河道整治中根系植被特征对岸坡改良土影响试验研究

李 杰

(淮安市水利勘测设计研究院有限公司，江苏 淮安 223001)

1 概述

水利工程建设常遇到不良土层[1- 2]，而土体的力学特征关乎水工设施运营可靠性，如何有效解决不良土体力学缺陷，是水利建设中常需考虑的问题。因而，研究不良土体的改良对推动土体力学特征研究有很大意义[3- 4]。解决不良土体力学问题，刘守伟等[5]、喻心佩等[6]采用了物化改性的方法，通过注浆灌入石灰、固化剂等人工改性剂，使不良土体力学稳定性提升，并在室内开展了改良土的力学研究，为工程改良设计提供了参照。李敏等[7]、张庆海等[8]为研究土体力学问题，综合了冻融、干湿及热效应等物理作用，研究了土体在物理场耦合作用下剪切力学特征影响变化，为工程建设提供了基础试验依据。为提升土体承载能力及力学稳定性，除研究物化改性，何伟鹏等[9]、李东彪等[10]通过引入生态改良理论，基于根系植被的改良治理，分析了植被复合土的力学特征，并开展了不同根系植被的复合土力学差异分析，为工程遴选合理根系植被提供参考。本文基于小昌马河整治工程中堤防岸坡不良土体的生态根系植被改良设计，探讨了不同根系直径下植被土的力学特征影响，为工程土体改良设计提供了试验佐证。

2 试验概况

2.1 工程背景

小昌马河为疏勒河一级支流，控制流域面积超过3200km2，全河道总长为31.5km，干流平均坡降16.30，干流上游河源海拔较高，呈东南-西北走向，平均海拔超过4000m。小昌马河在中游地带以泉水出露形式呈现地表河流，在昌马水库影响地表径流活动下，中下游地带植被发育较丰富，包括红柳等根系植被。但下游水位易受地区地表径流、雨污等渗流活动影响，导致河段水位常出现警戒汛情，水利部门监测表明该地区水土流失较严重，流失率超过35%。针对小昌马河中下游河道现状，对其开展综合治理。工程部门按照特征河段划分，将整治工程划分出4个标段，其中第2个标段经过玉门市区，水流活动整体较缓，水力势能控制得当，河道平均坡度仅为6.5%。但受上游挟沙水流影响，导致该河段内部分堤防岸坡出现坡底侵蚀、坡脚冲刷的现象，部分河坡出现防洪危险，集中在桩号Z24+655～Z26+700区段内，这也是该区段内进行河道治理的最大难点。本文所研究堤防位于桩号Z24+655～Z26+700区段内，并以其中堤防典型岸坡开展试验分析，采用生态植被改性方法，加固堤防岸坡安全。

2.2 试验设计

为探讨小昌马河整治工程中堤防岸坡土体生态植被改性下力学特征，采用GTO试验设备开展土体的三轴剪切试验，该试验设备如图1所示。本试验中主要采用该设备的加载装置、数据采集装置及中控系统，由于该设备采集精度较高，且荷载、位移波幅均较低，特别是其位移量程控制在-20～20mm，可较好应对大变形土体的塑性变形，而荷载装置配置有相应的低量程传感器，设计荷载为50kN，不论是荷载或是变形装置，均为全标定的力学传感器与LVDT设备，误差、精度均满足试验规程要求[11- 12]。因本试验为土体的三轴压缩，故试验围压装置采用活塞位移控制，设定最大围压可至10MPa，且围压均为液体油压加载，试验中围压加载速率为30kPa/min，加载中活塞震动率不超过0.5%。根据对堤防Z24+655～Z26+700区段踏勘得知，其土体均以粉质粘土为主，颗粒粒径分布在0.005～0.25mm，故本文所用试样均来自堤防Z25+688前后区段，无各向异性差别。

图1 DTC三轴剪切试验设备

冻融物理实验为研究土体冻融环境下，其颗粒骨架稳定性受削弱程度，本文所有试样均需完成冻融交替，采用如图2所示低温试验箱和烘干箱进行。其中低温试验箱中设定温度为-20℃，而解冻温度放在烘干箱内，温度设定为25℃，每次冻结与解冻时间均为6h[7]。

