基于CT掃描植物根-土復(fù)合體直剪試驗(yàn)研究★

楊 釗，黃 婧

(凱里學(xué)院建筑工程學(xué)院,貴州 凱里 556011)

0 引言

近年來,在基建工程中產(chǎn)生了大量的人工邊坡,破壞了地表原有的植被與生態(tài)環(huán)境。相較于傳統(tǒng)的邊坡防護(hù)模式,采用植被護(hù)坡技術(shù)兼具固土護(hù)坡與修護(hù)生態(tài)的作用,主要通過根系來增強(qiáng)邊坡的穩(wěn)定性[1],因此,探究根系的固土機(jī)理是十分必要的。

關(guān)于植物根系的固土機(jī)理研究,國內(nèi)外學(xué)者主要從試驗(yàn)與理論分析等方面展開研究。研究人員基于試驗(yàn)研究建立了植物根-土相互作用機(jī)理,形成了根系固土的理論基礎(chǔ)“加筋土理論”[2-3]。不同根系形態(tài)對土壤的加固機(jī)制研究人員也展開了積極的探究,Preston等對植被根的形態(tài)分布及根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了一定的探索,表明根系形態(tài)對抗剪強(qiáng)度有較大影響[4]。孔綱強(qiáng)等[5]采用透明土探究了不同根系形態(tài)與根-土復(fù)合體的剪切強(qiáng)度關(guān)系,表明混合分布形態(tài)下根系增強(qiáng)效應(yīng)最明顯。同時(shí),不同種類植被、不同根系形態(tài)及埋根方式,也在不同程度上影響植被根系的固土阻裂效果[6]。周成等[7]通過直剪試驗(yàn)和無側(cè)限膨脹試驗(yàn),結(jié)果表明:在不同初始含水率時(shí)的膨脹力和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)各不相同。馮國建等[8]、陳麗華等[9]植物根系的拉拔試驗(yàn),探究了根系抗拉強(qiáng)度與其分布特征的關(guān)系。其他學(xué)者也通過數(shù)值模擬[10-11]等方法對植物根系的固土機(jī)理展開了研究,取得了不錯(cuò)的成效。然而,植物根系在土壤中的形態(tài)與分布是極其復(fù)雜的,對于原狀土的測試又缺少有效的手段,這增加了對其研究的難度,而上述研究成果中采用CT實(shí)時(shí)掃描技術(shù)進(jìn)行根-土復(fù)合體的力學(xué)性能的研究較少。

因此,本文采用CT掃描技術(shù),通過CT掃描大型直剪試驗(yàn)探究植物根系固土作用的力學(xué)特性、剪切裂縫的發(fā)展特征,以期為植物根系固土護(hù)坡的作用機(jī)理研究提供參考。

1 試驗(yàn)材料及方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)備及材料

本次試驗(yàn)選用構(gòu)樹、刺槐、枸杞作為研究對象,這三種植物具有適應(yīng)性強(qiáng)、耐干旱與貧瘠、根系較長且均勻等優(yōu)點(diǎn),選用直徑為2 mm～5 mm的新鮮側(cè)根進(jìn)行試驗(yàn)。直剪儀器為大型應(yīng)力控制直剪儀,剪切盒尺寸為:長200 mm,寬200 mm,高150 mm,主要由加載與測量系統(tǒng)組成。水泥為42.5級普通硅酸鹽水泥,試驗(yàn)土樣為粉質(zhì)黏土,土樣的基本性質(zhì)如表1所示。

表1 土壤的基本參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

直剪試驗(yàn)采用重塑土試樣,將土樣曬干碾碎后過5 mm篩,放入105 ℃烘箱中靜置24 h。將水泥與土攪拌均勻后加水配置成含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為18.74%的重塑土,并密封靜置24 h使其充分潤濕。每個(gè)試樣稱量10.6 kg的重塑土,分三層加入制樣容器中,將6條根系均勻地放入制樣容器中,使其與制樣容器底部接觸并豎直固定,土樣分批填滿后進(jìn)行壓實(shí),待養(yǎng)護(hù)7 d后進(jìn)行剪切。直剪試驗(yàn)一共設(shè)置5組試樣,分別命名為T-1(純土樣),T-2(6%水泥土樣),T-3(6%水泥的構(gòu)樹根土樣,平均根徑3.46 mm,根長14.7 cm),T-4(6%水泥的刺槐根土樣,平均根徑3.52 mm,根長14.4 cm),T-5(6%水泥的枸杞根土樣,平均根徑3.66 mm,根長14.6 cm)。試樣分別在50 kPa,100 kPa和150 kPa的垂直壓力下進(jìn)行剪切,試驗(yàn)過程中由電腦全程記錄數(shù)據(jù),以峰值剪應(yīng)力值作為試樣的抗剪強(qiáng)度。

