兩種方法測定根-土復合體抗剪強度試驗對比研究

宋 路, 朱海麗,2, 李國榮, 王 濤, 陳文婷

(1.青海大學 地質(zhì)工程系, 西寧 810016; 2.中國科學院 青海鹽湖研究所, 西寧 810008)

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兩種方法測定根-土復合體抗剪強度試驗對比研究

宋 路1, 朱海麗1,2, 李國榮1, 王 濤1, 陳文婷1

(1.青海大學 地質(zhì)工程系, 西寧 810016; 2.中國科學院 青海鹽湖研究所, 西寧 810008)

為了便捷、有效且減少地表破壞面積地原位測定根—土復合體抗剪強度，采用改制后的十字剪切儀在青海大學校內(nèi)原生植被生長的試驗區(qū)，分別進行了三種植被覆蓋度和三種含水量條件下根—土復合體原位十字剪切試驗和室內(nèi)直接剪切試驗。試驗結(jié)果顯示：當土體含水量相同時，室內(nèi)直剪試驗測得的根—土復合體平均粘聚力為20.39～36.49 kPa，原位十字剪切試驗測得的根—土復合體抗剪強度為35.92～102.36 kPa；當植被覆蓋度相同時，室內(nèi)直剪試驗測得的根—土復合體平均粘聚力為32.46～23.32 kPa，原位十字剪切試驗測得的根—土復合體抗剪強度為109.7～68.12 kPa。兩種試驗結(jié)果均表現(xiàn)為：根—土復合體的抗剪強度隨植被覆蓋度的增大而增大，隨含水量的增大而減小。原位十字剪切試驗測得的根—土復合體抗剪強度值大于直接剪切試驗所測得的剪切強度值，平均增幅達到94.23%。兩種試驗結(jié)果產(chǎn)生差異的主要原因是由于剪切過程中剪切方式、破壞面積、受剪根系的數(shù)量及破壞程度不同而造成。其中，原位十字剪切試驗是在原位不破壞土體結(jié)構(gòu)和根系分布的基礎(chǔ)上，將根—土復合體完全剪破，相對更能準確、直觀地反映邊坡滑坡過程中的變化規(guī)律。

原位十字剪切試驗; 直接剪切試驗; 抗剪強度; 覆蓋度; 含水量

隨著邊坡防護技術(shù)的不斷發(fā)展，生態(tài)護坡、混凝土工程護坡、土工織物護坡和植物工程措施復合護坡技術(shù)方法越來越多地被運用到公路邊坡、鐵路邊坡、庫岸邊坡、自然邊坡等防護與生態(tài)保護[1-4]。由此，關(guān)于植被護坡的理論研究也逐漸深入，如植物根系增強邊坡穩(wěn)定性[4-7]、根—土相互作用機理[6,8-10]、不同植被類型的護坡作用[11-13]、植被截雨防滲作用[14-16]等多方面都取得了較豐富的研究成果。其中，對于植物根系增強土體強度研究方法主要采用室內(nèi)剪切試驗[11,17-21]和原位剪切試驗[22-24]兩種方法。室內(nèi)剪切試驗主要通過現(xiàn)場直接取樣，室內(nèi)制樣的方法進行根—土復合體直接剪切試驗[11,17-19]或三軸壓縮試驗[20-21]，但在現(xiàn)場取樣過程中，難以避免深層取樣時應力釋放引起的擾動[25]；與室內(nèi)直剪試樣相對比，原位剪切試樣能包含土體的宏觀結(jié)構(gòu)，試驗條件較接近于實際情況。然而，大多原位剪切試驗使用的儀器較大、重，不便于攜帶，且在原地開挖創(chuàng)面較大，使用范圍具有局限性。因此，為了更加便利、準確且減小開挖創(chuàng)面進行根—土復合體的原位剪切試驗，本文采用改制后的十字剪切儀對根—土復合體的抗剪強度進行了測定，并與室內(nèi)直剪試驗進行對比分析。

1　試驗材料與方法

1.1試驗區(qū)概況

試驗區(qū)設(shè)在西寧市城北區(qū)廿里鋪青海大學校園內(nèi)，地理坐標為101°44′28″E，36°43′25″N，研究區(qū)地處青海東部湟水流域河谷，黃土高原西緣，屬于高原寒冷干旱—半干旱氣候，年平均氣溫為7.6℃，夏季日極端最高氣溫為34.6℃，冬季日極端最低氣溫為-26.3℃；該地降水量少，蒸發(fā)強烈，多年平均降水量為380 mm，蒸發(fā)量為1 363.6 mm，試驗區(qū)氣候?qū)儆诘湫偷母咴箨懶詺夂騕26]。試驗區(qū)植被為原生植物，主要為賴草(LeymussecalinusGeorgi)、紫花苜蓿(MedicagosativaL.)和冷蒿(ArtemisiafrigidaWilld. Sp. Pl.)等。

