基于人工根材的植被混凝土根-土复合体室内直剪试验

2019-11-02周海清赵尚毅熬贵勇

沈阳大学学报(自然科学版) 2019年5期

李灿, 周海清,2, 赵尚毅, 刘灿, 熬贵勇

(1. 陆军勤务学院岩土力学与地质环境保护重庆市重点实验室, 重庆 401331;2. 重庆科技学院建筑工程学院, 重庆 401331; 3. 中建隧道建设有限公司, 重庆 401147)

植被混凝土最初由许文年等[1]提出,主要用于岩质边坡的绿化与生态恢复[2].植被混凝土的核心是加入水泥配置植生基材,同时配以有机质、微量添加剂后拌和均匀,液压喷射于坡面上.水泥能使基材硬化[3],同时具备一定强度,能够附着于裸露的岩质坡面上.植被混凝土中的植物种子经过合理养护后,能在坡面形成有规模的草本植物[4],根系也逐渐发育,进一步增加植被混凝土的抗剪强度.

目前,针对根系加强植被混凝土抗剪强度的作用机理研究较少,大多学者集中于不同根材和不同根系排列方式的研究,对根系所处基材研究较少.也有学者展开过植被混凝土基材下的根-土复合体研究,如黄晓乐等[5-6]通过对含有狗牙根和紫花苜蓿的植被混凝土进行直剪试验,分析了基材上不同深度的根-土复合体基材抗剪强度分布规律和根系的分形特征,结果表明基材黏聚力随土层深度、基材强度随根系分形维数增加都呈现先增加后减少的趋势.但是自然状态下根系交错,分形复杂,难以量化根系对土体抗剪强度增强的效果.

鉴于此,本文设计规律的根系密度和排列方式,用以量化根系对植被混凝土抗剪强度的增强作用.量化结果对深入了解根系加强植被混凝土抗剪强度作用机理有较大帮助,在一定程度上能够指导植被混凝土技术范围内的工程实践.

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

植被混凝土主要由土、有机质、水泥组成.试验用土常规物性指标如表1所示;有机质采用干木屑,用量为干土质量的6%;水泥采用重庆小南海水泥厂生产的 P·O 425普通硅酸盐水泥,该水泥各项指标均合格,用量为干土质量的8%.

表1 土样常规物性指标Table 1 The physico-mechanical indexes of soil sample

根系材料采用人工制备的方法,将木条裁剪成直径1 mm、高25 mm的小木条,并在热水中浸泡48 h,中途需多次更换热水,以确保浸泡后小木条变得柔软,抗弯强度大幅度降低,与真实根系相近,仅具备拉伸和剪切强度,浸泡后的木条如图1所示.

图1浸泡后的小木条
Fig.1Smallwoodenstripaftersoaking

1.2 根系密度

目前,对于根系密度的定量分析的方法主要有:根长密度(m·m-3),即单位体积内根的总长度[7];根体积比,即根与根-土复合体体积之比[8];根质量密度(g·m-3),即单位体积内根的质量[9];根截面比,即根与根-土复合体横截面积之比[10].本文采用较为常用的根截面比(root area ratio,RAR)来评价根系密度.采用规律的圆形对称方式布置根系,分别布置5、7、9根,布置平面图如图2所示.环刀面积30 cm2,根直径1 mm、高20 mm,根据RAR的定义算出含有不同根数量的具体RAR值,根的数量为5、7、9根时分别对应的RAR值为0.001 31、0.001 83、0.002 36.

图2根系分布示意图
Fig.2Rootdistributiondiagram

1.3 制样方法与过程

首先用占干土质量8%的水泥和占干土质量6%的干木屑配置植被混凝土,然后按照含水率20%加入对应水量,浸润2 h,使用调土工具拌和均匀,按照干密度1.5 g·m-3计算每个环刀土样所需的质量,在环刀内加入对应质量的土后,利用压实设备压实.

压实后准备布置根系,此时环刀仍包裹土样,主要防止布置根系时土样破损和后续二次压实的需要.为了更加准确地定位根系,事先制作定位靶纸,将靶纸放在环刀顶面,如图3a所示,然后使用细针在对应位置制作略小于1 mm的孔洞(如图3b所示).在孔洞位置插入事前准备好的人造根系,插入时需小心,完全插入后,将裸露在环刀土样外的部分剪掉,如图3c所示.最后,再将环刀土样放到压实设备中进行二次压实,以保证根系与土体的紧密接触.

图3 根-土复合体制作过程Fig.3 Root-soil composite manufacturing process(a)—定位靶纸; (b)—制作孔洞; (c)—最终土样.

