任小敏 王澤華

（1.安徽省公路工程檢測中心 合肥 230022； 2.中交第二公路勘察設計研究院有限公司 武漢 430056）

土的抗剪強度試驗是研究土的強度特性和確定土的抗剪強度參數(shù)。土的抗剪強度試驗的方法有室內(nèi)試驗和原位試驗。植物根系對邊坡巖土體有加筋作用，能夠提高邊坡表層巖土體的穩(wěn)定性，但是能在多大程度土有所提高，卻鮮有人提出一個定量指標?？紤]到巖土介質(zhì)的抗剪強度指標粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ是衡量巖土邊坡穩(wěn)定性的重要指標，所以本研究也試圖通過室內(nèi)直剪（快剪）實驗，測定邊坡巖土體在有、無根系情況下的抗剪強度指標粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ，來分析草本植物根系對邊坡土體抗剪強度的貢獻。

在土壤－根系復合體的含根量Rw、含水量一定的情況下，其抗剪強度τ符合庫倫定律。

該式形式上與粘性土的抗剪弧度表達式表達形式相同，但物理意義卻有些不同。對粘性土而言，其抗剪強度包括：①由土顆粒的表而摩擦力以及顆粒間的嵌入和聯(lián)鎖作用產(chǎn)生的咬合力；②由原始粘聚力、固化粘聚力和毛細粘聚力組成的內(nèi)聚力。而在土壤－根系這一復合體中，由于根系的存在，使其復合體中的摩擦力分量比土的摩擦力分量要大。同時，土中存在的根系將增加土的抗剪強度，與粘性土中僅存在范得華力和庫倫力的效果差異較大。因此土中根系含量增多，將使其復合體的抗剪強度增大。

1 加筋土的剪切試驗研究綜述

加筋土是在填土中加入筋材而形成的一種復合體，筋材通過與土體之間的摩擦力將自身的抗拉強度與土體的抗壓強度結(jié)合起來，從而提高了土體的強度，減小了變形。對于植物根系加筋土的研究，Endo和Tsuruta，以及Wu和Watson等在現(xiàn)場直接測定含有植物根系土體的抗剪強度，通過試驗數(shù)據(jù)得出根系與土體相互作用的力學特性，進而研究了植物垂直根系對土體抗剪強度的增強作用［1］。

楊亞川等［2］提出了根－土復合體的概念，對草本根－土復合體的抗剪強度及抗水蝕進行了研究，概述了草本植物根系保持水土效能的機理，提出將根莖連接處形成的微型“攔土柵”及“慮水土體”抵抗徑流推移破壞的極限能力，作為土壤－草本植被根系復合體的抗水蝕強度，研究了它與根量的相關(guān)性，通過試驗證明了其符合庫倫定律，以及復合體抗剪強度隨含根量增大而增大，隨含水量增大而減小，復合體的粘聚力隨含根量呈正比相關(guān)關(guān)系，而內(nèi)摩擦角與含根量關(guān)系不大。

王文生等［3］通過試驗得出，對于沙性土，隨著植物根系的加筋作用，粘聚力值急劇增大，為2.5～4.0倍，土體與植物根系間的內(nèi)摩擦角φ值變化不大；對于粘性土，c，φ值增加幅度較小，為25%～40%倍。陳昌富等［4］通過三軸壓縮試驗研究得出：“對于抗剪強度指標，與素土相比草根加筋土的內(nèi)摩擦角φ變化較小（相對變化率絕對值在11%以內(nèi)），但粘聚力c增長較大（最大可達9倍）”。

2 試驗設備和試驗步驟

2.1 試驗原理

直剪試驗是測定預定剪破面上抗剪強度最簡便和最常用的方法，通常是從工區(qū)某個位置取出土樣，制成幾個試樣，用幾個不同的垂直壓力作用于試樣上，然后施加剪切力，測得剪應力與位移的關(guān)系曲線，從曲線上找出試樣的極限剪應力作為該垂直壓力下的抗剪強度。通過幾個試樣的抗剪強度確定強度包絡線，求出抗剪強度參數(shù)c，φ。

2.2 試驗設備

應變式直剪儀（SJ－1，測力環(huán)系數(shù)為1.888 kPa／0.01mm）、環(huán)刀（截面積 F＝30cm2，直徑＝61.8mm，高20mm）、秒表、削土刀、剪刀及蠟紙等。

2.3 試驗步驟

（1）切取試樣。試驗土樣按照《公路土工試驗規(guī)程》［5］擾動土樣的制備程序處理。在制樣器內(nèi)壁涂上一層凡士林，把過2mm篩后的擾動土裝入制樣器內(nèi)，然后用擊實器擊5～7下，飽和器內(nèi)的土層宜為3～5層，每一層的土量應基本一致，每層接面刮毛，刮平土樣后取出切開。每組試樣4個，在切分時可用剪刀剪斷植物根。破壞時重新制取，并測定試樣密度和含水率。

