王凤池,秦美琦,李 栋,孙 琪

(1.沈阳建筑大学交通工程学院,辽宁 沈阳 110168;2.沈阳建筑大学土木工程学院,辽宁 沈阳 110168)

工程建设中大面积的开山、筑堤等破坏了坡体原有的地表情况,更是对生态环境的平衡造成了破坏[1]。传统的防护方法主要有喷射混凝土、设置挡墙等。传统方法对当地的生态多样性影响较大,违背了绿色生态的发展趋势[2],因此植被防护的方法应运而生。植物的根系纤维与土体密切的结合,弥补了传统工程防护的缺陷,既实现了对边坡土体的加固,减少水土的流失,又达到了保护自然环境的目的。

植物护坡技术距今已发展多年,并且在国外起步较早,20世纪90年代的中后期,在各国学者的推动下,植物护坡技术得以迅速发展。A.S.Dhakal[3]通过观察被砍伐后的植被对根系强度的影响,分析了不同的森林管理对坡的长期影响以及对滑坡的发生的影响。A.K.Leung[4-5]以七叶草和铁苏为研究对象,采用双环入渗试验,分析其根系对所处坡体的影响。周红贵[6]采用变水头渗透试验,以高羊茅根系为研究对象进行渗透试验,得出在高羊茅根系的生长区域的30 cm内,复合土体的渗透系数大于素土的渗透系数；此外，还通过根土复合体室内崩解试验分析对比了素土、絮状根系土、稻秸秆根系土、草加稻秸秆根系土的崩解量。李雄威[7]以膨胀土为研究对象,采取原位渗透试验进行渗透性能测试,试验证明植物根系的存在能够加强土体的渗透性能。邓仁贵等[8]研究了林木根系对坡面土体的崩解性能的影响。李家春等[9]采用崩解仪开展浸水崩解试验,通过研究发现,含水量、压实度和崩解速率之间存在内在相关性。周德培[10]、方华[11]、单炜[12]、王文生[13]、戚国庆[14]、陈开圣[15]等从水文和力学机制角度全面总结了植被对边坡稳定的各种影响:植物可以有效防止坡面冲刷、截留降雨,植物根系对土坡起锚固、加筋作用,植物蒸腾耗水降低孔隙水压力、增加土的抗剪强度。

研究分析根系纤维土的渗透和崩解性能试验,能大力促进植物固土护坡的发展需要,为植物固土护坡提供更有力的试验证据。基于此,笔者选取薹草为研究对象,以薹草根系纤维含量、根系纤维土的处理方式、试验用土含水率以及根系纤维分布形态为控制变量,研究根系纤维土的渗透性能和抗崩解性能,并分析其原因,研究结果表明根系纤维的存在可以提高土体的渗透性能和抗崩解性能。

1 试 验

1.1 试件制备

试验选用沈阳建筑大学校园内生长茂盛的薹草,如图1所示。

图1 薹草Fig.1 Carex

经过测量，薹草的根系长度主要集中在10～15 cm,直径主要集中0.3～0.6 mm。试验用土选择沈阳本地土,依据《土工试验方法标准》(GBT 50123—2019)[16],最大干密度为1.948 g/cm3,最优含水率为11.72%,液限指数为29.47,塑限指数为16.21。

(1)渗透性试验试件

为研究根系纤维土的渗透性,笔者采用控制变量的方法研究多个影响因素下的根系纤维土的渗透性能的变化。试验所涉及的影响因素包括:薹草根系纤维的含量、根系纤维的处理方式、试验用土的含水率以及根系纤维的分布形态。薹草根系纤维的含量分别选取0根、10根、15根、20根和25根。对试验的根系纤维进行处理,得到新鲜根系、风干2 h、风干4 h、浸水2 h和浸水4 h根系纤维进行试验。

薹草根系纤维属于须根系,笔者制作“个字形”根系纤维土模拟薹草根系。制作“人字形”、“偏形”和“竖直形”3种形式的根系纤维土模拟其他植物根系,如图2所示。试验用土的含水率分别为7.74%、10.16%、11.72%、17.31%和19.29%。渗透试验的试件用4cm环刀进行取样,将根系均匀插入土中,以控制试件内根系分布密度。将环刀上下两端表面切平,并切记不能来回涂抹多次,以防止根系纤维土出现堵塞的现象。

