植物根系固土護(hù)坡抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究

劉小燕， 桂 勇， 羅嗣海， 鄧通發(fā),2， 周軍平

(1. 江西理工大學(xué)，a.建筑與測量工程學(xué)院；b.應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，江西贛州341000；2. 廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣州510006；3. 贛州高速公路有限責(zé)任公司，江西贛州341000)

0 引 言

隨著贛粵高速的快速發(fā)展， 全風(fēng)化花崗巖殘積土質(zhì)邊坡的護(hù)坡成為了研究熱點(diǎn). 相比傳統(tǒng)的工程防護(hù)技術(shù)，植被護(hù)坡技術(shù)不僅造價(jià)低、施工簡便，還能持久保持生態(tài)景觀[1-3]，并與必要的工程防護(hù)相結(jié)合，既可以達(dá)到工程建設(shè)要求，又可以起到環(huán)境保護(hù)的效果， 植被護(hù)坡成為全風(fēng)化花崗巖殘積土質(zhì)邊坡護(hù)坡的首選方案. 當(dāng)今社會(huì)，環(huán)境保護(hù)及生活質(zhì)量越發(fā)受到關(guān)注和重視， 生態(tài)護(hù)坡儼然已成為公路邊坡防護(hù)的一種趨勢(shì)，是公路邊坡未來發(fā)展的主要方向.

植被護(hù)坡主體源自于植物根系的作用[4]. 自1970 年起，眾多國內(nèi)外學(xué)者采用直剪、三軸及拉拔等試驗(yàn)研究了加筋土的應(yīng)力-應(yīng)變以及強(qiáng)度特性[5]，并指出植物根系有提高土體抗剪強(qiáng)度的作用[6-10]；我國學(xué)者楊亞川等提出了根土復(fù)合體的概念，并指出根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨含根量增加而增大，其中φ 值隨含根量的增加變化不明顯[11]；王華等采用直剪試驗(yàn)研究，表明狗牙根、早熟禾均能顯著提高邊坡客土層抗剪強(qiáng)度，且土體的含水量與抗剪強(qiáng)度指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系[12]；俞曉麗、胡其志等通過室內(nèi)三軸、直剪試驗(yàn)研究了草本根系含量與加筋土強(qiáng)度直剪的關(guān)系，指出草根可以增強(qiáng)砂質(zhì)粘土的強(qiáng)度，主要是增加土體粘聚力，并指出根土復(fù)合體存在一個(gè)最佳含根量[13-14].

雖然國內(nèi)外現(xiàn)對(duì)于一般性土質(zhì)邊坡植被護(hù)坡的研究較多，但對(duì)于贛粵地區(qū)普遍存在的全風(fēng)化花崗巖殘積土邊坡植被防護(hù)的研究并不多，而國家高速公路網(wǎng)第五南北縱線大慶至廣州高速公路中江西境內(nèi)龍南里仁至楊村（贛粵界）高速公路邊坡巖性主要為全風(fēng)化花崗巖殘積土， 并采用了植被護(hù)坡. 其所經(jīng)過地區(qū)路線帶氣候溫暖、濕潤，雨量充沛，多年平均降雨量為1 510.8 mm，年最高降雨量2 595.5 mm，年最低降雨量938.5 mm，每年3 月至6 月為雨季， 降雨量56.4 %左右. 文中以全風(fēng)化花崗巖殘積土為研究對(duì)象，對(duì)素土和加入不同狗牙根含量形成的根土復(fù)合體，在不同含水率條件下進(jìn)行室內(nèi)直剪試驗(yàn)，研究根系及含水率對(duì)其抗剪強(qiáng)度的影響，為進(jìn)一步分析其加固機(jī)理和穩(wěn)定性分析提供基礎(chǔ)資較.

