百慕大草对弱膨胀土强度特性的影响

刘红位; 蓝富发; 冯嵩; 简文彬; 庄铭泽

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2506876

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (26) :11417-11427 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2506876

建筑科学

百慕大草对弱膨胀土强度特性的影响

刘红位 ¹^,² ,
蓝富发 ¹ ,
冯嵩 ³^,^* ,
简文彬 ¹^,² ,
庄铭泽 ¹

作者信息 +

Effects of Bermuda Grass on Strength Characteristics of Weakly Expansive Soil

LIU Hong-wei ¹^,² ,
LAN Fu-fa ¹ ,
FENG Song ³^,^* ,
JIAN Wen-bin ¹^,² ,
ZHUANG Ming-ze ¹

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摘要

膨胀土分布广泛,具有失水干缩、吸水膨胀的特性。植物因其环境友好等特点常用于提高土体的工程特性。探究植物对弱膨胀土抗压与抗剪强度特性及其影响规律是利用植物治理膨胀土的基础。以弱膨胀土和百慕大草为研究对象,通过无侧限抗压强度试验与非饱和直剪试验,探究种植密度、垂直压力、吸力等因素对弱膨胀土强度的影响。百慕大草的种植密度为25、40、50 g/m²,分别简称P25组、P40组和P50组。试验结果表明:植物提高弱膨胀土的无侧限抗压强度,土体含水量越高植物对土体强度的影响越显著,其中P50组较于裸土组,在含水率27.5%、32.5%和37.5%时,抗压强度分别提高了11.5%、17.3%和25.2%。植物显著提高弱膨胀土的有效黏聚力(c')及非饱和内摩擦角(ϕ_b),其中,P25(含根量0.98 kg/m³)组、P40(含根量1.25 kg/m³)组与P50(含根量1.49 kg/m³)组的有效黏聚力分别是裸土组的1.15、1.42、1.54倍。随着吸力的提高植物组ϕ_b值趋于稳定,约为裸土组的1.5倍。植物削弱了剪切过程中弱膨胀土的体变。随着吸力提高,弱膨胀土从剪缩逐渐向剪胀发展,植物种植密度越大,土体的体变也越小。

Abstract

Expansive soil, characterized by swelling upon water absorption and shrinkage upon drying, is widely distributed. Plants are often used to enhance the engineering properties of soil due to their environmental friendliness. Investigating the effects of vegetation on the compressive and shear strength characteristics of weakly expansive soil is fundamental to the application of plants in treating expansive soil. The effects of Bermuda grass on the strength properties of weakly expansive soil were systematically investigated. Specifically, unconfined compressive strength tests and unsaturated direct shear tests were conducted to explore the effects of factors such as planting density, vertical pressure, and suction on the strength of weakly expansive soil. Bermuda grass was planted at densities of 25 g/m², 40 g/m², and 50 g/m², corresponding to groups P25, P40, and P50, respectively. The test results show as follows. Plants enhance the unconfined compressive strength of weakly expansive soil, with this strengthening effect becoming more pronounced as soil water content increases. For instance, compared with the bare soil, the P50 group exhibits compressive strength increases of 11.5%, 17.3%, and 25.2% at water contents of 27.5%, 32.5%, and 37.5%, respectively. Plants significantly increase the effective cohesion (c') and the unsaturated friction angle (ϕ_b) of weakly expansive soil. The effective cohesion values of groups P25 (root content: 0.98 kg/m³), P40 (root content: 1.25 kg/m³), and P50 (root content: 1.49 kg/m³) are 1.15, 1.42, and 1.54 times that of the bare soil group, respectively. With increasing suction, the ϕ_b values of the planted groups stabilize at approximately 1.5 times that of the bare soil. Plants mitigate the volume changes in weakly expansive soil during shearing. As suction increases, the soil behavior transitions from shear contraction to dilation, with higher planting densities resulting in progressively smaller volumetric change.

