草本植物根系對邊坡淺層土體抗剪強度的影響規律研究

劉寶勇,代 特*,王文奇

(1.遼寧工程技術大學環境科學與工程學院,遼寧阜新 123000;2.遼寧工程技術大學礦業學院,遼寧阜新 123000)

露天礦開采后所形成的邊幫與排土場是典型的廢棄場地,尤其排土場堆積的巖土結構松散、顆粒尺寸不均,膠結性差,在降水沖刷與侵蝕等外因作用下,容易造成水土流失,甚至演變成邊坡淺層的局部失穩滑動,給礦山生態環境與安全生產帶來較大威脅[1-3]。由于植物根系固土能力明顯,且不會對環境造成破壞,已受到廣泛的關注和認可。

近年來,許多專家學者在根系固土機理和根系固土控制技術方面進行了大量研究,取得了較多的研究成果。Ennos[4]研究認為,當有外載荷作用在根-土復合體上時,細根趨向于斷裂,而粗根可以完整地從土壤中拔出,細根的加固效果得到了充分體現。Lal[5]研究認為,根通過將土體中的剪應力轉化為根的拉應力來提供加固作用。Bergado等[6-7]研究認為,當植物根系受到拉伸作用時,根系受到周圍凹陷凸起的土顆粒約束與嚙合作用,使得根系緊鎖其周圍土體介質,通過土體之間的嚙合、摩擦作用以及根系與其周圍土體的相互作用來提高坡面土體抗剪強度。毛旭芮等[8]通過對不同植物根-土復合體的剪切試驗,認為根系主要通過影響土體的黏聚力來增強其抗剪強度。Wang等[9]研究認為,根系固土效果與根系結構類型有關,通過對根系分類的方法,揭示不同根系的固土機理。孫慶敏等[10]分析了16種植物根-土抗剪影響因素,認為各因素與土體的黏聚力和內摩擦角的灰色關聯程度均較大,其中黏聚力與干密度的關聯程度最高。朱錦奇等[11]基于根-土復合體直剪試驗和根系拉拔試驗,分析了不同生長時期根系的受力機制,定量評估了根系的固土效果。以上研究成果對淺層邊坡的固土穩定方面有較好的揭示,但對于水與根系共同作用下的土體抗剪特性的認識相對不足。為此,基于阜新海州露天煤礦為工程依托,筆者采用理論與直剪試驗相結合的方法,研究不同含根率與不同含水率疊加作用下根-土復合體的抗剪強度及其相關力學參數的變化規律,從而揭示草本植物根系對邊坡淺層土體抗剪強度的影響規律。

1 草本植物根系固土改性力學分析

在草本植物根系分布的影響范圍內,根系如同加筋纖維,對邊坡土體產生了附加力的作用,不僅能增加邊坡土體的黏聚力,還可在一定程度上限制土體發生側向膨脹變形,從而提高邊坡土體抗剪強度。因此,可按照加筋土原理分析植物根系對邊坡土體抗剪能力的改善作用[12]。

如圖1a所示,有根系作用的土體可看作為根-土復合體,當邊坡淺層土體沿滑面發生剪切失穩時,可采用摩爾-庫倫本構模型來描述復合體臨界破壞時的剪應力狀態,因此,根-土復合體抗剪強度應滿足式(1)。

τ=σtanφ+c+ΔτR

(1)

式中:τ為根-土復合體抗剪強度;σ為無根系土體的正應力;φ為無根系土體的內摩擦角;c為無根系土體的黏聚力;Δτ為根-土復合體的附加抗剪強度。

若主根與坡面土體正交,建立出的簡化力學分析如圖1b所示[12]。假設土層剪切區厚度為H,單根剪切變形角為θ(切應變),則單根對土體作用下所增加的抗剪強度Δτ為:

(2)

式中:T為單根抗拉力;a為單根作用的土體面積;φ為土體內摩擦角。

若在面積為A的土體內有n個根的作用,根的抗拉力分別為T1,T2,…,Tn,剪切變形角分別為θ1,θ2,…,θn,則根系對土體作用下所增加的抗剪強度為:

(3)

將式(3)代入式(1)可得由草本植物根系作用下土體的抗剪強度為:

(4)

從式(4)可知,根-土復合體抗剪強度的增加,主要體現在黏聚力與法向應力變化。事實上,根-土復合體的內摩擦角也會產生變化,但復合體中的根系占比較小,因此,可認為內摩擦角仍然以土體為主,即根-土復合體的內摩擦角與原始素土相比變化很小,可適當忽略。