图2 根系纤维分布形态Fig.2 Root fiber distribution pattern

(2)室内崩解试验试件

崩解试验分别以薹草根系纤维含量、根系纤维长度以及根系纤维的分布方式为影响因素,研究其对根系纤维土的室内浸水崩解性能的影响。薹草根系纤维的含量与分布方式同上。对试验的根系纤维进行处理,得到1 cm、2 cm、3 cm和4 cm的根系纤维。利用4 cm环刀进行取样,将根系均匀插入土中,以控制试块内根系分布密度。将环刀上下两端表面切平。

1.2 根系纤维土渗透性试验

渗透试验在研究土的渗透特性时是必不可少的,渗透系数正是衡量土的特性的重要指标之一。因此,笔者将从多个影响因素的角度下,利用变水头渗透试验,分析根系纤维土的渗透性能。渗透性试验使用南京土壤仪器厂的TST-55型渗透仪如图3所示。

图3 渗透试验装置示意图Fig.3 Schematic diagram of penetration test device

在装有试样的环刀外壁涂抹一层薄薄的凡士林,将环刀缓慢的推入渗透仪的套筒中。在渗透仪的套筒内,先后放入滤纸、透水石、止水垫圈和仪器上盖,拧紧螺丝至不漏气、不漏水的密封状态。将渗透仪的进水口与变水头的进水管相互连接。将排气管的夹子打开,当从排气管中流出的水不带有气泡时,将排气管的夹子夹好,使水从下到上的饱和试样。当排气管出现水流流出时,即认为渗透试样已经达到饱和状态,此刻开始测定测压管读数。将测压管充水到需要的高度,取下测压管与供水瓶之间连接的夹子,按下秒表,开始计时,记录水头h1,经过时间t1后,记录水头h2和时间t2,并用温度计测量出水口水的温度,记录下来(要求每次测定水头差大于10 cm),如此连续2～3次,再将测压管水位回声到所需高度,再次记录读数,前后共测量9次,试验终止。

1.3 根系纤维土室内崩解试验

本试验装置参考文献[17]中的试验装置,用自制的简易室内崩解试验装置,如图4所示。

图4 崩解试验装置Fig.4 Disintegration test device

试验所用工具有整理箱、铁丝网盘、环刀、细绳、秒表、温度计和电子天平。用细绳将铁丝网盘两端和整理箱两端连接固定,使铁丝网盘呈水平状态,将制备好的试样放置在铁丝网盘上;将测量好温度的自来水倒入整理箱中,使水位刚好没过试验土样表面,并且保证每次试验水位高度相同;水位没过试验土样的瞬间,按动秒表,每2分钟,将铁丝网盘连同试件共同水平端出,迅速利用电子天平测量铁丝网盘与试样整体的重量,记录数据;称量后立即水平放入水中,继续按照上述方法,每两分钟进行测量,记录试验数据,直至土体完全崩解。

2 试验结果及分析

2.1 根系纤维土渗透性能研究

2.1.1 根系纤维含量对根系纤维土抗渗性的影响

不同薹草根系纤维含量下根系纤维土的渗透系数如图5所示。

图5 根系纤维土渗透系数与根系纤维数量的关系Fig.5 The relationship between the permeability coefficient of root fibrous soil and the number of root fibers

通过图5可以看出,加入薹草根系纤维的根系纤维土的饱和渗透系数均比素土(未加入根系纤维的土)的饱和渗透系数大。并且随着根系纤维的增多,渗透系数增幅也逐渐增大,增幅7.7%～134.8%。当根系纤维含量达到25根时,渗透系数最大,增幅达到134.8%。由此可以说明,薹草根系纤维可以显著提高根系纤维土的渗透性能。主要原因是根系纤维的存在改变了土体原有的结构,薹草根系纤维在与土体黏结的同时,对密实的土体也有一定的分散作用,使土体与根系纤维接触处的产生孔隙,极易引起土质发生疏松的现象,由此增大了根系纤维土的孔隙率和透水性,进而较大程度地改变了土体的渗透性能。随着根系纤维含量增多,根系纤维对土体产生的孔隙作用就愈发明显,导致其透水性逐渐加强。

2.1.2 根系纤维处理方式对根系纤维土抗渗性能的影响

根系纤维处理方式主要包括新鲜根系纤维、风干2 h、风干4 h、浸水2 h和浸水4 h根系纤维。根据根系纤维土变水头渗透试验,得到的试验数据结果如图6所示。为绘图方便,采用XX表示新鲜根系纤维,FG表示风干根系纤维,JS表示浸水根系纤维。