Graphical abstract

关键词

弱膨胀土 / 百慕大草 / 吸力 / 抗剪强度 / 体变

Key words

weakly expansive soil / Bermuda grass / suction / shear strength / volume deformation

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刘红位, 蓝富发, 冯嵩, 简文彬, 庄铭泽. 百慕大草对弱膨胀土强度特性的影响[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(26): 11417-11427 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2506876

LIU Hong-wei, LAN Fu-fa, FENG Song, JIAN Wen-bin, ZHUANG Ming-ze. Effects of Bermuda Grass on Strength Characteristics of Weakly Expansive Soil[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(26): 11417-11427 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2506876

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膨胀土分布在全球60多个国家和地区。其中,中国是膨胀土分布最广的国家之一,20多个省区发现膨胀土,面积近60万 km²^[1]。由于建设用地稀缺,在不良土壤条件下开展工程建设已经成为一种普遍现象,因此,对膨胀土强度的研究就显得尤为重要。膨胀土是一种特殊的土,主要由亲水性矿物蒙脱石和伊利石组成^[2],而这些黏土矿物具有较小粒度、较大比表面积以及高阳离子交换量等特点,使得膨胀土在施工过程中会产生较大的变形,从而引起建筑结构的不均匀沉降和裂缝,全球每年由膨胀土造成的经济损失多达数十亿美元^[3]。

膨胀土是一种常见的非饱和土,在工程实践当中常处于非饱和状态,其强度主要受含水率、干密度以及干湿循环等因素影响^[4],Yilmaz等^[5]通过对不同水质影响下的膨胀土进行自由溶胀试验和膨胀压力试验,发现水分中的电解质浓度,盐浓度以及水分和黏土之间的阳离子交换会降低黏土的膨胀潜力,因此膨胀土中的水分也是影响膨胀土强度的重要因素之一。大部分膨胀土处于非饱和状态,非饱和土的抗剪强度是岩土工程设计中所需要的主要力学指标之一^[6]。膨胀土强度和刚度随着吸力的增大,呈现非线性趋势增加,并且其强度可能与吸力引起的剪切阻力及密度的增加有关^[7]。欧阳淼等^[8]发现植物根系通过与土体形成根-土复合体实现荷载分担与颗粒锁定——浅细根在土体中穿插、缠绕,当复合体受剪或面临滑移风险时,根-土界面会产生由净法向应力及界面基质吸力、张力吸力共同构成的剪阻力,限制土颗粒位移。Ye等^[9]通过非饱和剪切试验发现随着吸力的增加,膨胀土的黏聚力明显增大,而内摩擦角几乎保持不变。目前,国内外对于如何提高膨胀土的强度已经进行了大量研究,主要方法有物理改良和化学改良等^[10-13]。常用的改良材料大多是化学合成纤维,但是化学合成材料会对生态环境产生一定程度的破坏,带来新的环境问题^[14]。为了降低成本和保护当地生态环境,部分地区采取种植植物的方式进行改良。植物不仅通过根系加筋作用来加强土体强度,还通过蒸腾作用降低孔隙水压力,干燥条件下植物水力效应更为显著^[15]。同时,植物也可以通过根-土摩擦,将土体所受的剪应力转化为根系所受的拉应力,从而增强土体抗剪强度。Ma等^[16]对掺入狗牙根的黏土进行了无侧限抗压和直剪试验,发现根-土复合体的强度随含根量增加而提高,达到最佳含根量后保持不变。但目前大部分研究以重塑的根-土复合体作为研究对象,重塑样无法体现根-土复合体的真实特性。刘小文等^[17]探讨了基质吸力与非饱和黏土抗剪强度的关系,发现含水量对非饱和黏土基质吸力影响显著;大量的试验研究证明,受基质吸力的影响,同种土的非饱和状态下的抗剪强度大于饱和状态下的抗剪强度^[18];膨胀土原状样和压实样的剪胀势随吸力增加而增大,非饱和土膨胀量随吸力增大而增大并趋于稳定值,在相同吸力下,膨胀量随净竖向压力增大而减小^[19]。目前,基质吸力对含根膨胀土力学特性的影响研究较少且其相互机理尚不明确。因此,研究吸力和植物对非饱和膨胀土抗剪强度的影响,揭示植物对膨胀土强度的影响机理,对治理膨胀土有重要的理论意义和工程应用价值。