注:a.根系固坡示意;b.單根與土體相互作用。Note: a.Schematic diagram of root system slope stabilization;b.The interaction between a single root and soil.圖1 根與土相互作用簡化力學模型Fig.1 Simplified mechanical model of root-soil interaction

2 區域概況與試樣制備

2.1 采樣區概況樣本采集區位于遼寧省阜新市海州露天礦坑內,且距離地面50 m左右的坡面,如圖2所示。該礦地處121°01′～122°56′E,41°41′～42°56′N。全年氣溫變化較大,多風、少雨且干燥。夏季最高氣溫可達40.6 ℃,冬季最低氣溫-28.4 ℃,年均氣溫7.8 ℃,年降水量為519.3 mm,屬于半干旱地區。另外,地下水資源的抽采較為嚴重,一些地區地下水位仍呈持續下降[13-14]。

海州露天礦經過長期開采,形成了占地面積約7.02 km2的巨大礦坑,整體呈長方形,為西南—東北走向,地面標高為130～170 m,礦坑高程170～180 m,開采深度350 m。該礦南幫最終邊坡角約為38°,北幫為18°～20°,礦坑內邊幫生態遭到一定程度破壞,以草本植物為主[14]。

2.2 試樣制備海州露天礦坑內坡面以草本植物為主,常見馬唐草、狗尾草等多種草本植物,選取坡面最為常見的馬唐草與狗尾草為研究對象,其根系均為須根系。剪去地表以上的莖葉部分,挖取帶根土體帶回實驗室。將根系與土體分離,自然風干至根系質量不再發生變化,以消除根系含水量對試驗結果的影響。同時,測定土體含水率后過2 mm細篩,并放入烘干箱烘干24 h。

由于有根系土體和無根系土體的天然含水率幾乎相同,因此試驗所采用不同含水率剪切樣可直接在烘干土中加水制備。所采用環刀內徑為61.8 mm,高20 mm。將風干后的根系剪成2 cm的小段,設置試樣含根率分別為0、0.1%、0.2%、0.3%與0.4%,并將上述4種根-土復合試樣的含水率分別控制在9%、11%與13%。試樣加水后密封靜置,使土體與水充分融合,將根系加入過篩后的烘干土體中,使根系在土體中均勻分布。將配置好的根-土復合試樣密封壓實靜置12 h,每種試驗配置4個環刀樣,在剪切盒底部依次放入透水石和濕濾紙,對齊上下兩盒后插上銷釘,將試樣以靜力壓入,在其上依次放濕濾紙和透水石,蓋上剪切盒的上蓋,開始進行直剪試驗(圖3)。

3 根-土復合體抗剪能力試驗

在含根率為0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%且含水率為9%、11%、13%的組合條件下,設置100、200與300 kPa不同垂直壓力進行直剪試驗,應力環系數為3.0。試驗參照GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》[15]進行。

τ=10×CgR/A

(5)

式中:τ為剪應力;Cg為應力環系數;R為位移計讀數;A為試樣面積。

3.1 根-土復合體抗剪強度變化規律通過式(5)繪制剪應力與剪切位移關系曲線,由于不同正壓力下曲線變化規律相近,故展示向應力為200 kPa的曲線,具體如圖4、5所示。從圖中可知,根-土復合體剪應力隨剪切位移的增加而呈現非線性升高趨勢;在正壓力與含水率一定的前提下,狗尾草最大剪應力(即抗剪強度)隨著根系含量的增加而增大,但馬唐草并不完全遵循這一規律,而是當含水率為9%、含根率達到0.3%時,抗剪強度達到最大,說明馬唐草的最優含根率為0.3%。這表明每種草本植物需要找到自身的最優含根比例,才能得到其最佳抗剪強度。

圖2 采樣位置Fig.2 Sampling position

注:a.環刀樣;b.直剪試驗設備。Note: a.Ring knife like;b.Direct shear test equipment.圖3 直剪試樣制備Fig.3 Direct shear specimen preparation

通過進一步的數據處理,得到圖6、7。從圖中可知:2種植物的根-土復合體抗剪強度隨正壓力的增加而呈現增大趨勢;在正壓力與含根率相同的前提下,根-土復合體的抗剪強度整體上隨含水率的升高而呈現降低趨勢。例如,馬唐草根-土復合體在正壓力為200 kPa且含根率為0.3%時,相比含水率9%的試樣來說,含水率11%的根-土復合試樣的抗剪強度下降了14.9%,含水率13%試樣下降了21.0%;狗尾草在正壓力為200 kPa且含根率為0.4%時,相比于含水率為9%試樣來說,含水率11%試樣抗剪強度下降了18.0%,含水率13%試樣抗剪強度下降了19.0%。馬唐草含根率在0～0.3%時,其根-土復合體抗剪強度隨含根率增加而增大;含根率為0.3%時,其抗剪強度達到最大;含根率大于0.3%時,其抗剪強度下降。如正壓力為200 kPa條件下,在含水率9%且含根率為0.3%時,馬唐草根-土復合體抗剪強度相比于含根率為0時增加了23.8%。

