刺槐根土复合体抗剪强度试验_宗华.pdf

西北大学学报（自然科学版）年 月，第 卷第 期，（）收稿日期：基金项目：国家自然科学基金专项项目（）第一作者：宗华，男，江西赣州人，从事地质灾害防治研究。通信作者：谷天峰，男，河南南阳人，教授，从事黄土地质灾害等研究，。地球科学刺槐根土复合体抗剪强度试验宗 华，谷天峰，崔 博，武 孟，李 鑫（西北大学 地质学系 大陆动力学国家重点实验室，陕西 西安）摘要 植被边坡的稳定性与其根土复合体的抗剪强度密切相关，其主要受根系作用与水分作用的影响。通过直剪试验和 试验获取了含根量和含水率与抗剪强度及其指标的关系，推导出根土复合体的强度计算模型。结果表明：刺槐根系能显著增强土体抗剪强度，黏聚力随含根量的增加先增大后趋于平缓，内摩擦角随含根量的增加有所增大，但增长幅度较小；抗剪强度随含水率的增大迅速降低，黏聚力与内摩擦角变化趋势与抗剪强度一致，内摩擦角变化幅度较小；含根量与含水率对土体抗剪强度的影响均体现在黏聚力的变化上；将根土复合体视为含根非饱和土，推导出根土复合体强度计算模型，强度模型的计算值与试验实测值较为接近，对于根土复合体的强度计算有一定的参考价值。关键词 含根量；含水率；基质吸力；根土复合体；强度模型中图分类号：，（，），；近年来，由于极端降雨气候频发等原因，黄土高原地区水土流失严重，滑坡等灾害逐年增加。植被护坡因具有成本低、效果好、绿色环保等特点，被广泛用于坡面水土流失的治理。植被的固坡效果与其根土复合体的强度息息相关，根系的加入提高了根土复合体的抗拉强度与抗剪强度。根系的加筋、锚固等作用能显著提高土体的抗剪强度，从而达到有效提高边坡稳定性的作用。因此，对根土复合体的抗剪强度进行研究有着重要的现实意义。国内外学者主要通过直剪试验或三轴试验对根土复合体的抗剪强度进行研究，探讨植物种类、含根量、根面积比、干密度、含水率等因素对抗剪强度及其指标的影响。刘益良等对锦鸡儿与沙打旺的根土复合体进行直剪试验，结果表明植物根系能显著增加土体抗剪强度；等通过直剪试验，得到类似结论。等对香根草根土复合体进行直剪试验，发现抗剪强度随含根量增加而增大；但王元战等对地毯草草根加筋土进行三轴试验，认为存在最优含根量使草根加筋土强度最大；廖博等对秋枫根土复合体进行试验，得到类似结论。等对霸王、白刺等的根土复合体进行直剪和三轴试验，指出根系为根土复合体提供附加黏聚力。等对香根草根土复合体进行直剪试验，认为黏聚力和内摩擦角随根面积比增大而增大。祁兆鑫等对芦苇、赖草等的根土复合体进行直剪试验，发现根系对土体抗剪强度的提高主要由黏聚力的增加决定，对内摩擦角的影响不大。陈洁等对百喜草、假俭草等的根土复合体进行直剪试验，指出根系的增强作用还与土体干密度有关，干密度对黏聚力影响很大，对内摩擦角影响较小。付江涛等对海韭菜、芦苇等的根土复合体进行直剪试验，表明含水率与黏聚力存在负相关性，与内摩擦角间相关性不显著。综上所述，现有研究主要集中在草本植物或细小灌木根系，乔木根系的研究还较少，且较少考虑土壤含水率变化。由于黄土是典型的非饱和土且具有水敏性，因此，有必要以黄土高原水土保持的主要造林树种刺槐为例，研究含根黄土在土 水相互作用下的抗剪强度问题。关于根土复合体的强度模型方面，等首次建立了根土相互作用的力学模型。在此基础上，其他学者改进或提出了多种模型，但现有模型较少考虑土壤水分或基质吸力的作用。众所周知，黄土属于非饱和土，其根土复合体也是非饱和土，亦可引入基质吸力变量，建立起基于非饱和土理论的根土复合体强度模型，以便于工程应用。因此，本研究选择刺槐作为研究对象，分析含根量与含水率对抗剪强度及其指标的影响，建立根土复合体的强度模型，以期为根土复合体的强度计算以及植被护坡提供一定的参考。材料与方法.研究区概况研究区位于陕西省延安市宜川县，地处渭北高原、黄河沿岸，属黄土高原丘陵沟壑区。研究区属暖温带半干旱区，温带大陆性季风气候，降雨集中于、月份，年平均降水量为.，日最大降水量为.。