植被须根护坡力学效应的三轴试验研究

1、岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and EngineeringVol.29 Supp.2Sept.，2010第 29 卷 增 22010 年 9 月 植被须根护坡力学效应的三轴试验研究张 锋 1，2，凌贤长 1，2，吴李泉 3，王立娜 1，2，朱占元 1，2，4，吴昊 1，2(1. 哈尔滨工业大学 路基与防护工程研究所，黑龙江 哈尔滨 150090；2. 哈尔滨工业大学 土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150090； 3. 浙江科技学院 建筑工程学院，浙江 杭州 310023；4. 四川农业大学 城乡建设学院，四川 都江堰 611830)摘

2、要：依托浙江省武义县平头村山体高边坡，基于常规三轴固结不排水试验，探究植被须根含量和含水量对重塑非饱和粉质黏土抗剪强度指标的影响规律。试验结果表明：(1) 土样的主应力差轴向应变关系曲线中，主应力差随轴向应变的增加而增大，试验曲线基本表现为硬化型，且随着围压的增加，土体强度增加。(2) 含水量对土的抗剪强度指标影响很大，黏聚力与含水量的变化关系呈抛物线型，存在一个界限含水量 19%，高于或低于此含水量时， 土样黏聚力较小；随含水量的增加，内摩擦角减小，二者近线性递减。(3) 植被须根可以提高土体抗剪强度， 但与土的含水量和须根含量大小有关，含水量为 19%时，植被须根可以显著提高素土的黏聚力，

3、且须根体积含量5% 时土体黏聚力较大，但对内摩擦角影响较小。以上研究结果为浙江武义平头村山体高边坡的失稳预警与滑坡防治提供量化资料，同时也为其他植被护坡工程设计准备必要的参考。 关键词：边坡工程；植被须根护坡；力学效应；抗剪强度；含水量；三轴压缩试验 中图分类号：P 642.22文献标识码：A文章编号：10006915(2010)增 2397907TRIAXIAL EXPERIMENTAL STUDY OF MECHANICAL EFFECT OFSLOPE PROTECTION WITH VEGETATION FIBRILZHANG Feng1，2，LING Xianzhang1，2，WU

4、Liquan3，WANG Lina1，2，ZHU Zhanyuan1，2，4，WU Hao1，2(1. Institute of Subgrade and Protection Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin，Heilongjiang 150090，China； 2. School of Civil Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin，Heilongjiang 150090，China；3. School of Architecture and Civil Eng

5、ineering，Zhejiang University of Science and Technology，Hangzhou，Zhejiang 310023，China；4. College of Urban andRural Construction，Sichuan Agricultural University，Dujiangyan，Sichuan 611830，China)Abstract：To investigate the shear strength parameters of silty clay influenced by the water content and vege

6、tation fibril content，the conventional triaxial consolidated undrained(CU) experiments on the soil sampled from Pingtou Village slope at Wuyi County in Zhejiang Province were carried out through. The experimental results show as follows：(1) With the increase in axial strain，the deviatoric stress inc

7、reases，and the relation curves of deviatoric stress and axial strain present as hardening type. With the increase in confining pressure，the shear strength increases. (2) The water content of soil has great impacts on shear strength of the silty clay. The relationships between cohesion and water cont

8、ent present as parabola type. The cohesion would approach the maximum value when the water content is 19%；whereas with the increase in water content，the internal friction angle decreases linearly. (3) The vegetation fibril could improve the shear strength of silty clay，but it is related to the value

9、s ofwater content and vegetation fibril content. When the water content is 19%，the cohesion is improved greatly；and收稿日期：20090831；修回日期：20091110基金项目：浙江省科技支撑与引导计划项目(2008C23019)；四川省教育厅资助科研项目(08ZA065)作者简介：张 锋(1981)，男，2004 年毕业于吉林大学地球科学学院资源勘查工程专业，现为博士研究生，主要从事边坡与冻土路基工程方面的研究工作。E-mail：fzhang_ 3980 岩

