土工墊-植物根系加筋土抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究

付 濤， 譚慧明，2， 何良德，2

（1.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，南京 210098； 2.河海大學(xué)海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098）

隨著經(jīng)濟(jì)與技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，生態(tài)護(hù)坡越來越得到重視，一些生態(tài)護(hù)坡技術(shù)大量涌現(xiàn)出來并得到應(yīng)用. 相較于傳統(tǒng)工程邊坡技術(shù)，生態(tài)護(hù)坡技術(shù)的意義在于不僅能夠使得邊坡具有一定的抗沖刷、穩(wěn)定性等必備的坡土體強(qiáng)度要求，也能夠兼顧河道、海岸護(hù)岸面的生態(tài)功能，既彌補(bǔ)了傳統(tǒng)工程邊坡防護(hù)技術(shù)的不足，又恢復(fù)因工程建設(shè)破壞的生態(tài)環(huán)境. 而土工合成材料的發(fā)展，也給越來越多的加筋材料提供了可能.

周錫九和趙曉峰［1］在對植被護(hù)坡中植草淺層加固邊坡土體作用研究中，指出了坡面植草有淺層護(hù)坡加固的作用. 楊晨輝等［2］選用五種草本植物進(jìn)行其與土結(jié)合的根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度進(jìn)行對比，得出白三葉的增強(qiáng)作用效果最佳. 許多國內(nèi)外的學(xué)者采用土體剪切試驗(yàn)研究草根加筋土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及強(qiáng)度特性，進(jìn)而分析植物根系與護(hù)坡土體之間的規(guī)律與作用機(jī)理. 結(jié)果表明：植被加筋土的強(qiáng)度和抵抗變形能力有顯著提高，對抗剪強(qiáng)度指標(biāo)比較，植被加筋土的準(zhǔn)黏聚力c值較之素土有2 至9 倍的增長，但內(nèi)摩擦角φ變化不大［3-9］. 何保輝［10］對植物根系加筋土的抗剪試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)加筋土抗剪強(qiáng)度仍復(fù)合庫倫定律，根系密度與加筋土抗剪強(qiáng)度呈良好的正相關(guān)關(guān)系. 另外，嘗試對植物根系增強(qiáng)土體加固能力的原因進(jìn)行解釋的實(shí)驗(yàn)研究還有電子顯微鏡微觀實(shí)驗(yàn)［11］、土粒崩解靜水實(shí)驗(yàn)［12］、單根抗拉實(shí)驗(yàn)［13］、野外原位拉拔實(shí)驗(yàn)［14-16］等. 同時劉小燕和桂勇［17］指出植物根系提高土體抗剪強(qiáng)度與土體的含水率和含根量有緊密的聯(lián)系，且存在最優(yōu)含水率和最優(yōu)含根量. 楊果林［18］指出土工合成材料能明顯改變土坡的破壞形態(tài)，約束土體變形趨向均勻，提高土坡的整體穩(wěn)定性. 只有當(dāng)填土與網(wǎng)格之間的摩擦失效或網(wǎng)格被拉斷后，土坡單元體才有可能發(fā)生破壞. 因此，不同布筋方式對加筋邊坡的坡面?zhèn)认蛭灰萍拔灰茍龅茸冃螤顟B(tài)也有較大影響［19］.

目前，國內(nèi)外的研究主要集中于植物根系加筋土的抗剪強(qiáng)度，通過剪切試驗(yàn)對根系加筋土的加筋機(jī)理進(jìn)行探究，但對于植物根系與土工墊復(fù)合加筋土的加筋機(jī)理還鮮有開展等. 因此，本文通過對加入植物根系和土工墊形成的聯(lián)合加筋土，在不同含水率、含根量和含墊量下進(jìn)行室內(nèi)直剪試驗(yàn)，研究各因素不同條件下對加筋土抗剪強(qiáng)度的影響，為三維土工墊加筋草皮的進(jìn)一步推廣和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù).