试验调查及取样地点位于宜川县秋林镇卓家村西南方向的刺槐林边坡上，地层由上而下为马兰黄土、古土壤、离石黄土，马兰黄土厚约，古土壤厚约，离石黄土厚度超 。.试验材料刺槐，落叶乔木，速生，萌芽力和根蘖性强，在土壤瘠薄处亦能正常生长，为黄土区主要护坡树种。刺槐无明显主根，水平根极为发达，其上生长着下垂根与斜生根，心根数量尤其是从水平根上分枝出来的斜生根非常多。等通过试验证明细根对土体强度的提高作用大于粗根。根据相关文献及现场调查发现，根径 以下的刺槐细根长度占比接近总根长的一半，且考虑到试样的尺寸大小，因此，选取根径 的刺槐根系作为试验对象。选用刺槐根系土作为试验土样，原状土用于基本物理力学试验及 试验，重塑土用于直剪试验。取样及试验时间为 年 月。黄土颜色浅黄，结构疏松，垂直节理发育，硬塑状态，颗粒组成为细砂、粉砂、粗粉粒，分别占比、，土样基础物理性质见表。西北大学学报（自然科学版）第 卷表 试验土样基本物理指标 湿密度（）干密度（）含水率 相对密度（）孔隙比液限 塑限 塑性指数.试验方案目前描述土体根系含量主要有两种方式：一是根面积比，即根土复合体剪切面上根系横截面积和土体横截面积之比（）；二是含根量，含根量的定义方式有多种，比如根土质量百分比（）或某体积土体中含有的根系质量（如 土体中含有的根系质量，）。由于根土质量百分比统计较为简单方便，仅受土体干密度的影响，因此，本研究选择以根土质量百分比定义含根量，即根系质量与干土质量之比，用 表示，作为描述刺槐根系分布密度的主要参数。以含根量与含水率为试验变量进行重塑刺槐根土复合体直剪试验，研究土体抗剪强度及其指标随含根量与含水率的变化规律。根据文献调研，及现场调查，含根量 设置 个梯度，分别为、.、.、.、.。根据水分监测数据及土样含水率试验结果，考虑到含水率较大时试样难以成型，含水率 设置、等 个梯度。试验采用 型四联直剪仪进行，试样为直径.、高度 、体积 的环刀样。每组试样分别施加、的法向压力，以.的速率快剪。此外，采用压力膜仪对所取原状土样进行 试验，试验仪器见图。根土复合体试样的制备参考相关文献，以及土工试验方法标准（）进行。以干密度控制为原则，通过控制 个试样的根系质量与土样总质量相同来保证同一组试样的一致性，保持干密度在.左右。主要制样步骤为：将土样烘干、碾碎过 筛，制备含水率、的土；选取根径 的根系剪成 长度，按环刀试样干土质量的、.、.、.、.进行分组；将环刀压入土料中，制备素土试样，将根系垂直且均匀置入试样中，制备不同含根量的试样。每组 个试样，共 组。四联直剪仪；压力膜仪；试样制备图 试验仪器及样品 第 期 宗华，等：刺槐根土复合体抗剪强度试验 结果与分析.含根量与抗剪强度及其指标的关系试样剪切后，各试样沿剪切方向出现不同程度的破坏，大体规律为含根量越大，破坏程度相对越小；试样内的刺槐根系均出现不同程度的倾斜，沿受力点越近，根系倾斜程度越大，但由于试样干密度较低以及根系较短等原因，极少出现根系完全剪断的情况；由剪切后试样的特征可以知晓根系在土体中起到了加筋作用，有效提高了根土复合体的抗剪强度。由图 可知，法向压力相同的情况下，试样的抗剪强度随含根量的增加先呈增大趋势，含根量较大后抗剪强度不再增加或有所减小。当含根量从 增加到.时，抗剪强度呈增大趋势，相比于含水率相同的素土，增加了.，增 长 幅 度 为.，说明刺槐根系可以显著提高土体的抗剪强度。当含根量从.继续增大至.时，抗剪强度的增长逐渐趋于平缓，这表明此时根系对土体的加筋作用达到了相对最大值。抗剪强度随法向压力的增大而显著增加，说明根系在土体中的位置越深，其根土复合体的抗剪强度就越大，这也说明刺槐根系生长得越深其固土护坡效果越显著，这与栗岳洲等的研究结果类似。由图 可知，试样的黏聚力随含根量的增加先呈增大趋势，后趋于平缓并有所减小，黏聚力的增长速率随含根量的增加逐渐降低。含根量从 增加到.时，相比于含水率相同的素土，黏聚力增加了.，可见刺槐根系对土体黏聚力的提高效果显著。含根量从.增加到.