植被覆盖下膨胀土长期强度特性分析

刘正明，曹建忠，李雄威，王爱军

(1.江苏省地矿局第二地质大队,江苏常州213300;2.常州工学院土木建筑工程学院，江苏常州213002)



植被覆盖下膨胀土长期强度特性分析

刘正明1，曹建忠1，李雄威2，王爱军2

(1.江苏省地矿局第二地质大队,江苏常州213300;2.常州工学院土木建筑工程学院，江苏常州213002)

0引言

膨胀土对气候变化尤为敏感。蒸发过程引起土体水分散失，土体收缩并逐渐开裂。裂隙的存在，为雨水的入渗提供了优势渗流通道，雨水入渗引起土体强度衰减，反复的强度衰减使膨胀土边坡发生渐进性破坏。蒸发过程引起的土体裂隙为膨胀土边坡的灾变创造了前提条件，而降雨是边坡失稳最直接的诱因[1]。在广西南宁地区膨胀土边坡建立原位观测系统，现场观测得出，降雨和蒸发是控制土体含水率变化最直接的因素，蒸发效应引起的膨胀裂隙发展是边坡灾害的重要前提，降雨是膨胀土边坡灾变最直接的诱因[2-3]。大气蒸发和降雨不仅对膨胀土边坡变形影响较大，而且对膨胀土的变形模量和渗透性影响甚大，较小的降雨量就会使表层土体胀缩特性发挥到极致。降雨强度对表层土体含水率、竖向膨胀变形和水平膨胀力变化影响不大，但是会影响坡面侵蚀；降雨历时决定了土体含水率变化；有无植被覆盖边坡在相同气候条件下响应不同，有植被覆盖的边坡冲刷量、径流量和变形量均小于无植被覆盖的边坡，植被作用改善土体渗透性，调节土体温度平衡[4-5]。研究成果表明，植被覆盖有利于边坡稳定。

以上研究内容主要针对有无植被覆盖膨胀土的渗透性、裂隙性和胀缩性，而针对大气作用下有无植被覆盖膨胀土的长期强度特性，相关研究较少。本文对放置于自然环境中7个月的有、无植被覆盖膨胀土试样展开强度测试，目的是为植被作用下膨胀土的工程性质研究提供参考。

1试验土样

试验土样取自南宁市郊外，土样分布于地表以下1.5~1.8 m。天然土样为灰白色，状态可塑，黏性较强，原状样含水率较高，基本饱和。土样的裂隙面呈现蜡状光滑，表现出典型膨胀土的特征。依据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—1999)[6]的试验操作规程，获得的土样基本物理性质见表1，胀缩特性见表2，颗粒分布曲线见图1。依据膨胀潜势等级判定标准(表3)，判定灰白色膨胀土土样具有强膨胀性。

依照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—1999)，对试验土样进行了固结试验、固结快剪直剪和三轴固结排水剪切试验，试验结果见表4。三轴剪切试验中测得土体应力应变关系见图2。从试验结果可见，试验土样为中等压缩性，饱和状态的强度参数不高。

表1　膨胀土基本物理性质

表2 膨胀土胀缩特性

表3　膨胀土膨胀潜势等级判定标准[7]

表4　膨胀土基本力学性质指标

图1　灰白色膨胀土颗粒分布曲线

图2　饱和膨胀土三轴应力应变关系

2试验方案

试验的目的是分析植被对膨胀土强度的长期影响，试验中主要考虑大气的影响作用。设计2种膨胀土试样：无植被覆盖试样和植被覆盖试样。膨胀土试样由同一块土样分割而成，尺寸相同，如图3(a)。试样尺寸为40 cm×15 cm×40 cm(长×宽×高)，土体四周及底部用保鲜膜和2 cm保温棉裹紧，外侧和底面用4 cm挤塑保温板制成模型箱，将试样放置在模型箱内,然后将2种试样放置室外，见图3(b)。

(a)土样

(b)试样

2014年9月—2015年3月，历时7个月。期间经历秋冬2季，最高温度27 ℃，最低温度-6 ℃；9月降雨量最大94 mm，12月降雨量最小33 mm，同时经历2次小到中等降雪；3月天气多变，温度变化剧烈，雨水开始增多。

