土工垫-植物根系加筋土抗剪强度试验研究

付 涛， 谭慧明，2， 何良德，2

（1.河海大学港口海岸与近海工程学院，南京 210098； 2.河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室，南京 210098）

随着经济与技术的进一步发展，生态护坡越来越得到重视，一些生态护坡技术大量涌现出来并得到应用. 相较于传统工程边坡技术，生态护坡技术的意义在于不仅能够使得边坡具有一定的抗冲刷、稳定性等必备的坡土体强度要求，也能够兼顾河道、海岸护岸面的生态功能，既弥补了传统工程边坡防护技术的不足，又恢复因工程建设破坏的生态环境. 而土工合成材料的发展，也给越来越多的加筋材料提供了可能.

周锡九和赵晓峰［1］在对植被护坡中植草浅层加固边坡土体作用研究中，指出了坡面植草有浅层护坡加固的作用. 杨晨辉等［2］选用五种草本植物进行其与土结合的根-土复合体抗剪强度进行对比，得出白三叶的增强作用效果最佳. 许多国内外的学者采用土体剪切试验研究草根加筋土的应力-应变关系及强度特性，进而分析植物根系与护坡土体之间的规律与作用机理. 结果表明：植被加筋土的强度和抵抗变形能力有显著提高，对抗剪强度指标比较，植被加筋土的准黏聚力c值较之素土有2 至9 倍的增长，但内摩擦角φ变化不大［3-9］. 何保辉［10］对植物根系加筋土的抗剪试验中发现加筋土抗剪强度仍复合库伦定律，根系密度与加筋土抗剪强度呈良好的正相关关系. 另外，尝试对植物根系增强土体加固能力的原因进行解释的实验研究还有电子显微镜微观实验［11］、土粒崩解静水实验［12］、单根抗拉实验［13］、野外原位拉拔实验［14-16］等. 同时刘小燕和桂勇［17］指出植物根系提高土体抗剪强度与土体的含水率和含根量有紧密的联系，且存在最优含水率和最优含根量. 杨果林［18］指出土工合成材料能明显改变土坡的破坏形态，约束土体变形趋向均匀，提高土坡的整体稳定性. 只有当填土与网格之间的摩擦失效或网格被拉断后，土坡单元体才有可能发生破坏. 因此，不同布筋方式对加筋边坡的坡面侧向位移及位移场等变形状态也有较大影响［19］.

目前，国内外的研究主要集中于植物根系加筋土的抗剪强度，通过剪切试验对根系加筋土的加筋机理进行探究，但对于植物根系与土工垫复合加筋土的加筋机理还鲜有开展等. 因此，本文通过对加入植物根系和土工垫形成的联合加筋土，在不同含水率、含根量和含垫量下进行室内直剪试验，研究各因素不同条件下对加筋土抗剪强度的影响，为三维土工垫加筋草皮的进一步推广和优化设计提供参考依据.

1 原材料及试验方法

1.1 试样制备

试验按照《土工试验方法标准》［20］扰动土样的制备程序处理来制备试验用土：首先将土样放入烘箱恒温105 ℃烘干8 h，其次取出土样将其放至橡皮板上用木碾碾散后过2 mm筛，然后按设计含水量配置土样：取适量烘干后的土样，计算其所需的加水量，将土样铺到不吸水的铁盘内，用喷壶喷洒预计的加水量，充分拌合后使用保鲜膜密封2 h后备用（表1）.

表1 重塑土土样参数Tab.1 Parameters of remolded soil sample

试验用植物草根先用剪刀截取为同一长度2 cm备用，用游标卡尺测量其直径，由于草根的直径沿长度方向是变化的，因此测量直径时采用两端和中间三者的平均值. 为保持同一性，先用吸水纸把草根表面的水吸干然后再称其质量.

选用土工垫为由聚酰胺单丝纤维制成的网垫，如图1所示，根据环刀尺寸裁剪相同面积的土工垫，剪出直径为61.8 mm 的圆形土工垫，然后将该圆形土工垫的直径进一步修剪为52 mm 左右备用. 制作土工垫-植物根系加筋土试样过程中，先在环刀底部薄施一层底土，而后将裁剪好的土工垫放置于试样中心，分层施土并轻轻压实.试样压实后植入根系，使用一根扁头铜丝将植物根系垂直压入试样内，植入过程由中心向圆周径向均匀分散，最终将所需含根量的根系全部植入于剪切试样中.

