不同含水率与含根率对根土复合体抗剪强度的影响

2023-08-23穆浩祖张彦洪

水利技术监督 2023年8期

穆浩祖，张彦洪

(甘肃农业大学水利水电工程学院，甘肃兰州 730070)

国民经济快速发展的今天，在铁路、桥梁、水电等基础工程建设过程中，由于土壤本身的结构和植被遭到毁坏，形成了大片的裸露岩土边坡，造成水土流失严重，生态环境失衡。传统护坡方式(如挡土墙、抗滑桩、框锚结构等)虽然能够对边坡起到加固和稳定目的，但是这类护坡工程造价较高，对环境造成不可逆破坏。在生态护坡技术中，植物的作用是至关重要的，植物可以使水土保持较高的气温和湿度，在这个过程中能够降低地面的冲蚀，同时植物的优点是还可以使坡面得到较好的加固，植物的根系能够使土壤粒子不容易被冲蚀和丢失，满足“绿色化”要求[1]。

因此研究根土复合体的强化机理，对于抗剪强度的研究是十分必要的。根土复合体的强化机理重点在于在根系形态分布对抗剪强度的影响。Wu氏最早建立了根土复合体力学模型，通过研究发现最后得到根系对于土体的抗剪强度增量公式：Sr=τr(cosθtanΦ′+sinθ)，其中：τr=∑Tri/A，∑Tri—剪切区内所有根系的抗拉力之和；A—剪切区的面积，cm2；θ—剪切区的剪切变形角度，(°)；Φ′—有效内摩擦角，(°)；τr—单位面积土中根产生的平均抗拉强度，kPa。胡敏等[2]认为，植物根土复合体在不同法向应力作用下，有根系存在的根土复合体抗剪强度显著大于无根扰动土的抗剪强度，关于布根方式及根系径级对根土复合体抗剪性能进行了理论总结；段青松等[3]对草本植物根土复合体进行了分析，根据植物根系复合体剪切试验技术得出了其对无侧限压缩能力的影响；徐华等[4]通过直接剪切处理，探讨了根状和分层对根土复合物机械性能的影响及其机制，为生态边坡防护设计提供了计算模型。付江涛等[5]表明根土复合体中含水率与黏聚力C值存在负相关性，含根量与黏聚力C值呈正相关性。丰田等[6]探讨了土壤水分与根系复合体抗剪能力之间的相关性，为生态边坡防护设计提供了计算模型，以及两根与剪力面的角度对抗剪能力的作用。

由于黄土是一种独特的水敏感性土体，不同地区黄土的物理力学指标和力学特性具有较大的差异，为此本文立足于兰州地区植物护坡研究，对该地区植物根系土体复合体最优含根率和最优含水率确定合适的参数，对该地区黄土边坡合理密植与合理灌溉提出重要的参考依据[7]。

1 试验材料与方法

研究区位于兰州市九州台马槽沟上游，海拔高程1600～1900m，平均坡度40°，包含2个山梁和2条支沟，平面上呈M形坡面主要生长的灌、草植物，其中主要有芨芨草、山蒿、锦鸡儿、霸王等。芨芨草根系发达，繁殖能力强、叶茂密，能有效地固结土壤，拦截地表径流，具有良好的水土保持作用[8]。根土复合体在进行室内在直剪试验时，开始前首先利用透水石对仪器进行调平处理，以减少试验的误差。之后，将配制好的试样放进直剪仪的剪切盒中，根据根系在自然条件下分布深浅程度，设置适当的垂直应力模拟自然环境，根据外界崩壁土壤发生的速率快慢程度，确定快剪试验剪切速率进程，当剪切值位移达到6mm时停止试验。在剪切试验结束后，读取设备上的最大剪应力值，将其作为试样的抗剪强度值。如果在试验中没有峰值出现，则将剪切位移为4mm时的值作为最终试验结果[8]。

室内直剪试验中试样上下端部均被固定，剪切过程中土的剪切面基本固定，盒内土样偏心受力，有效剪切面上的垂直应力并非均匀分布，随着剪切位移的不断增大，土体主应力方向将发生偏转且角度不断增大，室内试验获得的抗剪强度值较为保守。

在进行试验取样时采用土钻、密封袋、装样箱。进行取样点选择时要具有代表性，选取2m×2m实验样区各样区区代表性4个点，每一个取样点按照0～10、10～20、20～40、40～60cm四个深度逐一取样。根据现有钻规格每5cm深度取样一次即0～5、5～10cm以此类推，取好土样后分别装在密封袋内保存并做好标记，放在恒温箱内保存。样本带回后为了不影响土壤相关参数的变化立刻将取回的不同取样点不同深度处的土过筛分离出根，用软刷刷干净根系表面余土，烘干，再将所有土样烘干求得每一取样点各深度处含根量求得平均值，进而确定试验含根量为0.4%、0.6%、0.8%三级变化梯度，根据现场根土复合体含水率与黄土饱和含水量确定含水率的四级变化梯度(5%、10%、15%、20%)，根据分离根系直剪变化范围确定直径变化梯度为(d<1mm、1.0mm2.0mm)。

