根系与格栅复合加筋土的力学特性试验研究
时间：2023-01-25 12:10:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
胡其志，周 勇，马 强，陶高梁
(湖北工业大学 土木建筑与环境学院，武汉 430068)
植物根系与土工格栅联合加固即可提高边坡的稳定性也可突出生态效益，在边坡防护中得到广泛应用，是常见的生态护坡形式[1]。在植物种植前期，主要由格栅发挥固土作用，随着植物生长周期的增加，根系可以穿过网孔，与格栅相互交织，形成联合的整体，构成根系、格栅、土三者协同作用的复合加筋土，充分发挥根系与格栅的固土效果，从而进一步增强边坡的稳定性。
目前，诸多学者分别针对根系与格栅的加筋作用开展了系列研究。如陈昌富等[2]、杨悦舒等[3]、刘川顺等[4]、王元战等[5]、王晓春等[6]均进行了草根加筋土的剪切试验，认为根系加筋主要通过改变黏聚力来提高土体强度，并存在最优的含根量使得土体的黏聚力最大。嵇晓雷等[7]分析了根系在不同分布形态下根土复合体的强度特性，发现根系采用混合布置的加筋效果最佳。余芹芹等[8]、程磊等[9]、万娟等[10]分别对比了不同植物根系与混合植物根系对土体的加筋效果。李晓俊等[11]、魏红卫等[12]、石熊等[13]、贺志军等[14]分别开展了土工材料加筋碎石土、黏性土、粗粒土、细粒土的剪切试验，讨论了土工材料加筋对土体强度的影响，指出邓肯-张模型可适用于加筋土本构关系的拟合。胡卫国等[15]借助三轴仪和有限元软件，改变土工格栅加固的技术参数，获得了最优的格栅加固边坡方案。李丽华等[16]分析了粉煤灰砂混合料在不同土工材料加筋作用下的强度。以上研究主要集中于单一加筋土，对植物根系与格栅共同作用下的复合加筋土研究较少。
邓肯-张模型由于其参数概念清晰，便于表征土体的非线性特征，而受到工程师的关注[17]。为研究根系与格栅复合加筋土的力学特性，依托广西贵隆高速生态护坡工程，开展素土、根系加筋土、格栅加筋土以及根系与格栅复合加筋土的三轴固结不排水试验，在分析试验数据的基础上，利用邓肯-张模型对试验数据进行拟合，获得该模型参数，通过试验数据进一步验证模型参数的准确性。
2.1 工程背景
广西贵隆高速公路，起于桂平市，终于隆安县，全长228 km。该工程全线有多处深挖高填路基，形成了大量人工边坡，生态系统遭到严重破坏，加之常年降雨，很容易造成水土流失，危害边坡安全。土工格栅因其加筋效果明显，且较为经济，在边坡工程中得到广泛运用。拟采用土工格栅对某路段的路基边坡进行加固，进而限制边坡位移。然而，单一的土工格栅加固无法加快当地生态系统的恢复，为此在土工格栅加固的边坡上种植植物成为首选方案，既可提高前期边坡的稳定性，也可快速地恢复生态系统，达到最大经济效益与生态效益。
2.2 试验材料
试验土样为广西贵隆高速工程中某路段的红黏土，其基本物理指标，见表1。试验筋材为植物根系与土工格栅。结合所用试样尺寸，参照相关试验，选取直径d为0.5～2.0 mm的灌木植物紫穗槐根系，并统一截取根系长度为40 mm，如图1所示。一般的土工格栅具有一定的硬度，在试验过程中很容易刺破试样乳胶膜，同时为了减小网孔尺寸的影响，选用材质为柔性玻璃纤维的小网孔土工格栅，技术参数见表2。
表1 土样的基本物理指标
图1 紫穗槐根系Fig.1 Root system of Amorpha pseudoacacia
表2 格栅的技术参数
2.3 试验方法
为了对比分析加筋土的力学特性，并讨论含根量对复合加筋土强度的影响，采用TSZ-2.0型全自动三轴仪进行素土、根系加筋土、格栅加筋土、以及不同含根量下复合加筋土的三轴固结不排水试验，加载速率设置为0.08 mm/min。根系与格栅的加筋方案见表3，由表3可知，本次试验共有7组，每组试验的围压分别为50、100、150 kPa，即对4种7组21个试样进行试验。
表3 根系与格栅的加筋方案
