淺層土坡草根加筋土原位剪切與室內直剪試驗比較研究

周雨奇++張志遠++王穎慧++孟佳楠++于宙

摘 要：圍繞表層土體在提高邊坡土體的穩定性問題，在已有的草根加筋土提高土體抗剪強度的研究及現場直剪試驗和室內直剪試驗在此問題中的應用結論的基礎上，結合試驗方法的創新，通過控制兩種試驗的試樣含水率和液塑限相同，比較兩種試驗方法測得的草根加筋土的抗剪強度，并討論通過折減系數使利用室內直剪試驗的研究結果經過修正后替代現場直剪試驗結果的可行性。

關鍵詞：護坡工程；草根加筋土；抗剪強度

中圖分類號：U417 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）20-0050-03

邊坡土體的穩定性在交通公路領域具有重要意義，植被根系的護坡功能主要體現在其深根的錨固作用和淺根的加筋作用，對于一般植物根系最多可保持0.7～1.1m土體邊坡的穩定性，因此草根加筋土對于坡面的淺層滑坡具有良好防治作用。已有學者用三軸壓縮試驗、現場直剪試驗、數值模擬方法計算草根加筋作用對邊坡土體穩定性的影響。本文主要探討在不適合使用大型現場直剪儀器的情況下，采用劉斯宏[1]等的現場直剪試驗方法及室內快剪試驗得出抗剪強度指標，通過分析數據判斷用室內直剪試驗代替原位測定結果的可行性以及兩者之間的誤差來源。

周錫九[2]等通過分析護坡原理和試驗數據證明了植草根系淺層加筋作用的有效性；陳昌富[3]等人通過三軸壓縮試驗證明了草根加筋土的護坡機理可以用準粘聚力原理解釋；任小敏[4]和陳昌富[5]等人分別通過直剪試驗和室內三軸實驗總結出草根主要提高土體的粘聚力而對內摩擦角提高不明顯的結論。本文基于莫爾-庫倫強度理論對草根加筋土的抗剪強度進行試驗分析，根據對比兩種試驗方法得出的抗剪強度參數的差異大小，判斷該種植物的加筋作用是否能夠用室內直剪試驗結果替代，并根據相似原則推斷出同量級根系直徑的植物都可使用室內直剪試驗測定抗剪強度。

1 室內直剪試驗

1.1 實驗原理

土體的抗剪強度是土體抵抗剪切破壞的極限能力，其數值等于剪切破壞的滑動面上的剪應力。土體是否產生剪切破壞決定于它的本身性質和組合受力情況，而利用莫爾-庫倫破壞準則可以把這兩個因素對土體抗剪強度的影響綜合起來。由莫爾-庫倫定律，對于粘性土有τf=c+σ·tanφ分級加法向荷載，將試驗測得的應力應變值記錄在表格中并點繪成c-τ曲線，取不同法向應力作用下相應的峰值剪應力（即土的抗剪強度τf），與對應的法向應力一起繪成抗剪強度包線即為所求。

1.2 實驗操作步驟

在現場用環刀取7份樣本（要求環刀切到植物根系），密封帶回實驗室，其中3份剔除草根及雜物，經液塑限聯合測定法測得含水率、液限、塑限，另外4份做室內快剪試驗。即在100kPa/200kPa/300kPa/400kPa的四種法向應力作用下勻速將試樣剪破，測定固定時間段內的應變，并記錄在表格中。

1.3 實驗結果分析

由圖表（表1、圖1、圖2）可知，草根加筋土4個含水率為22.27%的剪切式樣的抗剪強度：內摩擦角為11.15°，粘聚力為6.2075kPa。下圖為剪切試驗情況（如圖3、圖4）。

2 原位直剪試驗

2.1 試驗步驟

將340mm*360mm*100mm剪切框嵌入表層土中50mm確保剪切面可切到根系，挖去剪切框邊緣多余土體，再將便攜式直剪儀固定在地面上，用卸扣及受力鐵鏈連接剪切框及直剪儀，安裝數據采集、壓力傳感器、位移傳感器等并連接成功；分級用平均裝土30kg的土袋分級加荷，轉動直剪儀轉輪開始以0.02mm/min的速度使試樣剪破，利用計算機軟件成圖，得出應力應變曲線。

2.2 試驗成果（見圖7、圖8）

2.3 結果分析

內摩擦角為4.81°，粘聚力為208.79kPa。

3 比較分析

通過控制草根加筋土試樣的含水率和液塑限一定，我們可以由兩種試驗的結果看出：現場直剪試驗結果與室內直剪試驗結果相比較，現場直剪試驗測得的內摩擦角φe為4.81°，而室內直剪試驗的內摩擦角φi為11.15°，而兩者測的粘聚力相差過大不予采用，考慮將室內直剪試驗所得的內摩擦角乘上安全系數α予以折減，留出足夠的安全裕度，即：tanφe=α·tanφi其中安全系數α應通過大量的試驗確定，即控制每次對比試驗的土體含水率及液塑限相同，做多組現場直剪和室內直剪試驗，并繪出含水率與安全系數的散點圖ω～α，在散點圖中勾出下包絡曲線即為所求。

在本次試驗中，α取值為：

4 結論及展望

本文通過對比在控制含水率、液塑限一定的情況下，室內直剪試驗和現場直剪試驗測得草根加筋土的抗剪強度參數，確定室內直剪試驗結果的誤差及相應的修正系數，用于在沒有條件做現場直剪試驗的情況下用室內直剪試驗結果經修正得到的精確值代替。由于條件限制，沒有分別用多種尺寸的剪切框做現場直剪試驗，且室內直剪試驗剪切框相較于植物根系尺寸太小，應當在之后的研究中注意幾何及物理相似條件設計試驗，做大量的對比試驗求得下包絡曲線ω～α，并使用更大尺寸的現場直剪試驗用剪切框以消除草根分布不均勻導致的試驗誤差，以期研究成果能夠在現實工程中使用；另外，由于邊坡具有傾角，工程中往往需要考慮表層土-根復合體在有傾角的情況下抗剪強度的變化，因此可在之后的研究中設計一種新的適用于邊坡的抗剪強度測試裝置。

參考文獻：

[1]劉斯宏，臧德記，汪易森，等.便攜式現場和室內兩用直剪儀的研制[J].巖土工程學報，2010（06）：938-943.

[2]周錫九，趙曉峰.坡面植草防護的淺層加固作用[J].北方交通大學學報，1995（02）：143-146.

[3]陳昌富，劉懷星，李亞平.草根加筋土的護坡機理及強度準則試驗研究[J].中南公路工程，2006（02）：14-17.

[4]任小敏，王澤華.草根加筋土的室內直剪試驗研究[J].交通科技，2015（02）：126-128.

[5]陳昌富，劉懷星，李亞平.草根加筋土的室內三軸試驗研究[J].巖土力學，2007（10）：2041-2045.

[6]董云，柴賀軍，楊慧麗.土石混填路基原位直剪與室內大型直剪試驗比較[J].巖土工程學報，2005（02）：235-238.

[7]習小山，劉成光，景輝.原位大剪試驗與室內剪切試驗的對比探討[J].中國新技術新產品，2011（08）：76-77.