植物根系改良鄂东矿渣混合土抗剪强度的研究

2020-02-11曹志国张定邦潘梓祺

湖北理工学院学报 2020年1期

曹志国，张礼，张定邦，潘梓祺，齐港

(湖北理工学院土木建筑工程学院，湖北黄石 435003)

矿冶是鄂东地区黄石市的支柱产业，其产生的大量尾矿渣多采用高堆坝的方式堆置，不仅占用土地、污染水源，而且当坝体无法承受自身自重或遇到地震等外力作用时，会发生大规模溃坝事件，极易造成巨大的生命和财产损失[1-2]。因此，尾矿渣的资源化利用逐渐成为城市绿色发展的重难点课题。

软土是鄂东地区广泛分布的不良土质。以适量尾矿渣为改良剂加入软土之中，不但可以加强软土的力学性能，使之运用于路基填筑[2-3]，而且可为尾矿渣的合理处置提供新的途径。楼泠妙等[4]利用GGBS(高炉矿渣粉)和石灰改良上海软土，当采用3%石灰和7%矿渣混合加固上海软土时效果最显著。张鸿迪[5]以宝兰客运专线现场土样为基础，采用具有一定水硬性的矿渣粉和生石灰材料来改良黄土，提高了黄土的强度。

利用植物根系的加筋和锚固效应来提高工程中土体的强度，具有保护环境、净化空气、降低工程造价等显著优点，因此被广泛研究和运用。马强等[6]基于根-土相互作用机理，对直根系根-土复合体进行了受力分析，推导了的根-土复合体的抗剪强度计算公式，将计算结果与现场实测值进行对比，并对折减系数、含根量、植物种类根-土复合体抗剪强度等主要影响因素进行了参数分析。王保辉等[7]以莎草科植物为对象，进行了植物根-土复合体抗剪强度试验，分析了根系方位及根系直径对根-土复合体抗剪强度的影响规律。

目前，关于尾矿渣再利用的研究主要集中在矿渣-软土混合料方面，关于植物防护的研究主要集中在对植物根系的“加筋”效果上，而利用植物根系改良软土-矿渣混合土的研究鲜有涉及，特别是植物根系对鄂东地区矿渣-软土混合料抗剪强度的影响规律尚不明确。鉴于此，本文从植物根系提高矿渣混合土的抗剪强度的角度出发，通过室内抗剪强度试验，探讨了最优含水率、铜矿渣含量和根系密度对混合料抗剪强度的影响，为矿渣的资源化利用和植物防护工程的设计提供理论依据。

1 试验与方法

1.1 试验材料

试验用土取自黄石市下陆区青龙山地表30 cm以下，其有机质含量较低。土体在天然状态下呈红褐色，天然密度为1.61 g/cm3，天然含水率为17.2%，液限为43.2%，塑限为25.6%。

试验用铜矿渣取自湖北省大冶市某铜尾矿渣库。所选铜矿渣在天然状态下呈黄褐色，其天然密度为1.68 g/cm3，天然含水率为2.56%，液限为19.8%，塑限为15%。

试验选取紫穗槐的根系作为改良矿渣混合土的植物根系。紫穗槐为多年生植物，较广泛地分布于我国湖北、安徽、河南、江苏、四川等地，其气候适应能力强，耐瘠、耐水湿和轻度盐碱土，根系发达，有利于加固土壤，能富集土壤中的重金属物质。

1.2 击实试验

击实试验的目的是测定土样的含水率与干密度的关系，进而得到土样的最佳含水率和最大干密度。击实试验的主要试验设备包括拌合机、击实桶、轻型击实仪、环刀、烘箱、天平等。试验时，先将干土分组，在每组土样中加入不同体积的纯净水，用拌合机拌合均匀；然后将各组分别放入带有编号的击实桶内，将击实桶放到轻型击实仪上进行分层击实；最后依次取出被击实后的土样，用环刀取样测定环刀内土样的重量，并除以环刀的内空体积，从而得到不同含水率的土样密度。

1.3 抗剪强度试验

抗剪强度试验的目的是测定土样在50，100，200，400 kPa 4种垂直荷载状态下的极限剪切力，进而得到土样的抗剪强度、内摩擦角和粘聚力。抗剪强度试验的主要试验设备包括直剪仪、环刀、百分表、透水石、砝码等。试验时，先用环刀切取4组不同含水率状态下的土样，并放置在剪切盒内；然后通过砝码在剪切盒顶盖上分别施加50，100，200，400 kPa 4种垂直压力；最后开动剪切仪对土样进行剪切，读取试件发生剪切破坏时的最大水平推力，即土样的极限剪切力。

1.4 根系抗拉试验

自制的根系抗拉试验装置如图1所示。试验时，用橡胶夹具固定根系，夹具末端用挂钩连接砂桶，通过砂桶装砂施加荷载。夹具下配有拉力环，以测量抗拉试验时的作用荷载。根系的抗拉强度计算公式为：