10、石力学与工程学报2010 年when the vegetation fibril is 5%，the cohesion approaches the maximum value. The internal friction angle is less influenced by the vegetation fibril. All results are meaningful to providing the quantitative information for prevention and treatment of Pingtou Village slope，as well as pro

11、viding the necessary engineering design reference for protection of other slopes with vegetation fibril.Key words：slope engineering；slope protection with vegetation fibril；mechanical effect；shear strength；watercontent；triaxial compression experiment2试验概况1引言2.1试验背景平头村山体高边坡28位于浙江省武义县王宅 植被可以提高浅层边坡的稳定性，

12、有效控制坡面的侵蚀，防治水土流失，还可以净化空气，美化环境，是目前库岸边坡、公路边坡和自然山体边坡常用的生态防护方法1，2。早在 20 世纪，美国、日本和欧洲一些国家就开始应用植被护坡技术进行边坡防护，我国在 20 世纪 90 年代也积累了一些这方面的工程经验1，3。一些学者针对植被根系护坡水文效应、林木根系加筋与锚固作用以及植被根土相互作用，进行了初步理论、现场试验和室内试验研究420，取得了一些重要的研究成果，这些研究成果为量化分析研究植物根系对岩土体的加固能力、防护设计和参数确定起到了积极作用。然而， 值得关注的是，植被防护的边坡多处于饱和非饱和状态，从饱和非饱和土土力学理论出发，研究土

13、的干湿状况对其强度影响尤为重要。因此，国内外很多学者在 D. G. Fredlund 和 H. Rahardio21提出的非饱和土土力学理论基础上，基于直剪试验、常规三轴试验和非饱和土三轴试验， 研究了基质吸力、含水量、干密度等对非饱和土强度的影响规律2227，并提出了一些简化计算公 式。然而，非饱和土强度理论还处于发展阶段，土体强度参数与含水量和干密度之间的函数关系在形式上不同，如线性形式23，25，26、指数形式24，27和似抛物线形式22。而且，针对非饱和状态下植被须根增强土体强度的成果较少，有待进一步开展理论和试验研究。 镇平头村坡，边坡坡面开垦为耕地，前缘削坡建民房和修村道。山坡上覆

14、地层为第四系耕土层、粉质黏土夹少量碎石，厚度不均，最薄处 23 m， 土层松散且有较多滑动裂隙，地表水易下渗；下伏地层为白垩系风化凝灰质、泥质粉砂岩，较密实且相对隔水。区域降雨量丰富，年平均降雨量达 1 060 mm，历史最大降雨强度为 65.9 mm/h，曾经发生多次滑塌，特别是在 2000 年 6 月中下旬，因遭受连续降雨而诱发坡体中部、下部发生大规模浅层滑塌(见图1)。因此，为了对该边坡进行失稳预警与滑坡防治，有必要研究含水量对边坡土强度的影响以及植 被根系密度对边坡土的力学效应。 滑坡后缘边界 平头村 滑坡侧边界滑坡中部滑塌图 1 平头村滑坡概况图 Fig.1 General situ

15、ation of Pingtou Village slope2.2 试验材料试验用土取自浙江省武义县平头村山腰鉴于此，本文依托浙江省武义县平头村高(见图 1)，取土深度 50100 cm，土呈黄色，天然密度为 1.351.59 g/cm3。在室内对原土进行了如下处理：将原土中砾石等杂物剔除后风干、碾碎，过 0.5 mm 筛，取细粒部分作为本次试验用土。该粉质 边坡，采用应变控制式三轴仪，基于常规三轴固结不排水试验，探究植被须根含量与含水量对土的抗剪强度指标的影响规律，为该边坡的失稳预警与滑试验取土位置第 29 卷 增 2张 锋，等. 植被须根护坡力学效应的三轴试验研究 3981 黏土基本物理性