CT掃描直剪試驗(yàn)采用T-2,T-3試樣在50 kPa垂直壓力下進(jìn)行,在剪切試驗(yàn)過程的前、中、后期掃描試樣的變形情況,截取縱向剖面CT圖進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 根-土復(fù)合體剪應(yīng)力-位移關(guān)系分析

通過直剪試驗(yàn)得到各試樣在不同垂直壓力下的剪應(yīng)力-位移曲線和抗剪強(qiáng)度曲線如圖1所示。由圖1(a)—圖1(e)可知,各試樣在剪切過程中均表現(xiàn)為塑性破壞特征,即達(dá)到峰值剪應(yīng)力后隨著剪切位移的增加剪應(yīng)力迅速下降,并趨于平衡土體即失去承載力;由圖1可知,含根試樣T-3,T-4,T-5的殘余強(qiáng)度均高于未含根試樣T-1與T-2,說明根系有利于提高試樣內(nèi)部土顆粒的咬合作用。

水泥及根系對試樣剪切變形的影響:對比圖1(a)—圖1(e)中各試樣的剪應(yīng)力-位移關(guān)系圖可知,在相同垂直壓力下,T-2,T-3,T-4,T-5試樣峰值應(yīng)力所對應(yīng)的剪切位移明顯高于T-1(不含水泥),如在50 kPa壓力下,T-2—T-5試樣峰值應(yīng)力所對應(yīng)的位移分別為4.82 mm,6.04 mm,5.76 mm,5.23 mm,較T-1試樣(4.12 mm)分別增大了17.0%,46.6%,39.8%,26.9%,說明試樣中摻入6%的水泥能夠顯著提高土樣的剪切變形能力,因?yàn)樗嘧鳛槟z凝材料,在凝結(jié)初期能夠有效地提高土壤內(nèi)部顆粒黏結(jié)性,從而提高剪切變形能力。對比T-3—T-5試樣可知,在相同垂直壓力下T-3試樣(含構(gòu)樹根)的變形能力較好。

2.2 不同根系與試樣強(qiáng)度的關(guān)系分析

由圖1(f)可知,在相同條件下隨試樣編號的增加抗剪強(qiáng)度呈先增后降的變化,T-3,T-4,T-5試樣的抗剪強(qiáng)度明顯大于T-1,T-2試樣,其中T-3的抗剪強(qiáng)度最大;如100 kPa壓力下,含根試樣T-3,T-4,T-5的抗剪強(qiáng)度分別為32.3 kPa,25.4 kPa,22.4 kPa,較未含根試樣T-2(17.1 kPa)分別增大了88.3%,48.5%,31.0%,說明試樣中摻入三種植物根系均能在一定程度上增強(qiáng)土樣的剪切強(qiáng)度。

其中含構(gòu)樹根的試樣增強(qiáng)表現(xiàn)最為顯著,含枸杞根最弱。因?yàn)橹参锔翟谠嚇蛹羟羞^程中充當(dāng)了“加筋”的作用,能將土體受到的剪切力傳遞到較穩(wěn)定的深層,從而提高了剪切強(qiáng)度。在實(shí)際邊坡中利用根系與深底層的錨固作用力,能夠有效阻止淺層土體的滑動,從而增強(qiáng)土體的抗剪強(qiáng)度與延性,進(jìn)而使坡面的穩(wěn)定性增加,邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)提高[12-13]。因此,在邊坡中采用植被來進(jìn)行邊坡的防護(hù)與治理是可行的。

通過函數(shù)擬合得到不同試樣的抗剪指標(biāo)如表2所示。由表2可知,含根試樣T-3,T-4,T-5的黏聚力c與內(nèi)摩擦角φ較不含根試樣T-1,T-2有明顯增大:如含根試樣T-3,T-4,T-5較未含根試樣T-2黏聚力c分別增大了56.3%,70.4%,74.8%,內(nèi)摩擦角φ分別增大了70.3%,36.6%,26.2%,其中含構(gòu)樹根試樣T-3內(nèi)摩擦角增大最為顯著,而含枸杞根試樣T-5黏聚力增大最為顯著。說明植物根系的存在能明顯地提高土樣的黏聚力與內(nèi)摩擦角。

