种植香根草根系对膨胀土特性影响的试验研究

2020-06-04李润发王桂尧张永杰黄永刚

公路交通科技 2020年5期

李润发，王桂尧，张永杰，黄永刚

(长沙理工大学土木工程学院，湖南长沙 410114)

0 引言

膨胀土是一种由强亲水性黏土矿物组成的典型非饱和黏土，具有吸水膨胀软化、失水收缩干裂等特性，经常表现为多裂隙、超固结、反复胀缩等特征。对于膨胀土边坡治理，大量工程实践表明，相比刚性防护与锚杆支护等传统处治方式，采用柔性加筋治理的膨胀土边坡稳定性与经济性均优于传统治理方式。

在膨胀土边坡柔性加筋处治的方法研究方面，雷胜友等[1]通过加筋纤维的方式，得到可有效抑制膨胀土膨胀性的纤维加筋最优加筋率；王协群等[2]采用土工格栅加筋膨胀土，得到加筋可提高膨胀土的边坡稳定性且竖向加筋效果最好的结论；汪明元等[3]研究了聚酯双向土工格栅加筋膨胀土的问题，认为加筋可改变膨胀土的破坏模式并提高土体的峰值强度与残余强度;钱叶琳等[4]利用黄麻纤维加筋膨胀土，得到土体抗剪强度随黄麻纤维长度的增加先增后减的结论；张小平等[5]利用聚丙烯纤维加筋膨胀土，得到总胀缩性随纤维含量增高而降低的结论。而在利用植物根系加筋处治膨胀土边坡病害研究方面，刘正明等[6]采用植被覆盖膨胀土证明植被可降低大气对膨胀土强度的影响；周成等[7]利用香根草加筋重塑膨胀土试验，认为香根草根系可抑制膨胀土的膨胀变形、降低膨胀力，根土复合体含水率接近最优含水率时膨胀力最大。但添加死根系与种植活根系对膨胀土物理力学特性是否存在不同的影响还不得而知，添加根系制作的膨胀土根土复合体与生长于膨胀土中的活根系根土复合体是否具有不同的物理力学特性也缺乏研究，因此，能否利用种植香根草的深长茂密根系的柔性加筋作用处治膨胀土的膨胀性问题存在疑问。为此，本研究在膨胀土中种植香根草制备土样，通过根土复合体的无荷膨胀率、膨胀力和强度试验，研究种植香根草根系对膨胀土物理力学特性的影响，以便为进一步研究利用香根草处治膨胀土边坡病害问题提供依据。

1 试验材料

试验用土为某开挖边坡的棕红色弱膨胀土，土样基本物理特性如表1所示。以内径20 cm，高45 cm 的PVC管作为根土复合体培育容器。香根草作为一种无性繁殖的禾木科草本植物，具有根系深长发达、生长速度快、耐酸碱性强、力学性能突出、生态作用明显等特点。选取长势良好的香根草，在春季种植于土样中。

表1 试验土样的基本参数Tab.1 Basic parameters of test soil sample

2 试验方法

2.1 分组原则及制样方法

由于弱膨胀土的物理力学性质主要受密实度与含水率影响，因此试验采用95%，92%，90%的压实度，按5 cm高度为1层控制压实度，分3层在击实模具内击实并脱模，击实模具为内径19.8 cm、高20 cm的高强透明玻璃管，击实后从模具底部往上各层压实度分别为95%，92%，90%。将击实后15 cm高的土柱从模具内脱出，按照95%压实度土层在上，90%压实度土层在下，将其倒放入PVC管内后刮毛上表面，按照相同上下顺序将另一土柱放入PVC管与管内土柱拼接为高30 cm的击实土(图1)，使高压实度土层靠近地面。为方便取出根土复合体土样，PVC管切留一条裂缝，用胶带粘贴裂缝及PVC管内壁，用土工布封底。图1中K表示土样压实度。

图1 压实示意图Fig.1 Schematic diagram of compaction

由于击实土无法直接移植香根草，需在击实土上表面覆盖10 cm高松散种植土，取样时去除种植土只保留压实土，每根PVC管种植5～6株草苗，随着香根草根系发育扎入压实土内形成根土复合体，按照此法制得24组试样(图2)。制样完成后将PVC管埋入地下，以使香根草根系生长发育过程中含水率受大气影响相对较小，每根PVC管每次浇水300 mL，试验场地用透明雨棚保证采光的同时防止降雨对试样造成影响。

图2 香根草培育Fig.2 Vetiver cultivation

在香根草培养容器内观察香根草生长情况，统计其根系生长发育规律，其中生长90 d和 180 d的根系外观与生长分布情况如图3～图4所示。

图3 根系分布Fig.3 Root distributions

由图4可知，90 d香根草在0～20 cm深度范围内根径大多超过1 mm，20～30 cm深度范围内根径大多小于1 mm，同深度范围180 d香根草根系比90 d 香根草根系粗壮密多。