图2 冻融试验装置

为研究生态植被根系复合土的力学特征，采用同环境同培养皿进行，本文为研究植被根系特征的影响，故选用了不同组根系直径，分别为0.4、0.3、0.2、0.15、0.1mm。从试验对比的角度考量，本试验中改性土根系直径具有7档，分别为0.1～0.4mm，梯次为0.05mm。所有从堤防岸坡现场钻孔取出的样品，在室内重塑后，按照重塑前测定的含水量15%～17%控制改性土样品含水量，后放在培养皿中进行30d养育，每个培养皿中植被根系覆盖密度均控制10个幼苗。待各种不同直径的根系植被养护完成后，完成环刀法试样制取，保证试样直径、高度分别为75、150mm，且设定有原状粉质黏土对照组试样。试验围压设定为200、300、400、500kPa，而冻融交替次数设定为0～15次，阶次为3次，具体试验方案各对照参数见表1。本试验基于植被根系特征、冻融物理作用下改性土力学试验，探讨改性土设计的合理性，为小昌马河危险堤防岸坡生态植被改良提供参考。

表1 试验因素参数表

3 岸坡改良土力学特征影响

3.1 冻融作用

基于改良土冻融交替后的力学试验数据，经处理获得冻融物理作用影响下改良土应力应变特征，如图3所示。从图3中土体应力应变特征对比可知，交替愈多，则改良土的加载应力水平愈低，即不论是改良土或是原状粉质黏土，其承载能力均会受冻融物理损伤作用影响。对比原状土在交替0次时应变3%下的偏应力为380.2kPa，而交替3、9、15次时，相应的同变形程度时偏应力较之分别减少了39.5%、69%、74.4%；而在植被根系直径0.15mm的改良土中，同是前者变形，交替3、15次下偏应力较之无冻融作用下分别减少了22.2%、63.5%；即植被根系土抗冻融损伤作用强于原状粉质黏土，这也是根系植被改良土力学稳定性提升的重要表现。对比强度特征可知，在粉质黏土中无冻融下抗剪强度为432.1kPa，而在交替每阶次3次变化中，其强度平均损耗为21.5%，同样的在根系直径0.15、0.35mm植被土中，其强度平均降低分别为14.6%、11.6%。分析认为，根系土为一种复合改良土，其颗粒骨架内不仅有松散土颗粒，也存在植物根系纤维体，这种多相复合土内部颗粒骨架会受到根系纤维体的拉结作用，使之整体承载能力提升，故表现出承载强度提升的现象；另一方面，受冻融作用影响，土体内部孔隙会逐步胀大，不利于承载能力提升，但由于根系纤维体的存在，可作为“对抗”孔隙膨胀的载体，因而根系土抗冻融损伤作用较强[13- 14]。

从变形特征对比来看，不同交替下根系土的应变特征均在弹性变形阶段就已有显著差异，特别的，以低交替作用下试样弹性模量更大，如无交替下根系直径0.15mm试样弹性模量为197.4kPa，而随交替阶次3次增长，试样弹性模量平均减少了21.8%。对比塑性变形段，交替作用愈强，试样后期延性变形较大，峰值应变也较高。此种现象在原状、根系土中均有体现，如根系直径0.35mm试样在交替12、15次下峰值应变分别为4.8%、5.5%，而交替0、3次下仅为3.5%、3.9%；由此说明，冻融物理作用愈强，则试样塑性变形能力及延性变形发展均愈强。

3.2 植被根系特征

植被根系特征是对岸坡土体改良效果影响的重点，因而，本文以根系直径参数为研究对象，针对不同根系直径复合土的力学试验数据，获得了植被根系特征影响下复合土应力应变特征，如图4所示。