长期的研究结果表明，膨胀土浅层土体的湿热变化比较剧烈[8-10]。将经过7个月大气作用的有、无植被覆盖浅层土体各分4层，每层高5 cm，用直径为6.18 cm，面积为30 cm2的标准环刀进行取样，每层取4个，利用真空吸水仪进行抽气饱和，然后在保湿器中陈化48 h，再按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—1999)采用电动直剪仪进行固结直剪试验，上部荷载分别为12.5、25、50、100 kPa。

3试验结果分析

对2种膨胀土不同深度土体饱和抗剪强度数据进行整理(图4)，并对饱和抗剪强度与上部荷载进行线性拟合，发现两者之间呈良好的线性关系，线性方程见表5。

表5　抗剪强度线性方程

根据摩尔库伦强度准则，通过表5 的线性方程计算出不同位置处土体强度指标。将2种膨胀土的黏聚力c 和摩擦角φ整理对比，结果见图5。

从图中可见，在厚度5 cm左右的表层土体，无植被覆盖土体的黏聚力明显小于有植被覆盖的土体。随着深度增加，2种土体的黏聚力均有上升，说明表层土体受大气作用黏聚力衰减程度严重，随着深度增加衰减程度有所减弱；有植被覆盖膨胀土黏聚力随深度变化较平缓，而无植被覆盖黏聚力随深度变化幅度较大。

从摩擦角的变化可见，2种膨胀土在表层5 cm处的摩擦角较接近，说明有、无植被覆盖膨胀土表层土体摩擦角衰减程度较一致。随着深度增加，同一试样各深度土体摩擦角比较接近，但植被覆盖下土体的摩擦角明显大于无植被覆盖的土体，说明植被可有效降低大气对膨胀土摩擦角的影响。

(a)5 cm无植被

(b)5 cm有植被

(c)10 cm无植被

(d)10 cm有植被

(e)15 cm无植被

(f)15cm 有植被

(g)20 cm无植被

(h)20 cm有植被

以上分析可见，植被覆盖可以从黏聚力和摩擦角两方面减小大气对膨胀土强度衰减的影响。

(a)黏聚力

(b)摩擦角图5　膨胀土强度指标对比

将有、无植被作用下不同深度土体的强度指标(c，φ)对比整理成表格(表6)。20 cm深度范围内取平均值，代表膨胀土浅层土体，无植被覆盖土体c=3.06 kPa，φ=5.68°，有植被覆盖土体c=11.76 kPa，φ=9.49°。植被作用下土体黏聚力是无植被的近4倍，但是摩擦角不到无植被的2倍，说明植被对减弱膨胀土黏聚力衰减的作用更大些，而对减弱摩擦角衰减作用较小。

表6　不同深度膨胀土强度指标对比

膨胀土基本力学性质室内试验，c=17.11 kPa，φ=17.17°，对比发现，有无、植被作用下的膨胀土在大气持续作用下，均有所衰减，但衰减程度不同。无植被覆盖的土体强度衰减程度明显大于

有植被覆盖的，其中黏聚力的衰减幅度较大。

4结论

有、无植被覆盖土样放置自然环境下7个月后，利用直剪仪对其进行饱和抗剪强度试验，根据摩尔强度准则计算强度指标，并与室内试验获得原状膨胀土强度指标对比，研究发现：

1) 经过7个月大气对膨胀土作用，2种土体强度均有所下降。原状膨胀土直剪强度指标c=17.11 kPa，φ=17.17°，7个月后，无植被覆盖的下降为c=3.06 kPa，φ=5.68°，有植被覆盖的下降到c=11.76 kPa，φ=9.49°，说明无植被覆盖土体强度衰减幅度大于有植被覆盖的。

2)植被覆盖可降低大气对膨胀土强度的影响，植被作用可有效地维持膨胀土的黏聚力。

本文是在植被生长7个月后开始的试验，植被的根系还没完全生长发育，试验时植被处于浅根系状态，待植被完全生长发育后还可考虑植被根系加筋作用对膨胀土强度的影响。

[参考文献]

[1]孔令伟,陈建斌,郭爱国，等.大气作用下膨胀土边坡的现场响应试验研究[J].岩土工程学报,2007(7):1065-1073.

