種植香根草根系對膨脹土特性影響的試驗研究

李潤發，王桂堯，張永杰，黃永剛

(長沙理工大學 土木工程學院，湖南 長沙 410114)

0 引言

膨脹土是一種由強親水性黏土礦物組成的典型非飽和黏土，具有吸水膨脹軟化、失水收縮干裂等特性，經常表現為多裂隙、超固結、反復脹縮等特征。對于膨脹土邊坡治理，大量工程實踐表明，相比剛性防護與錨桿支護等傳統處治方式，采用柔性加筋治理的膨脹土邊坡穩定性與經濟性均優于傳統治理方式。

在膨脹土邊坡柔性加筋處治的方法研究方面，雷勝友等[1]通過加筋纖維的方式，得到可有效抑制膨脹土膨脹性的纖維加筋最優加筋率；王協群等[2]采用土工格柵加筋膨脹土，得到加筋可提高膨脹土的邊坡穩定性且豎向加筋效果最好的結論；汪明元等[3]研究了聚酯雙向土工格柵加筋膨脹土的問題，認為加筋可改變膨脹土的破壞模式并提高土體的峰值強度與殘余強度;錢葉琳等[4]利用黃麻纖維加筋膨脹土，得到土體抗剪強度隨黃麻纖維長度的增加先增后減的結論；張小平等[5]利用聚丙烯纖維加筋膨脹土，得到總脹縮性隨纖維含量增高而降低的結論。而在利用植物根系加筋處治膨脹土邊坡病害研究方面，劉正明等[6]采用植被覆蓋膨脹土證明植被可降低大氣對膨脹土強度的影響；周成等[7]利用香根草加筋重塑膨脹土試驗，認為香根草根系可抑制膨脹土的膨脹變形、降低膨脹力，根土復合體含水率接近最優含水率時膨脹力最大。但添加死根系與種植活根系對膨脹土物理力學特性是否存在不同的影響還不得而知，添加根系制作的膨脹土根土復合體與生長于膨脹土中的活根系根土復合體是否具有不同的物理力學特性也缺乏研究，因此，能否利用種植香根草的深長茂密根系的柔性加筋作用處治膨脹土的膨脹性問題存在疑問。為此，本研究在膨脹土中種植香根草制備土樣，通過根土復合體的無荷膨脹率、膨脹力和強度試驗，研究種植香根草根系對膨脹土物理力學特性的影響，以便為進一步研究利用香根草處治膨脹土邊坡病害問題提供依據。

1 試驗材料

試驗用土為某開挖邊坡的棕紅色弱膨脹土，土樣基本物理特性如表1所示。以內徑20 cm，高45 cm 的PVC管作為根土復合體培育容器。香根草作為一種無性繁殖的禾木科草本植物，具有根系深長發達、生長速度快、耐酸堿性強、力學性能突出、生態作用明顯等特點。選取長勢良好的香根草，在春季種植于土樣中。

表1 試驗土樣的基本參數Tab.1 Basic parameters of test soil sample

2 試驗方法

2.1 分組原則及制樣方法

由于弱膨脹土的物理力學性質主要受密實度與含水率影響，因此試驗采用95%，92%，90%的壓實度，按5 cm高度為1層控制壓實度，分3層在擊實模具內擊實并脫模，擊實模具為內徑19.8 cm、高20 cm的高強透明玻璃管，擊實后從模具底部往上各層壓實度分別為95%，92%，90%。將擊實后15 cm高的土柱從模具內脫出，按照95%壓實度土層在上，90%壓實度土層在下，將其倒放入PVC管內后刮毛上表面，按照相同上下順序將另一土柱放入PVC管與管內土柱拼接為高30 cm的擊實土(圖1)，使高壓實度土層靠近地面。為方便取出根土復合體土樣，PVC管切留一條裂縫，用膠帶粘貼裂縫及PVC管內壁，用土工布封底。圖1中K表示土樣壓實度。

