植物根系改良鄂东矿渣混合土抗剪强度的研究

曹志国，张 礼，张定邦，潘梓祺，齐 港

(湖北理工学院 土木建筑工程学院，湖北 黄石 435003)

矿冶是鄂东地区黄石市的支柱产业，其产生的大量尾矿渣多采用高堆坝的方式堆置，不仅占用土地、污染水源，而且当坝体无法承受自身自重或遇到地震等外力作用时，会发生大规模溃坝事件，极易造成巨大的生命和财产损失[1-2]。因此，尾矿渣的资源化利用逐渐成为城市绿色发展的重难点课题。

软土是鄂东地区广泛分布的不良土质。以适量尾矿渣为改良剂加入软土之中，不但可以加强软土的力学性能，使之运用于路基填筑[2-3]，而且可为尾矿渣的合理处置提供新的途径。楼泠妙等[4]利用GGBS(高炉矿渣粉)和石灰改良上海软土，当采用3%石灰和7%矿渣混合加固上海软土时效果最显著。张鸿迪[5]以宝兰客运专线现场土样为基础，采用具有一定水硬性的矿渣粉和生石灰材料来改良黄土，提高了黄土的强度。

利用植物根系的加筋和锚固效应来提高工程中土体的强度，具有保护环境、净化空气、降低工程造价等显著优点，因此被广泛研究和运用。马强等[6]基于根-土相互作用机理，对直根系根-土复合体进行了受力分析，推导了的根-土复合体的抗剪强度计算公式，将计算结果与现场实测值进行对比，并对折减系数、含根量、植物种类根-土复合体抗剪强度等主要影响因素进行了参数分析。王保辉等[7]以莎草科植物为对象，进行了植物根-土复合体抗剪强度试验，分析了根系方位及根系直径对根-土复合体抗剪强度的影响规律。

目前，关于尾矿渣再利用的研究主要集中在矿渣-软土混合料方面，关于植物防护的研究主要集中在对植物根系的“加筋”效果上，而利用植物根系改良软土-矿渣混合土的研究鲜有涉及，特别是植物根系对鄂东地区矿渣-软土混合料抗剪强度的影响规律尚不明确。鉴于此，本文从植物根系提高矿渣混合土的抗剪强度的角度出发，通过室内抗剪强度试验，探讨了最优含水率、铜矿渣含量和根系密度对混合料抗剪强度的影响，为矿渣的资源化利用和植物防护工程的设计提供理论依据。

1 试验与方法

1.1 试验材料

试验用土取自黄石市下陆区青龙山地表30 cm以下，其有机质含量较低。土体在天然状态下呈红褐色，天然密度为1.61 g/cm3，天然含水率为17.2%，液限为43.2%，塑限为25.6%。

试验用铜矿渣取自湖北省大冶市某铜尾矿渣库。所选铜矿渣在天然状态下呈黄褐色，其天然密度为1.68 g/cm3，天然含水率为2.56%，液限为19.8%，塑限为15%。

试验选取紫穗槐的根系作为改良矿渣混合土的植物根系。紫穗槐为多年生植物，较广泛地分布于我国湖北、安徽、河南、江苏、四川等地，其气候适应能力强，耐瘠、耐水湿和轻度盐碱土，根系发达，有利于加固土壤，能富集土壤中的重金属物质。

1.2 击实试验

击实试验的目的是测定土样的含水率与干密度的关系，进而得到土样的最佳含水率和最大干密度。击实试验的主要试验设备包括拌合机、击实桶、轻型击实仪、环刀、烘箱、天平等。试验时，先将干土分组，在每组土样中加入不同体积的纯净水，用拌合机拌合均匀；然后将各组分别放入带有编号的击实桶内，将击实桶放到轻型击实仪上进行分层击实；最后依次取出被击实后的土样，用环刀取样测定环刀内土样的重量，并除以环刀的内空体积，从而得到不同含水率的土样密度。

1.3 抗剪强度试验

抗剪强度试验的目的是测定土样在50，100，200，400 kPa 4种垂直荷载状态下的极限剪切力，进而得到土样的抗剪强度、内摩擦角和粘聚力。抗剪强度试验的主要试验设备包括直剪仪、环刀、百分表、透水石、砝码等。试验时，先用环刀切取4组不同含水率状态下的土样，并放置在剪切盒内；然后通过砝码在剪切盒顶盖上分别施加50，100，200，400 kPa 4种垂直压力；最后开动剪切仪对土样进行剪切，读取试件发生剪切破坏时的最大水平推力，即土样的极限剪切力。

1.4 根系抗拉试验

自制的根系抗拉试验装置如图1所示。试验时，用橡胶夹具固定根系，夹具末端用挂钩连接砂桶，通过砂桶装砂施加荷载。夹具下配有拉力环，以测量抗拉试验时的作用荷载。根系的抗拉强度计算公式为：

(1)

