浅层土坡草根加筋土原位剪切与室内直剪试验比较研究

周雨奇++张志远++王颖慧++孟佳楠++于宙

摘 要：围绕表层土体在提高边坡土体的稳定性问题，在已有的草根加筋土提高土体抗剪强度的研究及现场直剪试验和室内直剪试验在此问题中的应用结论的基础上，结合试验方法的创新，通过控制两种试验的试样含水率和液塑限相同，比较两种试验方法测得的草根加筋土的抗剪强度，并讨论通过折减系数使利用室内直剪试验的研究结果经过修正后替代现场直剪试验结果的可行性。

关键词：护坡工程；草根加筋土；抗剪强度

中图分类号：U417 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）20-0050-03

邊坡土体的稳定性在交通公路领域具有重要意义，植被根系的护坡功能主要体现在其深根的锚固作用和浅根的加筋作用，对于一般植物根系最多可保持0.7～1.1m土体边坡的稳定性，因此草根加筋土对于坡面的浅层滑坡具有良好防治作用。已有学者用三轴压缩试验、现场直剪试验、数值模拟方法计算草根加筋作用对边坡土体稳定性的影响。本文主要探讨在不适合使用大型现场直剪仪器的情况下，采用刘斯宏[1]等的现场直剪试验方法及室内快剪试验得出抗剪强度指标，通过分析数据判断用室内直剪试验代替原位测定结果的可行性以及两者之间的误差来源。

周锡九[2]等通过分析护坡原理和试验数据证明了植草根系浅层加筋作用的有效性；陈昌富[3]等人通过三轴压缩试验证明了草根加筋土的护坡机理可以用准粘聚力原理解释；任小敏[4]和陈昌富[5]等人分别通过直剪试验和室内三轴实验总结出草根主要提高土体的粘聚力而对内摩擦角提高不明显的结论。本文基于莫尔-库伦强度理论对草根加筋土的抗剪强度进行试验分析，根据对比两种试验方法得出的抗剪强度参数的差异大小，判断该种植物的加筋作用是否能够用室内直剪试验结果替代，并根据相似原则推断出同量级根系直径的植物都可使用室内直剪试验测定抗剪强度。

1 室内直剪试验

1.1 实验原理

土体的抗剪强度是土体抵抗剪切破坏的极限能力，其数值等于剪切破坏的滑动面上的剪应力。土体是否产生剪切破坏决定于它的本身性质和组合受力情况，而利用莫尔-库伦破坏准则可以把这两个因素对土体抗剪强度的影响综合起来。由莫尔-库伦定律，对于粘性土有τf=c+σ·tanφ分级加法向荷载，将试验测得的应力应变值记录在表格中并点绘成c-τ曲线，取不同法向应力作用下相应的峰值剪应力（即土的抗剪强度τf），与对应的法向应力一起绘成抗剪强度包线即为所求。

1.2 实验操作步骤

在现场用环刀取7份样本（要求环刀切到植物根系），密封带回实验室，其中3份剔除草根及杂物，经液塑限联合测定法测得含水率、液限、塑限，另外4份做室内快剪试验。即在100kPa/200kPa/300kPa/400kPa的四种法向应力作用下匀速将试样剪破，测定固定时间段内的应变，并记录在表格中。

1.3 实验结果分析

由图表（表1、图1、图2）可知，草根加筋土4个含水率为22.27%的剪切式样的抗剪强度：内摩擦角为11.15°，粘聚力为6.2075kPa。下图为剪切试验情况（如图3、图4）。

2 原位直剪试验

2.1 试验步骤

将340mm*360mm*100mm剪切框嵌入表层土中50mm确保剪切面可切到根系，挖去剪切框边缘多余土体，再将便携式直剪仪固定在地面上，用卸扣及受力铁链连接剪切框及直剪仪，安装数据采集、压力传感器、位移传感器等并连接成功；分级用平均装土30kg的土袋分级加荷，转动直剪仪转轮开始以0.02mm/min的速度使试样剪破，利用计算机软件成图，得出应力应变曲线。

2.2 试验成果（见图7、图8）

2.3 结果分析

内摩擦角为4.81°，粘聚力为208.79kPa。

3 比较分析

通过控制草根加筋土试样的含水率和液塑限一定，我们可以由两种试验的结果看出：现场直剪试验结果与室内直剪试验结果相比较，现场直剪试验测得的内摩擦角φe为4.81°，而室内直剪试验的内摩擦角φi为11.15°，而两者测的粘聚力相差过大不予采用，考虑将室内直剪试验所得的内摩擦角乘上安全系数α予以折减，留出足够的安全裕度，即：tanφe=α·tanφi其中安全系数α应通过大量的试验确定，即控制每次对比试验的土体含水率及液塑限相同，做多组现场直剪和室内直剪试验，并绘出含水率与安全系数的散点图ω～α，在散点图中勾出下包络曲线即为所求。

在本次试验中，α取值为：

4 结论及展望

本文通过对比在控制含水率、液塑限一定的情况下，室内直剪试验和现场直剪试验测得草根加筋土的抗剪强度参数，确定室内直剪试验结果的误差及相应的修正系数，用于在没有条件做现场直剪试验的情况下用室内直剪试验结果经修正得到的精确值代替。由于条件限制，没有分别用多种尺寸的剪切框做现场直剪试验，且室内直剪试验剪切框相较于植物根系尺寸太小，应当在之后的研究中注意几何及物理相似条件设计试验，做大量的对比试验求得下包络曲线ω～α，并使用更大尺寸的现场直剪试验用剪切框以消除草根分布不均匀导致的试验误差，以期研究成果能够在现实工程中使用；另外，由于边坡具有倾角，工程中往往需要考虑表层土-根复合体在有倾角的情况下抗剪强度的变化，因此可在之后的研究中设计一种新的适用于边坡的抗剪强度测试装置。

参考文献：

[1]刘斯宏，臧德记，汪易森，等.便携式现场和室内两用直剪仪的研制[J].岩土工程学报，2010（06）：938-943.

[2]周锡九，赵晓峰.坡面植草防护的浅层加固作用[J].北方交通大学学报，1995（02）：143-146.

[3]陈昌富，刘怀星，李亚平.草根加筋土的护坡机理及强度准则试验研究[J].中南公路工程，2006（02）：14-17.

[4]任小敏，王泽华.草根加筋土的室内直剪试验研究[J].交通科技，2015（02）：126-128.

[5]陈昌富，刘怀星，李亚平.草根加筋土的室内三轴试验研究[J].岩土力学，2007（10）：2041-2045.

[6]董云，柴贺军，杨慧丽.土石混填路基原位直剪与室内大型直剪试验比较[J].岩土工程学报，2005（02）：235-238.

[7]习小山，刘成光，景辉.原位大剪试验与室内剪切试验的对比探讨[J].中国新技术新产品，2011（08）：76-77.