图6 根系纤维土渗透系数与根系纤维处理方式的关系Fig.6 The relationship between the permeability coefficient of root fiber soil and the treatment mode of root fiber soil

通过图6可以发现,根系纤维处理方式不同,相对应的根系纤维土的渗透系数也不相同。新鲜根系纤维的根系纤维土的渗透系数最高,其次是风干的根系纤维,最后是浸水处理后的根系纤维。主要原因在于薹草的根系纤维在风干以及浸水状态下,根系纤维的含水率处于不平衡状态,会产生吸水等现象,而新鲜根系纤维的含水率已经达到稳定平衡状态,因此该种情况下根系纤维土的渗透性能最好。风干处理的根系纤维的含水率,随着风干时间的推移,其含水率逐渐降低,进行渗透试验时,风干根系纤维自身会先吸取水分,当水分吸取饱和后,水分开始渗入土中;而浸水的根系纤维,其含水率已经接近饱和,因此其渗透性能最差。

2.1.3 土的含水率对根系纤维土抗渗性能的影响

试验用土的各种含水率下的根系纤维土的渗透系数情况如图7所示。

图7 根系纤维土渗透系数与根土的含水率的关系Fig.7 The relationship between permeability coefficient of root fibrous soil and moisture content of root soil

土的含水率不同对于植物根系纤维土的渗透系数的影响亦不相同。试验所选取的土的含水率分别为7.74%、10.16%、11.72%、17.31%和19.29%。当土的含水率低于11.72%时,随着土的含水率的升高,根系纤维土的渗透系数逐渐降低;当土的含水率高于11.72%,随着土的含水率的升高,根系纤维土的渗透系数逐渐降低;其中在含水率为11.72%时渗透系数达到最大。主要原因是土的含水率增大时,其根系纤维土的孔隙度减小,渗流通道变窄,结合达西定律可知,在水力坡度相同时,根系纤维土的渗透系数随着渗透的速度的变化而变化。本试验中,渗流的总水量相同,渗流通道变窄后,渗流速度变慢,因此渗透系数逐渐降低。而在最优含水率情况下,对应的干密度最大,此时,土孔隙中完全没有水的存在,因此该情况下,在水流入渗时,根系纤维土吸收水分子速度最快。

2.1.4 根系纤维分布形态对根系纤维土抗渗性能的影响

试验所用的根系纤维均为新鲜根系,根系纤维含量均为15根,试验用土的含水率均为11.72%。根系纤维土的渗透系数与根系纤维的分布形态的关系如图8所示。

图8 根系纤维土的渗透系数与根系纤维的分布形态的关系Fig.8 The relationship between permeability coefficient and distribution pattern of root fiber soil

根系纤维分布形态无论如何变化,其根系纤维土的渗透系数皆比素土的渗透系数大。与素土作对照,得出各种根系纤维分布形态下,20 ℃平均渗透系数增幅在7.9%～83.2%。按照由大到小的顺序排列依次为竖直形、个字形、偏形、人字形。根据达西定律可知,在水力坡度i相同时,根系纤维土的渗透系数k随着渗透速度v的变化而变化,渗透的速度越快,其渗透系数越大;同理,渗透速度越慢,其渗透系数越小。在本试验中,根系纤维的分布形态不同改变了渗流路径的大小,渗流路径越长,其渗流速度越慢,相对应的渗透系数便越小;同理,渗流路径越短,其渗流速度越快,相对应的渗透系数越大。由上至下,垂直距离最短,故竖直根系为渗流最短路径。

2.2 根系纤维土崩解性能研究

2.2.1 根系纤维含量对根系纤维土崩解性能的影响

笔者采用崩解速度这一指标来衡量根系纤维含量对根系纤维土崩解的影响程度。不同根系纤维含量(0根、10根、15根和20根)对根系纤维土崩解性能的影响如图9和图10所示。

图9 根系纤维含量与平均崩解速度的关系Fig.9 Relationship between root fiber content and average disintegration rate

图10 根系纤维含量不同时的崩解剩余量与时间的关系Fig.10 Relationship between disintegration residue and time with different root fiber contents

从图9中可以看出,随着根系纤维的增多,根系纤维土的崩解速度越来越低,当根系纤维含量为0根时,根系纤维土的崩解速度为12.67 根/min,当根系纤维含量为20根时,根系纤维土的崩解速度为8.21 根/min。从图10可以得出,根系纤维土在每两分钟内的崩解变化率随着时间的推移而变化,崩解变化率的绝对值最小为0.43%,最大为13.25%,具体变化为先小后大,然后变小,最终为0%。

