根系分布對膨脹土干縮開裂影響試驗研究

鄧鵬，王桂堯，梅智鵬，黃永剛，陶堅

根系分布對膨脹土干縮開裂影響試驗研究

鄧鵬，王桂堯，梅智鵬，黃永剛，陶堅

(長沙理工大學 土木工程學院，湖南 長沙 410114)

為研究植被對膨脹土的改良作用，采用細麻繩模擬了不同根系直徑和根系排列分布的土體干縮開裂試驗，分析了土體中的水平根系、豎向根系、斜向根系、混合根系及不同根系直徑對抑制膨脹土干縮開裂的作用機理。研究結果表明：4種不同根系的排列方式對干縮開裂抑制作用從大到小依次為混合排列根系的、水平根系的、傾斜根系的、豎向根系的。根系直徑的增加對干縮開裂的抑制作用呈先增后降趨勢，加筋直徑為2 mm時，其表面裂隙率為1.6%，抗開裂效果最好，而直徑分別為1、3、4 mm組的最終裂隙率分別達到2.6%、3.4%和4.06%。該結果可為膨脹土邊坡生態加筋護坡等相關研究提供借鑒。

膨脹土；模擬根系；干縮開裂試驗；不同分布根系

膨脹土具有脹縮性、裂隙性、超固結性等特殊性質。目前，主要有物理改良、化學改良、生物改良等治理手段。其中，膨脹土邊坡以植物改良法最為環保。魯志方[1]等人通過土工格室膨脹土邊坡防護試驗，提出了土工格室的預加應力概念，定性分析了土工格室植被護坡防膨脹土邊坡開裂機理。李雄威[2]等人對廣西膨脹土塹坡的植被防護作用進行了數值模擬，并進行了現場滲透和植被根系加筋的力學試驗，表明：根系的加筋作用增強了土體的強度，植被的蒸發、蒸騰作用阻止了土體強度的進一步衰減。李忠泉[3]等人針對小康高速部分膨脹土邊坡原設計的工程防護措施,提出了適用的植物生態防護優化措施。通過現場施工實踐，取得了良好的工程效果。周成[4]等人研究認為香根草根系為一種柔性加固方法，可抑制邊坡膨脹變形和膨脹力釋放。張世俊[5]等人通過采用草本、木本植物固坡，水土保持功能，草本、木本植物群落特點的比較，結合依托工程，得出了3個膨脹土路域最佳人工植物群落組合，對膨脹土地區公路邊坡綠化防護具有重要指導價值。

目前，關于膨脹土邊坡生態加筋護坡的研究，集中于加筋土力學方面[6?10]，其裂隙是影響膨脹土力學特性的重要因素之一，而且研究植被加筋效果的關鍵是植被對膨脹土裂隙發育影響。但是，有關根系分布形式影響裂隙特征參數的研究鮮見。因此，作者擬用細麻繩模擬不同根系的生長方向和直徑大小，研究對膨脹土裂隙發育的影響，其結果可為合理選擇適宜植被治理膨脹土工程提供借鑒。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

土取自湖南省長沙市某工地棕紅色弱膨脹土，土樣的基本物理參數為：最優含水率為20.5%、最大干密度為1.56 g/cm3、自由膨脹率為48%、塑限為23.9%、液限為53.5%和塑性指數為29.6。

為方便控制模擬根系的排列方式，采用自制的架子模擬根系排列，如圖1所示。第一組實驗的架子尺寸為46 cm×30 cm×6.9 cm，設計了水平、豎直、傾斜、混合4種排列方式進行試驗。模擬根系選用直徑為1 mm的細麻繩，為了控制加筋率，每種排列方式綁扎的根系長度相同。水平排列方式：橫向13排，間距為2.5 cm，共4層，層距為2.3 cm，長度為46.3 cm。豎向排列方式：橫向18排，間距1.7 cm，沿長邊19排，間距2 cm，長度為6.8 cm。傾斜排列方式：與水平方向的夾角約為50°，長邊和短邊方向各16排，間距2 cm，長度為9 cm?；旌吓帕蟹绞剑核?、傾斜和豎直3種方向交替布置，間距為2 cm，為避免架子對土體開裂的影響，不同排列方式所制作的架子保持一致。