1 植物根系加筋理論

草本植物根系表層的邊坡土盤根錯(cuò)節(jié)，形成根土復(fù)合體[11]，可視為加筋土. 加筋根系為土體提供了一個(gè)附加粘聚力[15]，大幅度增加了土體的抗剪強(qiáng)度. 根系對(duì)土體加筋作用模式如圖1 所示.

圖1 根系對(duì)土體加筋作用模式

一些學(xué)者通過根土復(fù)合體的力學(xué)效應(yīng)試驗(yàn)研究[16-19]，表明根土復(fù)合體遵循莫爾–庫侖強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則. 在草本植物的加筋作用下，土體的抗剪強(qiáng)度可寫為[20]：

式（1）中：τ 為加筋土體的抗剪強(qiáng)度；Δc 加筋引起的剪切強(qiáng)度增加值.

2 試驗(yàn)材料及方法

2.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)土樣取自大廣高速邊坡龍南里仁至楊村（贛粵界）K53+200 處全風(fēng)化花崗巖殘積土，其呈褐紅夾灰白色，有殘余結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，礦物成分基本已蝕變成粘性土， 土樣取出后稍用力捏即松散、遇水易崩解，具親水性，水穩(wěn)性差，既具有粘性土（c 值較大）的特征，又具有砂性土特性（φ 值較高）的特殊土[21]，其物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1. 植被護(hù)坡類型以綠色防護(hù)為主， 采用鐵絲網(wǎng)、 三維網(wǎng)噴播草.邊坡采用狗牙根作為護(hù)坡草本植物.

表1 全風(fēng)化花崗巖殘積土主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

2.2 試驗(yàn)設(shè)備及試樣制備

此次試驗(yàn)采用的是STSJ-5A 型智能電動(dòng)四聯(lián)直剪儀. 由于試驗(yàn)土質(zhì)較差(土質(zhì)較松散)，無法采集到根土復(fù)合體原狀土，且此次試驗(yàn)所需的試樣較多，現(xiàn)場與實(shí)驗(yàn)室距離較遠(yuǎn)，路途顛簸，不便將原狀土帶回室內(nèi)，然而野外試驗(yàn)又受到環(huán)境條件、時(shí)間、人員及試驗(yàn)設(shè)備的限制，故此次試驗(yàn)采用擾動(dòng)土進(jìn)行. 試驗(yàn)所用加筋材料為狗牙根的草根，狗牙根已種植5 個(gè)月. 試驗(yàn)時(shí)將草根均剪成2 cm 的長度，稱量草根質(zhì)量按設(shè)計(jì)含根量加入土樣中與之拌合.

2.3 試驗(yàn)方案

根據(jù)植物根系的分布形態(tài)，植物根系一般分為直根系和須根系. 直根系的主要特征有： 主根粗大，側(cè)根相對(duì)較短、細(xì)，且成一定角度繞著主根生長，主次較分明. 須根系的主要特征是根系直徑幾乎相同，主、次根之間無明顯差別，根系是從莖的基部長出且大量分枝的根，根系不定向生長，可稱之為不定根[22].

圖2 是現(xiàn)場挖取的種植5 個(gè)月后的狗牙根，將其根系洗凈后拍攝的照片. 由圖2 可以看出狗牙根根系為典型的須根系. 根徑粗細(xì)均勻，均小于1 mm， 且須根數(shù)量眾多， 使得根系在其生長范圍內(nèi)，形成網(wǎng)絮狀與土體緊密纏繞、粘結(jié)，形成根土復(fù)合體， 起到加筋的作用， 提高土體的抗剪強(qiáng)度.考慮到室內(nèi)試驗(yàn)的局限性， 截取2 mm 的根系，并將草根均勻拌入土樣中，相當(dāng)于截取了某個(gè)2 mm深度的土層， 并模擬狗牙系自然狀態(tài)下的隨機(jī)生長的根系.

