根土复合体应力应变特性的试验研究＊

俞晓丽,吴能森,谢成新,邹文平,林智雄

(福建农林大学交通学院,福建福州35002)

0 引言

根土复合体顾名思义就是根与土的结合体,即在土中加入草根而成的一种复合体,草根通过与土体之间的摩擦力将自身的抗拉强度与土体的抗压强度结合起来,从而提高了土体的强度,减小了变形。

国外自20世纪70年代开始,就有许多学者通过三轴、直剪和拉拔试验等手段对根土复合体的应力-应变以及强度特性进行了研究[1],如：Gray andOhashi(1983)以及Mather andGray(1990)利用直剪试验,证明了砂土中生长少量根系就能显著提高砂土的抗剪强度[2-3];Greenway(1987)运用力学知识,总结得出植物对边坡的加固作用主要是通过植物根系来起作用的[4]。而我国关于根土复合体的研究相对较迟,如：王可钧(1998)进行了植物固坡的力学简析[5];姜志强等(2005)进行了根系固土作用及植物护坡稳定性分析[6];郭维俊等(2006)进行了土壤-植物根系复合体本构关系的理论研究,并就植物根系若干力学问题研究进行了探索[7-8];姚环等(2007)研究了香根草的力学特性,并对其固土力学特性进行了模拟试验以及对香根草固土护坡效果概化力学模型计算进行了分析评价[9];陈昌富等(2007)采用室内三轴试验的方法研究了狗尾草草根加筋土的应力-应变关系以及强度特性,其结果表明含根土的强度和抵抗变形的能力比较素土有显著的提高[10]。

1 试验仪器、材料和试验方法

1.1 试验仪器

试验仪器采用南京土壤仪器厂生产的SLB-1型应力应变控制式三轴剪切渗透试验仪,该仪器主要由试验机、压力室、试验机控制系统、周围压力控制系统、反压控制系统、主应力差量测系统、控制压力传感器、排水传感器、体变传感器、数据采集系统、计算机等组成。仪器采用空气施加围压,计算机自动采集和处理数据。三轴试样由三瓣模来进行制备,其直径为39.1 mm,高度为80 mm,截面积为12 cm2。

1.2 试验材料

此次取样地点位于国道316线K41+150-190处,边坡坡度为29.6°,属中等坡度,坡长12.3 m,坡高6.1 m。由于此次取样地点的土质较差(碎石含量过高),无法采集到根土复合体的原状土,并且需要采集的试样较多,不便带回室内,然而野外试验又受到时间、环境条件、试验设备的限制,故只能采用扰动土进行试验。试验采用的是香根草的草根,香根草种植的时间是2009年4月,种植范围12.3m×31.0 m,种植面积为381.3 m2,株距45 cm左右。通过草根的长度以及质量来控制加筋的数量。试验时草根统一采用30 mm的长度,直径为0.05～0.30 mm,并且每层所加草根的直径分布大致相当,然后称量每层草根的质量。

试验土样选用的是砂质粘土,经过试验,其物理力学性质指标见表1。

表1 砂质粘土的主要物理力学性质指标

1.3 试验方法

试验用土依照《公路土工试验规程》扰动土样的制备程序来进行处理：首先将土样放入烘箱恒温110℃烘干8 h,取出土样将其放到橡皮板上用木碾碾散过2 mm筛,其次按设计含水量配土,取适量烘干后的土,计算所需加水量,将土样铺到不吸水的铁盘内,用喷壶喷洒预计的加水量,充分拌合。试验用草根统一长度3 cm,然后用游标卡尺测其直径,由于草根的直径沿长度方向是变化的,因此测量直径时采用两端和中间三者的平均值。为保持同一性,测质量时先用吸水纸把草根表面的水吸干后再称量。

试验试样为重塑土,分四层击实,每层土的数量相等,各层接触面用小刀刨毛。对于加筋的试样草根分别布置在试样高度的1/4、1/2和3/4处,放置草根时应使其在试样截面方向分布均匀。试验分加筋土和素土两种情况,对于加筋土全部为三层加筋,每层加筋数量(g/层)又分为8种情况,分别为0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8和1.0。为了保证试验准确,每组取4个相同的试样,分别在围压40 kPa、70 kPa、100 kPa和130 kPa下进行试验,试验时土样不饱和,采用固结不排水的方式加载,加荷速率为0.8 mm/min[11]。

2 试验结果及分析

2.1 土体的应力应变

图1、图2为素土与根土复合体在剪切过程中的轴向应变与主应力差之间的关系。由图1、图2可以看出,无论是素土还是根土复合体,在轴向应变ε1相等条件下,主应力差值(σ1-σ3)随围压增大而增大,且当ε1较小时,不同围压下的应力-应变关系曲线都比较接近,有的甚至重合在一起,但随着ε1的逐渐增大,应力-应变关系曲线的距离才逐渐随之增大,最终趋于稳定,这一方面说明根土复合体仍具有素土的应力应变特性,另一方面说明草根对土体应力应变特性的影响只有在ε1较大时才比较明显。还有,在相同的轴向应变条件下,当ε1达到一定值时,与素土相比,根土复合体的(σ1-σ3)明显更高,这反映了草根具有增强土体强度和抵抗变形能力的作用,而且这种增强作用受草根含量的影响。

图1 素土(σ1-σ3)～ε1的关系曲线

2.2 土体的抗剪强度

以含水量为21%为例,分别将素土和草根含量为0.6 g/层的含根土的试验结果,在τ-σ应力平面上绘制不同围压下(40kPa、70kPa、100kPa和130kPa)的摩尔应力圆,并绘制强度包线,如图3所示。以这种方式可得到不同草根含量下根土复合体的抗剪强度指标c、φ值,见表2。

