郭陽(yáng)陽(yáng) 蔣希雁 何春曉 張耀鋒

(河北建筑工程學(xué)院土木工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

公路路堤生態(tài)邊坡植被根系加筋效應(yīng)的三軸試驗(yàn)研究

郭陽(yáng)陽(yáng) 蔣希雁 何春曉 張耀鋒

(河北建筑工程學(xué)院土木工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

采用常規(guī)靜三軸不固結(jié)不排水試驗(yàn)來(lái)探究邊坡植被根系含量和壓實(shí)度對(duì)重塑非飽和粉質(zhì)粘土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響規(guī)律.通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析得出以下結(jié)論：(1)通過(guò)加筋土與素土對(duì)比，素土與加筋土的應(yīng)力應(yīng)變曲線趨勢(shì)走向相近，且都呈現(xiàn)出硬化現(xiàn)象而無(wú)明顯破壞峰值，說(shuō)明加筋土也符合莫爾庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則.(2)加筋土的抗剪強(qiáng)度較素土有明顯的增大，且加筋土的粘聚力隨著試樣中根含量比重的增加而增大，說(shuō)明草根可以通過(guò)與土體相互作用約束土體的側(cè)向變形起到加筋的效果.(3)在同一壓實(shí)度條件加筋土相對(duì)素土內(nèi)摩擦角變化很小，說(shuō)明草根對(duì)土體的內(nèi)摩擦角影響較小.(4)在含根量一定條件下，試樣抗剪強(qiáng)度隨著壓實(shí)度的增大而大幅度提升，且加筋土比素土粘聚力增大幅度要大，壓實(shí)度提高可以增大邊坡的穩(wěn)定性.(5)植被根系的加筋作用可以彌補(bǔ)淺層土體壓實(shí)度不足，達(dá)到提高淺層邊坡穩(wěn)定性的效果.

路堤邊坡；三軸試驗(yàn);抗剪強(qiáng)度；壓實(shí)度；含根量;粘聚力

0 引 言

公路生態(tài)護(hù)坡技術(shù)的研究與應(yīng)用在國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)歷很長(zhǎng)的發(fā)展歷史，例如美國(guó)于1936年在南加利福尼亞州的Angeles Crest公路邊坡治理中就應(yīng)用生態(tài)護(hù)坡技術(shù)，日本的生態(tài)護(hù)坡在亞洲國(guó)家中起步最早，獲得多項(xiàng)生態(tài)護(hù)坡技術(shù)的專利，在世界范圍內(nèi)有較大影響.我國(guó)高速公路的生態(tài)護(hù)坡技術(shù)研究與應(yīng)用起步較晚，在較早時(shí)期，邊坡防護(hù)工程以工程防護(hù)方式居多，直到20世紀(jì)90年代才積累了相關(guān)的工程經(jīng)驗(yàn).根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究表明生態(tài)防護(hù)的外在形式可以明顯減弱雨水對(duì)淺層表土濺蝕、徑流沖刷、減少水土流[1～3]，而植物根系則是生態(tài)防護(hù)形式的關(guān)鍵，對(duì)增加坡面淺層穩(wěn)定性起著重要作用[4～6]，并能保證坡面淺層土體一直保持適宜植物生長(zhǎng)的土壤，為生態(tài)恢復(fù)提供基礎(chǔ)保證，有效協(xié)調(diào)邊坡工程建設(shè)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的關(guān)系.植被根系提高淺層邊坡的土體抗剪強(qiáng)度，提高了邊坡穩(wěn)定性即為根的加筋作用[7]，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究：楊亞川等[8]對(duì)草本植物的根-土復(fù)合體進(jìn)行了抗剪強(qiáng)度的直剪試驗(yàn)研究，證明根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度τf與法向壓力σ的關(guān)系符合庫(kù)侖定律，復(fù)合體抗剪強(qiáng)度隨含根量的增大而增大，隨含水量增多而減??；胡夏嵩[9]等對(duì)生長(zhǎng)于PVC管中的不同植物根系-土壤復(fù)合體進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)得出根土復(fù)合體粘聚力與素土相比有顯著提高，內(nèi)摩擦角變化不大；張峰等[10]基于常規(guī)三軸固結(jié)不排水剪探究植被須根含量和含水量對(duì)重塑非飽和粉質(zhì)粘土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響規(guī)律，得出植被須根可以提高土體的抗剪強(qiáng)度，在最優(yōu)含水量條件下抗剪強(qiáng)度最大.

