河道整治中根系植被特征對岸坡改良土影響試驗研究

李 杰

(淮安市水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 淮安 223001)

1 概述

水利工程建設常遇到不良土層[1- 2]，而土體的力學特征關乎水工設施運營可靠性，如何有效解決不良土體力學缺陷，是水利建設中常需考慮的問題。因而，研究不良土體的改良對推動土體力學特征研究有很大意義[3- 4]。解決不良土體力學問題，劉守偉等[5]、喻心佩等[6]采用了物化改性的方法，通過注漿灌入石灰、固化劑等人工改性劑，使不良土體力學穩定性提升，并在室內開展了改良土的力學研究，為工程改良設計提供了參照。李敏等[7]、張慶海等[8]為研究土體力學問題，綜合了凍融、干濕及熱效應等物理作用，研究了土體在物理場耦合作用下剪切力學特征影響變化，為工程建設提供了基礎試驗依據。為提升土體承載能力及力學穩定性，除研究物化改性，何偉鵬等[9]、李東彪等[10]通過引入生態改良理論，基于根系植被的改良治理，分析了植被復合土的力學特征，并開展了不同根系植被的復合土力學差異分析，為工程遴選合理根系植被提供參考。本文基于小昌馬河整治工程中堤防岸坡不良土體的生態根系植被改良設計，探討了不同根系直徑下植被土的力學特征影響，為工程土體改良設計提供了試驗佐證。

2 試驗概況

2.1 工程背景

小昌馬河為疏勒河一級支流，控制流域面積超過3200km2，全河道總長為31.5km，干流平均坡降16.30，干流上游河源海拔較高，呈東南-西北走向，平均海拔超過4000m。小昌馬河在中游地帶以泉水出露形式呈現地表河流，在昌馬水庫影響地表徑流活動下，中下游地帶植被發育較豐富，包括紅柳等根系植被。但下游水位易受地區地表徑流、雨污等滲流活動影響，導致河段水位常出現警戒汛情，水利部門監測表明該地區水土流失較嚴重，流失率超過35%。針對小昌馬河中下游河道現狀，對其開展綜合治理。工程部門按照特征河段劃分，將整治工程劃分出4個標段，其中第2個標段經過玉門市區，水流活動整體較緩，水力勢能控制得當，河道平均坡度僅為6.5%。但受上游挾沙水流影響，導致該河段內部分堤防岸坡出現坡底侵蝕、坡腳沖刷的現象，部分河坡出現防洪危險，集中在樁號Z24+655～Z26+700區段內，這也是該區段內進行河道治理的最大難點。本文所研究堤防位于樁號Z24+655～Z26+700區段內，并以其中堤防典型岸坡開展試驗分析，采用生態植被改性方法，加固堤防岸坡安全。

2.2 試驗設計

為探討小昌馬河整治工程中堤防岸坡土體生態植被改性下力學特征，采用GTO試驗設備開展土體的三軸剪切試驗，該試驗設備如圖1所示。本試驗中主要采用該設備的加載裝置、數據采集裝置及中控系統，由于該設備采集精度較高，且荷載、位移波幅均較低，特別是其位移量程控制在-20～20mm，可較好應對大變形土體的塑性變形，而荷載裝置配置有相應的低量程傳感器，設計荷載為50kN，不論是荷載或是變形裝置，均為全標定的力學傳感器與LVDT設備，誤差、精度均滿足試驗規程要求[11- 12]。因本試驗為土體的三軸壓縮，故試驗圍壓裝置采用活塞位移控制，設定最大圍壓可至10MPa，且圍壓均為液體油壓加載，試驗中圍壓加載速率為30kPa/min，加載中活塞震動率不超過0.5%。根據對堤防Z24+655～Z26+700區段踏勘得知，其土體均以粉質粘土為主，顆粒粒徑分布在0.005～0.25mm，故本文所用試樣均來自堤防Z25+688前后區段，無各向異性差別。

圖1 DTC三軸剪切試驗設備

凍融物理實驗為研究土體凍融環境下，其顆粒骨架穩定性受削弱程度，本文所有試樣均需完成凍融交替，采用如圖2所示低溫試驗箱和烘干箱進行。其中低溫試驗箱中設定溫度為-20℃，而解凍溫度放在烘干箱內，溫度設定為25℃，每次凍結與解凍時間均為6h[7]。

