根土復(fù)合體應(yīng)力應(yīng)變特性的試驗研究＊

俞曉麗,吳能森,謝成新,鄒文平,林智雄

(福建農(nóng)林大學(xué)交通學(xué)院,福建福州35002)

0 引言

根土復(fù)合體顧名思義就是根與土的結(jié)合體,即在土中加入草根而成的一種復(fù)合體,草根通過與土體之間的摩擦力將自身的抗拉強(qiáng)度與土體的抗壓強(qiáng)度結(jié)合起來,從而提高了土體的強(qiáng)度,減小了變形。

國外自20世紀(jì)70年代開始,就有許多學(xué)者通過三軸、直剪和拉拔試驗等手段對根土復(fù)合體的應(yīng)力-應(yīng)變以及強(qiáng)度特性進(jìn)行了研究[1],如：Gray andOhashi(1983)以及Mather andGray(1990)利用直剪試驗,證明了砂土中生長少量根系就能顯著提高砂土的抗剪強(qiáng)度[2-3];Greenway(1987)運用力學(xué)知識,總結(jié)得出植物對邊坡的加固作用主要是通過植物根系來起作用的[4]。而我國關(guān)于根土復(fù)合體的研究相對較遲,如：王可鈞(1998)進(jìn)行了植物固坡的力學(xué)簡析[5];姜志強(qiáng)等(2005)進(jìn)行了根系固土作用及植物護(hù)坡穩(wěn)定性分析[6];郭維俊等(2006)進(jìn)行了土壤-植物根系復(fù)合體本構(gòu)關(guān)系的理論研究,并就植物根系若干力學(xué)問題研究進(jìn)行了探索[7-8];姚環(huán)等(2007)研究了香根草的力學(xué)特性,并對其固土力學(xué)特性進(jìn)行了模擬試驗以及對香根草固土護(hù)坡效果概化力學(xué)模型計算進(jìn)行了分析評價[9];陳昌富等(2007)采用室內(nèi)三軸試驗的方法研究了狗尾草草根加筋土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系以及強(qiáng)度特性,其結(jié)果表明含根土的強(qiáng)度和抵抗變形的能力比較素土有顯著的提高[10]。

1 試驗儀器、材料和試驗方法

1.1 試驗儀器

試驗儀器采用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透試驗儀,該儀器主要由試驗機(jī)、壓力室、試驗機(jī)控制系統(tǒng)、周圍壓力控制系統(tǒng)、反壓控制系統(tǒng)、主應(yīng)力差量測系統(tǒng)、控制壓力傳感器、排水傳感器、體變傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計算機(jī)等組成。儀器采用空氣施加圍壓,計算機(jī)自動采集和處理數(shù)據(jù)。三軸試樣由三瓣模來進(jìn)行制備,其直徑為39.1 mm,高度為80 mm,截面積為12 cm2。

1.2 試驗材料

此次取樣地點位于國道316線K41+150-190處,邊坡坡度為29.6°,屬中等坡度,坡長12.3 m,坡高6.1 m。由于此次取樣地點的土質(zhì)較差(碎石含量過高),無法采集到根土復(fù)合體的原狀土,并且需要采集的試樣較多,不便帶回室內(nèi),然而野外試驗又受到時間、環(huán)境條件、試驗設(shè)備的限制,故只能采用擾動土進(jìn)行試驗。試驗采用的是香根草的草根,香根草種植的時間是2009年4月,種植范圍12.3m×31.0 m,種植面積為381.3 m2,株距45 cm左右。通過草根的長度以及質(zhì)量來控制加筋的數(shù)量。試驗時草根統(tǒng)一采用30 mm的長度,直徑為0.05～0.30 mm,并且每層所加草根的直徑分布大致相當(dāng),然后稱量每層草根的質(zhì)量。

試驗土樣選用的是砂質(zhì)粘土,經(jīng)過試驗,其物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 砂質(zhì)粘土的主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

1.3 試驗方法

試驗用土依照《公路土工試驗規(guī)程》擾動土樣的制備程序來進(jìn)行處理：首先將土樣放入烘箱恒溫110℃烘干8 h,取出土樣將其放到橡皮板上用木碾碾散過2 mm篩,其次按設(shè)計含水量配土,取適量烘干后的土,計算所需加水量,將土樣鋪到不吸水的鐵盤內(nèi),用噴壺噴灑預(yù)計的加水量,充分拌合。試驗用草根統(tǒng)一長度3 cm,然后用游標(biāo)卡尺測其直徑,由于草根的直徑沿長度方向是變化的,因此測量直徑時采用兩端和中間三者的平均值。為保持同一性,測質(zhì)量時先用吸水紙把草根表面的水吸干后再稱量。