在前人研究的基礎(chǔ)上，本文依托張家口某高速公路路堤生態(tài)邊坡，利用應(yīng)變控制式三軸儀，采用常規(guī)靜三軸不固結(jié)不排水剪試驗(yàn)進(jìn)行根-土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度影響因素探究，以壓實(shí)度和含根量作為對(duì)復(fù)合體抗剪強(qiáng)度影響的探究因素，評(píng)價(jià)植物根系對(duì)邊坡的加筋作用，為將來(lái)生態(tài)邊坡工程提供一定理論基礎(chǔ).

表1 路堤邊坡土壤物理性質(zhì)指標(biāo)

1 試驗(yàn)材料與試樣方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)取樣在張家口某高速公路生態(tài)路堤邊坡，取土深度0～500 mm，根系與土壤同時(shí)取出，取回室內(nèi)進(jìn)行根土分離.試驗(yàn)所取植物根系為狗尾草草根，由于試驗(yàn)條件限制為了保證制件過(guò)程中防止根系含水量的影響，將根系進(jìn)行自然風(fēng)干至質(zhì)量不再發(fā)生變化；取回土壤先用大孔徑篩將大顆粒和雜草根進(jìn)性篩選，然后進(jìn)行烘干放置.試驗(yàn)用土物理性質(zhì)指標(biāo)如表1.

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)試樣為重塑土樣，單個(gè)試樣質(zhì)量依據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》擾動(dòng)土樣的制備程序處理.單個(gè)試樣質(zhì)量m0計(jì)算公式為

m0=V×ρmax×(1+ωopt)×γ

圖1 根系排布圖

式中：m0——單個(gè)試件質(zhì)量g；V——試件體積(cm3)；ρmax——最大干密度(g/cm3)；ωopt——最佳含水率(%)；γ——壓實(shí)度(%).

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

本試驗(yàn)以壓實(shí)度和含根量作為土體抗剪強(qiáng)度的影響因素進(jìn)行探究.在實(shí)際環(huán)境中按照土重度計(jì)算圍壓達(dá)不到試驗(yàn)設(shè)計(jì)圍壓，但相對(duì)于小圍壓，大圍壓條件下土樣應(yīng)力應(yīng)變變化更為明顯，可以更好的反應(yīng)壓實(shí)度和根含量變化對(duì)試樣抗剪強(qiáng)度的影響.

如圖2，3，4所示是不同工況下試樣的主應(yīng)力差—主應(yīng)變曲線：

(a)素土 (b)加筋土0.1%

(c)加筋土0.15% (d)加筋土0.2%

圖2 壓實(shí)度為89%的試樣主應(yīng)力差值與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線圖

(a)素土 (b)加筋土0.1%

(c)加筋土0.15% (d)加筋土0.2%

圖3 壓實(shí)度為92%的試樣主應(yīng)力差值與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線圖

(a)素土 (b)加筋土0.1%

(c)加筋土0.15% (d)加筋土0.2%

圖4 壓實(shí)度為95%的試樣主應(yīng)力差值與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線圖

(1)從圖中可以看出在同一壓實(shí)度下，加筋土抗剪強(qiáng)度明顯高于素土抗剪強(qiáng)度，隨著試樣根含量的增大，抗剪強(qiáng)度也隨之增大.