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［20］擾動土樣的制備程序處理來制備試驗(yàn)用土：首先將土樣放入烘箱恒溫105 ℃烘干8 h，其次取出土樣將其放至橡皮板上用木碾碾散后過2 mm篩，然后按設(shè)計(jì)含水量配置土樣：取適量烘干后的土樣，計(jì)算其所需的加水量，將土樣鋪到不吸水的鐵盤內(nèi)，用噴壺噴灑預(yù)計(jì)的加水量，充分拌合后使用保鮮膜密封2 h后備用（表1）.

表1 重塑土土樣參數(shù)Tab.1 Parameters of remolded soil sample

試驗(yàn)用植物草根先用剪刀截取為同一長度2 cm備用，用游標(biāo)卡尺測量其直徑，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，先用吸水紙把草根表面的水吸干然后再稱其質(zhì)量.

選用土工墊為由聚酰胺單絲纖維制成的網(wǎng)墊，如圖1所示，根據(jù)環(huán)刀尺寸裁剪相同面積的土工墊，剪出直徑為61.8 mm 的圓形土工墊，然后將該圓形土工墊的直徑進(jìn)一步修剪為52 mm 左右備用. 制作土工墊-植物根系加筋土試樣過程中，先在環(huán)刀底部薄施一層底土，而后將裁剪好的土工墊放置于試樣中心，分層施土并輕輕壓實(shí).試樣壓實(shí)后植入根系，使用一根扁頭銅絲將植物根系垂直壓入試樣內(nèi)，植入過程由中心向圓周徑向均勻分散，最終將所需含根量的根系全部植入于剪切試樣中.

圖1 試驗(yàn)所用土工墊Fig.1 Geomat for test

1.2 試驗(yàn)方法

為了研究土壤含水率、含根量與含墊量的變化對土工墊-植物根系加筋土抗剪強(qiáng)度的影響，試樣含水率分別控制為34.62%（飽和）、22%、16%、10%，根系的含根量（根系與干土質(zhì)量比）分別為0、0.2%、0.3%、0.4%，以及土樣中加入土工墊或不加土工墊進(jìn)行控制. 為分析豎向應(yīng)力對試樣強(qiáng)度的影響，每組取3個相同的試樣，分別在25、50、100 kPa法向應(yīng)力下進(jìn)行快剪試驗(yàn). 重塑樣直剪試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備與實(shí)驗(yàn)步驟也按照土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)開展.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 加筋土的破壞形態(tài)

由試驗(yàn)過程與結(jié)果可以看出，試樣在剪切過程中未發(fā)生根系斷裂或土工墊損傷的情況（見圖2）. 可根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，得出不同法向應(yīng)力作用下的剪應(yīng)力，再以位移為橫坐標(biāo)，剪應(yīng)力為縱坐標(biāo)，繪制應(yīng)力-位移曲線，顯示剪切過程連續(xù)均勻、無間斷. 使用莫爾-庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則擬合加筋土的抗剪強(qiáng)度線，再分析加筋土的抗剪強(qiáng)度，可得試樣的剪切強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力c以及內(nèi)摩擦角φ.

圖2 剪切后的試樣形態(tài)Fig.2 Specimen morphology after shearing

2.2 加筋土試樣加筋特性分析

將不同含水率下的重塑樣進(jìn)行室內(nèi)直剪試驗(yàn)，由圖3 可知，不同含水率情況下，試樣的位移-應(yīng)力曲線形態(tài)有所不同，含水率對試樣強(qiáng)度變化過程有顯著的影響. 在飽和試樣中，剪應(yīng)力在位移3 mm 處達(dá)到峰值之后保持不變；在高含水率22%組次中，曲線表現(xiàn)為硬化增長型，剪切位移在6 mm前剪應(yīng)力的增長保持先快后慢的趨勢；含水率16%組次中，剪應(yīng)力在剪切位移2.5～3 mm之間達(dá)到峰值，之后保持基本不變或輕微下降；低含水率10%組次中，剪應(yīng)力在位移1～2 mm之間即達(dá)到峰值，之后便有一個明顯的下降. 含水率的逐步降低對重塑樣的影響不僅表現(xiàn)在抗剪強(qiáng)度的提高上，還表現(xiàn)在低含水率剪切過程中強(qiáng)度高、破壞塊以及高含水率剪切過程中剪應(yīng)力硬化上升的特征.