1.2試驗裝置

根據(jù)一般十字剪切儀十字板頭尺寸較小、量程小等特性，結(jié)合根—土復合體抗剪強度峰值及破壞特征[27-30]，對現(xiàn)有的十字剪切儀主要從板頭尺寸、量程和使用性能等方面進行優(yōu)化改制，改制后的十字剪切儀如圖1所示。主要由十字板頭、傳感器、探桿、旋轉(zhuǎn)桿及靜探儀五部分組成：其中十字板頭尺寸為高115 mm，直徑76 mm[24]，高徑比H/D=1.51[31]；試驗用探桿長1.0 m，直徑3.0 cm，旋轉(zhuǎn)桿長1.0 m，直徑2.0 cm。試驗時十字剪切板頭與傳感器相連，并接到探桿上；探桿為中間空心，傳感器傳輸線直接通過探桿中間空心處從下端至上端穿出連到靜探儀上，結(jié)構(gòu)簡單，拆卸、攜帶及使用方便。試驗時，通過施加扭力，在剪切時土體的抗剪強度可以通過傳感器直接將剪切強度傳輸?shù)届o探儀中，并直接繪制出剪切強度與時間關(guān)系曲線。

圖1十字剪切儀裝置圖

1.3試驗設(shè)計及方法

為了更好地驗證改制后的十字剪切儀對根—土復合體抗剪強度測定結(jié)果，本研究分別進行根—土復合體的直接剪切試驗與原位十字剪切試驗，以此進行兩種試驗結(jié)果的對比和驗證。在試驗區(qū)內(nèi)，選定植被覆蓋度分別為10%，45%，95%的3塊平地，用卷尺、木釘、細繩等工具圈定出2.0 m×2.0 m的試驗小區(qū)，圈定的每一小區(qū)覆蓋度基本均一；此外選定3塊面積相等的小區(qū)，通過自然蒸發(fā)或天然降雨、人工澆灌的方式設(shè)置出含水量分別為3%，15%，20%的3塊平地，用同樣方法圈定出來，以備原位十字剪切試驗和直接剪切試驗，試驗小區(qū)設(shè)置如圖2所示。

1.3.1原位十字剪切試驗試驗時間為2014年5月中旬，試驗時依次在每個試驗小區(qū)量出0.5 m×0.5 m的對角點，并標記，標記點即為原位十字剪切試驗的剪切點(共9個)，即設(shè)置試驗重復9次(圖2)；試驗前用剪刀將已標記點為圓心、10 cm為半徑范圍內(nèi)的地表下0.5 cm以上的所有植被剪除，并裝到自封袋中，密封后用記號筆做好標簽，帶回實驗室稱量地上鮮重并測量其含水量。打開原位十字剪切儀電源開關(guān)，將板頭用鐵錘垂直貫入到剪切點土壤中，剪切深度為12.0 cm，靜待2～3 min，使受貫入擾動的周圍土體能基本恢復到原來的應力狀態(tài)；剪切時，由兩人勻速轉(zhuǎn)動扭力桿，平均10 s轉(zhuǎn)動1°，轉(zhuǎn)動持續(xù)時間最少為100 s，直至根—土復合體剪切破壞。試驗結(jié)束后，取出剪切破壞后的圓柱土體裝入自封袋中貼上標簽，密封后帶回實驗室，進行地下生物量統(tǒng)計工作。生物量統(tǒng)計工作包括地上植被莖葉鮮重、莖葉含水量以及地下植被根徑、根系鮮重、根系含水量等測定。

注:①—⑨表示每個試驗小區(qū)內(nèi)設(shè)定的原位十字剪切試驗點

圖2試驗小區(qū)設(shè)置及試驗剪切點布置圖

1.3.2直接剪切試驗直剪試驗是在5個試驗小區(qū)采用原位取樣，采樣時間為2014年5月中旬，為了使試驗結(jié)果更具有代表性，每個試驗小區(qū)分不同方位隨機設(shè)定3個取樣點，每個取樣點取樣深度為4 cm，取四個環(huán)刀試樣。取得的試樣裝入環(huán)刀盒內(nèi)后在原地用膠帶塑封，防止水分散失，在4～6 h內(nèi)帶回實驗室進行室內(nèi)快剪試驗，剪切速度為2.4 mm/min。

