公路路堤生态边坡植被根系加筋效应的三轴试验研究

郭阳阳 蒋希雁 何春晓 张耀锋

(河北建筑工程学院土木工程学院，河北 张家口 075000)

公路路堤生态边坡植被根系加筋效应的三轴试验研究

郭阳阳 蒋希雁 何春晓 张耀锋

(河北建筑工程学院土木工程学院，河北 张家口 075000)

采用常规静三轴不固结不排水试验来探究边坡植被根系含量和压实度对重塑非饱和粉质粘土抗剪强度指标的影响规律.通过试验结果分析得出以下结论：(1)通过加筋土与素土对比，素土与加筋土的应力应变曲线趋势走向相近，且都呈现出硬化现象而无明显破坏峰值，说明加筋土也符合莫尔库伦强度准则.(2)加筋土的抗剪强度较素土有明显的增大，且加筋土的粘聚力随着试样中根含量比重的增加而增大，说明草根可以通过与土体相互作用约束土体的侧向变形起到加筋的效果.(3)在同一压实度条件加筋土相对素土内摩擦角变化很小，说明草根对土体的内摩擦角影响较小.(4)在含根量一定条件下，试样抗剪强度随着压实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，压实度提高可以增大边坡的稳定性.(5)植被根系的加筋作用可以弥补浅层土体压实度不足，达到提高浅层边坡稳定性的效果.

路堤边坡；三轴试验;抗剪强度；压实度；含根量;粘聚力

0 引 言

公路生态护坡技术的研究与应用在国外发达国家已经历很长的发展历史，例如美国于1936年在南加利福尼亚州的Angeles Crest公路边坡治理中就应用生态护坡技术，日本的生态护坡在亚洲国家中起步最早，获得多项生态护坡技术的专利，在世界范围内有较大影响.我国高速公路的生态护坡技术研究与应用起步较晚，在较早时期，边坡防护工程以工程防护方式居多，直到20世纪90年代才积累了相关的工程经验.根据国内外研究表明生态防护的外在形式可以明显减弱雨水对浅层表土溅蚀、径流冲刷、减少水土流[1～3]，而植物根系则是生态防护形式的关键，对增加坡面浅层稳定性起着重要作用[4～6]，并能保证坡面浅层土体一直保持适宜植物生长的土壤，为生态恢复提供基础保证，有效协调边坡工程建设与生态环境保护的关系.植被根系提高浅层边坡的土体抗剪强度，提高了边坡稳定性即为根的加筋作用[7]，国内外学者对此进行了大量研究：杨亚川等[8]对草本植物的根-土复合体进行了抗剪强度的直剪试验研究，证明根-土复合体抗剪强度τf与法向压力σ的关系符合库仑定律，复合体抗剪强度随含根量的增大而增大，随含水量增多而减小；胡夏嵩[9]等对生长于PVC管中的不同植物根系-土壤复合体进行直接剪切试验得出根土复合体粘聚力与素土相比有显著提高，内摩擦角变化不大；张峰等[10]基于常规三轴固结不排水剪探究植被须根含量和含水量对重塑非饱和粉质粘土抗剪强度指标的影响规律，得出植被须根可以提高土体的抗剪强度，在最优含水量条件下抗剪强度最大.

在前人研究的基础上，本文依托张家口某高速公路路堤生态边坡，利用应变控制式三轴仪，采用常规静三轴不固结不排水剪试验进行根-土复合体的抗剪强度影响因素探究，以压实度和含根量作为对复合体抗剪强度影响的探究因素，评价植物根系对边坡的加筋作用，为将来生态边坡工程提供一定理论基础.

表1 路堤边坡土壤物理性质指标

1 试验材料与试样方法

1.1 试验材料

试验取样在张家口某高速公路生态路堤边坡，取土深度0～500 mm，根系与土壤同时取出，取回室内进行根土分离.试验所取植物根系为狗尾草草根，由于试验条件限制为了保证制件过程中防止根系含水量的影响，将根系进行自然风干至质量不再发生变化；取回土壤先用大孔径筛将大颗粒和杂草根进性筛选，然后进行烘干放置.试验用土物理性质指标如表1.

1.2 试验方法

试验试样为重塑土样，单个试样质量依据《公路土工试验规程》扰动土样的制备程序处理.单个试样质量m0计算公式为

m0=V×ρmax×(1+ωopt)×γ

图1 根系排布图

式中：m0——单个试件质量g；V——试件体积(cm3)；ρmax——最大干密度(g/cm3)；ωopt——最佳含水率(%)；γ——压实度(%).

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

本试验以压实度和含根量作为土体抗剪强度的影响因素进行探究.在实际环境中按照土重度计算围压达不到试验设计围压，但相对于小围压，大围压条件下土样应力应变变化更为明显，可以更好的反应压实度和根含量变化对试样抗剪强度的影响.