圖1 不同排列方式的根系綁扎

第二組試驗架子尺寸為44 cm×31.5 cm×8.1 cm。選用了4種不同直徑的細麻繩，直徑分別為1,2,3,4 mm。每種橫向11排，間距為2.5 cm，縱向4層，每層間距為2.7 cm。

1.2 試驗步驟

1.2.1 試樣的制備步驟

1) 土樣風干，碾碎，過2 mm篩。第一組配成初始含水量約95%的飽和泥漿，第二組的初始含水量為100%。為了使土樣充分吸水飽和、攪拌均勻，采取邊加水、邊加土的拌和方式，直至無土結塊。再加一份土和水，直至拌和完成。

2) 將架子放入塑料盒中，用雙面膠在四周進行固定，避免架子上浮。

3) 將拌好的土樣裝入尺寸為59 cm×38.5 cm ×14.5 cm的塑料盒子中，沿邊角緩慢倒入，防止對架子造成擠壓。

4) 重復以上步驟，將剩下的試樣制備完成，為了使水分在土中均勻分布，將試樣放入恒溫室，用不透水布進行覆蓋，悶樣48 h后，進行開裂試驗。

1.2.2 麻繩加筋膨脹土干縮開裂試驗步驟

1) 將試樣放置提前預熱1 h的自制恒溫室內，溫度控制在(42±1) ℃，模擬日照作用和效果。

2) 干燥過程中，每隔3 h對試樣進行一次拍照，記錄裂隙發展實時狀況，觀測時間為每天6:00～24:00。

3) 若裂縫寬度48 h內無變化，則關閉加熱系統，停止拍照，判定試驗完成。

2 圖像處理及裂隙分析

2.1 圖像處理

通過拍攝的裂隙圖片進行處理分析[11-13]，選擇不同的閾值會使圖像的特征參數不一樣。選用較小的閾值時，裂隙率會減小，裂隙寬度變窄，裂隙總長度縮短。選用較大的閾值時，附近的細小雜點可能被誤認為是裂隙，會導致裂隙率增加，裂縫變寬，裂隙總長度增大。閾值的選擇與圖像的像素、亮度等因素有關。因此，選擇合適的閾值，可獲得與裂隙吻合較好的二值圖。

本試驗采用PHOTOSHOP軟件處理圖像，如圖2所示。部分明顯的非裂隙黑色區域和細小裂隙區域等，經人工亮度調整之后，選擇不同的閾值，并與裂隙原圖進行對比，找到最為理想的閾值。將圖片導入CAD進行描邊，得到表面裂縫網絡的幾何特征，并對裂隙長度和寬度進行統計。

圖2 裂隙圖像處理的過程

2.2 膨脹土裂隙分析指標的選取

裂隙的寬度、深度、傾角、走向、裂隙總長度等為裂隙特征描述的指標。為了對指標中的各相關要素的綜合影響進行分析，引入綜合裂隙度量指標－—裂隙度[14?15]。

赤平投影法、玫瑰花圖法等都是對裂隙特征進行統計的重要方法。因為二值化像素法具有對裂隙的面積統計精度高、效率高等優點。所以試驗中采用二值化像素法對試樣表面的裂隙率指標進行計算。二值圖像的像素值通常只有“0”、“1”，非裂隙點的值是“1”，裂隙點的值是“0”。并基于MATLAB軟件, 將膨脹土樣分為開裂和未開裂的部分，各自轉變為圖形/圖像處理技術中所需要的像素，白色和黑色像素點分別代表試樣未開裂和開裂的部分。采用MATLAB軟件進行計算，研究試樣表面的裂隙開展情況。裂隙度代表裂隙幾何特征的綜合性指標，其計算式為：