圖2 凍融試驗裝置

為研究生態植被根系復合土的力學特征，采用同環境同培養皿進行，本文為研究植被根系特征的影響，故選用了不同組根系直徑，分別為0.4、0.3、0.2、0.15、0.1mm。從試驗對比的角度考量，本試驗中改性土根系直徑具有7檔，分別為0.1～0.4mm，梯次為0.05mm。所有從堤防岸坡現場鉆孔取出的樣品，在室內重塑后，按照重塑前測定的含水量15%～17%控制改性土樣品含水量，后放在培養皿中進行30d養育，每個培養皿中植被根系覆蓋密度均控制10個幼苗。待各種不同直徑的根系植被養護完成后，完成環刀法試樣制取，保證試樣直徑、高度分別為75、150mm，且設定有原狀粉質黏土對照組試樣。試驗圍壓設定為200、300、400、500kPa，而凍融交替次數設定為0～15次，階次為3次，具體試驗方案各對照參數見表1。本試驗基于植被根系特征、凍融物理作用下改性土力學試驗，探討改性土設計的合理性，為小昌馬河危險堤防岸坡生態植被改良提供參考。

表1 試驗因素參數表

3 岸坡改良土力學特征影響

3.1 凍融作用

基于改良土凍融交替后的力學試驗數據，經處理獲得凍融物理作用影響下改良土應力應變特征，如圖3所示。從圖3中土體應力應變特征對比可知，交替愈多，則改良土的加載應力水平愈低，即不論是改良土或是原狀粉質黏土，其承載能力均會受凍融物理損傷作用影響。對比原狀土在交替0次時應變3%下的偏應力為380.2kPa，而交替3、9、15次時，相應的同變形程度時偏應力較之分別減少了39.5%、69%、74.4%；而在植被根系直徑0.15mm的改良土中，同是前者變形，交替3、15次下偏應力較之無凍融作用下分別減少了22.2%、63.5%；即植被根系土抗凍融損傷作用強于原狀粉質黏土，這也是根系植被改良土力學穩定性提升的重要表現。對比強度特征可知，在粉質黏土中無凍融下抗剪強度為432.1kPa，而在交替每階次3次變化中，其強度平均損耗為21.5%，同樣的在根系直徑0.15、0.35mm植被土中，其強度平均降低分別為14.6%、11.6%。分析認為，根系土為一種復合改良土，其顆粒骨架內不僅有松散土顆粒，也存在植物根系纖維體，這種多相復合土內部顆粒骨架會受到根系纖維體的拉結作用，使之整體承載能力提升，故表現出承載強度提升的現象；另一方面，受凍融作用影響，土體內部孔隙會逐步脹大，不利于承載能力提升，但由于根系纖維體的存在，可作為“對抗”孔隙膨脹的載體，因而根系土抗凍融損傷作用較強[13- 14]。

從變形特征對比來看，不同交替下根系土的應變特征均在彈性變形階段就已有顯著差異，特別的，以低交替作用下試樣彈性模量更大，如無交替下根系直徑0.15mm試樣彈性模量為197.4kPa，而隨交替階次3次增長，試樣彈性模量平均減少了21.8%。對比塑性變形段，交替作用愈強，試樣后期延性變形較大，峰值應變也較高。此種現象在原狀、根系土中均有體現，如根系直徑0.35mm試樣在交替12、15次下峰值應變分別為4.8%、5.5%，而交替0、3次下僅為3.5%、3.9%；由此說明，凍融物理作用愈強，則試樣塑性變形能力及延性變形發展均愈強。

3.2 植被根系特征

植被根系特征是對岸坡土體改良效果影響的重點，因而，本文以根系直徑參數為研究對象，針對不同根系直徑復合土的力學試驗數據，獲得了植被根系特征影響下復合土應力應變特征，如圖4所示。