因此,现开展一系列室内试验,研究含水率和百慕大的种植密度对弱膨胀土无侧限抗压强度的影响,探究吸力-植物对弱膨胀土抗剪强度的影响规律,以揭示吸力-植物对弱膨胀土体变特征的作用机理。

1 试验材料与方案

1.1 试验材料和植物

研究所用土为取自福建,土样呈黄白色,其基本物理特性指标如表1所示,根据《膨胀土地区建筑技术规范》(GB 50112—2013),试验土样为弱膨胀土^[20]。试验土样风干后过 2 mm 筛,去除石头与草根等杂质,置于105 ℃烘箱中烘干至恒重。烘干后的土均匀喷洒无气水至土体最优含水量 (27.5%),湿土过2 mm 筛后放入密封容器中至少24 h使其水分平衡。

采用的植物为百慕大草,百慕大草是暖季广泛使用的多年生牧草和草坪草,是在全球范围内广泛分布的重要禾本科植物之一。常见于东南亚、中国香港、印度以及美国部分亚热带地区,并且具有较强的耐旱性。百慕大草具有较强的环境适应能力,广泛分布于各种自然环境中,如草地、林地等^[21]。

1.2 试验方案和步骤

1.2.1 盆栽试验

盆栽为直径300 mm,高300 mm圆形铁桶,如图1所示。百慕大草的播种密度为 25、40、50 g/m²。压实土样前先在盆栽内壁均匀涂抹一层凡士林,避免侧壁形成优势流。盆栽底部先铺设一层 150 mm碎石排水层,然后在碎石上覆盖一层土工布,防止细粒土流失。土层厚度为 150 mm,压实度为90%,分5层压实,每次压实前对前一次压实后的土体进行拉毛,控制每层厚度为30 mm。压实完毕后,利用2 mm筛网均匀播撒百慕大草种并上覆 5 mm 厚细土^[22]。所有试样放置在相同的养护环境中养护47 d,温度范围在23~33 ℃,相对湿度70%±5%。为保障百慕大草生长,在养护期间,每天对所有盆栽均匀喷水160 g保持土体含水率。

为探究不同种植密度百慕大草生长的情况,试验过程中,观测百慕大草籽的发芽情况,记录其发芽率。同时,采用 Image J (2023)图像分析软件,每天测定盆栽表面绿色覆盖度(植被像素占比)。养护期满后,用剪刀沿土壤表面剪断草茎,在盆栽的不同位置选取3个植株密度相近的区域作为取样点。取样前在环刀(Φ61.8 mm×20 mm)及三瓣膜和取样器内壁均匀涂抹一层凡士林,垂直压入土体至刃口低于土表10 mm。具体试验流程如图1所示。

每次取样后取部分三瓣膜周围土样进行含水率测定,计算含水率。获得含根土试样植物特征参数如图2所示。

1.2.2 无侧限试验

试验依据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)开展无侧限抗压试验与非饱和土直剪试验^[23],所有试验均设置3组平行试验,数据统计采用SPSS 24进行单因素方差分析(one-way analysis of variance,ANOVA),通过Tukey’s HSD检验(α=0.05)判定组间差异显著性,最终数据以平均值呈现。采用YYW-2型无侧限压力仪(南京土壤仪器厂有限公司),加载速率为 1 mm/min,研究含水率和百慕大草对弱膨胀土无侧限抗压强度的影响,如表2所示。无侧限抗压强度试验具体试验步骤如下。