图3 根系改良土受冻融作用影响下应力应变特征

图4 改良土受植被根系特征影响下应力应变特征

分析根系直径对复合土力学特征影响可知，当根系直径愈大，则试样承载能力愈强，但其承载能力的增长趋势为减弱；在围压200kPa下，根系直径0.1mm试样抗剪强度为273.1kPa；而根系直径为0.2、0.3、0.4mm试样强度较前者分别增长了38.3%、80.7%、108.3%。在该围压下，植被根系直径参数每增长0.05mm，则试样强度平均增长13.1%，但在根系直径0.1～0.3mm梯次内，其强度平均增幅达16.8%，而直径超过0.3mm后，强度平均增幅仅为6.5%。同样，在围压500kPa中，各根系土在不同直径方案内强度增幅为减弱态势，如在根系直径0.1～0.3mm与0.3～0.4mm方案内，抗剪强度分别具有平均增幅18.5%、9.3%。由此可知，根系直径控制在合理范畴内，即可使不良土改良效果达到较佳。从本文试验结果来看，当根系直径为0.3mm时，复合土承载强度适配性最高。从根系纤维体细观特征考虑，当根系直径愈大，已超过原状土颗粒内部孔隙的最大直径，纤维体无法有效深入颗粒孔隙中进行拉结、咬合等[15]，因而再增大根系直径，对其承载强度的促进作用也是“于事无补”，故控制根系直径在合理范畴内即可。

从变形特征分析可知，同一围压下不同直径的根系土应力应变发展走向基本一致，如围压100kPa下试样具有脆性变形，各试样峰值应变差距较小，维持在3.7%～5%；而围压400kPa下各试样均具有延性变形特征，峰值应力后承载应力下降较缓。另一方面，弹性模量参数受根系直径影响特性与强度变化一致。由此表明，根系直径改变，对复合土的变形发展影响较小，重点影响其承载能力。

4 岸坡改良土抗剪强度特征影响

物理交替作用与植被根系特征对根系土的改良影响，会在土体抗剪强度特征参数中得到体现，笔者基于根系改良土力学试验，获得2抗剪特征参数影响变化特征，如图5所示。

图5 抗剪特征参数受掺量影响变化

分析抗剪强度特征参数可知，根系直径与2抗剪特征参数均为正相关关系，在交替3次时，根系直径0.2、0.3、0.4mm改良土试样黏聚力较之直径0.1mm下分别增大了14%、26.4%、27.1%。在该交替方案中，当根系直径每增大0.05mm，则黏聚力可提升4.3%，但在根系直径0.1～0.3mm梯次内，其黏聚力平均提升达6.4%；而在直径超过0.3mm后，黏聚力平均增幅为0.3%。同样，在交替0、12次方案中，均以根系直径0.3mm为影响节点，该节点后黏聚力的提升幅度较小，2方案在该节点后分别具有的平均增幅仅为0.4%、0.3%。对比可知，随冻融交替作用增强，根系土黏聚力水平均有降低，如根系直径0.2mm时，交替6、12次试样，黏聚力较之交替0次下分别减少了17.9%、24.3%；同时受根系直径参数影响也有减弱。相比之下，内摩擦角全过程受根系直径影响弱于黏聚力[16- 17]，交替3、6次时，根系直径每阶次增长时，其内摩擦角平均增幅分别仅为0.9%、0.8%，而在其他交替方案中亦是如此。分析认为，根系纤维体的存在，对岸坡原状粉质黏土的粘结性产生改变更具影响，特别是其拉结性、颗粒间粘结碰撞特征，这也是堤防岸坡土体固土改性的本质。

5 结论

(1)冻融物理作用愈反复，则改良土承载应力愈低，但根系改良土抗冻融损伤作用强于原状土；交替愈多，则土体弹性模量更低，但延性变形愈大。

(2)根系直径愈大，根系改良土承载能力愈高，但促进效果在减弱，特别是在根系直径0.3mm后；根系直径参数改变，对根系土应变走向影响较小。

(3)根系直径与抗剪特征参数均为正相关关系，冻融作用与之具有抑制作用；黏聚力参数在根系直径0.3mm后增幅较缓，交替0、12次方案中，根系直径超过0.3mm后试验分别具有的平均增幅仅为0.4%、0.3%；内摩擦角受根系直径影响弱于黏聚力。