16、质指标为：相对密度 2.71，塑限23.1%，液限 36.4%，塑性指数 13.3，最优含水量 19%。 植被根系分为主根、侧根和须根，本次试验主要研究植被须根的加筋固土作用。试验用土须根为柳树须根，将其去土、洗净，置于保湿罐中。通过多次须根直径测量，测得其直径范围为 0.20.8 mm，须根的力学参数参考 D. H. Gray 等2，29的研究确定。 2.3 试验设备试验在哈尔滨工业大学岩土与地下工程实验室进行，采用的仪器为应变控制式三轴仪(见图 2)。该仪器由试验机、围压系统、孔压测量系统和其他附属设备组成。 试验机若测力计读数无明显减少，则剪切至轴向应变为 15%左右结束。 3试验结果土

17、样含水量分别为 15%，19%和 23%，对应的饱和度 Sr 分别为 54.3%，68.8%和 83.3%。加根量按体积含量计算，分别为 0%(素土)，2%，5%和 8%， 以上每种工况制备 3 组，每组 3 个试件，总计 36 个试件。 图 3(a)(c)分别为含水量 15%，19%和 23%时对应的素土、2%，5%和 8%须根含量在围压 100， 200 和 300 kPa 时的主应力差与轴向应变关系。从图中可以看出： (1) 相同含水量下相同须根含量的土体，主应 排水管围压 100 kPa 围压 200 kPa 围压 300 kPa体变管800700600500400300200100素

18、土00246810121416轴向应变/%图 2 试验设备 Fig.2 Experimental apparatus8006004002.4 试验方法考虑到本次试验目的为研究含水量与土体强度的关系，即要求土样在试验过程中含水量保持不变， 因此，采用三轴固结不排水试验(CU)，依据土工试验规程三轴压缩试验(SL2370171999)进行试验。 试验试件为重塑土，分为素土和加根土。控制所有试件干密度相同(r = 1.55 g/cm3)，试件直径 39.1 mm，高度 80 mm。素土试验依据三轴压缩试验规程进行。加根土三轴试验参考常规三轴固结不排水试验规范，具体方法为：首先将采集的林木须根洗净，剪

19、断，长度控制为 30 mm 左右；再将须根和风干土样拌匀，用喷壶加水配制成要求含水量土样，并将其拌匀后置于封闭袋中放置 12 h；最后， 用击实器分 4 层击实，每组试件分别在围压 100， 200 和 300 kPa 下固结排气 12 h 后，逐级加载，加载速率为 0.1%/min。试件每产生 0.25%(即 0.2mm) 的轴向应变，记录一次测力计读数和轴向位移。当 测力计读数出现峰值后，应再继续剪切 3%5%； 围压 100 kPa 围压 200 kPa 围压 300 kPa200须根 2%0 0246810121416轴向应变/%1 000800600400200围压 100 kPa须

20、根 5%围压 200 kPa围压 300 kPa00246810121416轴向应变/%须根 8%1 00080060040020000246810121416轴向应变/%(a) 含水量 15%主应力差/kPa主应力差/kPa主应力差/kPa主应力差/kPa围压 100 kPa 围压 200 kPa 围压 300 kPa围压系统 孔压测量系统 3982 岩石力学与工程学报2010 年700600500400300200100600500400素土须根 5%300200100围压 100 kPa 围压 200 kPa 围压 300 kPa围压 100 kPa 围压 200 kPa 围压 300

21、kPa0000246810121416246810121416轴向应变/%轴向应变/%8007006005004003002001000须根 2%6005004003002001000须根 8%围压 100 kPa 围压 200 kPa 围压 300 kPa围压 100 kPa 围压 200 kPa 围压 300 kPa02468101214160246810121416轴向应变/%轴向应变/%(c) 含水量 23%1 000800600须根 5%图 3 不同含水量时主应力差与轴向应变关系曲线 Fig.3 Relation curves of deviatoric stress and axi