图1 试验所用土工垫Fig.1 Geomat for test

1.2 试验方法

为了研究土壤含水率、含根量与含垫量的变化对土工垫-植物根系加筋土抗剪强度的影响，试样含水率分别控制为34.62%（饱和）、22%、16%、10%，根系的含根量（根系与干土质量比）分别为0、0.2%、0.3%、0.4%，以及土样中加入土工垫或不加土工垫进行控制. 为分析竖向应力对试样强度的影响，每组取3个相同的试样，分别在25、50、100 kPa法向应力下进行快剪试验. 重塑样直剪试验实验设备与实验步骤也按照土工试验方法标准开展.

2 试验结果与分析

2.1 加筋土的破坏形态

由试验过程与结果可以看出，试样在剪切过程中未发生根系断裂或土工垫损伤的情况（见图2）. 可根据试验结果，得出不同法向应力作用下的剪应力，再以位移为横坐标，剪应力为纵坐标，绘制应力-位移曲线，显示剪切过程连续均匀、无间断. 使用莫尔-库伦强度准则拟合加筋土的抗剪强度线，再分析加筋土的抗剪强度，可得试样的剪切强度指标黏聚力c以及内摩擦角φ.

图2 剪切后的试样形态Fig.2 Specimen morphology after shearing

2.2 加筋土试样加筋特性分析

将不同含水率下的重塑样进行室内直剪试验，由图3 可知，不同含水率情况下，试样的位移-应力曲线形态有所不同，含水率对试样强度变化过程有显著的影响. 在饱和试样中，剪应力在位移3 mm 处达到峰值之后保持不变；在高含水率22%组次中，曲线表现为硬化增长型，剪切位移在6 mm前剪应力的增长保持先快后慢的趋势；含水率16%组次中，剪应力在剪切位移2.5～3 mm之间达到峰值，之后保持基本不变或轻微下降；低含水率10%组次中，剪应力在位移1～2 mm之间即达到峰值，之后便有一个明显的下降. 含水率的逐步降低对重塑样的影响不仅表现在抗剪强度的提高上，还表现在低含水率剪切过程中强度高、破坏块以及高含水率剪切过程中剪应力硬化上升的特征.

图3 不同含水率情况下的位移-应力曲线Fig.3 Displacement-stress curves under different water contents

图4是法向应力为50 kPa时，不同含水率情况下素土、垂直根系加筋土、土工垫加筋土和土工垫-植物根系加筋土等四种加筋方式下的试样位移-应变曲线，反映加筋后试样剪应力随剪切位移的变化规律：

当土样含水率较高时，垂直根系加筋土、土工垫加筋土和土工垫-植物根系加筋土的剪应力明显高于素土的剪应力. 但随着土样含水率沿梯度减少，加筋土与素土的剪应力差值也逐渐减少. 除含水率为10%的试样，位移-应变曲线具有明显的硬化特征，即剪应力达到峰值后屈于稳定的残余强度. 在试样含水率为10%时，位移-应力曲线呈现软化特性，如图4 d所示，加入土工垫相比于素土反而会降低土体的抗剪强度，原因是土工垫对土体既有积极作用又有消极作用，积极作用表现为加筋体自身的抗性可以增加土体的似黏聚力，消极作用表现为土工垫对土体颗粒空间的重塑折减效应. 当含水率较高时，土体塑性较高，土体与土工垫包裹紧密且相互间变形协调性较好，此时土工垫对土体的加筋作用表现为似黏聚力的增加，宏观上表现为土工垫加筋增强土样的抗剪强度；当含水率处于较低水平，土体塑性减弱，土体自身黏聚力较高，土工垫的加入对于黏聚力增加效果不明显，相互间变形协调较差，此时土工垫对土体产生重塑折减效应，表现为抗剪强度的降低.