在进行试验样本制备时，要注意用2mm的筛子将已过滤的土壤进行烘干，室内含根土试验土样制备中，还需要将其置于烤炉托盘上，将其置于105～110℃的高温下，并在实验的过程中，对根土实验土样开启吹风机使其干燥8～12h。按照设计好的干密度称量土样放于密封袋中，加入配置目标含水率所需的蒸馏水后充分摇匀，静置24h后检查是否有土块，再次充分摇匀静置24h以确保含水率均匀。这样做是避免使用喷雾法配置试样时搅拌过程中水分的挥发[9]。

试验采用ZJ型等应变直剪仪，试样环刀盒直径为6.18cm，高度2cm，体积为60cm3。本实验在干密度相同的情况下，分别控制每个实验组根系质量与土样质量来保持试验的一致性，每种情况做3次对照实验，采用四级加压(100、200、300、400kPa)进行实验，记录每组实验数据，根据仪表读出数据计算出抗剪强度值，取每组数据抗剪强度平均值为依据。

2 试验结果与分析

实验结果如图1—8所示。

图1 含根率为0.4%直剪试验截面

图2 含根率为0.8%直剪试验截面

图3 不同含根率对抗剪强度的影响(d<1mm)

图4 不同含根率对抗剪强度的影响(1.0mm

图5 不同含根率对抗剪强度的影响(d>2.0mm)

由图1—5数据分析可知，在施加压力相同的情况下，随着含根率的增加，根土复合体抗剪强度呈先增大后减小的趋势，含根率变化范围在0.4%～0.6%时复合体抗剪强度增强效果显著，增强效果可达到17%～25.5%，含根率变化范围在0.6%～0.8%时抗剪强度呈下降趋势，下降范围在6.2%～14.1%，但增强效果均大于含根率为0.4%的情况，在含根率为0.6%时达到最优值；在含根率和施加压力相同的情况下，随着根系直径的变化，根土复合体抗剪强度呈先增大后减小的趋势，根系直径在1.0～2.0mm之间，土壤抗剪强度达到最优值，增强效果达到最大，增强效果范围在5.3%～7.6%。

随着含根率和根系直径的增加，根系对土壤抗剪强度的增强效果都呈先增大后减小的趋势，归根结底是根系与土壤接触面积发生变化。当根-土复合体中根系含量低于最优含根量时，随着含根量的增加，根系与土体的接触总表面积增大，从而增大了根系与土体之间的摩擦力，增加了土体的抗剪强度，粗根由于自身具有很好的抗弯折屈服性能，能抵抗试样受到的剪切力，而这一部分力同样起到增大土体抵抗剪切变形的能力[10]；随着含根量和粗根的增加，粗根与土体因抗剪能力差异较大造成根系与土体不协调变形，使得根土接触面周边易形成裂纹，或者加速土体裂纹的扩展与贯通，造成根系与土体接触面胶结力下降，从而降低了根-土复合体抗剪强度[11]。

由图6—8可知，土样在含水率为10%状态附近时，抗剪强度随着含水率增加变化幅度较小，含水率在15%时在100、200、300kPa法向应力作用下，抗剪强度增加幅度为0.2%～0.9%，增强效果微弱，当含水率增加至20%附近时，制备试样快接近软塑状态，无法进行直剪试验，不能承受400kPa的法向应力，不能进行常规直剪试验。

图6 法向应力为100kPa不同含水率抗剪强度变化

图7 法向应力为200kPa不同含水率抗剪强度变化

图8 法向应力为300kPa不同含水率抗剪强度变化

在不同法向应力作用下，根土复合体抗剪强度总体随着含水率的增加呈下降趋势，在含水率为5%时根系对土壤抗剪强度增强作用达到最大，说明根土复合体含水率为5%时为最优含水率，当含水率在10%～20%区间范围内抗剪强度下降趋势趋于平缓。在含根率相同三级法向应力作用下，随含水率增加抗剪强度衰减幅度依次为14.7%、4.1%、5.2%，这说明当含水率超过最优含水率时，法向应力越大，根土复合体衰减幅度越小，较大的法向应力能维持土样内部结构的稳定性，让根土接触面更加紧密，更好的发挥根土界面摩擦阻力的作用，不易形成孔隙[12]。在含水率一定的情况，根土复合体抗剪强度随含根量的增加也呈现先增大后减小的趋势，最优含根率与上述结论相同为0.6%，对上述结论起到了很好的验证作用。

当根土复合体含水率较低时，土壤中的水一结合水为主，基质吸力较大，能更好的对剪切面起到摩擦阻力的作用[12]；随着含水率的增加，内部孔隙逐渐被水分填满，孔隙水压力增高，土壤抗剪强度逐渐增大，当超过最优含水率土壤内部自由水大于结合水，基质吸力逐渐减小，土壤中的胶结物质逐渐溶解，黏聚力也随之减小[13]。