試驗試樣為重塑土,分四層擊實,每層土的數(shù)量相等,各層接觸面用小刀刨毛。對于加筋的試樣草根分別布置在試樣高度的1/4、1/2和3/4處,放置草根時應(yīng)使其在試樣截面方向分布均勻。試驗分加筋土和素土兩種情況,對于加筋土全部為三層加筋,每層加筋數(shù)量(g/層)又分為8種情況,分別為0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8和1.0。為了保證試驗準(zhǔn)確,每組取4個相同的試樣,分別在圍壓40 kPa、70 kPa、100 kPa和130 kPa下進(jìn)行試驗,試驗時土樣不飽和,采用固結(jié)不排水的方式加載,加荷速率為0.8 mm/min[11]。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 土體的應(yīng)力應(yīng)變

圖1、圖2為素土與根土復(fù)合體在剪切過程中的軸向應(yīng)變與主應(yīng)力差之間的關(guān)系。由圖1、圖2可以看出,無論是素土還是根土復(fù)合體,在軸向應(yīng)變ε1相等條件下,主應(yīng)力差值(σ1-σ3)隨圍壓增大而增大,且當(dāng)ε1較小時,不同圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線都比較接近,有的甚至重合在一起,但隨著ε1的逐漸增大,應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線的距離才逐漸隨之增大,最終趨于穩(wěn)定,這一方面說明根土復(fù)合體仍具有素土的應(yīng)力應(yīng)變特性,另一方面說明草根對土體應(yīng)力應(yīng)變特性的影響只有在ε1較大時才比較明顯。還有,在相同的軸向應(yīng)變條件下,當(dāng)ε1達(dá)到一定值時,與素土相比,根土復(fù)合體的(σ1-σ3)明顯更高,這反映了草根具有增強(qiáng)土體強(qiáng)度和抵抗變形能力的作用,而且這種增強(qiáng)作用受草根含量的影響。

圖1 素土(σ1-σ3)～ε1的關(guān)系曲線

2.2 土體的抗剪強(qiáng)度

以含水量為21%為例,分別將素土和草根含量為0.6 g/層的含根土的試驗結(jié)果,在τ-σ應(yīng)力平面上繪制不同圍壓下(40kPa、70kPa、100kPa和130kPa)的摩爾應(yīng)力圓,并繪制強(qiáng)度包線,如圖3所示。以這種方式可得到不同草根含量下根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、φ值,見表2。

圖3 根土復(fù)合體與素土的強(qiáng)度包線

為了定量描述香根草根系對土的粘聚力和內(nèi)摩擦角的影響,假設(shè)含根土的粘聚力為c1,素土的粘聚力為c2,含根土的內(nèi)摩擦角為φ1,素土的內(nèi)摩擦角為φ2,則粘聚力的增長率為εc=(c1-c2)/c2,內(nèi)摩擦角相對誤差εφ=(φ1-φ2)/φ2。εc、εφ的計算結(jié)果見表2。

表2 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的比較

從圖3可以看出,根土復(fù)合體與素土的強(qiáng)度包線接近平行,這意味著根土復(fù)合體與素土的內(nèi)摩擦角φ相差不大,草根對土體的增強(qiáng)作用主要表現(xiàn)為粘聚力的增大。這點從表2的εc、εφ值可以得到較充分的反映,尤其草根含量為0.2～0.7g/層時反映更充分,此時εφ局限在-8.33%～+2.78%的較小范圍內(nèi),而εc高達(dá)+123.4%～+547.0%。繪制根土復(fù)合體粘聚力的增長率εc與草根含量的關(guān)系曲線,如圖4所示?？梢姦與隨草根含量的增加呈先增大后減小的分布特點,這表明在根系層數(shù)一定時,根土復(fù)合體存在一個最佳含根量。

圖4 粘聚力增長率與草根含量的關(guān)系

上述試驗結(jié)果的機(jī)理分析：當(dāng)根系含量較小時,伴隨草根含量的增加,草根與土體的接觸面積會隨之增大,由草土摩阻力產(chǎn)生的橫向約束力也隨之增大,這相當(dāng)于使圍壓σ3增加,從而相應(yīng)增大軸向應(yīng)力σ1。因此,按施加圍壓σ3和增大后的軸向應(yīng)力σ1繪制的應(yīng)力圓隨之變大,而且當(dāng)根含量一定時,實際的圍壓增量一定,則各圍壓下的軸向應(yīng)力σ1增量也就相當(dāng),這樣根土復(fù)合體與素土的強(qiáng)度包線就近乎平行,從而表現(xiàn)為粘聚力明顯增大而內(nèi)摩擦角變化很小的現(xiàn)象。但當(dāng)含根量大于某一限值后,在草與土之間會形成草墊層,使得一部分草根沒有與土體接觸,導(dǎo)致摩阻力及由其產(chǎn)生的橫向約束力降低,因此粘聚力的增量也就隨之降低。