（2）安裝試樣。在下盒放入潔凈透水板和濾紙，將一帶有試樣的環(huán)刀刃口向上，對準剪切盒口，在試樣上放濾紙和透水板，將試樣小心地壓入盒內(nèi)。

（3）試驗準備。移動傳動裝置，使上盒前端鋼珠剛好與測力計接觸，順次加上傳壓裝置，每組4個試樣，加1，3，5，7個1.275kg的砝碼。分別在100，200，300，400kPa 4種不同的垂直壓力下進行剪切。并將百分表歸零。

（4）試樣剪切。拔出固定銷釘，開動秒表、記錄。以0.8mm／min（4r／min）的速度勻速加荷施加水平剪力，手輪每轉(zhuǎn)2圈時記錄測力計和位移讀數(shù)，直至測力計讀數(shù)出現(xiàn)峰值。如測力計中的測微表指針不再前進或顯著后退，表示試樣已經(jīng)被剪破，但一般宜剪至剪切變形達4mm為止。若量表指針再繼續(xù)增加，則剪切變形應達6mm為止。無根土和草根加筋土試樣剪切后分別見圖1和圖2。

圖1 無根土試驗剪切后

圖2 草根加筋土試驗剪切后

3 試驗結(jié)果整理與分析

3.1 計算

剪切位移按下式計算

式中：ΔL 為剪切位移，0.01mm，計算至0.1；n為手輪轉(zhuǎn)數(shù)；R為百分表讀數(shù)。

剪應力按下式計算

式中：τ為剪應力，kPa，計算至0.1；C為測力計校正系數(shù)，kPa／（0.01mm）。

3.2 制圖

以剪應力τ為縱坐標、剪切位移ΔL為橫坐標，繪制剪應力與剪切位移關(guān)系曲線，見圖3～圖4。取曲線上剪應力的峰值為抗剪強度；無峰值時，取剪切位移4mm所對應的剪應力為抗剪強度。

圖3 無根土剪應力與剪切位移關(guān)系曲線

圖4 草本根系加筋土剪應力與剪切位移關(guān)系曲線

以抗剪強度為縱坐標、垂直壓力為橫坐標，繪制抗剪強度與垂直壓力關(guān)系曲線，把不同根系土樣的室內(nèi)直剪試驗結(jié)果繪制在同一張圖上，見圖5。直線的傾角為內(nèi)摩擦角，直線在縱坐標上的截距為粘聚力。

圖5 抗剪強度與垂直壓力關(guān)系曲線

由圖5可見：

（1）4條強度線都是隨著法向壓力呈正比例增長關(guān)系，植物根系加筋后的土體仍然符合摩爾－庫侖定律，即τ＝c＋σtanφ。

（2）相對無根土樣的強度線來說，草本、灌木及喬木根系土樣的強度線明顯偏上。也就是說植物根系的存在對于土壤起著很好的加筋作用，對土體的抗剪強度顯著提高，從無根、草本、灌木及喬木土樣的強度線來看，內(nèi)摩擦角φ從19.09°增加到24.32°；粘聚力c從10.83kPa增加到27.92kPa。

4 結(jié)論

（1）從試驗結(jié)果整體來看，無根土樣的強度線明顯低于草本根系土樣的強度線，說明草本根系對土體的加筋作用明顯。

（2）直接剪切試驗反映出植物根系加筋后土樣的抗剪強度增強，內(nèi)摩擦角提高幅度不大，而粘聚力提高幅度較大。

通過該試驗研究，說明植物根系的存在對邊坡淺層土體有明顯的加固作用，在公路邊坡中應用植被護坡有很好的理論應用價值。

［1］ 周 成.植被防護土坡的計算方法［M］.北京：中國水利水電出版社，2008.

［2］ 楊亞川，莫永京，王芝芳，等.土壤－草本植被根系復合體抗水蝕強度與抗剪強度的試驗研究［J］.中國農(nóng)業(yè)大學學報，1996（2）：31－38.

［3］ 王文生，楊曉華，謝永利.公路邊坡植物的護坡機理［J］.長安大學學報：自然科學版，2005，25（4）：26－30.

［4］ 陳昌富，劉懷星，李亞平.草根加筋土的護坡機理及強度準則試驗研究［J］.中南公路工程，2006（4）：14－17.

［5］ JTG E40－2007公路土工試驗規(guī)程［S］.北京：人民交通出版社，2007.