圖3 根系改良土受凍融作用影響下應力應變特征

圖4 改良土受植被根系特征影響下應力應變特征

分析根系直徑對復合土力學特征影響可知，當根系直徑愈大，則試樣承載能力愈強，但其承載能力的增長趨勢為減弱；在圍壓200kPa下，根系直徑0.1mm試樣抗剪強度為273.1kPa；而根系直徑為0.2、0.3、0.4mm試樣強度較前者分別增長了38.3%、80.7%、108.3%。在該圍壓下，植被根系直徑參數每增長0.05mm，則試樣強度平均增長13.1%，但在根系直徑0.1～0.3mm梯次內，其強度平均增幅達16.8%，而直徑超過0.3mm后，強度平均增幅僅為6.5%。同樣，在圍壓500kPa中，各根系土在不同直徑方案內強度增幅為減弱態勢，如在根系直徑0.1～0.3mm與0.3～0.4mm方案內，抗剪強度分別具有平均增幅18.5%、9.3%。由此可知，根系直徑控制在合理范疇內，即可使不良土改良效果達到較佳。從本文試驗結果來看，當根系直徑為0.3mm時，復合土承載強度適配性最高。從根系纖維體細觀特征考慮，當根系直徑愈大，已超過原狀土顆粒內部孔隙的最大直徑，纖維體無法有效深入顆粒孔隙中進行拉結、咬合等[15]，因而再增大根系直徑，對其承載強度的促進作用也是“于事無補”，故控制根系直徑在合理范疇內即可。

從變形特征分析可知，同一圍壓下不同直徑的根系土應力應變發展走向基本一致，如圍壓100kPa下試樣具有脆性變形，各試樣峰值應變差距較小，維持在3.7%～5%；而圍壓400kPa下各試樣均具有延性變形特征，峰值應力后承載應力下降較緩。另一方面，彈性模量參數受根系直徑影響特性與強度變化一致。由此表明，根系直徑改變，對復合土的變形發展影響較小，重點影響其承載能力。

4 岸坡改良土抗剪強度特征影響

物理交替作用與植被根系特征對根系土的改良影響，會在土體抗剪強度特征參數中得到體現，筆者基于根系改良土力學試驗，獲得2抗剪特征參數影響變化特征，如圖5所示。

圖5 抗剪特征參數受摻量影響變化

分析抗剪強度特征參數可知，根系直徑與2抗剪特征參數均為正相關關系，在交替3次時，根系直徑0.2、0.3、0.4mm改良土試樣黏聚力較之直徑0.1mm下分別增大了14%、26.4%、27.1%。在該交替方案中，當根系直徑每增大0.05mm，則黏聚力可提升4.3%，但在根系直徑0.1～0.3mm梯次內，其黏聚力平均提升達6.4%；而在直徑超過0.3mm后，黏聚力平均增幅為0.3%。同樣，在交替0、12次方案中，均以根系直徑0.3mm為影響節點，該節點后黏聚力的提升幅度較小，2方案在該節點后分別具有的平均增幅僅為0.4%、0.3%。對比可知，隨凍融交替作用增強，根系土黏聚力水平均有降低，如根系直徑0.2mm時，交替6、12次試樣，黏聚力較之交替0次下分別減少了17.9%、24.3%；同時受根系直徑參數影響也有減弱。相比之下，內摩擦角全過程受根系直徑影響弱于黏聚力[16- 17]，交替3、6次時，根系直徑每階次增長時，其內摩擦角平均增幅分別僅為0.9%、0.8%，而在其他交替方案中亦是如此。分析認為，根系纖維體的存在，對岸坡原狀粉質黏土的粘結性產生改變更具影響，特別是其拉結性、顆粒間粘結碰撞特征，這也是堤防岸坡土體固土改性的本質。

5 結論

(1)凍融物理作用愈反復，則改良土承載應力愈低，但根系改良土抗凍融損傷作用強于原狀土；交替愈多，則土體彈性模量更低，但延性變形愈大。

(2)根系直徑愈大，根系改良土承載能力愈高，但促進效果在減弱，特別是在根系直徑0.3mm后；根系直徑參數改變，對根系土應變走向影響較小。

(3)根系直徑與抗剪特征參數均為正相關關系，凍融作用與之具有抑制作用；黏聚力參數在根系直徑0.3mm后增幅較緩，交替0、12次方案中，根系直徑超過0.3mm后試驗分別具有的平均增幅僅為0.4%、0.3%；內摩擦角受根系直徑影響弱于黏聚力。