直剪条件下根土复合体抗剪强度研究

蒋超 顾伟伟 丁周舟 杨辉 梅岭

摘要：植株根系体量庞大，纯天然地形成于土壤表层，它不仅可以涵养水分，而且对土壤有加筋作用，因此植物根系对提高根土复合体的抗剪强度有十分积极的作用。为研究根土复合体的抗剪强度性能，采用控制变量的思维，对复合体试样进行直剪试验，测量并评估复合体的孔隙比、含根率以及含水率对复合体抗剪强度的具体影响效果，得出孔隙比、含根量以及含水量的最优化选择。这有利于推动“植株加固土壤”在具体工程中的应用，进而降低施工难度和成本，收获环保、经济、高效的多重社会效益。

Abstract： The plant root system has a large volume and it is naturally formed on the surface of the soil. It can not only conserve water but also reinforce the soil. Therefore， the plant root system has a very positive effect on improving the shear strength of root-soil composites. In order to study the shear strength properties of the root-soil complexes， the control variables were used to perform a direct shear test on the composite samples. The specific effects of the pore ratio， the root ratio and the moisture content of the composites on the shear strength of the composites were tested and evaluated， and the optimal selection of void ratio， root volume and moisture content was obtained. This is conducive to promoting the application of "plant-enhanced soil" in specific projects， thereby reducing construction difficulties and costs， and gaining multiple social benefits of environmental protection， economy and efficiency.

关键词：直剪试验；抗剪强度；根土复合体

Key words： direct shear test； shear strength； root-soil composites

中图分类号：TU411.7 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）25-0203-03

0 引言

草本植物的根系在土体表层盘根错节，形成根土复合体，具有“加筋锚固作用”[1]。目前，国内研究人员已经利用直剪试验和三轴试验广泛地探究了复合体含水量、土壤种类、植株根系种类对土壤-根系复合体抗剪强度的影响。但是，目前已有的研究，在地域分布上还较为集中，对于根系含量、土体孔隙比这些变量的研究还比较欠缺。为此，通过实验进一步论证了已有的研究理论成果，并初步探究土体孔隙比以及含根量对根土复合体抗剪强度的影响。实验结果表明，土体孔隙比减小即密实度增大时，粘聚力和内摩擦角均有所提高；土壤-根系复合体抗剪强度随着土壤正向压力的增大而增大，但随土壤含水量的增大而减小；含根量提高时，土体的粘聚力单调递增，但内摩擦角变化曲线存在峰值。

1 孔隙比对土体抗剪强度指标的影响

土体的孔隙比属于影响土体抗剪强度的内在因素。通过理论计算，设计配置不同孔隙比的试件进行直剪快剪试验。研究结果表明，土壤-根系复合体抗剪强度随着土壤正向压力的增大而增大，土体孔隙比减小即密实度增大时，土壤的粘聚力增强，内摩擦角增大。

1.1 实验设计原理

为了研究孔隙比对土体抗剪强度的影响，选用均匀的黏土并通过标准筛控制粒径在0.075mm～1.000mm。制作的试样高H=2cm，横截面积A=30cm2，体积V=60cm3。这样就可以根据设计孔隙比来计算所需的土量。计算方法[2]如下：

由 得 ，

且

得

式中：e为设计孔隙比，本试验设计四组孔隙比进行分析，分别是0.4、0.6、0.8、1.0；ω为设计含水率，本实验定为20%；ρs为土的顆粒密度，经实验测定，ρs取2.7；ρd为土的设计干密度；V为土样的体积，本实验取60cm3；ms为土的干质量；ω0为土的风干含水率，本实验取为0%；m 为风干土的质量；mw为水的质量。

按计算好的土的质量，将所需的水和土充分搅拌，使土颗粒均匀为止。然后用击实器击实试样土，每组做出4个试件，分别在100kpa、200kpa、300kpa和400kPa的正压力σ下直剪快剪，按5r/min的速度转动手轮并分别记下试样破坏时直剪仪测力环的读数。试样的抗剪强度按照公式τ=CR计算。其中τ为试样的抗剪强度（kPa），C为测力环的率定系数（kPa/0.01mm），R为试样最终破坏时测力环的读数（0.01mm）。以正压力σ（kPa）为横坐标，抗剪强度τ（kPa）为纵坐标，绘制每组试样的τ-σ关系曲线，最终分析得出孔隙比与土体粘聚力和摩擦角的关系曲线。

1.2 实验结果分析

实验得出c-e关系曲线如图1所示，φ-e关系曲线如图2所示。

由图1可知，土体的粘聚力随着孔隙比的增大而减小，且降幅十分明显。其主要原因是，孔隙比增大时，分子间引力减小，粘聚力降低；孔隙比减小时，土体得密实度得到提高，土颗粒间胶结作用增强，粘聚力增大。

由图2可知，孔隙比增大时，摩擦角随之减小，降幅较为明显。这是因为孔隙比的增大使得土体密实度降低，土颗粒间摩擦力随之减小，摩擦角也变小。

2 含根率对根土复合体抗剪强度指标的影响

欲定量分析含根量对根土复合体抗剪强度的影响，必须采用扰动土进行试验。试验时控制复合体的含水率和密实度一定，改变根系和土壤的配比实现对含根量的改变。试验表明，土体中掺入植物根系后抗剪强度明显提高。在含根量提高时，土体的粘聚力单调递增，但内摩擦角变化曲线存在峰值。在含水量为20%的前提下，复合体的最优含根量为15%，即此时摩擦角达到最大值。

