季凍區(qū)邊坡表層粉質(zhì)粘土力學(xué)指標(biāo)影響因素室內(nèi)試驗研究

徐闖

(黑龍江省公路勘察設(shè)計院 哈爾濱 150080)

摘要：本文通過室內(nèi)三軸試驗研究凍融作用下邊坡表層粉質(zhì)粘土土體隨含水量、密實度、凍融次數(shù)、是否存在植物根系等不同條件下土的力學(xué)指標(biāo)變化規(guī)律，對提高季凍區(qū)邊坡防護效果具有一定的理論指導(dǎo)意義。研究結(jié)果表明：(1)土體主應(yīng)力差在植物根系作用下明顯提高，在含水率13%左右提高明顯；加根土主應(yīng)力差隨土的密實度增加而顯著提高。(2)含水率較小時，土體黏聚力隨含水率的增加而增大，當(dāng)含水率在13%左右時，黏聚力最大，當(dāng)含水率大于13%后，黏聚力開始隨含水率增加而減小。植物根系作用下粘聚力隨土體密實度增加而增大。(3)隨含水率增加土體內(nèi)摩擦角減小，含水率越大內(nèi)摩擦角減小幅度越大。含水率較大時植物根系對土體內(nèi)摩擦角影響較??；含水率較小和密實度較大時植物根系對提高土內(nèi)摩擦角作用明顯。

關(guān)鍵詞：邊坡表層粉質(zhì)粘土；凍融作用；三軸試驗；力學(xué)指標(biāo)；邊坡防護

中圖分類號：S 773.3

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-005X(2015)03-0146-05

Abstract：In this paper，through indoor triaxial test the soils mechanics index variation laws of slope surface layer silty clay under the action of freezing and thawing with different water content，compactness，freezing and thawing times，plant roots were analyzed，which has a certain theoretical guiding significance for the improvement of the effect of slope protection in seasonal frozen area.The results showed that：(1)The difference of principal stress of soil under the effect of plant root system increased significantly，and the increase was obvious at 13% moisture content；The principal stress difference of the plant roots soil increased significantly with the increase of the compactness of soil.(2)Under low moisture content，soil cohesion increased with the increase of moisture content，and reached the maximum at moisture content of around 13%.When moisture content was more than 13%，the cohesion began to decrease with the increase of moisture content.Plant roots under the action of cohesive force increased with increasing soil compactness.(3)With the increase of moisture content，the angle of internal friction of soil was reduced，the greater the moisture content the greater the decrease amplitude of the angle of internal friction.When soil moisture content was larger the plant roots had little effect on the internal friction angle.When the moisture content was smaller and the compactness was larger，plant roots had obvious effect in improving the soil angle of internal friction.

Keywords：slope surface layer silty；freezing and thawing；triaxial test；mechanical index；slope protection

收稿日期：2014-10-15

作者簡介：第一徐闖，碩士，高級工程師。研究方向：公路、城市道路橋梁工程設(shè)計。E-mail：375736088@qq.com

Research on Mechanics Affecting Factors of Slope Surface LayerSilty Clay in Seasonal Frozen Area By Indoor Test

Xu Chuang

(Highway Survey and Design Institute of Heilongjiang Province，Harbin 150080)

引文格式：徐闖.季凍區(qū)邊坡表層粉質(zhì)粘土力學(xué)指標(biāo)影響因素室內(nèi)試驗研究[J].森林工程，2015，31(3)：146-150.

季凍區(qū)粉質(zhì)粘土邊坡在春融期易引起滑動塌落，嚴重危及公路邊坡穩(wěn)定和行車安全，影響路域環(huán)境景觀，降低道路的使用功能[1]。為提高提高季凍區(qū)邊坡防護效果，對邊坡表層土體的物理、力學(xué)指標(biāo)影響因素研究具有很重要的現(xiàn)實意義[2]。

1邊坡表層土體現(xiàn)場取樣

分別在研究區(qū)Ⅰ、Ⅱ兩斷面挖100 cm×80 cm×240 cm的試坑。除去表層覆土30 cm，然后用環(huán)刀取土樣。試坑取樣表明兩端面為分布均勻粉沙質(zhì)粘土，原狀土在實驗室進行土體物理指標(biāo)實驗，實驗結(jié)果見表1。