圖3 不同含水率情況下的位移-應(yīng)力曲線Fig.3 Displacement-stress curves under different water contents

圖4是法向應(yīng)力為50 kPa時，不同含水率情況下素土、垂直根系加筋土、土工墊加筋土和土工墊-植物根系加筋土等四種加筋方式下的試樣位移-應(yīng)變曲線，反映加筋后試樣剪應(yīng)力隨剪切位移的變化規(guī)律：

當(dāng)土樣含水率較高時，垂直根系加筋土、土工墊加筋土和土工墊-植物根系加筋土的剪應(yīng)力明顯高于素土的剪應(yīng)力. 但隨著土樣含水率沿梯度減少，加筋土與素土的剪應(yīng)力差值也逐漸減少. 除含水率為10%的試樣，位移-應(yīng)變曲線具有明顯的硬化特征，即剪應(yīng)力達(dá)到峰值后屈于穩(wěn)定的殘余強(qiáng)度. 在試樣含水率為10%時，位移-應(yīng)力曲線呈現(xiàn)軟化特性，如圖4 d所示，加入土工墊相比于素土反而會降低土體的抗剪強(qiáng)度，原因是土工墊對土體既有積極作用又有消極作用，積極作用表現(xiàn)為加筋體自身的抗性可以增加土體的似黏聚力，消極作用表現(xiàn)為土工墊對土體顆?？臻g的重塑折減效應(yīng). 當(dāng)含水率較高時，土體塑性較高，土體與土工墊包裹緊密且相互間變形協(xié)調(diào)性較好，此時土工墊對土體的加筋作用表現(xiàn)為似黏聚力的增加，宏觀上表現(xiàn)為土工墊加筋增強(qiáng)土樣的抗剪強(qiáng)度；當(dāng)含水率處于較低水平，土體塑性減弱，土體自身黏聚力較高，土工墊的加入對于黏聚力增加效果不明顯，相互間變形協(xié)調(diào)較差，此時土工墊對土體產(chǎn)生重塑折減效應(yīng)，表現(xiàn)為抗剪強(qiáng)度的降低.

圖4 不同加筋組合試樣位移-應(yīng)力曲線Fig.4 Displacement-stress curves of specimens with different reinforced combinations

對于單獨(dú)加入垂直根系的試樣，在不同含水率下，其剪應(yīng)力相較于素土的曲線更高，能夠提高土樣的抗剪強(qiáng)度，且垂直根系加筋土更能維持增長的趨勢. 對單獨(dú)加入土工墊的試樣，在含水率為飽和、22%和16%的情況下，位移-應(yīng)力曲線相較素土也更高，說明土工墊對土樣同樣具有增加抗剪強(qiáng)度的作用. 但是隨著含水率的降低，土工墊的加筋效應(yīng)逐漸減弱，加墊試樣與素土試樣的位移-應(yīng)力曲線差值逐步減小. 同時對不同含水率下土工墊加筋土試樣與垂直根系加筋土試樣進(jìn)行比較，可知試樣臨近破壞時（剪切位移4 mm）兩者剪應(yīng)力相當(dāng).

對同時加入植物根系和土工墊的試樣，當(dāng)含水率處于較高時，聯(lián)合加筋土試樣位移-應(yīng)力曲線顯著高于其他組次試樣，且試樣剪應(yīng)力的增長趨勢也更加明顯. 說明在最優(yōu)含水率的情況下，植物根系與土工墊的同時加入對土樣的復(fù)合作用可以使聯(lián)合加筋土的抗剪強(qiáng)度得到最大程度的提高.

