基于CT扫描植物根-土复合体直剪试验研究★

杨 钊，黄 婧

(凯里学院建筑工程学院,贵州 凯里 556011)

0 引言

近年来,在基建工程中产生了大量的人工边坡,破坏了地表原有的植被与生态环境。相较于传统的边坡防护模式,采用植被护坡技术兼具固土护坡与修护生态的作用,主要通过根系来增强边坡的稳定性[1],因此,探究根系的固土机理是十分必要的。

关于植物根系的固土机理研究,国内外学者主要从试验与理论分析等方面展开研究。研究人员基于试验研究建立了植物根-土相互作用机理,形成了根系固土的理论基础“加筋土理论”[2-3]。不同根系形态对土壤的加固机制研究人员也展开了积极的探究,Preston等对植被根的形态分布及根土复合体的抗剪强度进行了一定的探索,表明根系形态对抗剪强度有较大影响[4]。孔纲强等[5]采用透明土探究了不同根系形态与根-土复合体的剪切强度关系,表明混合分布形态下根系增强效应最明显。同时,不同种类植被、不同根系形态及埋根方式,也在不同程度上影响植被根系的固土阻裂效果[6]。周成等[7]通过直剪试验和无侧限膨胀试验,结果表明:在不同初始含水率时的膨胀力和抗剪强度指标各不相同。冯国建等[8]、陈丽华等[9]植物根系的拉拔试验,探究了根系抗拉强度与其分布特征的关系。其他学者也通过数值模拟[10-11]等方法对植物根系的固土机理展开了研究,取得了不错的成效。然而,植物根系在土壤中的形态与分布是极其复杂的,对于原状土的测试又缺少有效的手段,这增加了对其研究的难度,而上述研究成果中采用CT实时扫描技术进行根-土复合体的力学性能的研究较少。

因此,本文采用CT扫描技术,通过CT扫描大型直剪试验探究植物根系固土作用的力学特性、剪切裂缝的发展特征,以期为植物根系固土护坡的作用机理研究提供参考。

1 试验材料及方案

1.1 试验设备及材料

本次试验选用构树、刺槐、枸杞作为研究对象,这三种植物具有适应性强、耐干旱与贫瘠、根系较长且均匀等优点,选用直径为2 mm～5 mm的新鲜侧根进行试验。直剪仪器为大型应力控制直剪仪,剪切盒尺寸为:长200 mm,宽200 mm,高150 mm,主要由加载与测量系统组成。水泥为42.5级普通硅酸盐水泥,试验土样为粉质黏土,土样的基本性质如表1所示。

表1 土壤的基本参数

1.2 试验方案设计

直剪试验采用重塑土试样,将土样晒干碾碎后过5 mm筛,放入105 ℃烘箱中静置24 h。将水泥与土搅拌均匀后加水配置成含水率(质量分数)为18.74%的重塑土,并密封静置24 h使其充分润湿。每个试样称量10.6 kg的重塑土,分三层加入制样容器中,将6条根系均匀地放入制样容器中,使其与制样容器底部接触并竖直固定,土样分批填满后进行压实,待养护7 d后进行剪切。直剪试验一共设置5组试样,分别命名为T-1(纯土样),T-2(6%水泥土样),T-3(6%水泥的构树根土样,平均根径3.46 mm,根长14.7 cm),T-4(6%水泥的刺槐根土样,平均根径3.52 mm,根长14.4 cm),T-5(6%水泥的枸杞根土样,平均根径3.66 mm,根长14.6 cm)。试样分别在50 kPa,100 kPa和150 kPa的垂直压力下进行剪切,试验过程中由电脑全程记录数据,以峰值剪应力值作为试样的抗剪强度。

CT扫描直剪试验采用T-2,T-3试样在50 kPa垂直压力下进行,在剪切试验过程的前、中、后期扫描试样的变形情况,截取纵向剖面CT图进行分析。

2 试验结果与分析

2.1 根-土复合体剪应力-位移关系分析

通过直剪试验得到各试样在不同垂直压力下的剪应力-位移曲线和抗剪强度曲线如图1所示。由图1(a)—图1(e)可知,各试样在剪切过程中均表现为塑性破坏特征,即达到峰值剪应力后随着剪切位移的增加剪应力迅速下降,并趋于平衡土体即失去承载力;由图1可知,含根试样T-3,T-4,T-5的残余强度均高于未含根试样T-1与T-2,说明根系有利于提高试样内部土颗粒的咬合作用。

水泥及根系对试样剪切变形的影响:对比图1(a)—图1(e)中各试样的剪应力-位移关系图可知,在相同垂直压力下,T-2,T-3,T-4,T-5试样峰值应力所对应的剪切位移明显高于T-1(不含水泥),如在50 kPa压力下,T-2—T-5试样峰值应力所对应的位移分别为4.82 mm,6.04 mm,5.76 mm,5.23 mm,较T-1试样(4.12 mm)分别增大了17.0%,46.6%,39.8%,26.9%,说明试样中掺入6%的水泥能够显著提高土样的剪切变形能力,因为水泥作为胶凝材料,在凝结初期能够有效地提高土壤内部颗粒黏结性,从而提高剪切变形能力。对比T-3—T-5试样可知,在相同垂直压力下T-3试样(含构树根)的变形能力较好。