式中：為總像素；b為黑色像素；w為白色像素。

3 試驗結果分析

3.1 根系不同分布狀態對膨脹土開裂的影響

第一組試驗，經過80 h的干縮，試驗開始一段時間后，土體從表層開始，先后形成了裂隙。不同組的試驗土樣，初始裂隙產生的位置不同，存在顯著的隨機性。這與土樣初始狀態本身的不均勻性有直接關系，隨著不斷進行脫濕，含水率逐漸減少，各組試樣的裂隙長度、寬度逐漸加大，形成不規則的裂隙網絡，各種排列方式的表面裂隙開展如圖3所示。

從圖3中可以看出，素土試樣開裂時間最早，由于沒有麻繩的加筋作用，裂隙的產生為水分蒸發提供了良好通道并向下不斷擴展。裂縫擴展到最底端時，形成貫穿裂縫，發生破壞。加筋土試樣均未形成貫穿裂縫破壞。

4類加筋土試樣的裂隙率、裂隙總長度、裂隙最大寬度和平均寬度值如圖4所示。

土體干縮過程主要分3個階段：正常收縮、殘余收縮、零收縮。因為正常收縮階段所發育的裂縫占所有裂縫的80%，而其余裂縫則在殘余收縮過程中產生[16?17]，所以主要分析正常收縮階段的裂隙發育。從圖4中可以看出，裂隙最大寬度、總長度與裂隙率之間的變化趨勢相似。干縮開始階段，干縮拉應力主要分布在土體內部，以勢能方式存在，并沒有通過裂隙方式釋放拉應力，此時裂隙的最大寬度與總面積相對較小。土體繼續進行干縮，拉應力集中在一些裂隙上，盡管裂隙總面積十分小，但是裂隙寬度的均值也會明顯增加，整個結構的強度與穩定性隨著裂隙增多逐漸被破壞。干縮拉應力逐漸釋放，裂隙寬度、總長度明顯增加。由于次生裂隙的影響，平均裂隙寬度受到新產生裂隙寬度的影響較小，新發育的裂隙也會承載干縮變形所帶來的拉應力，導致裂隙總面積增加，而裂隙寬度均值會有所下降，但整體趨勢是上升。

圖3 干燥80 h后土樣表面的裂隙圖像

4種排列方式相比較，混合排列根系的表面裂隙率增加最小，第一條裂縫出現的時間約為26 h，裂隙率最終只有1.33%；其次是水平排列根系的，出現裂縫的時間約為24 h，裂隙率最終為1.94%；傾斜和豎向根系的相對最高，裂隙出現時間約為18 h，表面裂隙率最終達到6.16%和8.37%。因此，4組土樣中豎向根系的開裂程度最顯著，其抗開裂效果排列為：混合根系的＞水平根系的＞傾斜根系的＞豎向根系的。

3.2 根系不同直徑對裂隙的影響

第二組試驗，經過106 h干燥脫水，各試樣表面裂隙情況如圖5所示。其裂隙率、裂隙總長度、裂隙平均寬度、最大寬度等的試驗結果如圖6所示。

從圖6(a)可以看出，試樣的裂隙率首先是緩慢發展，然后迅速增大。這是因為土體初始含水率偏高，土顆粒外層包裹著一層自由水膜，顆粒間有一定間距，隨著水分的蒸發，水化膜也會逐漸變薄。當含水率低于某個數值時，土中細微孔隙會帶來一定基質吸力，使土粒相互擠壓、靠攏，繼而讓內部孔隙減小。這種現象是土體失水引起的收縮，在內部會形成張拉應力場，當張拉應力超出土體自身可以承載的極限時，會產生裂縫。因此，膨脹土試樣隨著水分的蒸發，裂隙也會隨之增長。一旦裂縫產生，會給內部散發水分提供了一定通道，內部失水速率增快，導致土體加劇開裂。