(1)

式(1)中，f是根系的抗拉强度(N/mm2)；G1是砂桶的重量(kg)；G2是砂桶中砂的重量(kg)；D是根的直径(mm)。

通过紫穗槐根系抗拉试验，可得出紫穗槐根系的抗拉强度与根系直径的关系，从而选择最优直径的根系，用于植物根系改良矿渣混合土抗剪强度的试验研究。

图1 根系抗拉试验装置示意图

1.5 含根矿渣混合土的抗剪强度试验

试样采用含根量来控制，含根量是指某个土层断面上所有根系的截面积与总断面面积的比值。本试验把每50 cm3试样中根的质量定义为含根量[8]。试样制备时，先将矿渣和土混合搅拌均匀，然后放入击实桶中击实成型，再将根系垂直均匀插入土体中，再次击实使混合土达到最佳密实度，最后用环刀切取土样进行抗剪强度试验。

式中:α为归一化的反应进程;A为指前因子;n为反应级数;E为活化能;R为理想气体常数;t为反应时间,T为样品温度。在绝热追踪阶段,当环境温度和样品温度时刻相等时,满足样品反应自放热完全用于系统温度升高的条件,则可得到热平衡方程:

2 分析与讨论

2.1 原材料力学性能试验结果分析

2.1.1试验用土的力学性能

由击实试验得到的土样的含水率与干密度的关系如图2所示。由图2可知，试验用土的最大干密度为1.72 g/cm3，最佳含水率为19.8%。土样的抗剪强度试验参数见表1。由表1可知，试验用土的粘聚力为58.82 kPa，内摩擦角为7.0°。

图2 土样的含水率与干密度的关系

表1 土样的抗剪强度试验参数

注：最大偏差率=(最大值-最小值)/平均值。

2.1.2铜矿渣的力学性能

铜矿渣的含水率与干密度的关系如图3所示。由图3可知，铜矿渣的最大干密度为2.09 g/cm3，最佳含水率为10.3%。铜矿渣的抗剪强度试验参数见表2。由表2可知，铜矿渣的粘聚力为0.44 kPa，内摩擦角为37.9°。

图3 铜矿渣的含水率与干密度的关系

表2 铜矿渣的抗剪强度试验参数

注：最大偏差率=(最大值-最小值)/平均值。

2.1.3植物根系的力学性能

紫穗槐根系的直径与抗拉强度关系如图4所示。

图4 紫穗槐根系的直径与抗拉强度关系

由图4可知，随着紫穗槐根系直径不断增大，其可承受的极限拉力不断增加，抗拉强度极大值约为18.58 N/mm2，但当紫穗槐根系直径大于1.5 mm后，其抗拉强度逐渐递减。这是由于此时的根系纤维密度最大。因此，确定抗剪强度试验中试块内的植物根系直径为1.5 mm。

2.2 混合料力学性能试验结果分析

为了寻找混合料的最佳含水率，制备了若干试样，其含根量为0.7 g/50 cm3，铜矿渣重量百分比为16.1%，含水率为12% ～ 21%。不同试件的抗剪强度与含水率的关系如图5所示。由图5可知，当含水率小于15.3%时，混合料试样的抗剪强度随含水率增加而增加；当含水率大于15.3%时，混合料试样的抗剪强度开始下降。因此，混合料的最佳含水率为15.3%。

图5 不同试件的抗剪强度与含水率的关系

2.2.2最佳铜矿渣含量

为了寻找混合料中铜矿渣与土的最佳配合比，在含水率为15.3%、含根量为0.7 g/(50 cm3)的条件下，制备了若干试样，其铜矿渣占混合料的重量百分比为10% ～ 20%。不同试样的抗剪强度与铜矿渣含量的关系如图6所示。

图6 不同试样的抗剪强度与铜矿渣含量的关系

由图6可知，当铜矿渣含量小于16.1%时，混合料试样的抗剪强度随铜矿渣含量增加而增加；当铜矿渣含量大于16.1%时，混合料试样的抗剪强度开始下降，最大剪切强度为272 kPa。因此，混合料的最佳铜矿渣含量为16.1%。

2.2.3最佳含根量

为了寻找混合料中的最佳含根量，在含水率为15.3%、铜矿渣含量为16.1%的条件下，制备了若干试样，其含根量在(0 ～ 1)g/(50 cm3)之间。不同试样的抗剪强度与含根量的关系如图7所示。由图7可知，当含根量小于0.7 g/(50 cm3)时，混合料试样的抗剪强度随含根量增加而增加；当含根量大于0.7 g/(50 cm3)时，混合料试样的抗剪强度开始下降。因此，混合料的最优含根量为0.7 g/(50 cm3)。