2.1 实验设计原理

试验采用草本麦冬提供根系原料。麦冬的根系属于须根系[3]，根系粗细较为均匀，数量多，在土体中紧密缠绕起到加筋作用。试验前将麦冬根系洗净，剪成1.5cm左右长度密封备用。试验选用江苏镇江地区的粉质黏土，试验前充分烘干，并进行筛分，收集粒径0.075mm～1.000mm的土颗粒备用。

本试验中含水量的计算公式与《土工试验规程SL237-1999》相同，即 ，其中mw为所需水的质量，ms为所需干土的质量。控制含水率为20%，即要求 。本试验中对含根量的定义为根系质量占根土复合体质量的百分比，即 。

探究含根率对根土复合体抗剪强度的影响时，共进行6组实验，分别控制含根量为0%、5%、10%、15%、20%、30%。每组试验需制备4个试样，为防止复合体水分过快挥发或其他人为因素导致的散失，需要在调配试验用土后立即制备试样，且每次调配不宜过多。每组试验调配一次土，配比为100克水+400克干土颗粒。试样制备的方法和采集数据的方法与上述相同。以正压力σ（kPa）为横坐标，抗剪强度τ（kPa）为纵坐标，绘制每组试样的τ-σ关系曲线，最终分析得出复合体含根率与土体粘聚力和摩擦角的关系曲线。

2.2 实验结果分析

实验得出每组试样的τ-σ关系曲线如图3所示，经分析得出的c-ωg和φ-ωg关系如图4、图5所示。

由图3可知，同一含水率条件下，根土复合体的抗剪强度明显高于同等条件下的素土试样。各个含根率条件下抗剪强度曲线大多接近平行，内摩擦角的变化幅度并不十分明显，根系的加筋作用主要提高土体的粘聚力。由图4可知，根土复合体的粘聚力随着含根率的提高而单调递增，且增幅较为明显。由图5可知，根土复合体的内摩擦角随着含根量的提高，先增大后减小，在含根率为15%左右取得最大值。可以认定，15%左右为最优含根量区。

3 含水率對根土复合体抗剪强度指标的影响

在天然情况下，受降雨、蒸发、灌溉等因素的影响，土体的含水率变化很大，土体的强度主要因含水率的变化而变化[4]。试验探究根土复合体在不同含水率的条件下，抗剪强度指标c和φ的变化情况。结果表明，含水率较低时，粘聚力随着含水率的增加而小幅度递增，当含水率达到一定程度后，土体粘聚力会大幅度下降。而摩擦角始终呈现急剧递减的趋势。对比素土试验和含根率15%的根土复合体试验还可以发现，在同等含水率条件下，植物根系明显可以提高复合体的粘聚力，复合体的粘聚力约为同等条件下素土的两倍。

3.1 实验设计原理

试验采用草本麦冬提供根系原料。含根率以及含水率的计算方法和上述试验相同。本轮试验需要进行两组平行试验，对比研究素土试样和含根率为15%的根土复合体的抗剪强度指标受含水率变化的影响。设计含水率分别为0%、10%、20%和30%。为了尽量避免水分散失造成的影响，应在制备原料土体后尽快制备试样并实施试验。

试验操作方法和上述情况相同。采集数据后，以正压力σ（kPa）为横坐标，抗剪强度τ（kPa）为纵坐标，绘制每组试样的τ-σ关系曲线，对比分析得出复合体含水率与土体粘聚力和摩擦角的关系曲线。

3.2 实验结果分析

实验得出不同含水率每组试样的τ-σ关系曲线，将素土试验和复合体试验得出的τ-σ关系曲线堆叠在同一坐标平面内，经数据分析处理得出的c-ω和φ-ω关系如图6、图7所示。

由图6不难看出，随着含水率的增大，复合体的粘聚力呈现先增大后减小的趋势，且降幅远大于增幅。对比素土试样，可以发现根系土的粘聚力约是素土的两倍，加筋作用显著。由图7可以看出，随着含水率的提高，复合体的摩擦角逐渐减小，降幅十分明显。当含水率较大时，根系加筋作用才较为明显地体现出来。

4 总结

土体的孔隙比对土体抗剪强度指标c和φ存在影响，且孔隙比较小时，该影响较为明显。随着土体孔隙比的增大，土壤的粘聚力和内摩擦角都随之减小。同等含水率条件下，根土复合体的抗剪强度明显高于同等条件下的素土试样。根系的加筋作用主要提高土体的粘聚力，对摩擦角影响不大。当含水率为20%时，根土复合体的粘聚力随着含根率的提高而单调递增，且增幅较为明显；内摩擦角随着含根量的提高，先增大后减小，在含根率为15%左右取得最大值。可以认定，15%左右为最优含根量区。含水率较低时，粘聚力随着含水率的增加而小幅度递增，当含水率达到一定程度后，土体粘聚力会大幅度下降。而摩擦角始终呈现急剧递减的趋势。

参考文献：

[1]曹波，曹志东，等.植物根系固土作用研究进展[J].水土保持应用技术，2009（1）：26-28.

[2]王星华，黄长溪，等.直剪快剪条件下黏土抗剪强度影响因素探讨[J].铁道科学与工程学报，2012，9（5）：46-49.

[3]刘晓燕，桂勇，等.植物根系护土固坡抗剪强度试验研究[J].江西理工大学学报，2013，34（3）：32-37.

[4]黄琨，万军伟，等.非饱和土的抗剪强度与含水率关系的试验研究[J].岩土力学，33（9）：2012.