圖1 壓實示意圖Fig.1 Schematic diagram of compaction

由于擊實土無法直接移植香根草，需在擊實土上表面覆蓋10 cm高松散種植土，取樣時去除種植土只保留壓實土，每根PVC管種植5～6株草苗，隨著香根草根系發育扎入壓實土內形成根土復合體，按照此法制得24組試樣(圖2)。制樣完成后將PVC管埋入地下，以使香根草根系生長發育過程中含水率受大氣影響相對較小，每根PVC管每次澆水300 mL，試驗場地用透明雨棚保證采光的同時防止降雨對試樣造成影響。

圖2 香根草培育Fig.2 Vetiver cultivation

在香根草培養容器內觀察香根草生長情況，統計其根系生長發育規律，其中生長90 d和 180 d的根系外觀與生長分布情況如圖3～圖4所示。

圖3 根系分布Fig.3 Root distributions

由圖4可知，90 d香根草在0～20 cm深度范圍內根徑大多超過1 mm，20～30 cm深度范圍內根徑大多小于1 mm，同深度范圍180 d香根草根系比90 d 香根草根系粗壯密多。

2.2 取樣及含根量統計方法

香根草生長90 d和180 d(圖5)后在PVC管內取樣得到試驗根土復合體(圖6)。觀察統計90 d和180 d根系的分布形態，確定環刀取樣位置，用剪刀剪去上部莖葉，然后用土工刀切去種植土得到根土復合體試樣，切割時配合剪刀小心剪斷根系，避免對根土復合體的擾動，用金剛砂線鋸配合剪刀將根土復合體按5 cm高度為1層切割為土餅，將土餅放入有側限約束的脫模器內用環刀取樣，每層切取2～3個試樣并測記含水率，環刀直徑為61.8 mm，高為20 mm。

圖5 香根草Fig.5 Vetiver

圖6 根土復合體Fig.6 Root soil complexes

收集試驗結束后的土樣浸泡于清水中2～3 h，待土體崩解后過0.25 mm篩，用清水沖洗濾網表面的根系并收集得到草根后稱重，按式(1)計算得到含根量：

(1)

式中，δ為含根量；m為根系質量；V為土樣體積。

2.3 試樣篩選及素土配制方法

香根草生長90 d后取樣，樣本量為10根PVC管，取含水率相差1%之內的土樣進行無荷膨脹率、膨脹力、直剪試驗。當香根草齡期達180 d后，按照相同方式取樣，每層以90 d有效試樣含水率為基準得到180 d同層試樣。根據90 d與180 d有效土樣含水率平均值配制該層素土試樣進行對比試驗。0～5，5～10，10～15，15～20，20～25，25～30 cm為土樣的不同深度范圍。

圖7 深度膨脹時程曲線Fig.7 Curves of depth expansion time history

2.4 無荷載膨脹率和膨脹力試驗

按照《土工試驗規程》(SL237—1999)，對 90 d 與180 d齡期根土復合體試樣進行無荷膨脹率試驗，用平衡加壓法測定膨脹力，試驗結束后收集試樣統計含根量。無荷膨脹率為土樣在有側限約束條件下膨脹增量與土樣初始高度之比值，膨脹力為土樣在吸水膨脹時所產生的內應力。

由于相鄰兩層壓實度不同，而壓實度相同不同深度位置土層的含水率差異超過2%，因此無法進行豎向不同深度范圍土層的對比試驗，只進行同一深度范圍內不同含根量根土復合體的膨脹性比較試驗。

2.5 直接剪切試驗

試驗按照《土工試驗規程》中的快剪試驗方法，采用等應變直剪儀進行試驗。

3 試驗結果及分析

3.1 無荷膨脹率試驗結果及分析

無荷膨脹率試驗結果如圖7所示，90和 180表示生長齡期，P表示根土復合體試樣，SP表示素土試樣，A～F表示不同取樣深度，1和2表示平行試驗組號。由文獻[8]可知，膨脹力的產生發展可分為吸水膨脹、加速膨脹和緩慢膨脹3個階段。由膨脹時程曲線可知，植物根系可加快吸水膨脹階段的膨脹土膨脹潛勢釋放，當膨脹潛勢釋放至一定程度時，根系對膨脹潛勢有抑制作用。