当轴向应变ε₁<3%时,记录每0.5%应变的位移读数和测力计读数;当轴向应变ε₁超过3%以后,记录每1%应变的测力计读数和位移读数。若无出现峰值或读数不稳定时,轴向应变达到20%后停止试验。无侧限抗压强度取峰值轴向应力或者轴向应变为20%对应的轴向应力。

轴向应力计算公式为

(1)σ=$\frac{{\mathit{C}}_{\mathit{测}}\mathit{R}}{{\mathit{A}}_{\mathit{a}}}$×10

式(1)中:σ为轴向应力,kPa;C_测为测力计率定系数,N/0.01 mm;R为测力计读数,0.01 mm;A_a为试样剪切时的面积,cm²。

(2)A_a=$\frac{{\mathit{A}}_{0}}{1-0.01{\mathit{\epsilon }}_{1}}$

式(2)中:ε₁为轴向应变,%;A₀为试样剪切时的面积,cm²,该试验试样面积为11.34 cm²。

1.2.3 非饱和直剪试验

采用ZFY-1A型非饱和土直剪仪(南京土壤仪器厂有限公司),含根土试样采用尺寸为高 40 mm,内径为 61.8 mm的环刀配合取土器从盆栽中取得。环刀样垂直盆栽表面,配合取土器压入土层中,用铲子,削土刀切取相应体积的含根土试样。非饱和土直剪的剪切速率为0.02 mm/min ^[24],控制最大剪切位移为 6 mm,采用轴平移技术来控制吸力,利用压力差实现目标吸力的稳定控制,研究百慕大草对弱膨胀土抗剪强度的影响。试验包括饱和组和非饱和组,分别控制不同的垂直压力和吸力,如表3所示。非饱和土抗剪强度公式^[25]如式(3)所示。

(3)τ=c'+(σ-u_a)tanϕ'+(u_a-u_w)tanϕ_b

式(3)中:c'为有效黏聚力;ϕ'为有效内摩擦角;u_a、u_w分别为孔隙气压、孔隙水压;σ-u_a为净正应力; ϕ_b为土体非饱和抗剪强度随吸力而变化的斜率,也被称为与吸力相关的内摩擦角。

所有试验结束后,采用薄壁活塞取土器(直径39 mm)压入土中取得圆柱体试样,用清水缓慢清洗土样以获取百慕大草根系,测得不同试验组根密度^[26]。

2 结果与讨论

2.1 不同含水率下百慕大草对弱膨胀土无侧限抗压强度的影响

不同含水率影响下弱膨胀土的轴向应力与轴向应变曲线[图3(a)],可以发现随着含水率的增加,裸土组的无侧限抗压强度先增加后减小。在含水率较低的条件下,提高含水量有利于提高土体的无侧限抗压强度。然而,当含水率超过最优含水率(27.5%)时,无侧限抗压强度随着含水率增大而减小。这可能是因为含水率持续提高,土样中过大的孔隙水压力削弱了土颗粒之间的相互作用,降低了无侧限抗压强度。表明含水率过低或过高都会降低弱膨胀土的无侧限抗压强度^[27],峰值无侧限抗压强度出现在最优含水率27.5%附近。

不同含水率影响下含根土试样的轴向应力与轴向应变的关系曲线,如图3(b)~图3(d)所示。含根土试样的轴向应力-轴向应变也与裸土类似,随着含水率增加,峰值轴向应力对应的轴向应变也在增加,并且含水率37.5%的试样出现明显的应变强化现象。取曲线上峰值轴向应力作为土样的无侧限抗剪强度q_u,不同含水率影响下含根土试样无侧限抗压强度与种植密度关系如图4所示。随着含水率的增加,含根土试样无侧限抗压强度不断减小。其中,P25组含水率为37.5%时的无侧限抗压强度相比于含水率为27.5%时的无侧限抗压强度降低了71.7%。膨胀土的强度基础依赖于亲水性黏土矿物(蒙脱石)颗粒间的黏聚力与内摩擦力,当水渗入土颗粒内部,亲水矿物与之反应,降低了颗粒自身的强度。一方面,最优含水率时,土颗粒表面结合水膜厚度适中(以强结合水为主),颗粒间通过范德华力、静电引力形成稳定联结^[28];当含水率过高时,弱结合水比例骤增,水膜厚度超过颗粒间分子引力的作用范围(通常>10^-9 m),导致颗粒间的分子作用力急剧减弱,黏聚力大幅下降。另一方面,黏土颗粒表面带负电,其周围双电层(扩散层)随含水率升高而扩张(阳离子浓度降低),颗粒间静电斥力超过引力,促使原本团聚的颗粒分散、分离,进一步瓦解颗粒间的 “机械咬合” 与 “化学联结”,内摩擦力(与内摩擦角ϕ相关)随之弱化,并最终造成峰值压力减小^[29]。