2.2 取样及含根量统计方法

香根草生长90 d和180 d(图5)后在PVC管内取样得到试验根土复合体(图6)。观察统计90 d和180 d根系的分布形态，确定环刀取样位置，用剪刀剪去上部茎叶，然后用土工刀切去种植土得到根土复合体试样，切割时配合剪刀小心剪断根系，避免对根土复合体的扰动，用金刚砂线锯配合剪刀将根土复合体按5 cm高度为1层切割为土饼，将土饼放入有侧限约束的脱模器内用环刀取样，每层切取2～3个试样并测记含水率，环刀直径为61.8 mm，高为20 mm。

图5 香根草Fig.5 Vetiver

图6 根土复合体Fig.6 Root soil complexes

收集试验结束后的土样浸泡于清水中2～3 h，待土体崩解后过0.25 mm筛，用清水冲洗滤网表面的根系并收集得到草根后称重，按式(1)计算得到含根量：

(1)

式中，δ为含根量；m为根系质量；V为土样体积。

2.3 试样筛选及素土配制方法

香根草生长90 d后取样，样本量为10根PVC管，取含水率相差1%之内的土样进行无荷膨胀率、膨胀力、直剪试验。当香根草龄期达180 d后，按照相同方式取样，每层以90 d有效试样含水率为基准得到180 d同层试样。根据90 d与180 d有效土样含水率平均值配制该层素土试样进行对比试验。0～5，5～10，10～15，15～20，20～25，25～30 cm为土样的不同深度范围。

图7 深度膨胀时程曲线Fig.7 Curves of depth expansion time history

2.4 无荷载膨胀率和膨胀力试验

按照《土工试验规程》(SL237—1999)，对 90 d 与180 d龄期根土复合体试样进行无荷膨胀率试验，用平衡加压法测定膨胀力，试验结束后收集试样统计含根量。无荷膨胀率为土样在有侧限约束条件下膨胀增量与土样初始高度之比值，膨胀力为土样在吸水膨胀时所产生的内应力。

由于相邻两层压实度不同，而压实度相同不同深度位置土层的含水率差异超过2%，因此无法进行竖向不同深度范围土层的对比试验，只进行同一深度范围内不同含根量根土复合体的膨胀性比较试验。

2.5 直接剪切试验

试验按照《土工试验规程》中的快剪试验方法，采用等应变直剪仪进行试验。

3 试验结果及分析

3.1 无荷膨胀率试验结果及分析

无荷膨胀率试验结果如图7所示，90和 180表示生长龄期，P表示根土复合体试样，SP表示素土试样，A～F表示不同取样深度，1和2表示平行试验组号。由文献[8]可知，膨胀力的产生发展可分为吸水膨胀、加速膨胀和缓慢膨胀3个阶段。由膨胀时程曲线可知，植物根系可加快吸水膨胀阶段的膨胀土膨胀潜势释放，当膨胀潜势释放至一定程度时，根系对膨胀潜势有抑制作用。

(1)由图7(a)和图7(d)可知，0～5 cm层与15～20 cm层根土复合体膨胀稳定时间大于素土，而无荷膨胀率小于素土，且无荷膨胀率随含根量的增高而降低，说明香根草根系的包裹加筋作用可降低膨胀土的膨胀性。由于该两层土样的密实度高，而高密实度下根系的阻流作用[9]使得进入土体的水分减小，从而延缓膨胀潜势的释放。

(2)由图7(c)和图7(f)可知，10～15 cm层与25～30 cm层根土复合体无荷膨胀率和膨胀稳定时间均小于素土，说明该两层香根草根系加快了膨胀潜势的释放，这与0～5 cm和15～20 cm层的试验结果不同。这是因为密实度较低时，根系提高了土体渗透性，吸水膨胀完成时间变短，因此膨胀稳定时间较短。

3.2 膨胀力试验结果及分析

膨胀力试验结果如表2所示，相同深度范围试样的密度和含水率相差很小，因此假定密度与含水率相同。由试验结果可知，含根量不同土样的膨胀力相差较大。

由表2可知，同深度范围，含根量高的180 d根土复合体膨胀力均小于含根量低的90 d根土复合体，说明香根草根系有减小膨胀力的作用，这与雷胜友等采用麻丝纤维加筋膨胀土的试验结果相同。这是因为香根草根系抑制膨胀力的机理类似于纤维材料，即通过根系网的包裹作用限制土体变形，同时根系与土体界面的摩擦力抵消和抑制了部分膨胀力，且根系比表面积越大，则根土接触面积越大，抑制作用也越明显。相同含根量下，根系质量相同的细根比粗根拥有更多的根系数量和更大的比表面积，因此相同含根量下细根加筋效果优于粗根。