圖2 狗牙根根系

取回后洗凈取其根使用， 將草根均剪成2 cm的長度，吸干草根表面水分備用. 試驗(yàn)按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[23]，首先將土過2 mm 篩后放入110 °C烘箱中干燥12 h，其次按照設(shè)計(jì)含水率配土：稱取5 kg 烘干土，計(jì)算所需加水量，在不吸水的鋁盆內(nèi)充分拌合. 摻入預(yù)先制備好的狗牙根， 按設(shè)計(jì)含根量稱好草根后放入拌好的土樣中（見圖3），攪拌后平均分為5 份，土樣壓實(shí)、密封靜置24 h（見圖4）.

圖3 根系與設(shè)計(jì)含水率土樣拌合

圖4 土樣壓實(shí)、密封靜置

為了研究土壤含水率及含根量變化對(duì)根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的影響， 試樣含水率控制為25 %、28 %和31 %， 根系的含根量分別為0 %、0.1 %、0.2 %、0.3 %以及0.4 %（根系與干土質(zhì)量比）. 為了使試驗(yàn)更加準(zhǔn)確，每組取5 個(gè)相同的試樣，且分別在50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa、250 kPa法向應(yīng)力下進(jìn)行快剪試驗(yàn).

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)測力環(huán)讀數(shù)計(jì)算試樣的剪應(yīng)力應(yīng)按下式：

式（2）中：τ 為剪切力（kPa）；R 為測力計(jì)量表讀數(shù)（0.01 mm）；c 為測力計(jì)率定系數(shù)（N/0.01 mm）.

根據(jù)上述的試驗(yàn)方法， 分別得出不同法向應(yīng)力下的剪應(yīng)力. 再以法向應(yīng)力為橫坐標(biāo)，抗剪強(qiáng)度作為縱坐標(biāo)，運(yùn)用摩爾-庫倫公式，將各數(shù)據(jù)線性擬合得到各試樣抗剪強(qiáng)度曲線， 以這樣的方式可得到在同一含水率條件下不同含根量下根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、φ 值. 將同一含水率水平下不同含根量的根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度曲線放在一張圖上進(jìn)行比較，如圖5 為25 %含水率條件下不同含根量土樣抗剪強(qiáng)度曲線匯總，圖6 為28 %含水率條件下不同含根量土樣抗剪強(qiáng)度曲線匯總， 圖7則為31 %含水率條件下不同含根量土樣抗剪強(qiáng)度曲線匯總.

圖5 25 %含水率條件下不同含根量土樣抗剪強(qiáng)度曲線匯總

圖6 28 %含水率條件下不同含根量土樣抗剪強(qiáng)度曲線匯總

圖7 31 %含水率條件下不同含根量土樣抗剪強(qiáng)度曲線匯總

對(duì)比圖5、圖6、圖7 可以看出：

（1）在同一含水率水平條件下，加入植物根系構(gòu)成的根土復(fù)合體較之素土，抗剪強(qiáng)度有顯著的提高，并且根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度隨著狗牙根根系含量的增加而增強(qiáng)，說明植物根系能有效提高土體的抗剪強(qiáng)度；

（2）根土復(fù)合體與素土的抗剪強(qiáng)度曲線幾近平行， 表明根土復(fù)合體與素土的內(nèi)摩擦角φ 幾乎沒有變化，說明根系對(duì)根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的提高，主要是增強(qiáng)土體的粘聚力，而內(nèi)摩擦角隨含根量增加變化不明顯；

（3）對(duì)同一含水率水平下根土復(fù)合體c 值隨著含根量的增加而增大，則繪制根土復(fù)合體含根量與粘聚力c 關(guān)系曲線，如圖8 所示；對(duì)于同一含根量隨著含水率的增加，土體抗剪強(qiáng)度值有不同程度的減小， 繪制含水率與土體的抗剪強(qiáng)度c 值關(guān)系如圖9 所示.