将制备好的土样放入保湿缸中养护.考虑到养护过程中水泥会逐渐增强土体的抗剪强度,养护时间的确定十分关键.根据工程实践经验,植被混凝土施工30 d后即有草本植物长出,60 d后植被生长基本稳定,同时植被混凝土和水泥土、结构性土[11]具有相似的力学特性,根据文献[12],水泥土养护60 d后强度增长极其缓慢,养护90 d后强度基本稳定.结合两者,最终确定养护时间为60 d.

1.4 室内直剪试验

室内直剪试验采用南京土壤仪器厂生产的ZJ型应变控制直剪仪,控制剪切速度为0.8 mm·min-1,量力环率定系数C=4.59 N·(0.01 mm)-1,即C=459 N·mm-1.每0.2 mm(即半个手轮)记录1次位移数据.土样分别在50、100、150、200 kPa垂直压力下进行剪切,每组试验共2个土样,重复剪切2次,取平均值作为最终试验数据.

室内直剪试验剪应力计算公式为

(1)

式中:τ为试样所受的剪应力,kPa;C为量力环率定系数,N·(0.01 mm)-1;R为量力环百分表读数,0.01 mm;A0为环刀试样底面积,cm2.

2 试验结果与分析

2.1 剪应力-剪切位移关系曲线

绘制不同根截面比在不同垂直压力下的剪应力-剪切位移曲线, 如图4所示. 每组试样都出现了不同程度的应变软化, 即曲线达到峰值强度后迅速下降, 随后达到较稳定状态. 出现该现象的原因是植被混凝土基材中含有水泥, 水泥的硬化作用使根-土复合体在破坏时呈脆性状态. 随着垂直压力的增加, 剪应力呈现一定规律的增加.

图4 相同根截面比的根-土复合体在不同垂直压力下的剪应力-位移曲线图Fig.4 Shear stress-displacement curves of root-soil composites with same RAR under different vertical pressure(a)—RAR=0; (b)—RAR=0.001 31; (c)—RAR=0.001 83; (d)—RAR=0.002 36.

为了更好地分析在同一垂直压力下,不同根截面比试样的剪应力变化趋势,绘制曲线如图5所示.在任意垂直压力下,不含有根系的植被混凝土(RAR=0)试验曲线峰值点明显都低于其他曲线;随着RAR的增加,根-土复合体的峰值强度有所增加,但是增加幅度有限.在曲线弹性阶段,不含有根系的植被混凝土斜率最小,剪应力增加速度最慢;随着RAR的增加,斜率增大,说明剪应力增加速度与RAR呈正相关.3种不同根截面比下的曲线差异较小,但是在垂直压力为100 kPa时此种规律不明显,说明随着根系含量的增多,根-土复合体的刚度增加,侧面反映出土体抗剪强度的提高.

2.2 黏聚力与内摩擦角的变化分析

通过拟合同一根截面比根-土复合体的峰值强度与垂直压力的关系,发现两者线性相关,符合摩尔-库伦准则的抗剪强度公式

τf=c+σtanφ.

(2)

式中:τf为剪切破裂面上的剪应力,即土的抗剪强度,kPa;c为土体黏聚力,kPa;φ为土体内摩擦角,(°);σ为破坏面上的法向应力,kPa.

图6为不同根截面比根-土复合体峰值强度与垂直压力的拟合曲线, 图中截距代表黏聚力数值, 斜率代表内摩擦角的tan值; 拟合公式如式(3)所示. 根据式(2)可推算出不同根截面比下的根-土复合体的黏聚力和内摩擦角, 见表2.

图5 不同根截面比的根-土复合体在同一垂直压力下的剪应力-位移曲线图Fig.5 Shear stress-displacement curves of root-soil composites with different RAR under same vertical pressures(a)—垂直压力=50 kPa; (b)—垂直压力=100 kPa; (c)—垂直压力=150 kPa; (d)—垂直压力=200 kPa.

图6 不同根截面比根-土复合体的抗剪强度-垂直压力关系

(3)

通过计算根-土复合体相对于不含有根系的植被混凝土的抗剪强度增加率,发现黏聚力增加效果明显,RAR=0.001 31的根-土复合体黏聚力相比于素植被混凝土增加了17.91 kPa,增加率为26.7%;RAR=0.002 36的根-土复合体黏聚力相比于素植被混凝土增加了23.4 kPa,增加率为34.9%.说明含有根系的植被混凝土黏聚力增加明显,增加范围在25%～35%之间,若继续增加根系密度,黏聚力还会继续增加,但其增加还需要进一步试验研究.

表2 不同根截面比的抗剪强度指标Table 2 Shear strength index of different RAR

植被混凝土与根-土复合体内摩擦角增加效果不明显,3种不同根截面比的根-土复合体分别增加了1.021°、1.346°和1.930°,相比于素植被混凝土而言,最高增加率为6.6%.说明根系增强植被混凝土抗剪强度主要体现在黏聚力上,对内摩擦角影响甚微,这也与多位学者在研究其他基材下的根-土复合体抗剪特性得出的结论相似[13-14].