基于弹性本构关系的根—土复合体力学特性试验研究

基于弹性本构关系的根—土复合体力学特性试验研究
随着我国基础设施建设的快速发展,大量的深挖高填形成了许多人工边坡,对原有的生态环境造成了一定的破坏。

因此,如何建设环境友好的生态型工程已成为全社会共同关注的问题。

近年来,在高速公路建设中大量采用的生态护坡技术就是在这一背景下产生的。

传统的刚性护坡技术不但不能很好地解决坡体的长期稳定问题,而且还由于改变了原有的生态环境,可能造成新的滑坡和泥石流灾害。

因此,采用工程护坡技术与生态护坡技术相结合的边坡防护,越来越受到工程界和学术界的关注。

然而,由于我国在这一领域的相关理论研究尚相对滞后于工程应用,有关植物根系固土护坡机理的研究尚不多见于相关文献报道,对根-土相互作用机理的认识还未形成共识。

因此,进一步开展对根-土复合体的力学特性研究,探索植物根系加固土体的力学机理,揭示根-土复合体的强度和变形规律,对生态护坡技术的开发和应用具有重要的理论意义和工程实用价值。

基于这一目的,本文依托国家自然科学基金资助项目“高强度林草混交根系成型机理与边坡根系土体加固机制研究”(项目号：31270671,2013.01～2016.12)和国家林业局948项目“林草一体化高稳定性生态护坡技术引进”(项目号：2012-4-76,2012.01～2015.12)等,开展了根-土复合体的力学特性研究。

采用GDS非饱和土试验仪针对四类不同含根量的根-土复合体试样,分别进行了常规三轴压缩排水试验、等向固结试验和等p应力路径试验等一系列室内试验研究。

基于邓肯-张模型和K-G模型理论,探索了含根量对根-土复合体力学特性的影响规律,揭示了植物根系加固土体的内在机理。

通过研究得到了如下的研究进展和创新结论：一、基于邓肯-张模型的根-土复合体三轴试验研究分别对四种不同含根量的根-土复合体进行了室内常规三轴压缩排水试验,研究了含根量对试样切线变形模量与切线泊松比的影响规律。

试验结果表明：1、根-土复合体偏应力-轴向应变之间的关系呈双曲线形式,可以用邓肯-张模型理论来描述。

2、在同一围压条件下,随着含根量的增加,偏应力-轴向应变曲线高度越高。

这说明香根草根系的存在提高了土体的强度。

3、在相同含根量条件下,随着围压的提高,初始变形模量与极限偏差应力均得到增大。

同样,在同一围压条件下,随着含根量的增大,初始变形模量与极限偏差应力也均增大。

试样的破坏比主要受试验围压的影响,随着围压的增加,破坏比有减小的趋势；另一方面,含根量对破坏比的影响并不明显。

4、随着含根量的增大,参数A 值与n值都将相应增大,即初始变形模量增大。

但当含根量超出一定范围之后,其对模量的影响将不再明显。

5、随着含根量的增大,根-土复合体的粘聚力逐渐增大,但其增长幅度逐渐减小；而随着含根量的增大,内摩察角的变化趋势并不明显。

6、随着含根量的增加,参数M值将降低,F值的变化不明显,即随着含根量的增加,根-土复合体的初始泊松比减小。

二、基于K-G模型的根-土复合体三轴试验研究分别对无根素土和不同含根量的根-土复合体进行等向固结试验与不同球应力条件下的等p应力路径三轴排水剪试验,探讨了含根量对根-土复合体的体变模量、体应变、剪切模量和剪应变等的影响规律。

研究结果表明：1、试样在等p三轴压缩试验中,其偏应力与剪应变之间的关
系同样也符合K-G模型理论。

2、等向固结试验中,在相同的球应力作用下,随着含根量的增大,初始体变模量及参数ak逐渐增大,亦即随着含根量的增大,根-土复合体的体变模量逐渐增大,相应条件下的体应变则减小。

这说明由于根系的存在,阻碍了土体的体应变,亦即根系抑制了土体的压缩
变形,并最终导致其强度的提高。

3、等p三轴排水剪试验中,随着含根量的增大,试样的破坏线越高,也就是说含根量越大,根-土复合体的强度越高。

4、随着含根量的增大,初始剪切模量得到明显的提高,相应的剪应变则降低。

同时参数αG的绝对值和βG也得到不同程度的提高,因而使得根-土复合体的剪切模量得到提高,而相应的剪应变得以减小,并最终使其抗剪强度得到提高。

上述研究工作为进一步探索根-土复合体的应力-应变关系和根-土相互作用机理奠定了试验基础；也为生态护坡工程中的强度和稳定性分析提供了理论依据。