2　試驗結(jié)果與分析

2.1生物量統(tǒng)計結(jié)果與分析

在實驗室對試驗點上以10 cm為半徑范圍內(nèi)地表植被的凈含量、含水量，以及剪切破壞后破壞的圓柱土體內(nèi)植物根系的凈含量、含水量進行測定。結(jié)果如表1所示。由表1可得出，在含水量相同的條件下，隨著植被覆蓋度的逐漸增大，地上莖葉質(zhì)量、地下根系質(zhì)量依次增大。當植被覆蓋度從10%增至45%，95%時，其地上莖葉質(zhì)量增幅依次為331.65%，1395.29%；地下12 cm以內(nèi)根系質(zhì)量平均增幅依次為335.35%，500.67%，在相同植被覆蓋度條件下，地上植被莖葉鮮重和地下植被根系質(zhì)量變化幅度較小。

2.2不同植被覆蓋度對根-土復合體抗剪強度的影響

含水量均為15%條件下，對試驗區(qū)內(nèi)植被覆蓋度分別為10%，45%，95%的試驗小區(qū)，分別進行了原位十字剪切試驗和室內(nèi)直接剪切試驗，兩種試驗方法測得的根—土復合體抗剪強度結(jié)果如表2所示。

表1　試驗區(qū)根-土復合體物理性質(zhì)指標及植被生物量指標

表2　不同植被覆蓋度下兩種試驗方法抗剪強度指標

當植被覆蓋度從10%增大至45%，95%時，根—土復合體的抗剪強度也呈現(xiàn)增大的趨勢，且兩種試驗方法所測得的復合體剪切強度變化趨勢一致。與10%植被覆蓋度下的抗剪強度相比，當植被覆蓋度增至45%，95%時，原位十字剪切試驗測得的根—土復合體抗剪強度的增大幅度依次為56.79%，184.97%；室內(nèi)直接剪切試驗平均粘聚力的增大幅度依次為35.7%，78.96%，而內(nèi)摩擦角無明顯變化規(guī)律。由于在十字剪切試驗過程中，被剪切根—土復合體未受到垂直壓力作用，故垂直壓力為零。根據(jù)莫爾—庫倫定律，即τf=σtanφ+c，其中法向壓力σ=0條件下，直剪試驗測得的復合體粘聚力即為復合體抗剪強度。因此當植被覆蓋度為10%，45%和95%時，原位十字剪切試驗的平均剪切強度較室內(nèi)直剪試驗平均剪切強度，增大幅度依次為76.16%，103.54%，180.52%；由此可見，兩種試驗方法所測得的根—土復合體抗剪強度存在一定的差異，但隨著植被覆蓋度的增大，均呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。兩種試驗方法在剪切強度值表現(xiàn)出的差異，一是由于剪切破壞面不同，十字剪切試驗的剪切破壞面有水平和垂直兩個方向上的，而直剪試驗僅在水平方向上，且剪切面積僅為30 cm2，遠遠小于十字剪切試驗的剪切破壞面積320 cm2；二是根系作用不同，十字剪切試驗最終剪切破壞的是一個圓柱體，故剪切破壞過程中不僅承受剪切高度范圍內(nèi)水平方向根系的加筋、牽拉、纏繞作用，且承受剪切圓柱底面垂直或近垂直方向根系的作用，而直剪試驗剪切破壞過程中不存在水平方向根系的作用；三是剪切位移量不同，直剪試驗的剪切位移量為4 mm，剪切結(jié)束時復合體未完全剪破，而十字剪切試驗的剪切位移量是從試驗開始直至復合體完全剪破，平均位移可達60 mm。