图4 不同加筋组合试样位移-应力曲线Fig.4 Displacement-stress curves of specimens with different reinforced combinations

对于单独加入垂直根系的试样，在不同含水率下，其剪应力相较于素土的曲线更高，能够提高土样的抗剪强度，且垂直根系加筋土更能维持增长的趋势. 对单独加入土工垫的试样，在含水率为饱和、22%和16%的情况下，位移-应力曲线相较素土也更高，说明土工垫对土样同样具有增加抗剪强度的作用. 但是随着含水率的降低，土工垫的加筋效应逐渐减弱，加垫试样与素土试样的位移-应力曲线差值逐步减小. 同时对不同含水率下土工垫加筋土试样与垂直根系加筋土试样进行比较，可知试样临近破坏时（剪切位移4 mm）两者剪应力相当.

对同时加入植物根系和土工垫的试样，当含水率处于较高时，联合加筋土试样位移-应力曲线显著高于其他组次试样，且试样剪应力的增长趋势也更加明显. 说明在最优含水率的情况下，植物根系与土工垫的同时加入对土样的复合作用可以使联合加筋土的抗剪强度得到最大程度的提高.

2.3 不同因素对土工垫-植物根系加筋土抗剪强度的影响分析

2.3.1 含根量对土工垫-植物根系加筋土抗剪强度的影响 由图5可知：随着加筋土含根量的增加，抗剪强度线之间相对平行，说明含根量的增加主要使加筋土试样的黏聚力c有所增加，而对内摩擦角φ基本无影响. 由图5c与图5d可知：在含水率为16%的情况下，对于单独加入植物根系的试样，加入垂直根或分散根都能提高试样的抗剪强度.

图5 不同含根量下加筋土抗剪强度拟合曲线Fig.5 Fitting curves of shear strengths of reinforced soil with different root contents

2.3.2 含水率对植物根系加筋土抗剪强度的影响 以单独加入垂直根系的试样为例，由图6a可知：随着含水率的增加，在不同的法向应力作用下，植物根系加筋土的抗剪强度都逐步减少. 而含水率对植物根系加筋土抗剪强度指标的影响主要体现在黏聚力c值的变化，根据莫尔-库伦准则绘制垂直根系试样黏聚力c随着含水率变化的规律，如图6b. 垂直根系加筋土的黏聚力c随着含水率的增加而降低，呈负相关关系：土样含水率从10%增大到16%时，植物根系加筋土黏聚力下降28%；含水率从16%增大到22%时，黏聚力下降34%；而含水率从22%增至饱和时，黏聚力仅下降16%. 说明当含水率较低时，随着植物根系加筋土的饱和度逐渐增加，基质吸力同步减小，造成了植物根系加筋土的抗剪强度迅速下降；含水率越高，植物根系加筋土抗剪强度降低幅度越小.

图6 不同含水率下垂直根系加筋土破坏强度Fig.6 Failure strengths of vertical root reinforced soil with different water contents

2.3.3 含垫量对土工垫加筋土抗剪强度的影响 随着土工垫的添加，加筋土的抗剪强度并不总是增大的.在重塑样直剪试验过程中，单独加入土工垫的加筋土的抗剪强度增强效应与含水率有关，如图7可见：当土样含水率为22%时，加入土工垫可以明显提高加筋土的抗剪强度；但当土样含水率降至10%时，加入土工垫反而会减弱加筋土的抗剪强度.

图7 无根试样的抗剪强度拟合曲线Fig.7 Fitting curves of shear strengths of rootless specimens

3 结论

1）土工垫-植物根系加筋土能够有效增加土体的抗剪强度，对于不同的加筋方式，其增加土样的抗剪强度效果表现不同. 土工垫与垂直根系的联合加筋为试样的最优加筋组合，而且单独加入土工垫对土样的加筋效果比单独加入植物根系的加筋效果更好，其中对于植物根系加筋作用中，垂直根系要优于分散根系.

2）高含水率使得土体基质吸力减小，土工垫-植物根系加筋土黏聚力降低，而且含水率越高，黏聚力降幅越大，于是联合加筋土抗剪强度越低.

3）低含水率时，加入土工垫不一定能够增加土工垫-植物根系加筋土的抗剪强度. 随着含水率的减少，土工垫与土体间的黏结性、运动协调性会变差，土工垫的加筋反而对土体强度产生消极作用.

4）垂直根系或分散根系都能提高加筋土体的抗剪强度，其对抗剪强度指标的影响主要表现为土体黏聚力的增加，而对内摩擦角基本没有影响.