植物根系的復(fù)合材料阻裂增強(qiáng)作用研究

植物根系的復(fù)合材料阻裂增強(qiáng)作用研究

0植物根系加固邊坡的研究植被防護(hù)技術(shù)主要是利用植被水源保護(hù)的原理，穩(wěn)定邊坡和生態(tài)，改善生態(tài)環(huán)境的新技術(shù)。這是一種集巖石工程、生態(tài)恢復(fù)、植物學(xué)、土壤肥料科學(xué)、生態(tài)恢復(fù)等學(xué)科于一體的綜合邊防邊坡保護(hù)技術(shù)。在國(guó)外，“邊板綠色保護(hù)”通常被解釋為“活的植物，單獨(dú)使用植被或植物，結(jié)合土木工程和非生產(chǎn)植物材料，以減少邊板的不穩(wěn)定性和侵蝕”。因此，邊坡生態(tài)環(huán)境保護(hù)本質(zhì)上是對(duì)土木工程工程中生態(tài)環(huán)境保護(hù)的措施，將土木工程與生態(tài)環(huán)境建設(shè)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)。由于邊坡類型、植被類型、地質(zhì)、土壤、氣候、水分條件和時(shí)間的時(shí)空變化，影響植物固土護(hù)坡的功能和效果，而植被固土護(hù)坡的效果缺乏可測(cè)性和控制性。目前，植被防護(hù)的應(yīng)用基本上限制在定義和經(jīng)驗(yàn)發(fā)展階段。為了更好地指導(dǎo)植被護(hù)坡工程設(shè)計(jì),對(duì)植物根系對(duì)邊坡表層巖土體的加固機(jī)制和加固效果進(jìn)行深入系統(tǒng)的分析研究是十分必要的.國(guó)內(nèi)外已有許多學(xué)者對(duì)植物根系加固邊坡的作用進(jìn)行了研究,周德培、張俊云等研究了植被護(hù)坡機(jī)理,指出植被護(hù)坡主要是發(fā)揮植被莖葉的水文效應(yīng)、須根的加筋效應(yīng)、主根和粗根的錨固效應(yīng)和支撐效應(yīng);Roering、Martel等研究表明植物根系能起到錨桿和抗滑樁的作用,可把淺層根際土層錨固到深層土體,起到較好的抗滑作用和土壤增強(qiáng)作用;宋維峰、陳麗華等通過試驗(yàn)研究了林木根系的加筋作用;李紹才等通過試驗(yàn)表明根系可提高復(fù)合土體的抗剪強(qiáng)度.本文從復(fù)合材料的角度把根系當(dāng)成增強(qiáng)相材料,通過分析根系對(duì)土體的阻裂增強(qiáng)作用,來說明植物根系的固坡原理.1對(duì)邊坡土體的彈性力學(xué)性質(zhì)及抗剪能力的影響草本植物根系屬于淺根,主要分布在地表以下0～30cm的范圍內(nèi);木本植物的根系相對(duì)于草本植物根系屬于深根,一般可深入地表以下3～5m,有的可以達(dá)到5m以上.因此,在一個(gè)種植了草、灌木的邊坡上,一方面,土體表層的植物根系互相纏繞,把土體顆粒集聚緊緊包裹在一起,可以有效防止坡面的沖刷破壞;另一方面,植物根系在地下盤繞交織成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),形成由根系和土體組成的復(fù)合材料,其中土體是基體相材料,根系是增強(qiáng)相材料.根據(jù)纖維間距理論,根系將對(duì)其分布范圍內(nèi)的邊坡淺層巖土體起到一定程度的增強(qiáng)與增韌效果,從而能有效防止淺層滑坡,增加邊坡的穩(wěn)定性.纖維間距理論是建立在線彈性斷裂力學(xué)基礎(chǔ)上的,它認(rèn)為基體內(nèi)部有尺度不同的微裂縫、孔隙和缺陷,在施加外力時(shí),孔、縫部位產(chǎn)生大的應(yīng)力集中,引起裂縫的擴(kuò)展,最終導(dǎo)致基體破壞.若在脆性基體中摻入鋼纖維,外力作用下,在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)形成和受力破壞的過程中,纖維將有效地提高復(fù)合材料受力前后阻止裂縫引發(fā)與擴(kuò)展的能力,達(dá)到對(duì)基體增強(qiáng)與增韌的目的.