试样的制备严格按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)[18]进行，将风干的土样碾散后，筛取粒径<2 mm的颗粒，并调整土样含水率，使其处于最优含水率，闷料24 h后备用。根据表3对试样含根量及格栅层数的规定，在土中加入根系与铺设格栅。依据《公路路基设计规范》(JTG D30—2015)[19]对回填路基压实度的要求，取试样压实度为90%，采用击实器分4层击实。试样直径为61.8 mm，高为125 mm，每组试验制备3个相同的试样，并将制备好的试样进行抽气饱和。其中植物根系采用混合布置，将其与土样均匀拌合，定义根系质量与湿土质量之比为加筋土的含根量，通过控制加入根系的质量来制备不同含根量下的加筋土。同时为保证根系的均匀拌和，在制样时，先计算分层击实时每层土样中所需加入的根系质量，在对在每层土样和根系进行单独拌和，以此来使根系在试样中均匀分布，减小试验误差。土工格栅采用横向平铺的方式布置，将格栅剪成直径为61.8 mm的圆形，分3层等间距布置在土体中，具体布置方式见图2。
图2 试样制备中的土工格栅Fig.2 Layout of prepared geogrid
3.1 破坏形态及应力-应变关系
为对比素土、根系加筋土、格栅加筋土、复合加筋土的破坏形态及应力应变特性，取1—4组的试验结果进行分析。由图3可知，4种土体的破坏形态均为鼓胀型。其中素土与根系加筋土的鼓胀破坏均出现在试样中部，呈现出中间大，两端小的鼓状形态，但不同的是，素土试样的中下部，侧向变形出现突变，而根系加筋土的侧向变形得到明显抑制，且变形相较均匀。这是由于根系与土体相互交错，被牢牢固定在土体内部，当试样土颗粒因外部荷载发生位移时，根系与土颗粒间的摩擦力可以发挥根系抗拉作用，限制位移，协调变形。格栅加筋土与复合加筋土的破坏形态相似，土体的鼓胀破坏出现在两层格栅之间和试样两端，也呈现出鼓状形态，同时在布置格栅的部位，侧向变形明显减小，说明格栅可以有效的约束变形。从试样整体变形上看，相较于其他土体，复合加筋土中间和两端的变形最为接近，侧向变形最小，最均匀。这表明，根系与格栅联合加筋可以改变试样鼓胀破坏的部位，协调变形，使得土体的侧向变形更小，更均匀。
图3 围压100 kPa下土体的破坏形式Fig.3 Failure patterns of samples under confining pressure of 100 kPa
图4为围压50、100、150 kPa下土体的应力-应变关系，σ1为第一主应力；
σ3为试验围压；
(σ1-σ3)为主应力差。由三轴试验曲线可知：
(1)当轴向应变ε1<1%时，应力随应变大幅上升，曲线陡峭，各类试样的曲线相差不大。这表明在低应变下，格栅与根系的固土作用并未完全发挥，加筋效果也表现出滞后现象。
(2)当轴向应变ε1≥1%时，应力随应变增幅下降，曲线较为平缓，但在应变一定时，各加筋土的主应力差明显高于素土，表明筋材在高应变下加筋效果更加突出。同时4种土体的应力随应变均展现出硬化的趋势，没有出现峰值，故采用ε1=15%的主应力差作为土体破坏强度值。
图5为破坏强度随围压变化的曲线，由图5可知：
(1)土体的破坏强度与围压呈正相关。在同一围压下，4种土体的破坏强度值由大到小依次为：复合加筋土>格栅加筋土>根系加筋土>素土；
根系与格栅均可提高土体的破坏强度，其中格栅对土体强度的影响要大于根系，复合加筋土的破坏强度明显高于单一加筋土。
图4 不同围压下的应力-应变关系Fig.4 Stress-strain relations under different confining pressures
图5 破坏强度随围压变化曲线Fig.5 Curves of failure strength with confining pressure
(2)相较于素土，当围压为50 kPa时，各种加筋土的破坏强度依次提高了98.4%、59.0%、32.1%；
当围压为100 kPa时，各种加筋土的破坏强度依次提高了54.3%、36.4%、19.2%；