圖5 不同直徑試樣干燥106 h后土樣表面的裂隙圖像

從圖6(b)、6(c)可以看出，裂隙寬度均值從最初快速增加，再進入下降階段，然后逐漸上升，最終趨向平穩。裂隙總長度先緩慢增長，再明顯增加，然后趨于穩定。這是因為隨水分蒸發、細小裂隙的產生和發展速度較快，從而引起平均寬度波動較大，但總體趨勢是上升的。這一階段裂隙總長度的變化遠大于裂隙寬度的變化。

從圖6(a)還可以看出，直徑為2 mm的表面裂隙率增長最緩慢，抗開裂效果最優，只有1.6%。直徑1,3,4 mm的最終裂隙率分別為2.6%、3.4%和4.06%。前期，直徑3 mm和4 mm的裂隙率小于1 mm的，但后期快速增長超過了直徑1 mm組的試樣。從圖5中可以看出，各組試樣表面的裂縫最大寬度由小到大依次為直徑2 mm、3 mm、4 mm、1 mm，最大寬度分別為8.6,10.3,10.9,15 mm。表明：抗開裂效果并不隨根系直徑的提高而增加，而是先增后降。因為模擬根系直徑的增加，在土體失水收縮釋放應力過程中，模擬根系與膨脹土顆粒間的接觸面積增加，兩者間的摩擦力也增加。借助于模擬根系與土粒接觸面的摩擦力作用，把土體中釋放的應力轉換成模擬根系的拉應力，保持裂縫緩慢擴展，從而使得加筋效果更加有效，可抵抗更大的拉應力作用，增加土體的抗拉強度。水分不斷蒸發，土粒逐漸靠攏，較粗根系與土體間的錨固作用逐漸降低，而且直徑過大的模擬根系造成土中空隙過大，水分蒸發速率更快，加速了細小裂隙的發展，導致直徑3 mm和4 mm根系的裂隙率增長超過了直徑1 mm的，而2 mm直徑的根系既能可增加土體抗拉強度的作用，又不會造成土體中空隙過大，故抗開裂效果最好。

圖6 土樣干縮裂隙網絡試驗結果

4 結論

1) 植物根系中的豎向根系、水平根系、傾斜根系和混合根系對膨脹土干縮開裂具有不同的抑制作用。其中，混合排列根系能夠更好地抑制膨脹土的干縮開裂，水平分布根系的作用次之，傾斜根系更差，豎向根系的作用最差。

2) 干縮開裂過程中，根系直徑在1～4 mm范圍內，模擬根系對加筋膨脹土的抗開裂作用并不隨根系直徑的提高而增加，而是呈先增后降的趨勢。其中，根系直徑2 mm組的表面裂隙率增長最小，抗開裂效果最好。

3) 裂隙平均寬度呈現出迅速增加—逐步下降—上升—穩定的變化過程。裂隙總長度呈現出緩慢增長—迅速增大—穩定的變化過程。

[1] 魯志方,楊曉華,晏長根.土工格室植被護坡防膨脹土邊坡開裂機理研究[J].公路,2016,61(4):23?28.(LU Zhi-fang, YANG Xiao-hua, YAN Chang-gen. Research on cracking mechanism of expansive soil slope with geo- cells flexible retaining wall[J]. Highway, 2016, 61(4): 23?28.(in Chinese))

[2] 李雄威,孔令偉,郭愛國.植被作用下膨脹土滲透和力學特性及塹坡防護機制[J].巖土力學,2013,34(1):85?91. (LI Xiong-wei, KONG Ling-wei, GUO Ai-guo. Permeability and mechanical characteristics of expansive soil and cut slope protection mechanism under vegetation action[J]. Rock and Soil Mechanics, 2013, 34(1): 85?91.(in Chinese))