2.2 不同根系与试样强度的关系分析

由图1(f)可知,在相同条件下随试样编号的增加抗剪强度呈先增后降的变化,T-3,T-4,T-5试样的抗剪强度明显大于T-1,T-2试样,其中T-3的抗剪强度最大;如100 kPa压力下,含根试样T-3,T-4,T-5的抗剪强度分别为32.3 kPa,25.4 kPa,22.4 kPa,较未含根试样T-2(17.1 kPa)分别增大了88.3%,48.5%,31.0%,说明试样中掺入三种植物根系均能在一定程度上增强土样的剪切强度。

其中含构树根的试样增强表现最为显著,含枸杞根最弱。因为植物根系在试样剪切过程中充当了“加筋”的作用,能将土体受到的剪切力传递到较稳定的深层,从而提高了剪切强度。在实际边坡中利用根系与深底层的锚固作用力,能够有效阻止浅层土体的滑动,从而增强土体的抗剪强度与延性,进而使坡面的稳定性增加,边坡的稳定安全系数提高[12-13]。因此,在边坡中采用植被来进行边坡的防护与治理是可行的。

通过函数拟合得到不同试样的抗剪指标如表2所示。由表2可知,含根试样T-3,T-4,T-5的黏聚力c与内摩擦角φ较不含根试样T-1,T-2有明显增大:如含根试样T-3,T-4,T-5较未含根试样T-2黏聚力c分别增大了56.3%,70.4%,74.8%,内摩擦角φ分别增大了70.3%,36.6%,26.2%,其中含构树根试样T-3内摩擦角增大最为显著,而含枸杞根试样T-5黏聚力增大最为显著。说明植物根系的存在能明显地提高土样的黏聚力与内摩擦角。

表2 试样的抗剪强度指标

综上可知,三种植物根系的存在对土样的抗剪强度、剪切变形能力、内摩擦角和黏聚力均有不同程度的提高,因此在边坡中通过种植植被来提高边坡土壤的稳定性是有效的。

2.3 CT直剪扫描图像及剪切变形演化分析

根据T-2,T-3试样在50 kPa垂直压力下的剪切过程进行CT扫描,得到含构树根T-3与含水泥T-2试样的剪切裂缝演化情况分别如图2所示。由图2(a)可知,对于不含根的T-2试样在剪切过程中,随着水平位移的增加,试样内部沿着剪切缝处有明显的裂隙出现,而当剪切位移达到5 mm左右时,继续增加水平推力,试样内部的裂缝迅速扩大,形成了贯通式裂缝,土体发生了剪切破坏,土体的抗剪强度迅速降低,并最终趋于平衡。

由图2(b)可知,含根试样T-3在剪切前中期过程中裂缝不明显,这是因为有根系的存在,在剪切变形过程中根系与土体的变形模量相差较大,加载水平推力的过程中,根系和土体之间将会发生相对位移,为保持根土之间的变形协调,根系将承受的剪力传递给深层土体,因此裂缝较小;但随着水平推力的逐渐增加,变形也逐渐增大。由图2(b)与图1(c)可知,当剪切位移到6.0 mm左右时,即试样剪切应力达到峰值,此时试样的剪切裂缝已十分明显,但未形成连续贯通的裂缝,因为根系的存在使土体内的剪应力分配更均匀。对比T-2,T-3试样的剪应力-应变及CT扫描图可知,含根试样T-3试样的抗剪强度及变形能力均高于T-2试样,因为根系的加筋作用使土体内部颗粒间的应力再分配,从而提高了剪切强度。

此外,通过对比图1(b)与图1(c),图2(a)与图2(b)可知,未含根试样T-2的水平剪切裂缝为贯通式的集中裂缝,裂缝中部宽,两端窄;而含根T-3试样的为网状型裂缝,裂缝宽度较均匀,没有出现联通两端的贯通式裂缝。含根系试样T-3不仅提高了土体的抗剪强度,而且对阻止土体裂隙的迅速扩张也起到了很好的作用。说明土样在受到剪力的作用时,根系能将所受到的剪力均匀地传递到土样深层,从而提高了土样的抗裂性能与抗剪强度。

3 结论

1)随着剪切位移的增加各试样的剪应力逐渐增大,达到峰值应力后迅速降低并趋于稳定;掺入根系后各试样的剪切强度及变形能力均有显著提升,其中构树根对土样的增强作用最为显著;掺入根系后试样的剪切强度指标均有提升,较未含根试样T-2含构树根T-3试样内摩擦角提升70.3%,含刺槐根T-4试样黏聚力提升74.8%。

2)植物根系的存在能够显著地抑制剪切裂缝扩展为网状型裂缝,根-土的加筋作用使得试样的裂缝宽度与长度较小,抗剪能力提高。综合分析可知,三种植物根系中构树根系对土体的加固作用较优。