(2)從圖中可以看出加筋土抗剪強(qiáng)度隨著含根量的增加而增大，加筋土初始?jí)嚎s時(shí)與素土一樣，主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變呈線性增長(zhǎng)，隨著軸向應(yīng)變的的增大主應(yīng)力差增量逐漸減小，試樣趨于破壞.隨著圍壓的增大試樣在試驗(yàn)過(guò)程中趨于硬化.

(3)從圖中可以看出同一根含量試樣抗剪強(qiáng)度隨著壓實(shí)度的增大而增大.

依據(jù)莫爾-庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則，對(duì)36組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理.

系統(tǒng)是若干部分在相互聯(lián)系、相互作用之中形成的具有某種確定功能的整體。因此有必要對(duì)司法鑒定管理信息系統(tǒng)中主要相關(guān)概念進(jìn)行梳理。下圖為司法鑒定管理信息框架圖（圖1）。

2.2 結(jié)果分析

對(duì)于無(wú)根系土體而言，其抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式為：

τf=c+σtanφ

其中：τf——土體抗剪強(qiáng)度，kPa；c——土粘聚力，kPa；σ——標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力，kPa；φ——原土內(nèi)摩擦角，°；

所以從粘聚力(C)和內(nèi)摩擦角(φ)角度出發(fā)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，探究壓實(shí)度和含根量對(duì)對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響.不同壓實(shí)度和不同含根量下試樣不固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度參數(shù)如表2所示.

表2 不同壓實(shí)度和不同含根量試樣抗剪強(qiáng)度參數(shù)

由表1得出92%、95%壓實(shí)度加筋土粘聚力均大于95%壓實(shí)度素土粘聚力；除0.1%含根量，92%壓實(shí)度條件下加筋土，其余92%、95%壓實(shí)度加筋土內(nèi)摩擦角也均大于95%壓實(shí)度素土內(nèi)摩擦角；壓實(shí)度為82%、含根量0.2%試樣的粘聚力為100.7 kPa與素土95%壓實(shí)度試樣粘聚力100.9 kPa相近，內(nèi)摩擦角相差0.2°.

其次分析壓實(shí)度和含根量對(duì)粘聚力(C)的影響，如圖5，6：

圖5 粘聚力與含根量關(guān)系曲線 圖6 粘聚力與壓實(shí)度關(guān)系曲線

從圖5可以得出同一壓實(shí)度下加筋土比素土粘聚力有較大提升，并且隨著含根量的增加粘聚力也在不斷增大，最大增大了40.5～56.9 kPa；從圖6可以得出素土粘聚力與壓實(shí)度呈正相關(guān)，同一根含量加筋土粘聚力與壓實(shí)度亦為正相關(guān)，并且加筋土隨著壓實(shí)度的增大幅度比素土要大.素土粘聚力最大增大了40.7 kPa，加筋土粘聚力最大增大了57.1～64.3 kPa.

接下來(lái)對(duì)內(nèi)摩擦角變化與含根量、壓實(shí)度變化進(jìn)行分析，如圖7，8：

圖7 內(nèi)摩擦角與根量關(guān)系曲線 圖8 內(nèi)摩擦角與壓實(shí)度關(guān)系曲線

由圖7得出加筋土內(nèi)摩擦角相對(duì)素土有小幅度提升，最大為0.9°～1.5°，同一壓實(shí)度下隨著根含量的增加筋土內(nèi)摩擦角也有小范圍提升，最大為0.4°～1.1°；由圖8得出素土和加筋土內(nèi)摩擦角變化都與壓實(shí)度呈正相關(guān)接近于線性變化.素土最大增加1.1°，加筋土最大增加1°～1.7°.

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得出，參照莫爾庫(kù)侖理論可以修正得出加筋土體的抗剪強(qiáng)度公式為：

τf=(c+Δc)+σtan(φ+Δφ)

式中：τf——土體抗剪強(qiáng)度，kPa；C——原素土粘聚力，kPa； Δc——根系對(duì)土體的粘聚力增量，kPa；σ——標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力，kPa；φ——原素土內(nèi)摩擦角，°； Δφ——根系對(duì)土體內(nèi)摩擦角增量，°.

