草根加筋土的室内直剪试验研究

2015-02-10任小敏王泽华

交通科技 2015年2期

任小敏王泽华

（1.安徽省公路工程检测中心合肥 230022； 2.中交第二公路勘察设计研究院有限公司武汉 430056）

土的抗剪强度试验是研究土的强度特性和确定土的抗剪强度参数。土的抗剪强度试验的方法有室内试验和原位试验。植物根系对边坡岩土体有加筋作用，能够提高边坡表层岩土体的稳定性，但是能在多大程度土有所提高，却鲜有人提出一个定量指标。考虑到岩土介质的抗剪强度指标粘聚力c和内摩擦角φ是衡量岩土边坡稳定性的重要指标，所以本研究也试图通过室内直剪（快剪）实验，测定边坡岩土体在有、无根系情况下的抗剪强度指标粘聚力c和内摩擦角φ，来分析草本植物根系对边坡土体抗剪强度的贡献。

在土壤－根系复合体的含根量Rw、含水量一定的情况下，其抗剪强度τ符合库伦定律。

该式形式上与粘性土的抗剪弧度表达式表达形式相同，但物理意义却有些不同。对粘性土而言，其抗剪强度包括：①由土颗粒的表而摩擦力以及颗粒间的嵌入和联锁作用产生的咬合力；②由原始粘聚力、固化粘聚力和毛细粘聚力组成的内聚力。而在土壤－根系这一复合体中，由于根系的存在，使其复合体中的摩擦力分量比土的摩擦力分量要大。同时，土中存在的根系将增加土的抗剪强度，与粘性土中仅存在范得华力和库伦力的效果差异较大。因此土中根系含量增多，将使其复合体的抗剪强度增大。

1 加筋土的剪切试验研究综述

加筋土是在填土中加入筋材而形成的一种复合体，筋材通过与土体之间的摩擦力将自身的抗拉强度与土体的抗压强度结合起来，从而提高了土体的强度，减小了变形。对于植物根系加筋土的研究，Endo和Tsuruta，以及Wu和Watson等在现场直接测定含有植物根系土体的抗剪强度，通过试验数据得出根系与土体相互作用的力学特性，进而研究了植物垂直根系对土体抗剪强度的增强作用［1］。

杨亚川等［2］提出了根－土复合体的概念，对草本根－土复合体的抗剪强度及抗水蚀进行了研究，概述了草本植物根系保持水土效能的机理，提出将根茎连接处形成的微型“拦土栅”及“虑水土体”抵抗径流推移破坏的极限能力，作为土壤－草本植被根系复合体的抗水蚀强度，研究了它与根量的相关性，通过试验证明了其符合库伦定律，以及复合体抗剪强度随含根量增大而增大，随含水量增大而减小，复合体的粘聚力随含根量呈正比相关关系，而内摩擦角与含根量关系不大。

王文生等［3］通过试验得出，对于沙性土，随着植物根系的加筋作用，粘聚力值急剧增大，为2.5～4.0倍，土体与植物根系间的内摩擦角φ值变化不大；对于粘性土，c，φ值增加幅度较小，为25%～40%倍。陈昌富等［4］通过三轴压缩试验研究得出：“对于抗剪强度指标，与素土相比草根加筋土的内摩擦角φ变化较小（相对变化率绝对值在11%以内），但粘聚力c增长较大（最大可达9倍）”。

2 试验设备和试验步骤

2.1 试验原理

直剪试验是测定预定剪破面上抗剪强度最简便和最常用的方法，通常是从工区某个位置取出土样，制成几个试样，用几个不同的垂直压力作用于试样上，然后施加剪切力，测得剪应力与位移的关系曲线，从曲线上找出试样的极限剪应力作为该垂直压力下的抗剪强度。通过几个试样的抗剪强度确定强度包络线，求出抗剪强度参数c，φ。

2.2 试验设备

应变式直剪仪（SJ－1，测力环系数为1.888 kPa／0.01mm）、环刀（截面积 F＝30cm2，直径＝61.8mm，高20mm）、秒表、削土刀、剪刀及蜡纸等。

2.3 试验步骤

（1）切取试样。试验土样按照《公路土工试验规程》［5］扰动土样的制备程序处理。在制样器内壁涂上一层凡士林，把过2mm筛后的扰动土装入制样器内，然后用击实器击5～7下，饱和器内的土层宜为3～5层，每一层的土量应基本一致，每层接面刮毛，刮平土样后取出切开。每组试样4个，在切分时可用剪刀剪断植物根。破坏时重新制取，并测定试样密度和含水率。

（2）安装试样。在下盒放入洁净透水板和滤纸，将一带有试样的环刀刃口向上，对准剪切盒口，在试样上放滤纸和透水板，将试样小心地压入盒内。

（3）试验准备。移动传动装置，使上盒前端钢珠刚好与测力计接触，顺次加上传压装置，每组4个试样，加1，3，5，7个1.275kg的砝码。分别在100，200，300，400kPa 4种不同的垂直压力下进行剪切。并将百分表归零。

（4）试样剪切。拔出固定销钉，开动秒表、记录。以0.8mm／min（4r／min）的速度匀速加荷施加水平剪力，手轮每转2圈时记录测力计和位移读数，直至测力计读数出现峰值。如测力计中的测微表指针不再前进或显著后退，表示试样已经被剪破，但一般宜剪至剪切变形达4mm为止。若量表指针再继续增加，则剪切变形应达6mm为止。无根土和草根加筋土试样剪切后分别见图1和图2。