22、al strain at different water contents400200围压 100 kPa 围压 200 kPa 围压 300 kPa力差随轴向应变的增加而逐渐增大，初始压缩时大都呈线性关系，随着轴向应变的增加，主应力差增量逐渐减小。当围压为 100 kPa 时，主应力差随轴向应变增大并趋于某一极限值，当围压为 200 和300 kPa 时，主应力差随轴向应变增大呈应变硬化型；且随着围压的增加，土体破坏时的主应力差明显增大。 (2) 含水量(饱和度)对土体强度影响很大。随着含水量的增加，相同须根含量和相同围压下，土体破坏时的主应力差减小，也即随着饱和度的增加， 基质吸力降低，土

23、体抗剪强度降低。但是，围压越大，破坏时的主应力差越大。 (3) 与素土相比，含须根土体强度较大。随着须根含量的增加，相同含水量和相同围压下，土体破坏时的主应力差增加，即土体抗剪强度增加。同时，围压越大，土体强度也越大。 依据莫尔库仑强度准则，对 36 组试验数据进行处理。不同含水量和不同植被须根含量下粉质黏土固结不排水抗剪强度参数如表 1 所示。 0 0246810121416轴向应变/%1 000800600400200须根 8%围压 100 kPa 围压 200 kPa 围压 300 kPa0 0246810121416轴向应变/%(b) 含水量 19%时60050040030020010

24、00素土围压 100 kPa 围压 200 kPa 围压 300 kPa0246810121416轴向应变/%500400300200100须根 2%4影响因素分析与评价围压 100 kPa 围压 200 kPa 围压 300 kPa4.1含水量的影响图 4 为粉质黏土黏聚力与含水量变化关系曲 00246810121416线，从图中可以看出，黏聚力与含水量的关系呈抛轴向应变/%主应力差/kPa主应力差/kPa主应力差/kPa主应力差/kPa主应力差/kPa主应力差/kPa主应力差/kPa主应力差/kPa第 29 卷 增 2张 锋，等. 植被须根护坡力学效应的三轴试验研究 3983 100表 1

25、 不同含水量和不同须根含量下粉质黏土抗剪强度参数 Table 1 Shear strength parameters of silty clay at different water contents and different vegetation fibrilcontents8060含水量 15% 含水量 19% 含水量 23%40须根含量 0%(素土)须根含量 2% 须根含量 5% 须根含量 8%含水黏聚力 内摩擦 黏聚力 内摩擦 黏聚力内摩擦20量/% 黏聚力 内摩擦 2024须根含量/%6810 c/kPa角j/()c/kPa 角j/() c/kPa 角j/() c/kPa 角j/(

26、)151946.072.917.112.257.788.217.912.876.897.918.414.675.394.920.317.4图 6粉质黏土黏聚力与须根含量关系曲线Fig.6 Relation curves of cohesion of silty clay and fibrilcontent2341.19.049.99.062.87.876.88.3100线。从图中可以看出，植被须根可以大幅度地提高素土的黏聚力，其原因是，与素土相比，加根土中须根的数目增加，土样中根的总锚固力增大，土样的黏聚力增大。然而，并不是植被须根含量越大， 加根土的黏聚力就越大，即存在一个最优含根量。806

27、04020当含水量为 15%和 19%，含根量为 5%时，土样的黏聚力最大；当含水量为 23%时，土样黏聚力随含根量的增加而线性增大。分析其原因，主要可能是由于土的基质吸力和须根的所有锚固力的消长作用引起的。当土的含水较大时(19%)，土粒间基质吸力较小，而根的锚固力较大，所以，土的黏聚力随须根含量增加而增大。相反，土的含水量较小时( 19%)，土粒间基质吸力较大，而土中须根的所有锚固力相对其较小，随着须根含量的增加，须根的锚固力增加，当须根含量为 5%时，土的基质吸力和所有根的锚固力相当，此时，黏聚力最大；当须根含量为 8%时，尽管须根的所有锚固力较大，但是， 土体因须根的含量增大而使得土粒