随着种植密度以及含根量增加,百慕大草进一步提高了弱膨胀土的无侧限抗压强度,以最优含水率27.5%为例,P25组、P40组和P50组无侧限抗压强度比裸土组提高了 4.4%、7.1%和 11.5%。而当含水率为 37.5%时,P25组、P40组和P50组无侧限抗压强度比裸土组提高了5.4%、11.0% 和 25.2%。当含水率增加时,百慕大草根系对土壤无侧限抗压强度的影响增大。含水率增大,水渗入土颗粒内部,土体强度降低,但根系在膨胀土中形成纤维网络,当土体受轴向压力时,根系通过与土颗粒的摩擦力将部分应力传递至自身,利用根系较高的抗拉强度分担荷载,减少土体内部应力集中。根系通过密集的须根网络将土颗粒锁定,提高土体的有效内摩擦角 (ϕ'),增强了土体强度。

2.2 不同垂直压力下百慕大草对饱和弱膨胀土抗剪强度的影响

裸土和含根土的有效黏聚力和有效内摩擦角如图5所示。研究发现含根土试样的有效黏聚力明显大于裸土组,并且随着种植密度以及含根量的增加而增大。P25组、P40组、P50组较于裸土组有效黏聚力提高了14.7%、42.2%、54.3%。种植密度在25~40 g/m²,种植密度的增加对有效黏聚力的提高幅度更大。然而,含根土与裸土组的有效内摩擦角几乎一致,植物对有效内摩擦角的影响则不显著。这可能是因为百慕大草根系较小,对土体主要起到胶结和团聚的作用^[30],可以提高有效黏聚力,对有效内摩擦角影响较小。并且含根量越大,根系越多,根系网络越发达,有效黏聚力提高幅度越大^[31]。

不同垂直压力影响下(25、50、100、200 kPa)可以发现,在同一垂直压力水平,随着种植密度以及含根量增加,弱膨胀土的抗剪强度得到提高。百慕大草对弱膨胀土抗剪强度的提高效果,随着垂直压力增加而不断减弱。百慕大草对弱膨胀土抗剪强度的提高,除了与百慕大草根系通过自身强度对土体的加固作用有关外,还可能与根系阻止土体在剪切过程中微裂缝的产生有关^[32]。

剪切过程中土体的竖向位移与剪切位移关系曲线如图6所示。随着垂直压力提高,裸土组和含根土组竖向位移都呈现减小的趋势。其中,当垂直压力从 25 kPa 增加到50 kPa时,裸土组最大竖向位移只减小了 9.0%。在相同垂直压力条件下,含根土试样的竖向位移小于裸土试样,随着种植密度(含根量)增加,竖向位移变小。其中,垂直压力为 25 kPa 时,P25组最大竖向位移是裸土组的80.1%,而 P50组最大竖向位移仅为裸土组的57.9%。高垂直压力条件下,当垂直压力从100 kPa增加到 200 kPa 时,裸土组最大竖向位移减小了77.9%。在相同垂直压力 100 kPa 条件下,P25组最大竖向位移仅也裸土组的78.1%,而P40组和P50组最大竖向位移仅为裸土组的 73.5%和 65.0%。这表明垂直压力和种植密度的增加都可以减小饱和试样在剪切过程中的体积变化,但从变化趋势来看,在低垂直压力条件下,百慕大草的影响更显著。可见,在工程实践中,植物对浅层土体稳定性有积极的作用。而在高垂直压力条件下,百慕大草的影响降低。百慕大草可以限制弱膨胀土在剪切过程中的竖向位移,可能与根系本身的抗拉强度以及根系与土壤颗粒之间产生的摩擦力有关^[33]。含根量越大,根系与土壤颗粒之间的摩擦力就越大,土体结构更为稳定,具有更强的抵抗变形的能力。而垂直压力是通过压密土体,同样使得土体结构变得稳定,减小剪切过程中的竖向位移。

