马尼拉草根系增强土体抗剪强度试验研究与数值模拟

刘冬民，李 辉*，蒋宁山，梁国新，王亚伟

(1.青海大学土木工程学院，青海 西宁 810016； 2.青海东测标准检验检测认证科技有限公司，青海 海东 810600)

素土具有较好的抗压性能和抗剪性能，但抗拉性能很差,植被根系具有较高的抗拉强度，是一种天然的加筋材料[1-3]，将植被根系加入素土中形成根土复合体[4]，可以有效提高土体的抗拉强度[5]。近年来，众多学者对根土复合体的加筋作用做了大量研究，嵇晓雷等[5]通过三轴试验研究了根系的不同布置方式对根土复合体抗剪强度的影响；周云艳[6]对紫穗槐根土复合体进行室内直剪试验，指出黏聚力c与含根量正相关，但内摩擦角φ与含根量无显著关系；刘昌义等[7]研究表明，不同植物组合类型的根土复合体其平均黏聚力c值表现出随着根系含量和根系干重的增大而增大的规律；陈昌富等[8]通过三轴试验得出，随着加筋量的增加，草根加筋土的黏聚力值呈现先增加后降低的趋势；王元战等[9]研究发现，重塑草根加筋土随着围压的增大，黏聚力c值也随之增加。青海由于土质原因常有泥石流、滑坡等自然灾害的发生，因此在青海研究植被根系对土体的增强效应具有重大意义。

本文以马尼拉草为试验植被，进行室内不固结不排水三轴试验，在不同含水率和含根量条件下，研究马尼拉草根土复合体的主应力差—轴向应变关系及抗剪强度指标，通过离散元数值模拟结果与室内三轴试验结果的对比，明确马尼拉草根系对土体抗剪强度的增强作用。本研究对青海地区合理选择植被种植及深入探讨植被生态护坡机理具有参考意义。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验土为重塑粉质黏土，取自于青海大学西门外20 m土坡处，取土深度为0.3～0.6 m，天然密度为1.60 g/cm3，最大干密度为1.72 g/cm3，天然含水率为13.5%，最优含水率为15%。本试验选取的植被为马尼拉草，禾本科结缕草属植物，抗干旱、耐瘠薄能力强，覆盖度高，根系较发达。本试验采用仪器为南京土壤仪器厂生产的SLB-1型应力应变控制式三轴剪切渗流试验仪，三轴试样为高80 mm、直径39.1 mm的圆柱体。

1.2 试验设计

本文采用干密度控制原则[8]，控制干密度不变，以含根量、含水率为变量，根据试验土的天然含水率和最优含水率，设计土体含水率为13%、15%、17%，按照根土质量比设计土体含根量为素土(0%)、0.5%、1%、1.5%，分别在围压100、150、200 kPa条件下进行试验。为了试验具有可比性，同一种工况下选用3种样本进行试验，共108个样本。

试验为不固结不排水剪切试验，依据试验规范[10]将剪切速率定为0.8 mm/min。当测力计读数达到峰顶时，继续剪切超过试样高度的5%视为试验结束；测力计无峰值时，剪切应变达到试样高度的15%视为试验结束。

1.3 试验方法

将试验土放入烘箱(105～110 ℃)烘干，8 h后取出，降至室温后将其放到橡皮板上用圆柱形铁碾碾碎，过2 mm筛；用清水冲洗马尼拉草根系的土，直至根系被冲洗干净，然后剪成20 mm小段，在自然条件下风干，消除水分对根系质量的影响；根据设计的含水率计算出重塑烘干土所需的加水量，用喷壶均匀喷洒在土上，然后用保鲜膜封闭，静置一昼夜；将土和马尼拉草根系等质量分成4份后进行搅拌，搅拌过程中需使根系均匀分布在土中，制作土体时分4层压实，每层土的质量相等，各层接触面用小刀刮毛。

2 试验结果与分析

2.1 土体抗剪强度的特性分析

试验数据采用Origin软件进行处理，根据数据处理结果，将轴向应变(ε1)设定为X轴，主应力差(σ1-σ3)设为Y轴，土体的主应力差—轴向应变关系曲线如图1所示。

图1 不同含水率条件下土体的主应力差—轴向应变关系曲线

由图1可知：(1)压缩开始阶段，土体的主应力差—轴向应变曲线大致呈线性关系，主应力差相差不大，这是因为此时土体间的相对位移较小，根系与土体的相互作用力小，锚固效应不明显。(2)在相同含根量和含水率条件下，随着围压的增大，土体破坏时的主应力差增大。在含水率为15%、围压为100 kPa的条件下，素土和含根量为0.5%根土复合体的主应力差—轴向应变曲线趋于某一极限值，其他工况的关系曲线均呈应变硬化型，无明显峰值。(3)含水率对土体抗剪强度的影响较大，随着含水率的增加，土体破坏时的主应力差受围压和含根量的影响产生变化。含水率较小且围压低时，随着含根量的增加，土体破坏时的主应力差增幅较小；含水率较大且围压高时，随着含根量的增加，土体破坏时的主应力差增幅显著。(4)在相同围压和含水率条件下，随着含根量的增加，土体破坏时的主应力差逐渐增大，即土体的抗剪强度增加。因为含根量较少(0.5%)时，根土接触面积较小，根系发挥的加筋作用也较小，随着含根量的增加，根土接触面积增大，土中的剪应力转换成根系的拉应力也越多，土体破坏时的主应力差增大，即土体的抗剪强度增加。