28、之间的接触面变小，基质吸力降低，造成土的黏聚力降低。 图 7 为粉质黏土内摩擦角与须根含量变化关系曲线。从图中可以看出，加根土在含水量为 15%和19%时，随着须根含量的增加，根与土的接触面积 14161820含水量/%222426图 4粉质黏土黏聚力与含水量变化关系曲线Fig.4 Relation curves of cohesion of silty clay and watercontent物线型，存在一个界限含水量 19%。当含水量为 19% 时，土样的黏聚力最大可达 97.9 kPa，至少是含水量为 15%和 23%时黏聚力的 1.5 倍，其主要原因可能是 19%为土样最优含水量。这

29、与熊承仁等22的研究成果相吻合。 图 5 为粉质黏土内摩擦角与含水量变化关系曲线。随着含水量的增加，粉质黏土的内摩擦角迅速降低，在试验范围内近似呈线性关系，这与申春妮等2326的研究成果一致。 4.2 须根含量的影响图 6 为粉质黏土黏聚力与须根含量变化关系曲2525含水量 15% 含水量 19% 含水量 23%素土 须根含量 2% 须根含量 5% 须根含量 8%2020151510105516182022含水量/%2024须根含量/%6810142426图 7图 5 粉质黏土含水量与内摩擦角的变化关系曲线 Fig.5 Relation curves of internal friction

30、angle of silty clay and water content粉质黏土内摩擦角与须根含量关系曲线Fig.7 Relation curves of internal friction angle of silty clayand fibril content内摩擦角/()黏聚力/kPa内摩擦角/()粘聚力/kPa素土 须根含量 2% 须根含量 5% 须根含量 8% 3984 岩石力学与工程学报2010 年少量增加，因此，土样的内摩擦角随须根含量的增加而增大，但增加幅值不大；而当含水量为 23%时， 随着须根含量的增加内摩擦角变化较小。 以上分析可以看出，对于粉质黏土，含水量对土体抗剪

31、强度参数(黏聚力和内摩擦角)有直接影响；与素土相比，含须根土增加土体抗剪强度的幅度较大，且存在一界限含水量(19%)和最优含根量(5%)。因此，在粉土黏土地区采用植被护坡措施时， 首先，应保证坡体的处于较为潮湿的状态，而对于地下水位较高和雨水丰富的地区，应该做好坡体排水；其次，应该合理设计植被种子的喷洒密度，尽可能最大限度发挥植被根系的力学性能，然而，限于植被根系的长短，实际护坡工程中还应辅以其他 工程措施。 vegetationM. Beijing：China Communications Press，2003.(in Chinese)2GRAY D H，SOTIR R B. Biotech

32、nical and soil bioengineering slopestabilization M. New York：John Wiley and Sons Inc.，1996.3戚，胡利文. 植被护坡机制及应用研究J. 岩石力学与工程学 报，2006，25(11)：2 2202 225.(QI Guoqing，HU Liwen. Study onmechanism and application of slope protection with vegetationJ.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2006，25(11

33、)：2 2202 225.(in Chinese)4杨亚川，莫永京，王芝芳，等. 土壤草本植被根系复合体抗水蚀强度与抗剪强度的试验研究J. 中国农业大学学报，1996，1(2)：3138.(YANG Yachuan，MO Yongjing，WANG Zhifang，et al.Experimental study on anti-water erosion and shear strength ofsoil-root compositeJ. Journal of China Agricultural University， 1996，1(2)：3138.(in Chinese)5宋维峰，陈丽华

34、，刘秀萍. 林木根系的加筋作用试验研究J. 水土 5结论保持研究，2008，15(2)：99103.(SONG Weifeng，CHEN Lihua，LIU Xiuping. Experiment on forest roots reinforcement mechanismJ.依托浙江省武义县平头村边坡稳定性评价Research of Soil and Water Conservation，2008，15(2)：99103.(in工程，基于三轴固结不排水压缩试验，研究含水量Chinese)和植被须根含量对粉质黏土的抗剪强度的影响，得出以下几点结论： (1) 粉质黏土的主应力差与轴向应变关系曲