[2]陈建斌,孔令伟,郭爱国,等.降雨蒸发条件下膨胀土边坡的变形特征研究[J].土木工程学报,2007(11):70-77.

[3]卢再华,陈正汉,蒲毅彬.膨胀土干湿循环胀缩裂隙演化的CT试验研究[J].岩土力学,2002(4):417-422.

[4]李雄威,孔令伟,郭爱国.气候影响下膨胀土工程性质的原位响应特征试验研究[J].岩土力学,2009(7):2069-2074.

[5]李雄威,孔令伟,郭爱国.植被作用下膨胀土渗透和力学特性及堑坡防护机制[J].岩土力学,2013(1):85-91.

[6]中华人民共和国水利部.土工试验方法标准:GB/T 50123—1999[S].北京：中国计划出版社,1999.

[7]交通部第二公路勘察设计院.公路设计手册：路基[S].北京:人民交通出版社,1996.

[8]陆定杰,陈善雄,罗红明，等.南阳膨胀土渠道滑坡破坏特征与演化机制研究[J].岩土力学,2014(1):189-196.

[9]CHENG Zhanlin,DING Jinhua,RAO Xibao,et al.Physical model test on expansive si slope[J].Chineses Journal of Geotechnical Engineering,2014(4):716-723.

[10]黎伟,刘观仕,汪为巍,等.湿干循环下压实膨胀土裂隙扩展规律研究[J].岩土工程学报,2014(7):1302-1308.

责任编辑：唐海燕

摘要：对放置于自然环境中7个月的有、无植被覆盖膨胀土试样，在20 cm深度范围内各分4层取样进行饱和直剪试验，植被覆盖下表层土体平均强度指标为c=11.76 kPa，φ=9.49°，无植被覆盖下为c=3.06 kPa，φ=5.68°。与原状土样(c=17.11 kPa，φ=17.17°)对比发现，大气作用下有、无植被覆盖膨胀土强度都有所衰减，但无植被覆盖的衰减幅度较大，植被作用可有效降低膨胀土强度的衰减幅度。

关键词：膨胀土；植被；长期强度；大气作用

The Long-term Strength Characteristic of Expansive Soil Under the Vegetation ActionLIU Zhengming1,CAO Jianzhong1,LI Xiongwei2,WANG Aijun2

(1.The 2nd Geological Brigade of Jiangsu Geology & Mineral Exploration Bureau,Changzhou 213300;2.School of Civil Engineering and Architecture,Changzhou Institute of Technology,Changzhou 213002)

Abstract：Expansive soil with or without vegetation was placed in natural environment for seven months.Soil samples at four layers were taken respectively from 20 cm depth range of shallow soil,and saturated direct shear tests were carried out.The results show that for expansive soil with vegetation,the average strength indexes of surface soil arec=11.76 kPa andφ=9.49°;for expansive soil without vegetation,the average strength indexes arec=3.06 kPa andφ=5.68°;But for undisturbed expansive soil,the strength indexes arec=17.11 kPa andφ=17.17°.By comparison,it can be found that the atmospheric action has attenuation on expansive soil strength with or without vegetation,but for expansive soil without vegetation,attenuation amplitude of strength are bigger.The role of vegetation can effectively reduce the strength of expansive soil attenuation.

Key words：expansive soil;vegetation;long-term strength;atmosphere action

中图分类号：TU443

文献标志码：A

文章编号：1671- 0436(2015)05- 0001- 05

作者简介：刘正明(1968—)，男，研究员级高级工程师，注册土木(岩土)工程师。

基金项目：江苏省地质矿产局科研项目(2014-KY-4)；江苏省科学技术厅基础研究计划(自然科学基金)面上研究项目(BK20131141)；江苏省高校“青蓝工程”项目

收稿日期：2015- 08- 02

doi:10.3969/j.issn.1671-0436.2015.05.001