(1)由圖7(a)和圖7(d)可知，0～5 cm層與15～20 cm層根土復合體膨脹穩定時間大于素土，而無荷膨脹率小于素土，且無荷膨脹率隨含根量的增高而降低，說明香根草根系的包裹加筋作用可降低膨脹土的膨脹性。由于該兩層土樣的密實度高，而高密實度下根系的阻流作用[9]使得進入土體的水分減小，從而延緩膨脹潛勢的釋放。

(2)由圖7(c)和圖7(f)可知，10～15 cm層與25～30 cm層根土復合體無荷膨脹率和膨脹穩定時間均小于素土，說明該兩層香根草根系加快了膨脹潛勢的釋放，這與0～5 cm和15～20 cm層的試驗結果不同。這是因為密實度較低時，根系提高了土體滲透性，吸水膨脹完成時間變短，因此膨脹穩定時間較短。

3.2 膨脹力試驗結果及分析

膨脹力試驗結果如表2所示，相同深度范圍試樣的密度和含水率相差很小，因此假定密度與含水率相同。由試驗結果可知，含根量不同土樣的膨脹力相差較大。

由表2可知，同深度范圍，含根量高的180 d根土復合體膨脹力均小于含根量低的90 d根土復合體，說明香根草根系有減小膨脹力的作用，這與雷勝友等采用麻絲纖維加筋膨脹土的試驗結果相同。這是因為香根草根系抑制膨脹力的機理類似于纖維材料，即通過根系網的包裹作用限制土體變形，同時根系與土體界面的摩擦力抵消和抑制了部分膨脹力，且根系比表面積越大，則根土接觸面積越大，抑制作用也越明顯。相同含根量下，根系質量相同的細根比粗根擁有更多的根系數量和更大的比表面積，因此相同含根量下細根加筋效果優于粗根。

圖8為同深度范圍、不同含根量根土復合體與素土膨脹力差值ΔP的關系曲線，擬合曲線方程如表3所示。由圖8及表3可以看出，ΔP與δ呈較明顯的線性關系，相關系數最小為0.91，最大為0.98，線性關系良好，說明含根量越高膨脹力降幅越大，根系對膨脹力的抑制作用越明顯[10-11]。

3.3 室內直剪試驗結果及分析

90 d根土復合體的應力-位移關系除0～5 cm土層呈應變軟化型外，其余土層均呈應變硬化型，見圖9(a)；而180 d根土復合體所有土層均呈應變軟化型，見圖9(b)。90 d和180 d根土復合體抗剪強度結果如表4所示，擬合公式如表5所示。黏聚力增量ΔC及內摩擦角增量Δφ與含根量關系的擬合曲線如圖10～圖11所示，擬合方程分別見表6、表7。

表2 膨脹力試驗結果Tab.2 Expansion force test result

由圖9可知，`90 d根土復合體應力-應變關系除0～5 cm層呈應變軟化型之外，其余土層均呈應變硬化型，而180 d根土復合體各土層均呈應變軟化型。同深度范圍內，180 d根土復合體含根量高于90 d 根土復合體，說明含根量對根土復合體應力-應變關系影響顯著。因為90 d根土復合體根系細少，其根系抗拉強度低，剪應變未達到土體允許最大變形時根系已被拉斷，根系拉斷后土體承擔剪應力，根系加筋效果不明顯，因此90 d根土復合體的應力-應變關系幾乎均呈應變硬化型。180 d根土復合體香根草根徑粗大，根系密集且抗拉強度高，剪應變達到峰值后，細根被拉斷，粗根與接觸面產生滑動位移，根系受力由靜摩擦力轉為滑動摩擦力，當滑動位移達到極值后，摩擦力大幅減小，抗剪強度迅速降低，故呈應變軟化型；軟化程度與土層密實度有關，高密實度土層如0～5 cm土層軟化程度大于其他低密實度土層，這是因為高密實度土層土粒咬合緊密，根系與土體有效接觸面積大，因而摩擦力大，峰值強度高，軟化程度比其他低密實度土層高。