3 結(jié) 論

基于靜三軸不固結(jié)不排水剪試驗(yàn)對(duì)高速路堤邊坡進(jìn)行的探究得出以下結(jié)論：

(1)通過(guò)加筋土與素土對(duì)比，素土與加筋土的應(yīng)力應(yīng)變曲線趨勢(shì)走向相近，且都呈現(xiàn)出硬化現(xiàn)象而無(wú)明顯破壞峰值，說(shuō)明加筋土也符合莫爾庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則.

(2)加筋土的抗剪強(qiáng)度較素土有明顯的增大，且加筋土的粘聚力隨著試樣中根含量比重的增加而增大，說(shuō)明草根可以通過(guò)與土體相互作用約束土體的側(cè)向變形起到加筋的效果.

(3)在同一壓實(shí)度條件加筋土相對(duì)素土內(nèi)摩擦角變化很小，說(shuō)明草根對(duì)土體的內(nèi)摩擦角影響較小.

(4)在含根量一定條件下，試樣抗剪強(qiáng)度隨著壓實(shí)度的增大而大幅度提升，且加筋土比素土粘聚力增大幅度要大，壓實(shí)度提高可以增大邊坡的穩(wěn)定性.

(5)植被根系的加筋作用可以彌補(bǔ)土體壓實(shí)度不足而導(dǎo)致的淺層邊坡不穩(wěn)定，達(dá)到提高淺層邊坡穩(wěn)定性的效果.

由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)較少，壓實(shí)度、含根量與粘聚力、內(nèi)摩擦角之間是否存在線性關(guān)系，本文沒(méi)有給出具體公式進(jìn)行描述，但可以為后期研究和工程實(shí)踐提供參考.以上結(jié)論基于重塑土來(lái)進(jìn)行研究，存在一定人為誤差，如何在后期試驗(yàn)研究中真實(shí)的去模擬草根在土中的實(shí)際分布還存在一定難度，有待以后進(jìn)一步探究.

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[11]JTJ051-93,公路土工試驗(yàn)規(guī)程[S]

Traxial experimental study of vegetation fibril reinforcement effect of the Ecological highway embankment slope protection

GUOYang-yang,JIANGXi-yan,HEChun-xiao,ZHANGYao-feng

(School of Civil Engineering,Hebei University of Architecture,Zhangjiakou 075000,China)

Using conventional unconsolidated-undrained triaxial test to explore the shear strength parameters’ influence rule of remolded-unsaturated clay at different vegetation fibril contents and different compaction degrees.By analyzing the test results conclude that:(1)Through the comparison for reinforced soil and pure soil,The stress-strain curves of pure soil and reinforced soil tend to be similar,and both show a hardening phenomenon without significant damage peak,indicating that the reinforced soil is also consistent with the Mohr-Coulomb strength criterion.(2)The shear strength of the reinforced soil is obviously higher than that of the pure soil,and the cohesive force of the reinforced soil increases with the increase of the proportion of the vegetation fibril content.The results show that grass roots can reinforce the lateral deformation of soil by interacting with it.(3)At the same compaction degree,the inner friction angles of reinforced soil and pure soli are close,indicating that vegetation fibril has little effect on the internal friction angle of the soil.(4)At the same vegetation fibril content，the shear strengths of reinforced soil and pure soli increase a lot with the increase of compaction degree,and the cohesion improvement of the reinforced soil goes over the pure soil,indicating that it can greatly promote the stability of the slope by increasing compaction degree.(5)The effect of vegetation fibril reinforcement can make up for the lack of compaction degree of soil,so as to improve the stability of shallow slope.

embankment slope;triaxial test;shear strength;compaction degree;vegetation fibril content;cohesion

2016-11-13

郭陽(yáng)陽(yáng)(1991-)，男，碩士研究生，主要從事邊坡穩(wěn)定及生態(tài)護(hù)坡技術(shù)方面研究.

10.3969/j.issn.1008-4185.2017.01.013

TU 4

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