式(1)中，f是根系的抗拉强度(N/mm2)；G1是砂桶的重量(kg)；G2是砂桶中砂的重量(kg)；D是根的直径(mm)。

通过紫穗槐根系抗拉试验，可得出紫穗槐根系的抗拉强度与根系直径的关系，从而选择最优直径的根系，用于植物根系改良矿渣混合土抗剪强度的试验研究。

图1 根系抗拉试验装置示意图

1.5 含根矿渣混合土的抗剪强度试验

试样采用含根量来控制，含根量是指某个土层断面上所有根系的截面积与总断面面积的比值。本试验把每50 cm3试样中根的质量定义为含根量[8]。试样制备时，先将矿渣和土混合搅拌均匀，然后放入击实桶中击实成型，再将根系垂直均匀插入土体中，再次击实使混合土达到最佳密实度，最后用环刀切取土样进行抗剪强度试验。

式中:α为归一化的反应进程;A为指前因子;n为反应级数;E为活化能;R为理想气体常数;t为反应时间,T为样品温度。在绝热追踪阶段,当环境温度和样品温度时刻相等时,满足样品反应自放热完全用于系统温度升高的条件,则可得到热平衡方程:

2 分析与讨论

2.1 原材料力学性能试验结果分析

2.1.1试验用土的力学性能

由击实试验得到的土样的含水率与干密度的关系如图2所示。由图2可知，试验用土的最大干密度为1.72 g/cm3，最佳含水率为19.8%。土样的抗剪强度试验参数见表1。由表1可知，试验用土的粘聚力为58.82 kPa，内摩擦角为7.0°。

图2 土样的含水率与干密度的关系

表1 土样的抗剪强度试验参数

注：最大偏差率=(最大值-最小值)/平均值。

2.1.2铜矿渣的力学性能

铜矿渣的含水率与干密度的关系如图3所示。由图3可知，铜矿渣的最大干密度为2.09 g/cm3，最佳含水率为10.3%。铜矿渣的抗剪强度试验参数见表2。由表2可知，铜矿渣的粘聚力为0.44 kPa，内摩擦角为37.9°。

图3 铜矿渣的含水率与干密度的关系

表2 铜矿渣的抗剪强度试验参数

注：最大偏差率=(最大值-最小值)/平均值。

2.1.3植物根系的力学性能

紫穗槐根系的直径与抗拉强度关系如图4所示。

图4 紫穗槐根系的直径与抗拉强度关系

由图4可知，随着紫穗槐根系直径不断增大，其可承受的极限拉力不断增加，抗拉强度极大值约为18.58 N/mm2，但当紫穗槐根系直径大于1.5 mm后，其抗拉强度逐渐递减。这是由于此时的根系纤维密度最大。因此，确定抗剪强度试验中试块内的植物根系直径为1.5 mm。

2.2 混合料力学性能试验结果分析

为了寻找混合料的最佳含水率，制备了若干试样，其含根量为0.7 g/50 cm3，铜矿渣重量百分比为16.1%，含水率为12% ～ 21%。不同试件的抗剪强度与含水率的关系如图5所示。由图5可知，当含水率小于15.3%时，混合料试样的抗剪强度随含水率增加而增加；当含水率大于15.3%时，混合料试样的抗剪强度开始下降。因此，混合料的最佳含水率为15.3%。

图5 不同试件的抗剪强度与含水率的关系

2.2.2最佳铜矿渣含量

为了寻找混合料中铜矿渣与土的最佳配合比，在含水率为15.3%、含根量为0.7 g/(50 cm3)的条件下，制备了若干试样，其铜矿渣占混合料的重量百分比为10% ～ 20%。不同试样的抗剪强度与铜矿渣含量的关系如图6所示。

图6 不同试样的抗剪强度与铜矿渣含量的关系

由图6可知，当铜矿渣含量小于16.1%时，混合料试样的抗剪强度随铜矿渣含量增加而增加；当铜矿渣含量大于16.1%时，混合料试样的抗剪强度开始下降，最大剪切强度为272 kPa。因此，混合料的最佳铜矿渣含量为16.1%。

2.2.3最佳含根量

为了寻找混合料中的最佳含根量，在含水率为15.3%、铜矿渣含量为16.1%的条件下，制备了若干试样，其含根量在(0 ～ 1)g/(50 cm3)之间。不同试样的抗剪强度与含根量的关系如图7所示。由图7可知，当含根量小于0.7 g/(50 cm3)时，混合料试样的抗剪强度随含根量增加而增加；当含根量大于0.7 g/(50 cm3)时，混合料试样的抗剪强度开始下降。因此，混合料的最优含根量为0.7 g/(50 cm3)。

图7 不同试样的抗剪强度与含根量的关系

3 结论

将植物根系加固土体和铜矿渣的填料化利用结合起来，开展了植物根系改良矿渣混合土抗剪强度的研究，主要研究结论如下。

1)自制了根系抗拉试验装置，通过紫穗槐根系抗拉试验，得出了紫穗槐根系的抗拉强度与根系直径的关系曲线及最优的根系直径为1.5 mm。

2)剪切试验结果表明，最佳含水率、铜矿渣含量和含根量分别为15.3%，16.1%和0.7 g/50 cm3。经改良后的混合土具有较高的抗剪强度。

3)在土与铜矿渣的混合料中加入植物根系可以很好地增强土-矿渣混合料的抗剪强度，研究结论可为根-土-矿渣混合料的工程应用提供参考。