圖8 ΔP-δ關系曲線Fig.8 ΔP-δ curves

表3 ΔP-δ擬合公式匯總Tab.3 Summary of fitting formulas

圖9 應力-應變曲線Fig.9 Curves of stress vs. strain

由表4可知，0～5 cm土層180 d根土復合體黏聚力相比素土最大提高181.81 kPa，90 d根土復合體黏聚力比素土最大提高45.02 kPa，5～10 cm土層180 d根土復合體黏聚力比素土最大提高91.45 kPa，90 d根土復合體黏聚力比素土最大提高23.43 kPa。同深度范圍內，90 d根土復合體內摩擦角φ值略小于素土，這與文獻[12]的試驗結果相同，但同深度范圍內，180 d根土復合體內摩擦角φ值比素土有較明顯提高。這是因為90 d根土復合體含根量低，根系抗拉強度小于最大靜摩擦力，隨剪切位移增大根系被拉斷幾乎不產生滑動摩擦力；180 d根土復合體含根量高，根系抗拉強度大于最大靜摩擦力，隨剪切位移增大根系被拉出產生滑動摩擦力提高了土體內摩擦角，故180 d根土復合體黏聚力C與內摩擦角φ比素土均有明顯提高。

由圖10、圖11及表6、表7可知，黏聚力增量ΔC與含根量δ呈線性關系，相關系數最小為0.91，最大為0.99，說明香根草根系可提高黏聚力，ΔC-δ擬合曲線斜率越高，含根量影響越顯著。同深度范圍內，黏聚力增量ΔC隨含根量δ呈線性增高，這與國內外其他學者的研究不同[13-17]。理論上講，同深度范圍內黏聚力增量ΔC不可能隨含根量δ無限增大，當含根量δ超過某一值后，ΔC將隨δ增大而減小，造成這種試驗結果的原因主要是試驗種植香根草生長發育時間短，整體含根量較小未達到最優含根量，因此ΔC隨δ線性增大。內摩擦角增量Δφ與含根量δ也呈近似線性關系，相關系數最高為0.98，最低為0.62，但高含根量0～15 cm范圍土層相關系數明顯高于低含根量15～30 cm范圍土層。說明高含根量土層Δφ-δ線性關系可靠，低含根量Δφ-δ線性關系不明顯。原因之一是因為0～15 cm土層根系靠近地表，含根量高根徑較粗，根系與土體的有效接觸面積大于15～30 cm土層，內摩擦角有較大提升，而低含根量土層內摩擦角幾乎無提高，因此0～15 cm 范圍內Δφ-δ擬合曲線相關系數大于15～30 cm范圍土層；原因之二是因為自然生長狀態下，根系的生長發育具有不確定性[18]，由于直剪試驗試樣尺寸的局限性，環刀內的根土復合體存在含根量相同但根系分布方式、根數、根徑不同的可能性[19-20]，試驗結果有一定的離散性。試樣尺寸對抗剪強度的影響還需制作不同尺寸的試樣進行原位試驗進一步研究。

表4 直剪試驗結果匯總Tab.4 Summary of direct shear test result

表5 直剪擬合公式匯總Tab.5 Summary of direct shear fitting formulas

圖10 ΔC-δ曲線Fig.10 ΔC-δ curves

圖11 Δφ-δ曲線Fig.11 Δφ-δ curves

表6 ΔC-δ擬合公式匯總Tab.6 Summary of ΔC-δ fitting formulas

表7 Δφ-δ擬合公式匯總Tab.7 Summary of Δφ-δ fitting formulas

4 結論

(1)種植香根草活根系可顯著降低膨脹土的膨脹力和無荷膨脹率，其中膨脹力降幅ΔP與含根量δ呈正相關，含根量越高其膨脹力降幅越大。無荷膨脹率也隨含根量增高而降低，但不同密實度土層中膨脹潛勢釋放的表現不同，其中密實度較高土層中的根系延緩膨脹潛勢釋放，而密實度較低土層中的根系則加快膨脹潛勢釋放。

(2)不同含根量對膨脹土根土復合體加載過程中的應力-應變關系影響顯著，其中高含根量根土復合體均為應變軟化型，且密實度越高其應變軟化現象表現越明顯，而低含根量根土復合體大都為應變硬化型。

(3)香根草根系根土復合體的黏聚力增量和內摩擦角增量均隨含根量的增加而線性增加，但含根量對黏聚力影響顯著，而對內摩擦角影響較小，其中地表淺層粗根系對根土復合體內摩擦角的提高作用相對較大。