如图2，3，4所示是不同工况下试样的主应力差—主应变曲线：

(a)素土 (b)加筋土0.1%

(c)加筋土0.15% (d)加筋土0.2%

图2 压实度为89%的试样主应力差值与轴向应变关系曲线图

(a)素土 (b)加筋土0.1%

(c)加筋土0.15% (d)加筋土0.2%

图3 压实度为92%的试样主应力差值与轴向应变关系曲线图

(a)素土 (b)加筋土0.1%

(c)加筋土0.15% (d)加筋土0.2%

图4 压实度为95%的试样主应力差值与轴向应变关系曲线图

(1)从图中可以看出在同一压实度下，加筋土抗剪强度明显高于素土抗剪强度，随着试样根含量的增大，抗剪强度也随之增大.

(2)从图中可以看出加筋土抗剪强度随着含根量的增加而增大，加筋土初始压缩时与素土一样，主应力差与轴向应变呈线性增长，随着轴向应变的的增大主应力差增量逐渐减小，试样趋于破坏.随着围压的增大试样在试验过程中趋于硬化.

(3)从图中可以看出同一根含量试样抗剪强度随着压实度的增大而增大.

依据莫尔-库伦强度准则，对36组试验数据进行处理.

系统是若干部分在相互联系、相互作用之中形成的具有某种确定功能的整体。因此有必要对司法鉴定管理信息系统中主要相关概念进行梳理。下图为司法鉴定管理信息框架图（图1）。

2.2 结果分析

对于无根系土体而言，其抗剪强度计算公式为：

τf=c+σtanφ

其中：τf——土体抗剪强度，kPa；c——土粘聚力，kPa；σ——标准应力，kPa；φ——原土内摩擦角，°；

所以从粘聚力(C)和内摩擦角(φ)角度出发对试验结果进行分析，探究压实度和含根量对对土体抗剪强度的影响.不同压实度和不同含根量下试样不固结不排水抗剪强度参数如表2所示.

表2 不同压实度和不同含根量试样抗剪强度参数

由表1得出92%、95%压实度加筋土粘聚力均大于95%压实度素土粘聚力；除0.1%含根量，92%压实度条件下加筋土，其余92%、95%压实度加筋土内摩擦角也均大于95%压实度素土内摩擦角；压实度为82%、含根量0.2%试样的粘聚力为100.7 kPa与素土95%压实度试样粘聚力100.9 kPa相近，内摩擦角相差0.2°.

其次分析压实度和含根量对粘聚力(C)的影响，如图5，6：

图5 粘聚力与含根量关系曲线 图6 粘聚力与压实度关系曲线

从图5可以得出同一压实度下加筋土比素土粘聚力有较大提升，并且随着含根量的增加粘聚力也在不断增大，最大增大了40.5～56.9 kPa；从图6可以得出素土粘聚力与压实度呈正相关，同一根含量加筋土粘聚力与压实度亦为正相关，并且加筋土随着压实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.

接下来对内摩擦角变化与含根量、压实度变化进行分析，如图7，8：

图7 内摩擦角与根量关系曲线 图8 内摩擦角与压实度关系曲线

由图7得出加筋土内摩擦角相对素土有小幅度提升，最大为0.9°～1.5°，同一压实度下随着根含量的增加筋土内摩擦角也有小范围提升，最大为0.4°～1.1°；由图8得出素土和加筋土内摩擦角变化都与压实度呈正相关接近于线性变化.素土最大增加1.1°，加筋土最大增加1°～1.7°.

根据实验结果分析得出，参照莫尔库仑理论可以修正得出加筋土体的抗剪强度公式为：

τf=(c+Δc)+σtan(φ+Δφ)

式中：τf——土体抗剪强度，kPa；C——原素土粘聚力，kPa； Δc——根系对土体的粘聚力增量，kPa；σ——标准应力，kPa；φ——原素土内摩擦角，°； Δφ——根系对土体内摩擦角增量，°.

3 结 论

基于静三轴不固结不排水剪试验对高速路堤边坡进行的探究得出以下结论：

(1)通过加筋土与素土对比，素土与加筋土的应力应变曲线趋势走向相近，且都呈现出硬化现象而无明显破坏峰值，说明加筋土也符合莫尔库伦强度准则.

(2)加筋土的抗剪强度较素土有明显的增大，且加筋土的粘聚力随着试样中根含量比重的增加而增大，说明草根可以通过与土体相互作用约束土体的侧向变形起到加筋的效果.

(3)在同一压实度条件加筋土相对素土内摩擦角变化很小，说明草根对土体的内摩擦角影响较小.

(4)在含根量一定条件下，试样抗剪强度随着压实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，压实度提高可以增大边坡的稳定性.

(5)植被根系的加筋作用可以弥补土体压实度不足而导致的浅层边坡不稳定，达到提高浅层边坡稳定性的效果.

由于试验数据较少，压实度、含根量与粘聚力、内摩擦角之间是否存在线性关系，本文没有给出具体公式进行描述，但可以为后期研究和工程实践提供参考.以上结论基于重塑土来进行研究，存在一定人为误差，如何在后期试验研究中真实的去模拟草根在土中的实际分布还存在一定难度，有待以后进一步探究.

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[11]JTJ051-93,公路土工试验规程[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

郭阳阳(1991-)，男，硕士研究生，主要从事边坡稳定及生态护坡技术方面研究.

10.3969/j.issn.1008-4185.2017.01.013

TU 4

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