不同因素作用下重塑土体抗崩解性能研究★

蒋必凤 凌 毅 梁安铭 王浩屹

(1.三亚学院，海南 三亚 572000； 2.海南阳光鑫海发展有限公司，海南 三亚 572000)

土的崩解在土工试验中称为湿化，是指土体浸水后发生碎散解体、塌落的现象，是由于水流入渗挤压气体，引发土体内部应力集中，使斥力超过吸力，进而造成土体崩落解体[1]。土体遇水湿化崩解是一种常见现象，土体崩解程度不一造成岸坡失稳，危及工程安全[2]。土体的抗崩解能力能够反映出土体结构被水浸润解体的特性[3]，研究土体的抗崩解能力具有非常重要的意义。而植被护坡技术是提高边坡土体稳定性的一种重要手段，国内外的学者在此方面的研究成果较多，植物根系能将土壤单粒粘结起来，并且发达的根系在土体中形成了纵横交错的根系网，将土壤颗粒紧紧束缚包裹住，形成“加筋土”，对土体抗崩解能力有很大的增强作用，根据研究表明，根系越多，土体抗崩解能力越强，土体抵抗流水冲刷的能力越强，从而达到增强边坡土体稳定性的作用[3]。关于土体抗崩解性能的影响，相关学者研究成果较为丰富，在研究崩解特性的影响因素方面，曾庆建等[4]研究不同含水率和温度下红黏土的崩解特性，认为在自然气候范围内，含水率是土体崩解的主要影响因素；李家春等[5]认为压实土的含水量、压实度是影响崩解的主要因素，崩解速度随压实度增大、含水量增加而减小；王桂尧等[6]认为草类根系能显著提高根—土复合体的抗崩解特性；张泽等[7]发现随着初始含水量的增大，其崩解时间越长，崩解速率逐渐变小；李喜安等[8]研究把原状黄土的崩解主要分为崩离、迸离和解离3个过程，并认为天然含水率和结构性是影响崩解性的重要因素；谈云志等[9]研究认为红黏土的初始压实状态对其变形影响显著；薛璟等[10]设计了正三棱柱、正四棱柱、正五棱柱、正六棱柱、圆柱的试样进行了原位黄土崩解试验，研究表明黄土的崩解速率与边界有关，横截面越尖锐则其相应的崩解速率也就越快，试样棱边数越少，相同条件下所产生的崩解量越多；袁亮等[11]认为造成黄土崩解性差异的主要因素有颗粒级配、含水率、矿物成分等，其中，颗粒成分、矿物成分是造成粉土与黏性土崩解差异的主要因素；沙琳川等[12]认为崩解量和崩解速率随着试样的初始含水率的降低而增加，稻秸秆掺加比例对试样崩解现象影响不大；邓仁贵等[13]认为林木根系能大大增强坡面土抗崩解能力。

从文献资料可知，含水率和植物根系含量是影响含根土体崩解性能的主要因素，本文通过设计多组初始含水率和根系含量进行正交试验，研究两者对根土复合体崩解性能的影响。

1 试样制备与试验方法

1)试验材料。

试验用土为海南省一般红黏土，过2 mm筛，并在室内用鼓风干燥机将土样连续24 h进行烘干。试验采用椰壳纤维代替植物根系，研究根系对土体抗崩解能力的影响。椰纤维如图1所示。

2)试验仪器。

参照蒋定生设计的土壤崩解仪自制崩解仪进行土壤崩解试验，主要试验所用仪器为JY5001型电子静水天平，方格网采用1 cm×1 cm自制方格网。仪器如图2所示。

3)试件制作。

为避免试件大小、形状等因素对实验结果的影响，本实验试样制作统一采用100 cm3的环刀进行制样，每个重塑土样的直径为50.46 mm，高度为50 mm。

4)实验设计。

正交试验设计方法是多因子实验中较为常用的一种方法。本试验设计纤维含量和含水率两个因素，纤维含量设计0‰，1‰，2‰，3‰，5‰，7‰，共6个水平；含水率设计15%，17%，20%，23%，25%，共5个水平，共设计30组试验，每组设计3个平行试样进行试验。