土體本身是一種多相、多組分、非勻質(zhì)的復(fù)合材料,根據(jù)纖維間距理論,土體內(nèi)部存在尺度不同的孔隙、微裂縫,在受力過程中,這些孔隙、微裂紋都是裂縫源,在裂縫尖端出現(xiàn)應(yīng)力集中.當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定程度時(shí),裂縫就開始擴(kuò)展并導(dǎo)致斷裂.邊坡主要發(fā)生剪切破壞,當(dāng)邊坡受到外荷載、強(qiáng)降雨等作用時(shí),外荷載使邊坡土體中各點(diǎn)產(chǎn)生剪應(yīng)力和剪切變形,而降雨引起雨水入滲將降低土體的抗剪強(qiáng)度,一旦邊坡土體中某點(diǎn)的剪應(yīng)力達(dá)到其抗剪強(qiáng)度,那么就會(huì)發(fā)生土體中的一部分相對(duì)于另一部分的移動(dòng),即該點(diǎn)產(chǎn)生了剪切破壞.隨著荷載的增加、雨水入滲,剪切破壞的范圍逐漸擴(kuò)大,最終在土體中形成連續(xù)的滑動(dòng)面,即產(chǎn)生滑坡.導(dǎo)致剪切破壞的裂紋類型為滑開型(Ⅱ型).根據(jù)纖維間距理論,荷載等作用下,從裂紋萌生到復(fù)合土體破壞的過程中,或者滑動(dòng)面上產(chǎn)生剪切位移的過程中,穿過潛在破裂面的植物根系猶如纖維,具有一定的阻裂作用,使根土復(fù)合體在荷載等外營(yíng)力作用下表現(xiàn)為裂紋緩慢的增長(zhǎng),呈現(xiàn)出“塑性”特征,從而達(dá)到對(duì)基體增強(qiáng)與增韌、提高復(fù)合土體抗剪能力、增加邊坡穩(wěn)定性的目的.2有效根系折減系數(shù)根據(jù)能量守恒和轉(zhuǎn)化原理在復(fù)合土體破壞之前,裂紋擴(kuò)展必須克服由于根系的加入而產(chǎn)生的拔出功及根系斷裂功.韌性可定義為材料在荷載作用下到破壞為止吸收能量的性能,斷裂韌性可認(rèn)為是材料抵抗由裂紋失穩(wěn)引起脆性破壞所消耗的能量.這里引入斷裂韌性這個(gè)概念,則針對(duì)Ⅱ型即滑開型裂紋,復(fù)合土體發(fā)生剪切破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的斷裂韌性應(yīng)表示為:GⅡc=GⅡc0+Wfp+Wff(1)GⅡc=GⅡc0+Wfp+Wff(1)式中:GⅡc為復(fù)合土體的斷裂韌性,單位kN·m/m2;GⅡC0為基體的斷裂韌性,單位kN·m/m2;Wfp為單位開裂面積上根系拔出功;Wff為單位開裂面積上根系斷裂功.此外,在復(fù)合土體的剪切斷裂過程中,還需克服由根系引起裂紋偏轉(zhuǎn)而增加的界面能.因此,在復(fù)合土體的破壞過程中,由于根系的阻裂作用,需要消耗更多的能量,從而達(dá)到對(duì)土體增強(qiáng)和增韌的效果.斷裂韌性又是裂縫發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展時(shí)的單位面積上所需能量的極限值,當(dāng)裂縫發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展時(shí),此時(shí)應(yīng)力達(dá)到抗剪強(qiáng)度,土體發(fā)生剪切破壞,故可得:GⅡc=ΔUΔA=kτfmΔA?aΔA=kτfma(2)GⅡc0=kτma(3)GⅡc=ΔUΔA=kτfmΔA?aΔA=kτfma(2)GⅡc0=kτma(3)ΔU為裂紋擴(kuò)展的能量耗散;ΔA為裂紋擴(kuò)展的截面面積;τfm、τm分別為復(fù)合土體和基體的抗剪強(qiáng)度;a為裂紋長(zhǎng)度;k為與裂紋形態(tài)、試樣幾何尺寸、邊界條件等相關(guān)的系數(shù).通常情況下植物根系的抗拉或抗張的作用的概率比受剪切力作用的概率要大,根系受到的剪切壓力會(huì)變形拉直從而轉(zhuǎn)為拉力的作用,根系被拉時(shí),根系表面和土體之間有粘結(jié)作用,當(dāng)根系所能承受的最大拉力大于根-土間的粘結(jié)力時(shí),則根系從滑動(dòng)面上拉出;否則,根系就被拉斷.