2.3 土體的破壞形態(tài)

圖5為素土和含根土試樣三軸剪切破壞后的形態(tài)：圖5a為15%含水量素土試驗前的試樣外形;圖5b和圖5c分別是圍壓70 kPa和100 kPa時15%含水量素土試驗后的外形;圖5d為15%含水量,含根量0.6g/層試驗前的試樣外形;圖5e、圖5f分別為圍壓70 kPa和100 kPa時15%含水量,含根量0.6g/層試驗后的試樣外形。從圖5b、圖5c可以觀察到,素土的橫向變形基本呈中部大、上下小的漸變狀,這是因為試樣的上下兩端與加載裝置之間存在摩擦力,使得兩端受到約束作用,而試樣中部受到約束作用小的緣故;而從圖5e、圖5f看,含根土樣在加草根層處橫向變形有所減小,尤其在試樣的中部,這也是草土摩阻力產(chǎn)生的橫向約束力作用的結(jié)果。此外,含根土樣中部和上下端的橫向變形的漸變趨于平緩,這表明草根具有協(xié)調(diào)土體變形的作用,并使土體能較充分地開展變形。

圖5 三軸試驗前后試樣形態(tài)

3 結(jié)論

⑴根土復(fù)合體具有和素土基本相同的應(yīng)力-應(yīng)變特性,但是在應(yīng)變較大時,根土復(fù)合體的主應(yīng)力差較素土有明顯的增加,說明了草根具有增強(qiáng)土體強(qiáng)度的作用,而且這種增強(qiáng)作用受草根含量和圍壓的影響。

⑵草根對土體的增強(qiáng)作用,表現(xiàn)為粘聚力的明顯增長,而內(nèi)摩擦角的變化幅度很小,尤其草根含量為0.2～0.7 g/層時反映更充分。但粘聚力的增長率呈先增加而后再減小的分布特點,即在相同的添加草根層數(shù)的條件下,根土復(fù)合體存在一個最佳含根量,此時根土復(fù)合體的強(qiáng)度最大。

⑶由于草土摩阻力產(chǎn)生的橫向約束力的作用,以及草根具有協(xié)調(diào)土體變形并使土體能較充分地開展變形的作用,根土復(fù)合土不僅較素土的強(qiáng)度高,而且具有與素土有所不同的剪切破壞形態(tài)。

實際上,香根草根系對于土壤的加固作用更像是一種“釘網(wǎng)效應(yīng)”,根系的水平須根具有加筋作用,而垂直的根系就像是土釘,將根系牢固地牢“釘”在土中,這種水平和垂直根系的共同作用而產(chǎn)生的“釘網(wǎng)效應(yīng)”,使土體在整體空間上得到增強(qiáng)。

[1] 謝婉麗,王家鼎,王亞玲.加筋黃土變形和強(qiáng)度特性的三軸試驗研究[J].地球科學(xué)進(jìn)展,2004(19)：333-338.

[2] Gray,D H,H Ohashi.Mechanics of fiber reinforcement in sands[J].Journal of Geotechnical Engineering(ASCE),1983,109(3)：335-353.

[3] Maher,M,D H Gray.Static response of sands reinforcedwith randomly distributed fibers[J].Journal of Geotechnical Engineering(A SCE),1990,116(11)：1661-77.

[4] Greenway,D R.Vegetation and Slope Stability[A]//Slope stability[M],M G Anderson,K S Richards.New York：Wiley,1987.

[5] 王可鈞,李悼芬.植物固坡的力學(xué)簡析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,1998,17(6)：687-691.

[6] 姜志強(qiáng),孫樹林,程龍飛.根系固土作用及植物護(hù)坡穩(wěn)定性分析[J].勘察科學(xué)技術(shù),2005(4)：12-14.

[7] 郭維俊,黃高寶,王芬娥,等.土壤-植物根系復(fù)合體本構(gòu)關(guān)系的理論研究[J].中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2006,11(2)：35-38.

[8] 郭維俊,黃高寶,王芬娥,等.植物根系若干力學(xué)問題研究[J].中國農(nóng)機(jī)化,2006b(2)：84-88.

[9] 姚環(huán),沈驊,李顥,等.香根草固土護(hù)坡工程特性初步研究[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報,2007,18(2)：63-68.

[10] 陳昌富,劉懷星,李亞萍.草根加筋土的室內(nèi)三軸試驗研究[J].巖土力學(xué),2007,28(10)：2041-2045.

[11] JTJ 051-93,公路土工試驗規(guī)程[S].

[12] 黃偉.巖土工程中的方法論[J].平頂山工學(xué)院學(xué)報,2008,17(6)：62-64.