2.3 不同因素對土工墊-植物根系加筋土抗剪強(qiáng)度的影響分析

2.3.1 含根量對土工墊-植物根系加筋土抗剪強(qiáng)度的影響 由圖5可知：隨著加筋土含根量的增加，抗剪強(qiáng)度線之間相對平行，說明含根量的增加主要使加筋土試樣的黏聚力c有所增加，而對內(nèi)摩擦角φ基本無影響. 由圖5c與圖5d可知：在含水率為16%的情況下，對于單獨(dú)加入植物根系的試樣，加入垂直根或分散根都能提高試樣的抗剪強(qiáng)度.

圖5 不同含根量下加筋土抗剪強(qiáng)度擬合曲線Fig.5 Fitting curves of shear strengths of reinforced soil with different root contents

2.3.2 含水率對植物根系加筋土抗剪強(qiáng)度的影響 以單獨(dú)加入垂直根系的試樣為例，由圖6a可知：隨著含水率的增加，在不同的法向應(yīng)力作用下，植物根系加筋土的抗剪強(qiáng)度都逐步減少. 而含水率對植物根系加筋土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響主要體現(xiàn)在黏聚力c值的變化，根據(jù)莫爾-庫倫準(zhǔn)則繪制垂直根系試樣黏聚力c隨著含水率變化的規(guī)律，如圖6b. 垂直根系加筋土的黏聚力c隨著含水率的增加而降低，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系：土樣含水率從10%增大到16%時，植物根系加筋土黏聚力下降28%；含水率從16%增大到22%時，黏聚力下降34%；而含水率從22%增至飽和時，黏聚力僅下降16%. 說明當(dāng)含水率較低時，隨著植物根系加筋土的飽和度逐漸增加，基質(zhì)吸力同步減小，造成了植物根系加筋土的抗剪強(qiáng)度迅速下降；含水率越高，植物根系加筋土抗剪強(qiáng)度降低幅度越小.

圖6 不同含水率下垂直根系加筋土破壞強(qiáng)度Fig.6 Failure strengths of vertical root reinforced soil with different water contents

2.3.3 含墊量對土工墊加筋土抗剪強(qiáng)度的影響 隨著土工墊的添加，加筋土的抗剪強(qiáng)度并不總是增大的.在重塑樣直剪試驗(yàn)過程中，單獨(dú)加入土工墊的加筋土的抗剪強(qiáng)度增強(qiáng)效應(yīng)與含水率有關(guān)，如圖7可見：當(dāng)土樣含水率為22%時，加入土工墊可以明顯提高加筋土的抗剪強(qiáng)度；但當(dāng)土樣含水率降至10%時，加入土工墊反而會減弱加筋土的抗剪強(qiáng)度.

圖7 無根試樣的抗剪強(qiáng)度擬合曲線Fig.7 Fitting curves of shear strengths of rootless specimens

3 結(jié)論

1）土工墊-植物根系加筋土能夠有效增加土體的抗剪強(qiáng)度，對于不同的加筋方式，其增加土樣的抗剪強(qiáng)度效果表現(xiàn)不同. 土工墊與垂直根系的聯(lián)合加筋為試樣的最優(yōu)加筋組合，而且單獨(dú)加入土工墊對土樣的加筋效果比單獨(dú)加入植物根系的加筋效果更好，其中對于植物根系加筋作用中，垂直根系要優(yōu)于分散根系.

2）高含水率使得土體基質(zhì)吸力減小，土工墊-植物根系加筋土黏聚力降低，而且含水率越高，黏聚力降幅越大，于是聯(lián)合加筋土抗剪強(qiáng)度越低.

3）低含水率時，加入土工墊不一定能夠增加土工墊-植物根系加筋土的抗剪強(qiáng)度. 隨著含水率的減少，土工墊與土體間的黏結(jié)性、運(yùn)動協(xié)調(diào)性會變差，土工墊的加筋反而對土體強(qiáng)度產(chǎn)生消極作用.

4）垂直根系或分散根系都能提高加筋土體的抗剪強(qiáng)度，其對抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響主要表現(xiàn)為土體黏聚力的增加，而對內(nèi)摩擦角基本沒有影響.