設(shè)坡面以下h深度處的任一潛在破裂面,令拔出根系深入破裂面以下錨固段平均長(zhǎng)度為l.其受力如下圖1所示,沿根系全長(zhǎng)分布有界面粘結(jié)力τs(x),取微段dx來分析,不考慮根系的伸長(zhǎng)量,則微段dx被拔出所做的功為:dW=τs(x)ufdx?x(4)dW=τs(x)ufdx?x(4)則根系拔出所需做的功為:W=∫l0dw=∫l0τs(x)ufxdx(5)uf為根系截面的平均周長(zhǎng).根系和土體界面間的粘結(jié)力τs由界面摩擦作用和黏結(jié)作用耦合而成,其值為:τs(x)=τd(x)+C(6)τd(x)為根系和土體間的摩擦力,單位kPa;C為根系和土體間的黏聚力,單位kPa.將(6)式代人(5)式,得:W=∫l0(τd(x)+C)ufxdx=∫l0[μγ(h+x)+C)ufxdx=(μγh+c)uf∫l0xdx+μγuf∫l0x2dx得W=4πRl2[μγ(h+2l3)+c](7)μ為根、土間的最大摩擦系數(shù);r為土體的天然容重;uf、R分別為根系的平均周長(zhǎng)和平均半徑.如果通過引入小于1的有效根系折減系數(shù)η來考慮實(shí)際根系的亂向分布程度,將一個(gè)破裂面上的根系等效換算為上述情況的根系數(shù)目,就可以得到單位破裂面上根系的拔出功wfp為:Wfp=ηnw(8)單位破裂面上根系的斷裂功wff為:Wff=m?As?ˉσf22Ef(9)n、m分別為拔出根系和斷裂根系的面密度,即單位破裂面積上的拔出根系和斷裂根系的數(shù)目;η代表根系的亂向分布程度的有效根系折減系數(shù);As為根系斷面面積;ˉσf為根系的平均抗拉強(qiáng)度;Ef為根系的彈性模量.將(2)、(3)、(8)、(9)式代人(1)式,得:τfm=τm+1ka(ηn?w+m?Asˉσf22Ef)(10)由(10)式可得該處復(fù)合土體的抗剪強(qiáng)度的增量為:Δτ=1ka{ηn?4πRl2[μγ(h+2l3)+c]+m?Asˉσf22Ef}=1ka{ηn?4πR2lRl[μγ(h+2l3)+c]+m?Asˉσf22Ef}=1ka{4ΡS?lR?ηl[μγ(h+2l3)+c]+m?Asˉσf22Ef}(11)PS為根的面積比,即根的截面面積占總斷面面積的比率.由上式可看出根系的阻裂作用對(duì)復(fù)合土體具有顯著的增強(qiáng)作用,可提高復(fù)合土體的抗剪強(qiáng)度,土體中某點(diǎn)的抗剪強(qiáng)度增量主要影響因素為:該點(diǎn)處拔出根的面積比、平均長(zhǎng)徑比及拔出的長(zhǎng)度;該點(diǎn)處拔斷根系的面密度、平均抗拉強(qiáng)度;根土界面間的黏聚力;根土間摩擦系數(shù).3剪切試驗(yàn)測(cè)試為了驗(yàn)證上述計(jì)算模型,對(duì)位于華中科技大學(xué)校園內(nèi)喻家山南面的植被護(hù)坡的效果,運(yùn)用自制的剪切試驗(yàn)裝置進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)定和計(jì)算.南面的護(hù)坡植物主要有紫穗槐、刺槐,其間還可見高羊茅、三葉草等.由于坡面的土壤為含礫石土壤,故本次試驗(yàn)測(cè)定采用重塑土樣,試驗(yàn)用土為野外所取土樣中過篩得到的小于2mm土顆粒進(jìn)行重塑制樣,試樣的尺寸為:300mm×300mm×300mm.①試驗(yàn)方法.自制剪切上下盒尺寸分別為300mm×300mm×150mm,上下盒間設(shè)有水平滑道,試驗(yàn)時(shí),使下盒固定,用帶油壓表的千斤頂勻速地推動(dòng)上盒,使上盒沿水平滑道滑動(dòng),使試樣沿上下盒間的平面發(fā)生剪切斷裂破壞,測(cè)記千斤頂油壓表的讀數(shù)以換算出剪切面上的抗剪強(qiáng)度,并觀測(cè)斷面上拔出根系的長(zhǎng)度、平均直徑及拉斷根系的斷面直徑.