当围压为150 kPa时，各种加筋土的破坏强度依次提高了47.5%、27.6%、17.1%。由此可知，复合加筋土的加筋作用明显高于单一加筋土，且随着围压的提高，加筋的作用有所下降。
3.2 强度特性分析
根据图5，绘制土体的强度包络线，见图6，并由此来计算土体的c、φ值，见表4。Δc为其他加筋土与素土黏聚力的差值，Δφ为其他加筋土与素土摩擦角的差值。由图6可知，4种土体的强度包络线大致平行，且与竖轴的交点存在明显的差异，说明无论是根系与格栅的单一加筋，还是根系与格栅共同作用的复合加筋，都是通过改变黏聚力来提高土体强度，而土体摩擦角的变化不大。由表4可知，4种土体的黏聚力由大到小依次为：复合加筋土>格栅加筋土>根系加筋土>素土。相较于素土，各种加筋土的黏聚力增量依次为22.02、14.46、6.78 kPa，分别增加了265.0%、174.0%、81.6%；
相较于根系与格栅的单一加筋土，复合加筋土的黏聚力增量依次为15.24、7.56 kPa，分别增加了101.0%、33.2%。
图6 土体的强度包络线Fig.6 Strength envelopes of soil
表4 土体的c、φ值
由以上分析可知，复合加筋与单一加筋的作用机理相似，都是通过改变黏聚力来提高加筋土的强度。土体黏聚力在复合加筋作用下增加幅度最大，加筋作用显著高于单一加筋。同时，本试验并未考虑根系分布形态的影响，对根系采用混合布置方式，只能在一定程度上反映出根系与格栅的空间关系。而在实际工程中，由于植物根系分布形态的多样性，随着植物生长周期增加，大量根系穿过网格孔隙，与格栅相互交织在一起，形成一个联合体，即可有效控制格栅与土的相对位移，亦可防止根系被拔出，从而提高土体的整体强度。因此相较于室内试验，实际工程中，根系与格栅复合加筋的生态护坡方式，可以更加有效利用根系与格栅的加筋锚固作用，大幅度改善边坡稳定性。
3.3 含根量对复合加筋土强度的影响
为讨论含根量对复合加筋土强度的影响，控制土工格栅布置层数均为3层，取3—7组的试验结果进行分析。由图7可知，不同含根量下的三轴试验曲线形式依然呈现出应变硬化的趋势。应变一定时，在低围压(50 kPa)下，复合加筋土的主应力差随着含根量的增加先增后减；
在高围压(100、150 kPa)下，复合加筋土的主应力差随着含根量的增加而增加。
图7 不同围压下的应力-应变关系Fig.7 Stress-strain relations under varied confining pressure
图8为破坏强度随含根量变化的曲线，由图8可知，σ3=50 kPa时，复合加筋土在含根量为0.5%的情况下破坏强度最大，相较于格栅加筋土，破坏强度提高了24.8%；
σ3=100、150 kPa时，复合加筋土均在含根量为0.9%的情况下破坏强度最大，相较于格栅加筋土，分别提高了30.1%、22.5%。上述结果说明随着含根量的增加，一方面，会使更多的根系与土体相互交织，扩大了根土接触面积，提高了加筋土的整体性，充分发挥了根系的加筋作用，进而使土体强度增加；
而另一方面，在低压实度下，当围压较小时，根系较多，土体较为松散，部分根系与土体黏结力不足，加筋土的强度随之降低(如图8围压为50 kPa时的曲线)。
图8 破坏强度随含根量变化的曲线Fig.8 Curves of failure strength with root content
为综合评价含根量对复合加筋土强度的影响，根据图8计算不同含根量下复合加筋土的c、φ值，如图9所示。复合加筋土的c、φ值与含根量均相关，随着含根量的增加，内摩擦角的变化幅度不大，主要集中在20.78°～24.26°；
而黏聚力的变化幅度明显，具体形式为先增后减，当含根量达到0.5%时，黏聚力最大，相较于只加格栅的单一加筋土，提高了33.2%，而后含根量继续增加，黏聚力反而有所降低。究其原因，当根系含量超过最优含根量时，部分根系相互联结，不能与土颗粒有效接触。而根系与根系之间的黏结力远小于土体与根系的黏结力，导致含根量较高的加筋土其黏聚力有所降低。