表2 試樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

綜上可知,三種植物根系的存在對土樣的抗剪強(qiáng)度、剪切變形能力、內(nèi)摩擦角和黏聚力均有不同程度的提高,因此在邊坡中通過種植植被來提高邊坡土壤的穩(wěn)定性是有效的。

2.3 CT直剪掃描圖像及剪切變形演化分析

根據(jù)T-2,T-3試樣在50 kPa垂直壓力下的剪切過程進(jìn)行CT掃描,得到含構(gòu)樹根T-3與含水泥T-2試樣的剪切裂縫演化情況分別如圖2所示。由圖2(a)可知,對于不含根的T-2試樣在剪切過程中,隨著水平位移的增加,試樣內(nèi)部沿著剪切縫處有明顯的裂隙出現(xiàn),而當(dāng)剪切位移達(dá)到5 mm左右時(shí),繼續(xù)增加水平推力,試樣內(nèi)部的裂縫迅速擴(kuò)大,形成了貫通式裂縫,土體發(fā)生了剪切破壞,土體的抗剪強(qiáng)度迅速降低,并最終趨于平衡。

由圖2(b)可知,含根試樣T-3在剪切前中期過程中裂縫不明顯,這是因?yàn)橛懈档拇嬖?在剪切變形過程中根系與土體的變形模量相差較大,加載水平推力的過程中,根系和土體之間將會發(fā)生相對位移,為保持根土之間的變形協(xié)調(diào),根系將承受的剪力傳遞給深層土體,因此裂縫較小;但隨著水平推力的逐漸增加,變形也逐漸增大。由圖2(b)與圖1(c)可知,當(dāng)剪切位移到6.0 mm左右時(shí),即試樣剪切應(yīng)力達(dá)到峰值,此時(shí)試樣的剪切裂縫已十分明顯,但未形成連續(xù)貫通的裂縫,因?yàn)楦档拇嬖谑雇馏w內(nèi)的剪應(yīng)力分配更均勻。對比T-2,T-3試樣的剪應(yīng)力-應(yīng)變及CT掃描圖可知,含根試樣T-3試樣的抗剪強(qiáng)度及變形能力均高于T-2試樣,因?yàn)楦档募咏钭饔檬雇馏w內(nèi)部顆粒間的應(yīng)力再分配,從而提高了剪切強(qiáng)度。

此外,通過對比圖1(b)與圖1(c),圖2(a)與圖2(b)可知,未含根試樣T-2的水平剪切裂縫為貫通式的集中裂縫,裂縫中部寬,兩端窄;而含根T-3試樣的為網(wǎng)狀型裂縫,裂縫寬度較均勻,沒有出現(xiàn)聯(lián)通兩端的貫通式裂縫。含根系試樣T-3不僅提高了土體的抗剪強(qiáng)度,而且對阻止土體裂隙的迅速擴(kuò)張也起到了很好的作用。說明土樣在受到剪力的作用時(shí),根系能將所受到的剪力均勻地傳遞到土樣深層,從而提高了土樣的抗裂性能與抗剪強(qiáng)度。

3 結(jié)論

1)隨著剪切位移的增加各試樣的剪應(yīng)力逐漸增大,達(dá)到峰值應(yīng)力后迅速降低并趨于穩(wěn)定;摻入根系后各試樣的剪切強(qiáng)度及變形能力均有顯著提升,其中構(gòu)樹根對土樣的增強(qiáng)作用最為顯著;摻入根系后試樣的剪切強(qiáng)度指標(biāo)均有提升,較未含根試樣T-2含構(gòu)樹根T-3試樣內(nèi)摩擦角提升70.3%,含刺槐根T-4試樣黏聚力提升74.8%。

2)植物根系的存在能夠顯著地抑制剪切裂縫擴(kuò)展為網(wǎng)狀型裂縫,根-土的加筋作用使得試樣的裂縫寬度與長度較小,抗剪能力提高。綜合分析可知,三種植物根系中構(gòu)樹根系對土體的加固作用較優(yōu)。