35、线中，主应力差随应变的增加而增大，试验曲线基本表现为硬化型，无明显峰值，且随着围压的增加，6邓卫东，周群华，严秋荣. 植物根系固坡作用的试验与计算J. 中 国公路学报，2007，20(5)：712.(DENG Weidong，ZHOU Qunhua， YAN Qiurong. Test and calculation of effect of plant root on slopeconsolidationJ. Chinese Journal of Highway and Transport，2007， 20(5)：712.(in Chinese)土体破坏时的主应力差增大，即土体强度增加。 (

36、2) 含水量对粉质黏土的抗剪强度指标有直接的影响。黏聚力与含水量的变化关系呈抛物线型， 19%是一个界限含水量，高于或低于此含水量，土的黏聚力降低；随含水量的增加，内摩擦角迅速降低，二者关系近线性递减。 7赵丽兵，张宝贵，苏志珠. 草本植物根系增强土壤抗剪切强度的量化研究J. 中国生态农业学报，2008，16(3)：718722.(ZHAOLibing，ZHANG Baogui，SU Zhizhu. Quantitative analysis of soilanti-shearing strength enhancement by the roots systems of herbplants

37、J. Chinese Journal of Eco-agriculture，2008，16(3)：718722.(in Chinese)(3) 植被须根可以提高粉质黏土的抗剪强度， 但与其含水量和须根含量大小紧密相关。含水量19%，须根含量 5%时，粉质黏土黏聚力较大；但是， 植被须根对粉质黏土体内摩擦角的影响较小。 (4) 由于含水量、须根含量与黏聚力、内摩擦 角之间的非线性，本文没有给出显式公式描述，但 8杨永红，王成华，刘淑珍，等. 不同植被类型根系提高浅层滑坡土体抗剪强度的试验研究J. 水土保持研究，2007，14(2)：233235.(YANG Yonghong ， WANG Che

38、nghua ， LIU Shuzhen ， et al.Experimental research on improving shear strength of soil in surfacelandslide by root system of different vegetation typesJ. Research ofSoil and Water Conservation，2007，14(2)：233235.(in Chinese)可以通过插值计算应用于平头村边坡失稳预警与滑坡防治，同时也为其他植被护坡设计积累数据。 9然而，本文仅针对粉质黏土进行了试验研究，slopeM. Beiji

39、ng：China Water Power Press，2008.(in Chinese)其他土类是否具有同样的规律，尚待进一步研究。10王可钧，李焯芬. 植物固坡的力学简析J. 岩石力学与工程学报，1998，17(6)：687691.(WANG Kejun，LEE C F. Brief mechanical参考文献(References)：analysis of bioengineering techniques for slope protectionJ. ChineseJournal of Rock Mechanics and Engineering，1998，17(6)：687691.1

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42、les of remolded unsaturated cohesive soilJ. China Railway6265.(in Chinese)Science，2003，24(3)：1720.(in Chinese)1223唐益群，佘恬钰，张晓晖，等. 贵州石漠化地区降雨条件下红黏土申春妮，方祥位，王和文，等. 吸力、含水率和干密度对重塑非饱 和土抗剪强度影响研究J. 岩土力学，2009，30(5)：1 3471 351.剪切强度特性随含水量变化关系探讨J. 工程地质学报，2009， 17(2)：249252.(TANG Yiqun，SHE Tianyu，ZHANG Xiaohui，eta

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44、d Soil Mechanics，2009，30(5)： Engineering Geology，2009，17(2)：249252.(in Chinese)1 3471 351.(in Chinese)1324马少坤，黄茂松，范秋雁. 基于饱和土总应力强度指标的非饱和土胡夏嵩，李国荣，朱海丽，等. 寒旱环境灌木植物根土相互作用 及其护坡力学效应J. 岩石力学与工程学报，2009，28(3)：613 强度理论及其应用J. 岩石力学与工程学报，2009，28(3)：635 620.(HU Xiasong， LI Guorong， ZHU Haili， et al. Research on640.

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