圖3不同植被覆蓋度下根-土復合體剪應力與剪切位移關(guān)系曲線

根—土復合體在剪切作用下，其應力—應變曲線亦呈現(xiàn)一定規(guī)律，現(xiàn)分別以I、Ⅲ、V三個試驗小區(qū)中垂直壓力為50 kPa下的直剪試驗與原位十字剪切試驗剪應力與剪切位移曲線為例，由圖3可以看出，直剪試驗時，在剪切位移為0～1 mm階段(圖3A)，剪應力與剪切位移曲線非常接近，剪切位移在0～1 mm階段復合體的抗剪強度呈線性增大；之后，隨著剪切位移的不斷增大，復合體開始出現(xiàn)塑性變形，此階段根系對土體的增強作用逐漸發(fā)揮出來，復合體中的剪應力逐漸轉(zhuǎn)換成根的拉應力而被轉(zhuǎn)移和擴散，當剪切位移達到4 mm時，復合體的抗剪強度達到了峰值；原位十字剪切試驗在剪切位移在0～15 mm階段(圖3B)，復合體的抗剪強度呈線性增大，復合體處于彈性變形階段，剪應力的增長速率隨植被覆蓋度的增大而增大；在剪切位移約達到34 mm時，復合體剪應力達到峰值。由于十字剪切試驗過程使試樣完全剪破，因此其剪切位移可達到60 mm左右，隨著剪切繼續(xù)，剪應力逐漸下降。并且根據(jù)圖3，均可以看出在含水量相同條件下，剪應力達到峰值前，在相同剪切位移條件下，植被覆蓋度越大，其剪應力相應越大。

2.3不同含水量對根-土復合體抗剪強度的影響分析

在含水量分別為3%，15%，20%，植被覆蓋度均為45%下的試驗小區(qū)Ⅱ，Ⅳ，V分別進行原位十字剪切試驗和直接剪切試驗，兩種試驗方法測得的根—土復合體抗剪強度結(jié)果如表3所示。

由表3可以看出，隨著含水量的增大，根—土復合體的抗剪強度呈現(xiàn)減小的趨勢，且兩種試驗方法所測得的復合體剪切強度變化趨勢一致。原位十字剪切試驗測得的根—土復合體抗剪強度，與3%土壤含水量條件下的抗剪強度相比，當含水量增至15%，20%時，抗剪強度的減小幅度為18.69%，37.89%，而室內(nèi)直剪試驗測得的復合體平均粘聚力減小幅度為14.69%，28.16%；同樣根據(jù)在法向壓力σ=0條件下，直剪試驗測得的復合體粘聚力即為復合體抗剪強度，將復合體含水量為3%，15%和20%時的原位十字剪切試驗測得的平均剪切強度與室內(nèi)直剪試驗平均剪切強度比較，增大幅度依次為70.4%，68.98%，65.77%。由此可見，室內(nèi)直接剪切試驗所測得的復合體抗剪強度減小幅度略小于原位十字剪切試驗，原位十字剪切試驗測得的抗剪強度值大于室內(nèi)直剪試驗。

表3　不同土壤含水量兩種試驗方法抗剪強度指標

分別以Ⅱ，Ⅳ，V三個試驗小區(qū)中垂直壓力為50 kPa下的直剪試驗與原位十字剪切試驗剪應力與剪切位移曲線為例(圖4)。根據(jù)圖4A室內(nèi)直剪試驗可以看出，在剪切位移為0～0.5 mm階段，復合體的抗剪強度呈線性增大；隨著剪切繼續(xù)，剪應力與剪切位移表現(xiàn)為非線性關(guān)系。根據(jù)圖4B可以看出，原位十字剪切試驗，在剪切位移為0～15 mm階段，復合體的抗剪強度呈線性增大，此時，復合體處于彈性變形階段，且剪應力的增長速率隨復合體含水量的增大而減?。辉诩羟形灰萍s達到30 mm時，含水量為15%和20%復合體剪應力均達到了峰值，而剪切位移達到45 mm時，含水量為3%的復合體的剪應力最終達到峰值。這表明復合體含水量愈大，其達到剪切峰值的剪切位移相對越小，剪切強度愈低，這從一方面解釋了青藏高原黃土區(qū)降雨季節(jié)，邊坡滑坡現(xiàn)象增多的原因。

圖4不同含水量根-土復合體剪應力與剪切位移關(guān)系曲線

兩種試驗方法所測得的復合體剪切強度存在著一定的差異，但隨著復合體含水量的增大，兩種試驗方法測得的復合體剪切強度均呈現(xiàn)減小的趨勢，其主要原因是由于含水量的增加，根—土界面上的含水量變高，土顆粒間結(jié)合水膜的厚度增加而起到潤滑作用，同時水分子將根系與土體及土顆粒間牢固的連接分開，摩擦力降低，由此使復合體的強度減弱。淺層邊坡土體抵抗剪切破壞能力變?nèi)?，滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災害發(fā)生，危害人類生命財產(chǎn)安全。

3　結(jié)論與討論

(1) 兩種試驗方法測得的根—土復合體抗剪強度在相同含水量的條件下，均隨覆蓋度的增大而增大；在相同植被覆蓋度條件下，均隨含水量的增加而減小。原位十字剪切試驗抗剪強度值明顯高于直接剪切試驗抗剪強度值，平均增大48.94 kPa，主要原因是由于兩種試驗方法在試驗過程中剪切方式、剪切破壞面積、受剪根系的數(shù)量以及破壞程度不同而產(chǎn)生。