表1　粉質(zhì)粘土物理指標(biāo) Tab.1 The physical indicators of silty clay

顆粒篩分試驗表明兩斷面土體粒徑小于0.075 mm顆粒含量均達到100%的細粒組，且級配良好，通過土的塑性指數(shù)可以確定兩斷面土體為粉質(zhì)粘土。

2試驗方案

為得到不同含水率、凍融次數(shù)、是否有根系等狀態(tài)下土的粘聚力、內(nèi)摩擦角和彈性模量的變化規(guī)律，設(shè)計了如下試驗方案：

土樣含水率分別為8%、13%、18%、21%、23%；干密度分別為1.43、1.52、1.62 g/cm3；凍融循環(huán)次數(shù)分別為0次、1次和5次；根系作用為無根系土和有根系土，試驗中以麻繩模擬根系[3]。植物根系的抗拉強度為5~100 MPa，塑性變形為2%~3%。通過拉伸試驗測得麻繩平均抗拉強度為35 MPa，極限伸長率為22%，與一般的植物根系特性基本一致。通過坡面土層調(diào)查，根系與邊坡夾角近似為45°+φ/2，因此試件中麻線采用水平布置，使試件剪切破壞面與麻線夾角接近[4]。

根據(jù)以上條件，分組制成直徑10 cm、高度20 cm試件，采用全自動三軸儀，進行不固結(jié)不排水三軸壓縮試驗[5]。試件中麻繩布置如圖1所示。

圖1　麻繩布置圖 Fig.1 Hemp rope arrangement

3土樣黏聚力試驗

如圖2和圖3所示為不同干密度無根土、加根土含水率-黏聚力曲線。如圖4和圖5所示為干密度為1.62 g/cm3、不同凍融次數(shù)作用下素土、加根土含水率-黏聚力關(guān)系曲線。從圖2~圖5曲線變化規(guī)律分析得到如下結(jié)論：

圖2　不同密度無根土含水率-黏聚力關(guān)系曲線 Fig.2 Cohesion of soil without root-soil moisture content relation curve under different densities

圖3　不同密度加根土含水率-黏聚力關(guān)系曲線 Fig.3 Root soil cohesion-soil moisture content relation curve under different densities

圖4　 凍融作用后無根土含水率-黏聚力關(guān)系曲線 Fig.4 The moisture content of soil without root and cohesion curve after freezing and thawing effect

圖5　凍融作用后加根土含水率-黏聚力關(guān)系 Fig.5 The moisture of soil with root-cohesion relation curve after freezing and thawing effect

(1)含水率較小時，土體黏聚力隨含水率的增加而增大，當(dāng)含水率在13%左右時，黏聚力最大，當(dāng)含水率大于13%后，黏聚力開始隨含水率增加而減小。植物根系作用下粘聚力隨土體密實度增加而增大。

(2)土的粘聚力隨干密度增加而增加；加根土粘聚力較無根土大，且隨干密度增大，差別更加明顯[6]。

(3)凍融作用次數(shù)增多黏聚力下降，初次凍融后下降幅度最大，與素土相比，加根土黏聚力下降較為明顯。

4土樣內(nèi)摩擦角試驗

如圖6和圖7所示為不同干密度素土、加根土內(nèi)摩擦角-含水率關(guān)系曲線，由曲線變化規(guī)律得到如下結(jié)論：

圖6　不同密度素土內(nèi)摩擦角-含水率關(guān)系曲線 Fig.6 Internal friction angle of soil without root-moisture content relation curve under different densities

圖7　不同密度加根土內(nèi)摩擦角-含水率關(guān)系曲線 Fig.7 Internal friction angle of soil with root-moisture content relation curve under different densities

(1)隨含水率增加土體內(nèi)摩擦角下降；內(nèi)摩擦角減小的幅度隨含水率增加而增大[7]。

(2)加根土體內(nèi)摩擦角在達到最佳含水率之前，明顯高于素土，但達到最佳含水率后內(nèi)摩擦角下降迅速。

如圖8和圖9所示為干密度1.62g/cm3、不同凍融次數(shù)作用下素土、加根土內(nèi)含水率-摩擦角曲線，通過曲線變化規(guī)律得出以下結(jié)論：

圖8　凍融作用素土含水率-內(nèi)摩擦角關(guān)系曲線 Fig.8 Internal friction angle of soil without root-moisture content relation curve after freezing and thawing effect

圖9　凍融作用加根土含水率-內(nèi)摩擦角關(guān)系曲線 Fig.9 Internal friction angle of soil with root-moisture content relation curve after freezing and thawing effect