5)试验方法。

根据土工试验规范相关要求进行崩解试验，试验方法具体如下：a.按照试验设计要求制作好试样，如图3所示；b.调整好仪器，悬挂好方格网，并在桶中加入水，保证每次试验用水量一致；c.将制作好的试样放置在方格网中央，保持方格网水平并不要倾斜，立即记录试样在水中的读数即崩解时间为0时刻的读数，并开始记录崩解时间；d.时间以min为单位，记录0 min,0.5 min,1 min,2 min,3 min,4 min,5 min,6 min,7 min,8 min,9 min,10 min,15 min,20 min,25 min,30 min时试样在水中的读数；并观察土体在水中的崩解情况；e.试验结束后，整理试验结果，计算土体在每一个读数时刻的累计崩解百分比，计算公式如式(1)所示。

(1)

其中，Bt为试块的累计崩解百分比,%；Dt为试块在崩解时静水天平显示的实时度数,g；D0为试块在放入水中时静水天平显示的初始度数。

2 实验结果分析

2.1 初始含水率对加筋土体抗崩解性能的影响

根据相关的文献资料研究，大多数学者认为初始含水率对土体的崩解具有较大的影响。该实验选择了初始含水率为15%，17%，20%，23%，25%共5种情况进行探讨。不同初始含水率下根土复合体累计崩解量的曲线如图4所示。从图4可以看出随着初始含水率的增加，含根土体累计崩解量降低，初始含水率为20%时，累计崩解量达到最低，然后随着初始含水率继续增加，累计崩解量又开始增加。如图5所示，从崩解的速率来看，土样放入水中，一开始有气泡冒出，水开始浑浊，试验开始10 min内试样崩解速率较快，15 min以后趋于平稳，但偶尔会出现试块突然增大崩解量的情况。试验结束后试块放置在静水中24 h，一般试块会发生完全崩解。

2.2 纤维含量对加筋土体抗崩解性能的影响

纤维如同植物根系，纤维之间的交错形成加筋网，紧紧包裹住土体，增强土体的抗崩解能力。从图6可以看出，添加一定量的纤维后，加筋土体的抗崩解能力明显提高，随着纤维含量提高，加筋土体抗崩解能力提高，但当纤维含量增加到5‰之后，再增加纤维含量，土体抗崩解能力开始减弱。从图7可以看出，崩解试验开始10 min内土体的崩解速度较快，然后慢慢趋于平缓，对于不含纤维的土体，在30 min时，全部崩解。

2.3 正交作用下加筋土体抗崩解能力

利用含水率和纤维含量两因素进行正交试验，崩解时间为30 min时的累计崩解量百分比如表1所示，根据试验结果可知，当初始含水率为20%、纤维含量为5‰时，土体的累计崩解量最低；其次初始含水率为20%、纤维含量为7‰时，累计崩解量也较低。当含水率为15%，纤维含量为0‰时，30 min累计崩解量最高。

表1 含水率和纤维含量正交作用下土体累计崩解量

3 结论

通过对不同初始含水率和纤维含量的加筋土体进行正交崩解试验，得到如下结论：

1)初始含水率对加筋土体崩解能力有较大影响，随着初始含水率增加，加筋土体累计崩解量降低，在初始含水率为20%时，30 min累计崩解量最低，超过20%时，30 min累计崩解量又开始增加，即存在初始含水率的一个峰值。

2)纤维含量对加筋土体抗崩解能力也有较大影响，少量的纤维加筋即可以提高土体的抗崩解能力，随着纤维含量增加，土体的抗崩解能力也增加，但是纤维含量具有一个峰值，超过峰值以后，纤维增加而土体抗崩解能力反而下降。

3)试样刚放入水中时有大量气泡产生，重塑土体试样表面土层开始发生崩解，开始速率相对较慢，崩解速率一般在实验的5 min～10 min内达到峰值，之后趋于平缓，不含纤维土体在30 min内全部崩解。

4)通过正交实验，初始含水率为20%和纤维含量为5‰时，重塑加筋土体的30 min累计崩解量最低，可以作为较优的配合比。