时，黏聚力的增长趋于平缓并有所减小。含根量对试样的内摩擦角影响较小，随着含根量的增加，试样的内摩擦角有所增大。含根量从 增加到.时，内摩擦角的增加量在 以内。含根量对土体抗剪强度的提高主要体现在黏聚力的增加上。图 不同法向力作用下的抗剪强度 含根量关系图 图 试样抗剪强度指标与含水率、含根量关系图 ，西北大学学报（自然科学版）第 卷.含水率与抗剪强度及其指标的关系由图 可知，法向压力相同情况下，试样的抗剪强度随含水率的增大迅速降低，降低速率随含水率的增大逐渐减小。含水率从 增大到，试样的抗剪强度降低了.，降低幅度为.；且抗剪强度的降低幅度随法向压力的增大而减小，说明水分对土体抗剪强度的影响随土层深度的增加而逐渐减小。含水率与黏聚力、内摩擦角的关系见图。由图 可知，试样的黏聚力随含水率的增大呈现减小趋势，降低速率随含水率的增大而逐渐减小。含水率较低时，土体中以结合水为主，且基质吸力较大，因而黏聚力较大；随着含水率的增大，自由水不断增多，基质吸力随之逐渐减小，土中的胶结物质也逐渐溶解，因此黏聚力随含水率的增大而减小。试样的内摩擦角与含水率的关系与黏聚力大致一致，也是呈现减小趋势，但降低幅度相对较小。随着含水率的增大，土体由干燥变为潮湿，土颗粒联接变得疏松，摩擦力减小，故内摩擦角也随之减小。含水率对土体抗剪强度的影响也主要体现在黏聚力的变化上。图 不同法向力作用下的抗剪强度 含水率关系图 .根土复合体强度模型.基质吸力根据 试验结果绘制土 水特征曲线如图 所示。常用 拟合模型有 模型、模型等，本研究采用 模型进行拟合。()|。（）图 试样土 水特征曲线 其中：为体积含水量；为饱和体积含水量；为吸力；、与 为拟合参数。拟合得到 .，.，.，.。通过对土 水特征曲线，可获得试验条件下含水率对应的基质吸力值。图 为 法向力作用下的抗剪强度 基质吸力关系图。图 法向力作用下的抗剪强度 基质吸力关系图 第 期 宗华，等：刺槐根土复合体抗剪强度试验由图 可知，抗剪强度随基质吸力的增大而增大，其增大幅度随基质吸力的增大逐渐减小。基质吸力低于 时，抗剪强度随基质吸力的增长较为明显；基质吸力高于 时，抗剪强度随基质吸力的增长逐渐变缓。.模型推导根系对土体抗剪强度的提高作用决定了植被固坡的效果，而水分对土体的软化作用通常是导致边坡滑移的关键因素。因此，将根系作用与水分作用统筹考虑推导根土复合体强度计算模型。此外，自然界中绝大多数土都是非饱和土，根土复合体亦属于非饱和土，将根土复合体作为含根非饱和土，可以推进根土复合体的强度研究。不同含水率（基质吸力）情况下，根土复合体试样的黏聚力 和内摩擦角 与含根量 的拟合关系式见表。表 含根量与抗剪强度指标的拟合关系式 含水率 基质吸力 黏聚力与含根量拟合关系式内摩擦角与含根量拟合关系式 .，.，.，.，.，.，.，.，.，.，.由表 可知，根土复合体的黏聚力 和内摩擦角 与含根量 的关系均可视为线性正相关关系。各式的常数项与该含水率下素土试样的黏聚力 和内摩擦角 较为接近，可以将其看做素土试样的 值和 值，去除各式的常数项，可得含根量 与由于根系作用导致的土体抗剪强度指标 黏聚力增加量 和内摩擦角增加量 的函数式。将各式的一次项系数求平均以减小各方面带来的影响，可得 .；（）.。（）由前文分析和式（）、式（）可知，含根量对土体抗剪强度的提高主要体现在黏聚力的增加上，内摩擦角的影响较小，因此，可以忽略含根量对内摩擦角的影响。取黏聚力增量与含根量的关系拟合系数为，本研究试样 .，可得抗剪强度增量与含根量的关系式为 。（）非饱和土双应力变量强度理论公式为 （）（）。（）其中：为土体总应力；、为有效黏聚力和有效内摩擦角；、为孔隙气压力与孔隙水压力，（）为基质吸力；为吸力内摩擦角。将式（）代入式（），可得根土复合体强度计算公式为 （）（）。（）关于素土试样有效强度参数的确定，绘制，（），（）三维图，为破坏包面在 轴上的截距，与 分别为破坏包面与（）轴、（）轴的夹角，拟合可得 .，.。