%含根率呈現(xiàn)了最大黏聚力,而含水率為13%時(shí),0.2%含根率呈現(xiàn)出了最大黏聚力,這是由于在試驗(yàn)中,加入根系后,土體的內(nèi)摩擦角也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化,從而導(dǎo)致這種情況的出現(xiàn)。整體上,黏聚力仍隨含水率的增加而降低。

從圖8b可知,在含根率為0時(shí)(即素土)且含水率為9%,相對(duì)于其他含水率素土試樣,黏聚力最小,出現(xiàn)明顯異常,但總體上狗尾草根-土黏聚力隨含根率的增加而增大,隨含水率的增加而降低。

注:a.正壓力100 kPa;b.正壓力200 kPa;c.正壓力300 kPa。Note: a.Positive pressure 100 kPa;b.Positive pressure 200 kPa;c.Positive pressure 300 kPa.圖7 不同正壓力與含水率條件下狗尾草根-土復(fù)合體剪應(yīng)力與含根率關(guān)系Fig.7 Relationship between the shear stress and the root content of the root soil composite of Setaria viridis under different normal stress and water content

注:a.馬唐草根-土復(fù)合體;b.狗尾草根-土復(fù)合體。Note: a.Digitaria sanguinalis root-soil complex;b.Setaria viridis root-soil complex.圖8 兩種根-土復(fù)合體含根率與黏聚力的擬合關(guān)系Fig.8 Fitting relationship between root content and cohesion of two kinds of root-soil composites

表1 根-土復(fù)合體含根率-黏聚力的擬合函數(shù)

4 結(jié)論

(1)該研究建立的力學(xué)模型表明,根系對(duì)邊坡土體抗剪強(qiáng)度改變,主要體現(xiàn)在黏聚力與法向應(yīng)力變化。事實(shí)上,根-土復(fù)合體的內(nèi)摩擦角也會(huì)產(chǎn)生變化,但由于根系占比較小,內(nèi)摩擦角改變相對(duì)很小。

(2)根-土復(fù)合體存在最優(yōu)含根率,使其達(dá)到最高的抗剪強(qiáng)度。到達(dá)最優(yōu)含根率之前,根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度隨含根率的增加而增大;總體上,根-土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度隨含水率的增加而降低,隨正壓力的增加而增大。

(3)馬唐草根-土復(fù)合體黏聚力隨含根率的增加呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì),而狗尾草根-土黏聚力隨含根率的增加而增大;2種根-土復(fù)合體黏聚力都隨含水率的增加而降低;根-土復(fù)合體黏聚力與抗剪強(qiáng)度變化趨勢(shì)相一致。