2.3 不同吸力条件下百慕大草对弱膨胀土抗剪强度的影响

不同吸力条件下(0、25、50、100、200 kPa)裸土组和含根土组的剪应力与剪切位移的关系曲线如图7所示。在0~200 kPa吸力范围内,裸土试样和含根土试样都表现出应变强化的特性,也就是剪应力随着剪切位移增加而增加,逐渐趋于稳定。相同剪切位移条件下弱膨胀土的剪应力随着吸力增加而增大。吸力较低时,弱膨胀土含水率和饱和度较高,减小了土颗粒间的摩擦咬合作用^[34],土体抵抗剪切变形的能力下降。所以在低吸力条件下弱膨胀土剪应力较小,并随着吸力增加而增大。

图8为ϕ_b与吸力的关系图,裸土组ϕ_b随着吸力的增大呈先增大后减小的趋势,第一阶段吸力增加,土中的水分减少,原本由水填充的孔隙逐渐被空气占据;第二阶段,吸力增加,土中的水分减少,土体失水收缩,产生大量孔隙,大孔隙因裂隙贯通,孔隙结构遭到破坏,水分分布不均,导致毛细力传递路径断裂,粒径间有效接触下降,进而导致ϕ_b减小^[35]。

在相同吸力情况下,含根土试样的ϕ_b的减小幅度小于裸土试样,并且 ϕ_b 都大于裸土的值,以吸力75 kPa 为例,植物组的ϕ_b约为裸土组的1.5倍。这可能与百慕大草根系填充了土样中的大孔隙体积,使得土体结构更加稳定有关。此外,P25组、P40组和 P50组之间 ϕ_b没有显著差异。这一结果暗示了,当根系密度达到一定阈值(1 kg/m³)后,根系密度这一因素对ϕ_b的影响降低。在吸力和百慕大草两种因素协同作用下,植物组保持了较大的 ϕ_b,试样表现出更强的抵抗剪切破坏的能力。非饱和抗剪强度、吸力与含根量关系如图9所示。从图9中可以发现含根土试样和裸土试样的抗剪强度都是随着吸力增加而提高,但增长幅度逐渐降低,裸土组从吸力 0 kPa 条件变化到 100 kPa 条件,抗剪强度提高了83.5%,此阶段土体孔隙中填充大量自由水,水膜较厚,颗粒间润滑作用强、有效接触压力低,抗剪强度低^[36]。随着吸力增加,自由水和毛细水快速从大孔隙、中孔隙中排出,土颗粒间的“水膜隔离效应”减弱,颗粒直接接触面积增大,有效应力显著提升。同时,毛细水表面张力形成的 “毛细黏结力” 快速增强,进一步强化颗粒间联结,共同推动抗剪强度大幅增长。水分排出过程中,土体因孔隙减少而发生明显压密,颗粒排列更紧密,抵抗剪切变形的 “骨架支撑能力” 快速提升,为抗剪强度的大幅增长提供了结构基础^[37]。而从吸力100 kPa条件变化到200 kPa条件,抗剪强度只提高了27.6%。主要原因是土体含水量降低,即使吸力增加,土体也难以进一步压密(颗粒排列已接近紧密状态),强度增长依赖吸附水膜变化的微弱作用,增幅降低。