(1)隨含水率增加土體內(nèi)摩擦角下降，內(nèi)摩擦角隨含水率增加而減小的越快，主要由于含水率增大后土體越接近飽和，土體孔隙中水的潤滑作用越明顯[8]。

(2)素土經(jīng)過1次凍融，內(nèi)摩擦角有所提高，但經(jīng)過5次凍融作用后，內(nèi)摩擦角下降至凍融前以下。

(3)隨凍融次數(shù)增加，加根土體內(nèi)摩擦角下降，較無根土下降幅度緩慢。

5土樣彈性模量試驗

如圖10和圖11所示為不同干密度無根土、加根土彈性模量-含水率關(guān)系曲線，由曲線變化規(guī)律得到如下結(jié)論：

圖10　不同密度無根土彈性模量-含水率曲線 Fig.10 Modulus of elasticity of soil without root-moisture content relation curve under different densities

圖11　不同密度加根土彈性模量-含水率曲線 Fig.11 Modulus of elasticity of soil with root-moisture content relation curve under different densities

(1)土體彈性模量均隨干密度增加而增大，隨含水率增加而減小[9-10]。干密度為1.52 g/cm3無根土彈性模量隨含水率增加而下降幅度大于干密度為1.43 g/cm3和1.62 g/cm3的無根土。

(2)土體加根后，彈性模量有明顯增加，特別是低干密度土體，彈性模量增加幅度更大。

如圖12和圖13所示為干密度1.62 g/cm3、不同凍融次數(shù)下無根土、加根土含水率-彈性模量曲線，由曲線變化規(guī)律得到如下結(jié)論：

圖12　凍融作用后無根土彈性模量-含水率曲線 Fig.12 Modulus of elasticity of soil without root-moisture content relation curve after freezing and thawing effect

圖13　凍融作用后加根土彈性模量-含水率曲線 Fig.13 Modulus of elasticity of soil with root-moisture content relation curve after freezing and thawing effect

隨含水率和凍融次數(shù)增加彈性模量下降，下降幅度隨含水率增高而減小[11-12]；加根土體經(jīng)歷凍融后彈性模量下降較素土幅度更大。

6不同條件應(yīng)變與應(yīng)力影響分析

如圖14~圖17所示為加根土與素土在不同含水率、密實度狀態(tài)下與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線主應(yīng)力差，通過曲線變化特征得到如下結(jié)論：

圖14　含水率為13%無根土主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線 Fig.14 Relationship between principal stress difference of soil without root and axial strain at moisture content of 13%

圖15　含水率為13%加根土主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線 Fig.15 Relationship between principal stress difference of soil with root and axial strain at moisture content of 13%

圖16　含水率為18%無根土主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線 Fig.16 Relationship between principal stress difference of soil without root and axial strain at moisture content of 18%

圖17　含水率為18%加根土主應(yīng)力差 與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線 Fig.17 Relationship between principal stress difference of soil with root and axial strain at moisture content of 18%

(1)主應(yīng)力差的峰值隨干密度增加明顯提高，當(dāng)含水率為13%，干密度分別為1.43、1.52、1.62 g/cm3時，加根土主應(yīng)力差分別提高11%、14%、19%左右。含水率為18%無根土、加根土與含水率為13%土體呈類似應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，但干密度為1.43、1.52 g/cm3土體提高幅度較小。

(2)植物根系加筋后，主應(yīng)力差明顯提高，特別是含水率在13%附近時提高的更加明顯[11]。

7結(jié)論

(1)試驗結(jié)果表明：土體主應(yīng)力差在植物根系作用下明顯提高，在含水率13%左右提高明顯；加根土主應(yīng)力差隨土的密實度增加而顯著提高[14]。

(2)含水率較小時，土體黏聚力隨含水率的增加而增大，當(dāng)含水率在13%左右時，黏聚力最大，當(dāng)含水率大于13%后，黏聚力開始隨含水率增加而減小。植物根系作用下粘聚力隨土體密實度增加而增大。

(3)隨含水率增加土體內(nèi)摩擦角減小，含水率越大內(nèi)摩擦角減小幅度越大[15]。含水率較大時植物根系對土體內(nèi)摩擦角影響較??；含水率較小和密實度較大時植物根系對提高土內(nèi)摩擦角作用明顯。

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[責(zé)任編輯：李洋]