圖8 土樣含根量與粘聚力c 關(guān)系曲線

圖9 土樣含水率與粘聚力c 關(guān)系曲線

由圖8 可以得出：根土復(fù)合體c 值隨根系含量的增加呈增大的趨勢(shì)； 在25 %和28 %含水率下，含根量從0 %增加到0.2 %時(shí)， 復(fù)合體c 值幾乎線性增大，當(dāng)含根量增加到0.3 %以后，c 值的增幅有所減緩； 在31 %含水率下， 含根量從0 %增加到0.2 %時(shí)， 復(fù)合體c 值逐漸增大， 當(dāng)含根量增加到0.3 %以后，c 值的增幅也在減緩，說明復(fù)合體在含根量為0.2 %時(shí)，粘聚力增幅達(dá)到最大，此后隨著根含量的繼續(xù)增加，粘聚力增幅在減緩，則0.2 %～0.3 %含根量為復(fù)合體的最優(yōu)含根量區(qū)域； 含根量從0 %增加到0.4 %時(shí)，25 %含水率時(shí)c 值增加了11.16 kPa，28%含水率時(shí)c 值增加了9.83 kPa，31%含水率時(shí)c 值增加了4.88 kPa， 即含水率25 %＞28%＞31%土體粘聚力增量，說明狗牙根根系對(duì)25%含水率的土體加筋效果最顯著.

圖9 可知：土體的粘聚力隨含水率的增加而降低，含水率與黏聚力c 呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；土樣含水率從25 %增大到28 %時(shí)，隨著含根量的增加c 值的減小率從30.8 %降低到21 %，說明此時(shí)根系減緩了粘聚力減小的幅度； 而含水率從28 %增大到31 %時(shí)，c 值的減小率也隨著隨著含根量的增加從20.2 %增加到37.6 %， 此階段根系對(duì)粘聚力減小的幅度沒有促進(jìn)作用， 進(jìn)一步表明根系對(duì)25 %含水率的土體加筋效果最顯著.

顯然，植物根系可提高全風(fēng)化花崗巖殘積土體的抗剪強(qiáng)度. 但在實(shí)際工程中， 植被在生長初期，根系尚未長成， 其固土效果未能達(dá)到理想狀態(tài)，容易在雨季邊坡淺層產(chǎn)生滑塌現(xiàn)象（如圖10）.

圖10 植被生長初期邊坡滑塌現(xiàn)象

4 結(jié) 論

（1）加入狗牙根根系形成的根土復(fù)合體，在一定程度上能提高全風(fēng)化花崗巖殘積土體的抗剪強(qiáng)度，且服從摩爾-庫倫強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則；隨著含根量的增加，根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度增強(qiáng)，主要表現(xiàn)在c 值隨含根量增加而顯著增大，φ 值幾乎不變； 當(dāng)含根量達(dá)到0.2 %～0.3 %時(shí)根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度增幅達(dá)到峰值，即此區(qū)域稱之為最優(yōu)含根量區(qū)域.

（2）根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度隨著含水率的增加而減小，含水率與黏聚力c 呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；且土體粘聚力增量：含水率25 %＞28 %＞31 %；說明根系對(duì)25 %含水率的土體加筋效果最顯著. 通過以上試驗(yàn)認(rèn)為，采用狗牙根對(duì)全風(fēng)化花崗巖殘積土進(jìn)行生態(tài)護(hù)坡可以對(duì)邊坡的表層土體具有一定的加固作用，有利于生態(tài)邊坡的穩(wěn)定性.

（3）在植被的生長初期，根系尚未長成，在雨季邊坡淺層會(huì)產(chǎn)生滑塌現(xiàn)象 （圖10）. 邊坡綠化時(shí)應(yīng)注意：①避免在雨季施工. ②可與傳統(tǒng)的工程防護(hù)相結(jié)合，如三維網(wǎng)+噴播草種、土工格柵+噴播草種等. ③改善客土配方，使客土具有較強(qiáng)的抗沖刷性.

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