在相同吸力条件下,含根土试样抗剪强度大于裸土试样,且随着种植密度以及含根量增加,抗剪强度越大。其中以吸力为100 kPa为例,P25组与裸土组相比,抗剪强度提高了23.0%,P40组与裸土组相比,抗剪强度提高了28.9%,P50组比裸土抗剪强度提高了34.0%。其主要原因是百慕大草根系可以减小土样中的大孔隙,使土颗粒更紧密地结合在一起,增强土颗粒之间的结合力^[38],提高了非饱和弱膨胀土的抗剪强度。比较吸力以及百慕大草对非饱和弱膨胀土强度的影响程度,可以看出在较低吸力条件下(0 kPa 和25 kPa),吸力对弱膨胀土抗剪强度的提高幅度大于百慕大草的提高幅度;而在中吸力条件下(200 kPa),百慕大草对弱膨胀土抗剪强度的提高幅度超过了吸力。吸力从25 kPa 提高到50 kPa,弱膨胀土抗剪强度提高了19.1%。与垂直压力从25 kPa 提高到50 kPa 对弱膨胀土抗剪强度的提高幅度57.6%相比,可以看出垂直压力对弱膨胀土抗剪强度的提高幅度超过吸力。

2.4 不同吸力条件下百慕大草对弱膨胀土体变的影响

不同吸力影响下竖向位移与剪切位移关系,如图10所示,其中,剪缩为正,剪胀为负。所有试验组在较低吸力条件(0 kPa和25 kPa)下出现剪缩现象,即竖向位移在剪切过程中减小。当吸力从0 kPa提高到25 kPa的时候,弱膨胀土剪缩量减小了52.6%,略大于百慕大草对弱膨胀土最大剪缩量的减小幅度。说明吸力对弱膨胀土剪切过程中竖向位移变化的影响超过了百慕大草对竖向位移的影响。吸力从25 kPa提高到100 kPa,裸土组竖向位移减小了95.3%。

提高吸力(200 kPa),土体呈现出剪胀现象,即竖向位移在剪切过程中增大^[39]。但是植物组的剪胀体变显著小于裸土,且种植密度越大,体变越小。其中,P50是裸土的43.9%。

这可能是因为百慕大草根系本身具有一定的抗拉强度,当土体受到剪应力作用时,根系可以削弱部分作用力,减小土体的体积变化;也有可能是因为百慕大草根系减小了土体中的大孔隙,使得含根土试样在剪切过程中可发生的体积变化相较于裸土试样减小了。总体上,百慕大草减少弱膨胀土剪切过程中竖向位移的变化,在工程建设当中有利于提高基础设施的稳定性。

3 结论

通过盆栽试验和一系列室内试验,系统探究了百慕大草根系、含水率、吸力对弱膨胀土强度特性的影响,得出如下结论。

(1)随着含水率增加,弱膨胀土无侧限抗压强度先增加后减小。含根弱膨胀土的无侧限抗压强度亦随着种植密度增加而增强,其中P25组、P40组、P50组较于裸土提高了4.4%、7.1%、11.5%。

(2)植物显著提高弱膨胀土的有效黏聚力(c'),其中,P25(含根量0.98 kg/m³)组、P40(含根量1.25 kg/m³)组、P50(含根量1.49 kg/m³)组的有效黏聚力分别是裸土组的1.15、1.42、1.54倍。植物亦能够显著提高土体非饱和内摩擦角(ϕ_b),随着吸力的提高植物组ϕ_b值趋于稳定,其值约为裸土的1.5倍。但是,当根系密度达到一定阈值(1 kg/m³)后,根系密度这一因素对ϕ_b的影响降低。

(3)植物降低了剪切过程中弱膨胀土体的体变,且种植密度越大作用越显著。饱和状态条件,P25组、P40组、P50组的体变分别是裸土的64.7%、54.8%、51.0%。随着吸力增加,土体的剪切变形呈现出由剪缩向剪胀过渡的变化规律。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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