图3 根土复合体与素土的强度包线

为了定量描述香根草根系对土的粘聚力和内摩擦角的影响,假设含根土的粘聚力为c1,素土的粘聚力为c2,含根土的内摩擦角为φ1,素土的内摩擦角为φ2,则粘聚力的增长率为εc=(c1-c2)/c2,内摩擦角相对误差εφ=(φ1-φ2)/φ2。εc、εφ的计算结果见表2。

表2 抗剪强度指标的比较

从图3可以看出,根土复合体与素土的强度包线接近平行,这意味着根土复合体与素土的内摩擦角φ相差不大,草根对土体的增强作用主要表现为粘聚力的增大。这点从表2的εc、εφ值可以得到较充分的反映,尤其草根含量为0.2～0.7g/层时反映更充分,此时εφ局限在-8.33%～+2.78%的较小范围内,而εc高达+123.4%～+547.0%。绘制根土复合体粘聚力的增长率εc与草根含量的关系曲线,如图4所示。可见εc随草根含量的增加呈先增大后减小的分布特点,这表明在根系层数一定时,根土复合体存在一个最佳含根量。

图4 粘聚力增长率与草根含量的关系

上述试验结果的机理分析：当根系含量较小时,伴随草根含量的增加,草根与土体的接触面积会随之增大,由草土摩阻力产生的横向约束力也随之增大,这相当于使围压σ3增加,从而相应增大轴向应力σ1。因此,按施加围压σ3和增大后的轴向应力σ1绘制的应力圆随之变大,而且当根含量一定时,实际的围压增量一定,则各围压下的轴向应力σ1增量也就相当,这样根土复合体与素土的强度包线就近乎平行,从而表现为粘聚力明显增大而内摩擦角变化很小的现象。但当含根量大于某一限值后,在草与土之间会形成草垫层,使得一部分草根没有与土体接触,导致摩阻力及由其产生的横向约束力降低,因此粘聚力的增量也就随之降低。

2.3 土体的破坏形态

图5为素土和含根土试样三轴剪切破坏后的形态：图5a为15%含水量素土试验前的试样外形;图5b和图5c分别是围压70 kPa和100 kPa时15%含水量素土试验后的外形;图5d为15%含水量,含根量0.6g/层试验前的试样外形;图5e、图5f分别为围压70 kPa和100 kPa时15%含水量,含根量0.6g/层试验后的试样外形。从图5b、图5c可以观察到,素土的横向变形基本呈中部大、上下小的渐变状,这是因为试样的上下两端与加载装置之间存在摩擦力,使得两端受到约束作用,而试样中部受到约束作用小的缘故;而从图5e、图5f看,含根土样在加草根层处横向变形有所减小,尤其在试样的中部,这也是草土摩阻力产生的横向约束力作用的结果。此外,含根土样中部和上下端的横向变形的渐变趋于平缓,这表明草根具有协调土体变形的作用,并使土体能较充分地开展变形。

图5 三轴试验前后试样形态

3 结论

⑴根土复合体具有和素土基本相同的应力-应变特性,但是在应变较大时,根土复合体的主应力差较素土有明显的增加,说明了草根具有增强土体强度的作用,而且这种增强作用受草根含量和围压的影响。

⑵草根对土体的增强作用,表现为粘聚力的明显增长,而内摩擦角的变化幅度很小,尤其草根含量为0.2～0.7 g/层时反映更充分。但粘聚力的增长率呈先增加而后再减小的分布特点,即在相同的添加草根层数的条件下,根土复合体存在一个最佳含根量,此时根土复合体的强度最大。

⑶由于草土摩阻力产生的横向约束力的作用,以及草根具有协调土体变形并使土体能较充分地开展变形的作用,根土复合土不仅较素土的强度高,而且具有与素土有所不同的剪切破坏形态。

实际上,香根草根系对于土壤的加固作用更像是一种“钉网效应”,根系的水平须根具有加筋作用,而垂直的根系就像是土钉,将根系牢固地牢“钉”在土中,这种水平和垂直根系的共同作用而产生的“钉网效应”,使土体在整体空间上得到增强。

[1] 谢婉丽,王家鼎,王亚玲.加筋黄土变形和强度特性的三轴试验研究[J].地球科学进展,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] 王可钧,李悼芬.植物固坡的力学简析[J].岩石力学与工程学报,1998,17(6)：687-691.

[6] 姜志强,孙树林,程龙飞.根系固土作用及植物护坡稳定性分析[J].勘察科学技术,2005(4)：12-14.

[7] 郭维俊,黄高宝,王芬娥,等.土壤-植物根系复合体本构关系的理论研究[J].中国农业大学学报,2006,11(2)：35-38.

[8] 郭维俊,黄高宝,王芬娥,等.植物根系若干力学问题研究[J].中国农机化,2006b(2)：84-88.

[9] 姚环,沈骅,李颢,等.香根草固土护坡工程特性初步研究[J].中国地质灾害与防治学报,2007,18(2)：63-68.

[10] 陈昌富,刘怀星,李亚萍.草根加筋土的室内三轴试验研究[J].岩土力学,2007,28(10)：2041-2045.

[11] JTJ 051-93,公路土工试验规程[S].

[12] 黄伟.岩土工程中的方法论[J].平顶山工学院学报,2008,17(6)：62-64.