(2) 直接剪切試驗一般多是采用室內(nèi)重塑土制樣或原位取樣并運回室內(nèi)進行剪切試驗，在一定程度上破壞了土體固有的結(jié)構(gòu)和根系在空間的展布狀態(tài)，且剪切試樣較小、剪切面固定、剪切破壞不完全；而原位十字剪切試驗是在原位不破壞土體結(jié)構(gòu)和根系分布的基礎(chǔ)上，將根—土復合體剪破，因此更能全面地反映根—土復合體的剪切破壞過程，其剪切位移遠遠超過直剪試驗的4 mm，可達到70 mm左右，因此能夠更直觀地反映邊坡滑坡過程中的變化規(guī)律。

(3) 經(jīng)改制后的原位十字剪切試驗儀在剪切過程中，在水平方向施加扭力，試樣受到剪切作用力，當試樣完全剪切破壞后試驗結(jié)束，最終得到根—土復合體的抗剪強度值；而直剪試驗僅對受剪試樣施加水平方向的剪切作用力，當達到固定的剪切位移時試驗結(jié)束，最終通過建立垂直壓力與抗剪強度峰值的函數(shù)關(guān)系式，從而可得到根—土復合體兩個抗剪強度指標，即粘聚力和內(nèi)摩擦角，更便于對根—土相互作用進行理論分析和對比研究。

此外，改制后的十字剪切儀測定根—土復合體的抗剪強度，但仍存在不足之處，如：加載方式為手動加載，旋轉(zhuǎn)時不能更好地保持持續(xù)的勻速轉(zhuǎn)動；靜探儀每10 s采集一次剪切數(shù)值，不能更精確、清晰地反映剪應力變化特征；且該儀器不能通過試驗直接測根土復合體的粘聚力和內(nèi)摩擦角，因此目前還未能正確建立兩種試驗結(jié)果的的函數(shù)關(guān)系式，對分析根系作用機制存在一定局限性；以上不足之處，有待進一步試驗研究工作。

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Comparative Research for Two Experimental Methods to Determine Soil-Root Composite Shear Strength

SONG Lu1, ZHU Haili1,2, LI Guorong1, WANG Tao1, CHEN Wenting1

(1.DepartmentofGeologicalEngineering,QinghaiUniversity,Xi′ning810016,China; 2.QinghaiInstituteofSaltLakes,ChineseAcademyofSciences,Xi′ning810008,China)

In order to determine the shear strength of soil-root composite more effectively and conveniently, and decrease the surface damage area， shear tests were carried out with different vegetation coverage and different water contents by using reformed in-situ vane shear apparatus and direct shear apparatus respectively on the campus of Qinghai University. The experimental results showed that the average cohesion of soil-root composites ranges from 20.39 kPa to 36.49 kPa under same water content by direct shear test, while the average shear strength of soil-root composites ranges from 35.92 kPa to 102.36 kPa through in-situ vane shear test. Then the average cohesion of soil-root composites ranges from 32.46 kPa to 23.32 kPa under same vegetation coverage by direct shear apparatus, while the average shear strength ranges from 109.7 kPa to 68.12 kPa by in-situ vane shear test. The results of two test methods both showed that the shear strength of soil-root composite increased with the increase of vegetation coverage, and decreased with increase of water content. The soil-root composite shear strength of in-situ vane shear test was higher than that of the direct shear test, the average increment reached to 94.23%. The main reasons for making differences between the two methods are due to various shear mode, shear failure area, the number of roots available to shear and damage degree. In situ vane shear test can reflect the change pattern more accurately and visually in the process of landslide because soil-root composites were destroyed completely and the soil structure and root distribution were not destroyed compared with the direct shear test.

In-situ vane shear test; direct shear test; shear strength; vegetation coveraye; water content

2015-10-15

2015-11-20

國家自然科學基金項目(41302258);青海大學“123高層次人才培養(yǎng)工程”資助項目;青海大學“地質(zhì)資源與地質(zhì)工程創(chuàng)新團隊”項目(4056051201)

宋路(1991—),男,新疆哈密人,碩士研究生,主要從事地質(zhì)災害及其防治研究。E-mail:songlu.2007@163.com

朱海麗(1977—),女,江蘇溧陽人,副教授,主要從事植被護坡與濱河生態(tài)學研究。E-mail:qdzhuhaili@163.com

TU411.7

A

1005-3409(2016)04-0282-06