图9 复合加筋土的c、φ值随含根量变化关系Fig.9 Changes of c and φ of composite reinforced soil with root content
4.1 邓肯-张模型参数计算
由图4可知，各加筋土的应力随应变均展现出硬化趋势，可采用邓肯-张模型对土体三轴试验曲线进行分析，并获取加筋土的邓肯-张模型参数。模型的表达式为：
(1)
(2)
式中：Ei为初始变形模量；
Pa为常量，取值为101.4 kPa；
a、b、K、n均为试验参数。
由式(1)可将(σ1-σ3)-ε1曲线关系转化为ε1/(σ1-σ3)-ε1线性关系，并对ε1/(σ1-σ3)-ε1关系进行线性拟合。当σ3=100 kPa时，各加筋土的ε1/(σ1-σ3)-ε1线性拟合如图10(a)所示，a、b分别为拟合直线的截距与斜率。其中Ei=1/a，Rf=b(σ1-σ3)f，Rf为破坏比，根据土体的破坏强度(σ1-σ3)f，计算各加筋土的Rf与Ei。结合式(2)得到lg(Ei/Pa)-lg(σ3/Pa)关系，并进行线性拟合，如图10(b)所示，lgK、n分别拟合直线的截距与斜率，故可得K、n值。
图10 土体的ε1/(σ1-σ3)-ε1及lg(Ei/Pa)-lg(σ3/Pa)线性拟合Fig.10 Linear fittings of ε1/(σ1-σ3)-ε1 and lg(Ei/Pa)-lg(σ3/Pa)
最终邓肯-张模型参数计算结果见表5。由表5可知，相较于素土，各加筋土的Rf均有所增加，不同含根量下Rf的变化不明显，取值范围为0.942～0.965，表明加筋后土体的破坏强度更加接近极限主应力差。K、n均是与初始变形模量相关的参数，4种试样的K、n值由大到小依次为复合加筋土>格栅加筋土>根系加筋土>素土，复合加筋土的K、n与含根量呈正相关，这说明根系与格栅的加筋作用可以提高土体初始变形模量。
表5 邓肯-张模型参数
4.2 模型参数的验证
为验证邓肯-张模型参数是否可以准确反映加筋土的力学特性，利用式(3)及所获模型参数，在应变一定的情况下，计算土体应力，并将试验值与计算值进行对比，以此来验证模型参数。
(3)
图11为σ3=100 kPa时模型计算值与试验值，由图11可知，模型计算值与试验值基本吻合，表明邓肯-张模型可适用于加筋土本构关系的模拟，模型参数可以准确反映土体力学性质。
图11 模型计算值与试验值Fig.11 Model calculated values and test values
(1)3种加筋土的破坏形态均为鼓胀型，相较于素土与单一加筋土，根系与格栅的复合加筋作用可以改变土体鼓胀破坏部位，协调变形，使得土体的侧向变形更小，更均匀。植物根系、土工格栅均能提高加筋土的强度，其中根系与格栅的复合加筋效果最好。
(2)复合加筋与单一加筋的作用机理相似，都是通过改变黏聚力来提高土体的强度。复合加筋可最大限度提高土体黏聚力，相较于素土、根系加筋土、格栅加筋土，分别增加了265.0%、101.0%、33.2%。
(3)保持最佳的土工格栅布置形式不变，复合加筋土的黏聚力随含根量变化幅度明显，呈现出先增后减的非线性趋势，当含根量达到0.5%时，黏聚力达到最大。
(4)对加筋土的三轴试验曲线进行分析，发现3种加筋土的应力-应变关系均符合邓肯-张模型，获得了加筋土的邓肯-张模型参数。并通过将模型参数计算值与试验值进行对比，进一步验证模型参数的准确性。
本次试验对根系采用的是混合布置方式，并未考虑根系分布形态的影响，只能在一定程度上反映出根系与格栅的空间关系。而在实际工程中，由于根系分布形态的多样性，随着植被生长周期增加，大量根系可以穿过网格空隙与格栅相互交织在一起，形成一个联合的整体。因此如何更加真实反映出根系与格栅联合加筋的实际效应，还需进一步研究，以期为复合加筋生态护坡技术在公路边坡的应用提供参考及理论依据。
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