图8为同深度范围、不同含根量根土复合体与素土膨胀力差值ΔP的关系曲线，拟合曲线方程如表3所示。由图8及表3可以看出，ΔP与δ呈较明显的线性关系，相关系数最小为0.91，最大为0.98，线性关系良好，说明含根量越高膨胀力降幅越大，根系对膨胀力的抑制作用越明显[10-11]。

3.3 室内直剪试验结果及分析

90 d根土复合体的应力-位移关系除0～5 cm土层呈应变软化型外，其余土层均呈应变硬化型，见图9(a)；而180 d根土复合体所有土层均呈应变软化型，见图9(b)。90 d和180 d根土复合体抗剪强度结果如表4所示，拟合公式如表5所示。黏聚力增量ΔC及内摩擦角增量Δφ与含根量关系的拟合曲线如图10～图11所示，拟合方程分别见表6、表7。

表2 膨胀力试验结果Tab.2 Expansion force test result

由图9可知，`90 d根土复合体应力-应变关系除0～5 cm层呈应变软化型之外，其余土层均呈应变硬化型，而180 d根土复合体各土层均呈应变软化型。同深度范围内，180 d根土复合体含根量高于90 d 根土复合体，说明含根量对根土复合体应力-应变关系影响显著。因为90 d根土复合体根系细少，其根系抗拉强度低，剪应变未达到土体允许最大变形时根系已被拉断，根系拉断后土体承担剪应力，根系加筋效果不明显，因此90 d根土复合体的应力-应变关系几乎均呈应变硬化型。180 d根土复合体香根草根径粗大，根系密集且抗拉强度高，剪应变达到峰值后，细根被拉断，粗根与接触面产生滑动位移，根系受力由静摩擦力转为滑动摩擦力，当滑动位移达到极值后，摩擦力大幅减小，抗剪强度迅速降低，故呈应变软化型；软化程度与土层密实度有关，高密实度土层如0～5 cm土层软化程度大于其他低密实度土层，这是因为高密实度土层土粒咬合紧密，根系与土体有效接触面积大，因而摩擦力大，峰值强度高，软化程度比其他低密实度土层高。

图8 ΔP-δ关系曲线Fig.8 ΔP-δ curves

表3 ΔP-δ拟合公式汇总Tab.3 Summary of fitting formulas

图9 应力-应变曲线Fig.9 Curves of stress vs. strain

由表4可知，0～5 cm土层180 d根土复合体黏聚力相比素土最大提高181.81 kPa，90 d根土复合体黏聚力比素土最大提高45.02 kPa，5～10 cm土层180 d根土复合体黏聚力比素土最大提高91.45 kPa，90 d根土复合体黏聚力比素土最大提高23.43 kPa。同深度范围内，90 d根土复合体内摩擦角φ值略小于素土，这与文献[12]的试验结果相同，但同深度范围内，180 d根土复合体内摩擦角φ值比素土有较明显提高。这是因为90 d根土复合体含根量低，根系抗拉强度小于最大静摩擦力，随剪切位移增大根系被拉断几乎不产生滑动摩擦力；180 d根土复合体含根量高，根系抗拉强度大于最大静摩擦力，随剪切位移增大根系被拉出产生滑动摩擦力提高了土体内摩擦角，故180 d根土复合体黏聚力C与内摩擦角φ比素土均有明显提高。

由图10、图11及表6、表7可知，黏聚力增量ΔC与含根量δ呈线性关系，相关系数最小为0.91，最大为0.99，说明香根草根系可提高黏聚力，ΔC-δ拟合曲线斜率越高，含根量影响越显著。同深度范围内，黏聚力增量ΔC随含根量δ呈线性增高，这与国内外其他学者的研究不同[13-17]。理论上讲，同深度范围内黏聚力增量ΔC不可能随含根量δ无限增大，当含根量δ超过某一值后，ΔC将随δ增大而减小，造成这种试验结果的原因主要是试验种植香根草生长发育时间短，整体含根量较小未达到最优含根量，因此ΔC随δ线性增大。内摩擦角增量Δφ与含根量δ也呈近似线性关系，相关系数最高为0.98，最低为0.62，但高含根量0～15 cm范围土层相关系数明显高于低含根量15～30 cm范围土层。说明高含根量土层Δφ-δ线性关系可靠，低含根量Δφ-δ线性关系不明显。原因之一是因为0～15 cm土层根系靠近地表，含根量高根径较粗，根系与土体的有效接触面积大于15～30 cm土层，内摩擦角有较大提升，而低含根量土层内摩擦角几乎无提高，因此0～15 cm 范围内Δφ-δ拟合曲线相关系数大于15～30 cm范围土层；原因之二是因为自然生长状态下，根系的生长发育具有不确定性[18]，由于直剪试验试样尺寸的局限性，环刀内的根土复合体存在含根量相同但根系分布方式、根数、根径不同的可能性[19-20]，试验结果有一定的离散性。试样尺寸对抗剪强度的影响还需制作不同尺寸的试样进行原位试验进一步研究。