狗尾草根-土復合體的抗剪強度隨含根率的增加而增大,未出現最優含根率,說明狗尾草最優含根率較大,試驗中未測試到該范圍。在正壓力為200 kPa下,狗尾草含根率每增加0.1%,其抗剪強度增加的范圍為0.5%～13.7%;同樣在正壓力為200 kPa下,在含水率為9%且含根率為0.4%時,狗尾草根-土復合體抗剪強度較相同含水率下的素土提高了21.6%。

注:a.含水率9%;b.含水率11%;c.含水率13%。Note:a.Moisture content 9%;b.Moisture content 11%;c.Moisture content 13%.圖4 馬唐草根-土復合體剪應力與剪切位移的關系Fig.4 Relationship between shear stress and shear displacement of root soil composite of Digitaria sanguinalis

注:a.含水率9%;b.含水率11%;c.含水率13%。Note: a.Moisture content 9%;b.Moisture content 11%;c.Moisture content 13%.圖5 狗尾草根-土復合體剪應力與剪切位移的關系Fig.5 Relationship between shear stress and shear displacement of root soil composite of Setaria viridis

注:a.正壓力100 kPa;b.正壓力200 kPa;c.正壓力300 kPa。Note: a.Positive pressure 100 kPa;b.Positive pressure 200 kPa;c.Positive pressure 300 kPa.圖6 不同正壓力與含水率條件下馬唐草根-土復合體剪應力與含根率的關系Fig.6 Relationship between the shear stress and the root content of the root soil composite of Digitaria sanguinalis under different normal stress and water content

3.2 根-土復合體黏聚力變化規律黏聚力與內摩擦角是衡量抗剪強度的2個重要指標,在根系作用下的土體黏聚力是最重要的指標之一。將試驗中的正壓力與抗剪強度代入摩爾-庫倫公式,可計算得到根-土復合體的黏聚力,含根率與黏聚力的擬合關系如圖8與表1所示,擬合系數具有統計意義。

從圖8a可知,馬唐草根-土黏聚力總體上隨含根率的增加呈先增后減的趨勢,與最大剪應力曲線趨勢相一致;試樣含水率為9%與11%時,0.3%含根率呈現了最大黏聚力,而含水率為13%時,0.2%含根率呈現出了最大黏聚力,這是由于在試驗中,加入根系后,土體的內摩擦角也會發生相應的變化,從而導致這種情況的出現。整體上,黏聚力仍隨含水率的增加而降低。

從圖8b可知,在含根率為0時(即素土)且含水率為9%,相對于其他含水率素土試樣,黏聚力最小,出現明顯異常,但總體上狗尾草根-土黏聚力隨含根率的增加而增大,隨含水率的增加而降低。

注:a.正壓力100 kPa;b.正壓力200 kPa;c.正壓力300 kPa。Note: a.Positive pressure 100 kPa;b.Positive pressure 200 kPa;c.Positive pressure 300 kPa.圖7 不同正壓力與含水率條件下狗尾草根-土復合體剪應力與含根率關系Fig.7 Relationship between the shear stress and the root content of the root soil composite of Setaria viridis under different normal stress and water content

注:a.馬唐草根-土復合體;b.狗尾草根-土復合體。Note: a.Digitaria sanguinalis root-soil complex;b.Setaria viridis root-soil complex.圖8 兩種根-土復合體含根率與黏聚力的擬合關系Fig.8 Fitting relationship between root content and cohesion of two kinds of root-soil composites

表1 根-土復合體含根率-黏聚力的擬合函數

4 結論

(1)該研究建立的力學模型表明,根系對邊坡土體抗剪強度改變,主要體現在黏聚力與法向應力變化。事實上,根-土復合體的內摩擦角也會產生變化,但由于根系占比較小,內摩擦角改變相對很小。

(2)根-土復合體存在最優含根率,使其達到最高的抗剪強度。到達最優含根率之前,根-土復合體抗剪強度隨含根率的增加而增大;總體上,根-土復合體的抗剪強度隨含水率的增加而降低,隨正壓力的增加而增大。

(3)馬唐草根-土復合體黏聚力隨含根率的增加呈現先增后減的趨勢,而狗尾草根-土黏聚力隨含根率的增加而增大;2種根-土復合體黏聚力都隨含水率的增加而降低;根-土復合體黏聚力與抗剪強度變化趨勢相一致。