試驗(yàn)裝置如圖2所示.②試樣制備.用野外所取土樣中過篩得到的小于2mm土顆粒加水拌勻制成含水量為17%的試驗(yàn)用土料,將土料裝入剪切盒中,再將紫穗槐、刺槐的根系按照現(xiàn)場(chǎng)取樣調(diào)查的含根量、規(guī)格及試樣的尺寸效應(yīng)放入土層中,并分層擊實(shí)各層土料,各層土料重量應(yīng)相等,各層接觸面應(yīng)打毛.為了防止剪切的過程中根系不被剪切盒的邊緣切割,將根系放在剪切盒的中部,兩端不放根系.③實(shí)驗(yàn)結(jié)果.分別對(duì)具有相同含水量和干密度的素土樣和含根土樣進(jìn)行剪切試驗(yàn),測(cè)讀油壓表的讀數(shù)分別為1和1.7,然后按:1.51×讀數(shù)-0.3=推力(kN),分別換算出素土樣和含根土樣剪切面上的抗剪強(qiáng)度,從而得到含根土樣的抗剪強(qiáng)度增量為11.67kPa.同時(shí)觀測(cè)到含根土樣斷面上拉斷及拔出根系的分布情況如表1、表2所示.因根系由外皮包裹里面纖維組成,拉斷時(shí),外皮剝落、斷面不平整,故取斷面略上部位處和斷面略下部位處的直徑的平均值作為根系拉斷處的斷面直徑.根據(jù)表1取拔出根系的平均直徑為2.6mm,平均拔出長(zhǎng)度為103mm.試樣的含水量為17.8%,密度為1.7kg/cm3,干密度為1.45kg/cm3.根據(jù)陳麗華的試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果,此時(shí)刺槐根系和土界面的凝聚力C取19.1kPa,界面摩擦系數(shù)為0.56.由表2拉斷根系的斷面直徑為:1.4,1.25,0.65mm,根據(jù)對(duì)刺槐根系進(jìn)行抗拉試驗(yàn)的測(cè)定結(jié)果:直徑為0.65mm,σf=180.4MPa;直徑為1.25mm,σf=74.8MPa;直徑為1.4mm,σf=62.3MPa,并測(cè)得平均彈性模量為13.57MPa,取土的重度r=ρg=17kN/m3.因?qū)⒏捣旁谥胁?取裂縫的長(zhǎng)度a=100mm,含根的裂縫擴(kuò)展面積為300mm×100mm,然后運(yùn)用公式(11)將上述所有數(shù)據(jù)帶入進(jìn)行計(jì)算,得抗剪強(qiáng)度的增量為10.96kPa,而根據(jù)千斤頂讀數(shù)計(jì)算的抗剪強(qiáng)度的增量為11.67kPa,兩種計(jì)算方法的結(jié)果非常吻合,其誤差僅為6%,說明本文建立的根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度增量的計(jì)算模型是合理可靠的.4植被護(hù)坡作用的定量化研究本文從復(fù)合材料的角度,將植物根系看成根土復(fù)合材料中的增強(qiáng)相材料,通過研究植物根系對(duì)基體相材料土體的阻裂增韌、增強(qiáng)作用,揭示了植物根系的固土護(hù)坡機(jī)理,推導(dǎo)出根系提高復(fù)合土體抗剪強(qiáng)度增量的關(guān)系式;通過對(duì)根土相互作用機(jī)制的深入研究,提出了根系和土體界面間的粘結(jié)力由界面摩擦作用和黏結(jié)作用耦合而成,建立了根土相互作用的力學(xué)模型,為深入開展根系固土護(hù)坡作用的定量化研究提供了依據(jù).由根系提高復(fù)合土體抗剪強(qiáng)度增量的關(guān)系式可看出:植被根系的生長(zhǎng)深度、分布狀態(tài)、與邊坡表層巖土體的相互作用,將直接影響到植被對(duì)邊坡的防護(hù)效果.因此,植被護(hù)坡工程所選用的植物不同,植物所在的不同年齡段,對(duì)減輕淺層巖土體的不穩(wěn)定性的效果不同;治理區(qū)的氣候、土壤、坡度等因素不同,對(duì)減輕淺層巖土體的不穩(wěn)定性的效果也不同.植被的多樣性及發(fā)育特性、巖土邊坡的多樣性、環(huán)境因素的多變性,使植被護(hù)坡系統(tǒng)的護(hù)坡效果總是處于動(dòng)態(tài)變化中,具有