综上所述,根系纤维含量越多,根系纤维土每分钟的崩解量即崩解速度越慢,说明根系纤维的存在可以有效提高根系纤维土的抗崩解性,主要原因在于根系纤维的存在,能够很大程度上增强根系纤维土内部的联结力,进而阻碍了根系纤维土的崩解。

2.2.2 根系纤维长度对根系纤维土崩解性能的影响

不同根系纤维长度对根系纤维土崩解性能的影响如图11和图12所示。

图11 根系纤维长度与平均崩解速度的关系Fig.11 Relationship between root fiber length and mean disintegration rate

图12 根系纤维长度不同时崩解剩余量与时间的关系Fig.12 Relationship between time and calving residue of root fibers with different length

从图12中可以看出,随着时间的推移,不同根系纤维长度下的根系纤维土的崩解情况不同,但所有根系纤维长度下的根系纤维土的崩解剩余量均呈下降趋势。根系纤维长度越长,根系纤维土的平均崩解速度越小,即每分钟根系纤维土的崩解量越少,根系纤维土的崩解剩余量越多,其抗崩解能力越强。因为根系纤维长度越长,其与土颗粒的黏结力越大,因此存在加固土体、抵抗崩解、防止水土流失的作用。

2.2.3 根系纤维分布方式对根系纤维土崩解性能的影响

不同根系纤维分布方式的平均崩解速度和崩解剩余量与时间的关系如图13和图14所示。其中,SZ代表竖直形,PX代表偏形,RX代表人字形,GZ代表个字形。

图13 根系纤维分布方式与平均崩解速度的关系Fig.13 The relationship between the distribution pattern of root fibers and the mean disintegration rate

图14 根系纤维分布方式不同时崩解剩余量与时间的关系Fig.14 The relationship between the residual amount of disintegration and time in different distribution modes of root fibers

从图中可以看出,根系纤维分布方式不同时,根系纤维土的崩解情况不同,崩解所用时长也不相同,但崩解趋势大致相同。也可以看出4种根系分布形态的根系纤维土的平均崩解速度由小到大依次为个字形根系纤维,人字形根系纤维,偏形根系纤维,竖直形根系纤维。平均崩解速度越小,崩解量越少,抗崩解能力越强。主要原因在于根系纤维在土中以不同的形态进行分布,构成不同的网格,与土体紧密联结,增强了土颗粒与根系纤维之间的摩擦力与黏结力,提高了根系纤维土的抗崩解能力。

3 渗透与崩解的关系

土的崩解破坏机理是由于土体浸水以后,由于土的吸水作用会将土颗粒包围成水膜,破坏了土颗粒之间的胶结黏聚力,而且未排出的空气随着水膜的增大受到压缩,导致孔隙内气压增大,产生应力集中现象,使土体发生崩解破坏[18-21]。从试验中可以看出,由于根系纤维的存在使水可以顺着根系纤维渗透,其渗透系数变大,而且根系纤维使土颗粒之间产生了更好的黏联作用。这一现象延缓了水膜的形成,减少了封闭压缩的气体,从而减缓了土颗粒之间的胶结黏聚力丧失的速度。随着根系纤维含量的增多,渗透系数也随之变大,孔隙内封闭的气泡体积变小,根系纤维与土颗粒的黏结及摩擦力也增大,因此土体的平均崩解速度降低,崩解剩余量也增多。

4 结 论

(1)在其他试验影响因素相同的情况下,随着根系纤维含量的增多,根系纤维土的渗透性能逐渐增大;风干处理的根系纤维的根系纤维土的渗透性能要高于浸水处理的根系纤维土;试验用土的含水量越高,根系纤维土的渗透系数越低;此外,根系纤维不同分布形态下的渗透性能不同,从小到大排列顺序依次为人字形、偏形、个字形、竖直形。

(2)根系纤维含量增多的同时,减慢了根系纤维土的崩解速度,提高了根系纤维土的抗崩解性能;根系纤维长度越长,崩解破坏所用的时长越长,崩解速度越缓慢,则其抗崩解能力越强;此外,在根系纤维分布方式不同时,根系纤维抵抗崩解的能力不同,从大到小的排列顺序依次为个字形、人字形、偏形、竖直形。无论何种方式下的崩解,最终崩解剩余量均趋于定值,因土体全部崩解脱落,剩余量仅为根系纤维。

(3)根系纤维的存在提高了土体的渗透性能,进而提高了土体的抗崩解能力。