根土复合体加筋效应研究

狗牙根草1.根土复合体加筋效应理论（周云艳，赵亮）植物根系的加筋理论是由加筋土理论衍生而来的。所谓加筋土就是在土中按一定方向和间距铺设一层或多层具有一定抗拉强度的加筋材料与填土交替而成的一种复合体。我们知道，土体具有一定的抗压强度，但它的抗剪切强度较低，而抗拉强度更低，如果我们在土内掺入或铺设适量的加筋材料，可以不同程度地提高土的强度并改善其变形特性，形成加筋土。由一植物根系的分布特点可知，根系在土体中的分布呈网状、纵横交错，随着深度的增加含根量由地表向下逐渐减少，在根系盘结范围内的土体可看作由土和根系组成的根一土复合材料，根系可以看成一种柔性加筋材料，而根土复合体可以看作是加筋土，只是土体中根系的分布盘根错节，远比工程中的加筋材料的分布复杂得多，故将根系看成是对土体的三维加筋，根土复合体则看成是三维加筋土。因此可按加筋土原理来分析含根土体的受力状态，即把土中的根分布看作加筋材料的分布，根系如同加筋材料一样对土体起到加筋增强的作用，从而使得根土复合体的强度明显提高。对无根的土体施加竖向荷载，土体将产生竖向压缩变形和侧向膨胀变形。随着竖向荷载的增大，土体的压缩变形和侧向的膨胀变形随之加大，直到土体发生剪切破坏。当对根土复合体施加同样的竖向荷载，土体和根系将共同承受外荷载，土体和根系都发生变形，由于土体和根系的变形模量相差很大，根系的变形远小于土体的变形，根系和土体间为了变形协调，根系和土体之间必将产生摩擦阻力来约束限制土体的变形，因此在同样的竖向荷载作用下，根土复合体的变形则会大大减小，要使具有相同物理特性的含根土体破坏，则必须施加更大的竖向荷载，如图1所示，从而使原土体的抗剪强度包线向上推移了一个距离△c，△c的大小与根密度、强度和土的颗粒性质有关。故根系的存在为土层提供了一附加“黏聚力”△c，从而使含根土体的抗剪强度大大提高。而根土复合体的强度特性主要表现为抗剪强度特性，所以根系的加入改变了土的力学性能，限制约束了土体的变形。图1理论计算表明，素土边坡在发生滑坡之前，在自重或外荷的作用下，坡顶会发生明显的下沉并出现拉裂缝，坡脚附近则有较大的侧向位移，随着坡顶裂缝的开展和坡脚侧向位移增加，潜在滑裂面上的土体的剪应变逐渐增大，当达到临界值，滑裂面上的土体突然下滑。而对于含根土的边坡，由于根系的加筋作用，增加了根系土层的抗剪强度，并限制其侧向位移，从而增加了边坡根系层的稳定性，有效地阻止了边坡的浅层滑坡的发生。2.植物根系加筋作用的力学模型最早对植物根系的加筋作用进行描述的是Waldron，Waldron(1977)提出了简单的加筋土的力平衡模型，此模型是Mohr一Coulomb强度方程的修正形式:Scrtanτr为加筋土体的剪切强度;△S为加筋引起的剪切强度增加值。GrayandAl一Refeai(1986)采用这个模型描述加筋土的变形和破坏机理，推导出根系与剪切平面垂直和斜交时剪切强度的增量△S。土体的剪切引起根系的弯曲或错动，使得根有被拔出的趋势，动员了根系的抗拉力，将拉力沿与剪切面平行和垂直两个方向进行分解，垂直向分力增加了剪切面上的围压，平行向分力则直接参与剪切抵抗。图2表示根的延伸方向与土体的剪切区正交的情况，图3表示根的延伸方向与土体剪切区斜交的情况。图2正交情况图3斜角情况根据上图，可以推导出以下公式:正交时：tancossinATATS斜角时：tan)90cos()90sin(ATATS111)(tan1tanik式中:S一由于根的加筋作用所引起的剪切强度增加值;AT一动用的土体单位面积上的根系抗拉强度，T为根的抗拉力（N），A为土体面积;一剪切变形角;一土体的内摩擦角;i一根的延伸方向与剪切面的初始夹角;k一剪切变形比，Hxk/为剪切位移，H为剪切区的厚度。若面积为A的土体内，共有n个根，其中m个为正交根，n一m个为斜交根，根的抗拉力分别为1T,2T,3T...nT正交根的剪切变形角分别为1,2,3...n，斜交根的延伸方向与剪切面的初始夹角分别为1mi,2mi,...ni剪切变形比分别为1mk,2mk...nk,则一由于根系的加筋作用所增加的土体的抗剪强度为:tan)90cos()90sin(tancossin1111ATATATATSnmjjjnmjjjmjjjmjjj),...2,1()(tan1tan111nmmjikjjj则根据加筋原理，根土复合体的抗剪强度可以写作:Sctantan)90cos(cos)90sin(sin1111ATATATATcnmjjjmjjjnmjjjmjjj式中的参数可由素土的直剪试验获得，参数m,n和),...2,1(nmjij可以通过野外截取含根系土体的纵横剖面统计而获得，但参数_jT，j不易测得，jT需根据破坏时根系的形态来确定，若根系被拉断，则jT为根系的抗拉强度乘以其断面面积，若根系被拔出，则jT为根系与土体间的摩擦阻力。根土复合体可以看作是各向异性的复合材料，它的强度取决于土的抗剪力、土与根系的摩擦阻力及根系的抗拉力。3.单根的抗拉强度S试验及分析（略）4.根土复合体的直剪试验及分析本次试验以山南面的植被护坡工程为参照，由于坡面的土为含砾石土土壤，故本次试验侧定采用重塑土样，试验用土为野外所取土样中过筛得到的小于等于2mm土颗粒进行重塑制样，植物根系选用坡面上长势较好的根系。经试验土壤含水量为%,土壤干密度为g/cm3，根据野外实际调查结果，并结合试样的规格、尺寸效应综合考虑，选取mm-mm径级的根系进行试验，为了考虑含根量的变化对根土复合体抗剪强度、断裂韧性等的影响，分别对不同含根量的根土复合体试样进行直接剪切试验，同时，为比较根土复合体和素土之间的差异和效果，对素土也进行试验。击实试样制备方法:把风干土过2mm的筛孔，测定土壤含水量。称取适量过筛风干土，依试验要求的含水量计算所需的含水量，然后将所取土样平铺于不吸水的盘内，用喷雾设备喷洒预计的加水量，并充分搅拌，装入干燥器盖紧，浸润一昼夜备用。依试验要求的千密度和含水量.将一定重量的土样放入装样器。分层击实。本次试验所加入的根系为垂直根系，由于受试样规格的限制，试样的高度为2cm，将野外所采回的根系按不同的直径分别剪成长2cm的垂直根系，取直径为0.6mm和1.2mm的根系分别取5根、10根、15根，将剪好的根系垂直放置在土柱中间。试验方法：每组试验至少取三个试样，将击实后的试样放入剪切盒中，调节变速箱，控制剪切速率为0.1mm/min，然后进行排水慢剪试验，剪切时分别采100kPa，200kPa,300kPa三种垂直压力分别对不同含根量的试件及素土试件进行剪切试验，并根据试验数据，绘制抗剪强度与垂直压力关系曲线、剪应力与剪切位移关系曲线。式样类型抗剪强度（kPa）C(kPa)（o）P=100kPaP=200kPaP=300kPa素土0直径0.6mm5根10根15根直径1.2mm5根10根15根5.得出拟合方程6.得到结论