2.2 土体抗剪强度参数的对比分析

根据摩尔-库仑强度准则，对不同含水率和含根量条件下土体的试验数据进行处理，得到不同工况下土体的抗剪强度指标c、φ值，见公式(1)：

τ=c+σtanφ

(1)

式中：τ为土体抗剪强度(kPa)，c为土体黏聚力(kPa)，σ为土体法向应力(kPa)，φ为土体内摩擦角(°)。

为了直观评价马尼拉草根系对土体抗剪强度的提升效果，假设素土的黏聚力为c，根土复合体相对于素土黏聚力的增值为Δc，内摩擦角为φ，根土复合体相对于素土内摩擦角的增值为Δφ，本文引入黏聚力增加率mc与内摩擦角增加率mφ，定义见公式(2)、公式(3)：

(2)

(3)

根据以上定义，可以计算出不同工况下土体黏聚力的增加率与内摩擦角的增加率，结果如表1所示。

表1 不同含水率和含根量条件下土体抗剪强度指标

将表1中得到的抗剪强度指标c、φ值用曲线图表示，体现不同含水率和含根量对土体抗剪强度指标的影响规律，如图2、图3所示。

图2 含水率与黏聚力关系曲线

图3 含根量与黏聚力关系曲线

分析表1和图2、图3可知：(1)相比于素土，马尼拉草根系的加入，明显提高了土体的抗剪强度。含水率为13%、含根量为1.5%时，根土复合体黏聚力增加率最高，达到245.50%；含水率为17%、含根量为1.5%时，根土复合体的黏聚力达到最大值，为91.96 kPa；含水率(≤15%)较低、含根量相同时，土体黏聚力的值相差不大。含根量和含水率对土体的内摩擦角影响不大。

(2)如图2所示，含水率梯度为13%和15%时，土体黏聚力的变化不明显。由文献[11-13]可知，含水率较小时，土颗粒与土颗粒的接触比较松散，土颗粒与植物根系的接触也较为松散，从而使根土之间的联结较弱；含水率继续增大，土颗粒与水形成结合水膜，水胶结逐渐增强，土体黏聚力也相应增大，根土之间的咬合能力逐渐提高。

(3)由图3可知，不同含水率条件下土体的黏聚力随着含根量的增加而增加。含水率为17%、含根量大于1%时，土体的黏聚力增幅明显，这是因为随着含根量的增加，土体与根系的有效接触面积增大，根土复合体锚固总力增大，土体的抗剪强度随之增大；含水率为15%、含根量较高(≥1%)时，曲线呈现平缓趋势，这可能是因为1.5%的根系含量是其最优含根量。

3 离散元数值模拟结果分析

3.1 离散元数值模拟结果与室内三轴试验结果的对比分析

本文使用PFC2D软件模拟了含水率13%与素土、含根量0.5%两种工况下试样的不固结不排水三轴试验，试验结果与室内三轴试验结果对比，如图4所示。由图4可知，相同工况下，室内三轴试验结果与离散元数值模拟结果的主应力差—轴向应变关系曲线变化规律相近，均呈应变硬化型，且数值变化也较为相似，由此说明室内三轴试验结果是可靠的，离散元数值模拟的结果也是可靠的。

图4 室内三轴试验与离散元数值模拟的主应力差—轴向应变关系曲线对比图

3.2 离散元数值模拟细观机理分析

接触力链图可从细观上分析黄土的力学特性[14]。轴向应变为15%时，不同围压下土体接触力链图的差距较明显，见图5。

图5 轴向应变为15%时不同围压下土体的接触力链图

含水率和含根量相同，围压较小时土体接触力链的分布比围压较大时稀疏，受力的土颗粒数较少，土体的抗剪强度较低；含水率和围压相同时，随着含根量的增加，土体接触力链的分布更加密实，受力的土颗粒数增多，土体的抗剪强度增加。

4 讨论与结论

本文以马尼拉草为试验植被，研究不同含水率和含根量条件下马尼拉草根系对土体抗剪强度的影响，通过离散元数值模拟结果与室内三轴试验结果的对比，验证了试验的可靠性。得出结论如下：

(1)土体的抗剪强度与含根量、含水率呈正相关，除个别工况外，土体的主应力差—轴向应变曲线均呈应变硬化型，无明显峰值。

(2)不同含水率条件下土体的黏聚力随含根量的增加而增加。随着含根量的增加，含水率越高土体的黏聚力增幅越明显；含根量和含水率对土体的内摩擦角影响不大。该结果与张兴玲等[15]的研究发现基本相似。

(3)比较离散元数值模拟结果与室内三轴试验结果，发现二者可以相互印证且试验结果都较可靠；通过接触力链图发现，植被根系的加入可以增加受力的土颗粒数，使得土体的抗剪强度得到提升，这与蔡国庆等[14]得出的结论一致。

本文研究的含根量均在2%以下，这是因为在预试验中发现，当含根量达到2%时，土与马尼拉草根系的结合度并不好，根土有效接触面积下降，强度降低，拆模时试样已松散破坏。因此，可以预估马尼拉草根土复合体的最优含根量介于1.5%～2%，但这还需要进一步的试验验证。