[3] 李忠泉,崔菲.小河至安康高速公路膨脹土邊坡生態防護技術研究[J].公路交通科技:應用技術版,2009,5(9): 175?176, 183. (LI Zhong-quan, CUI Fei. Research on ecological protection technology of expansive soil slope of Xiaohe-Ankang expressway[J]. Highway Transportation Technology: Applied Technology Edition, 2009,5(9):175?176,183.(in Chinese))

[4] 周成,路永珍,黃月華.香根草加固不同含水率膨脹土的側限膨脹和直剪試驗[J].巖土工程學報,2016,38(S2): 30?35. (ZHOU Cheng, LU Yong-zhen, HUANG Yue-hua. Oedometer expansion and direct shear tests on vetiver root-reinforced expansive soil with different water contents[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2016,38(S2):30?35.(in Chinese))

[5] 張世俊,吳春波,凌天清.膨脹土地區公路邊坡綠化植物種類組合研究[J].交通標準化,2009,37(7):178?180. (ZHANG Shi-jun, WU Chun-bo, LING Tian-qing. Highway slope revegetation plant species combination in expansive soil area[J]. Transport Standardization, 2009, 37(7):178?180.(in Chinese))

[6] 王桂堯,沙琳川,曹文貴,等.加筋率對稻秸稈加筋土開裂特性的試驗研究[J].水文地質工程地質,2017,44(5): 52?58, 65. (WANG Gui-yao, SHA Lin-chuan, CAO Wen-gui, et al. An experiment study of cracking properties of rice straw reinforced soil with different ratios[J]. Hydrogeology & Engineering Geology, 2017, 44(5):52?58,65.(in Chinese))

[7] 顧欣,徐洪鐘.干濕循環作用下纖維加筋膨脹土的裂隙及強度特性研究[J].南京工業大學學報:自然科學版, 2016, 38(3): 81?86. (GU Xin, XU Hong-zhong. Study on crack properties of fiber-reinforced expansive soil under condition of wetting-drying circle[J]. Journal of Nanjing Tech University: Natural Science Edition, 2016, 38(3): 81?86.(in Chinese))

[8] 蔡劍韜. 土工格柵加筋膨脹土拉拔試驗研究[J]. 巖土力學, 2015, 36(S1): 204?208. (CAI Jian-tao. Pull-out test on interface behavior between expansive soils and geogrids[J]. Rock and Soil Mechanics, 2015, 36(S1): 204?208.(in Chinese))

[9] 魏耀華,趙旭,雷軍偉,等.膨脹土重力式擋土墻設計計算方法研究[J].交通科學與工程,2019,35(4):15?21.(WEI Yao-hua, ZHAO Xu, LEI Jun-wei, et al. Study on the design and calculation method of the gravity-retaining wall in the expansive soil[J]. Journal of Transport Science and Engineering,2019,35(4):15?21.(in Chinese))

[10] 莊心善,王康,李凱,等.磷尾礦—EPS玄武巖纖維改良膨脹土試驗研究[J].公路工程,2019,44(1):38?43. (ZHUANG Xin-shan, WANG Kang, LI Kai, et al. Experimental study on modified expansive soil of phosphorous tailings-EPS basalt fiber[J]. Highway Engineering,2019,44(1):38?43.(in Chinese))

[11] 張家俊,龔壁衛,胡波,等.干濕循環作用下膨脹土裂隙演化規律試驗研究[J].巖土力學,2011,32(9):2729?2734.(ZHANG Jia-jun,GONG Bi-wei,HU Bo,et al.Study of evolution law of fissures of expansive clay under wetting and drying cycles[J]. Rock and Soil Mechanics, 2011, 32(9):2729?2734.(in Chinese))

[12] 黎偉,劉觀仕,姚婷.膨脹土裂隙圖像處理及特征提取方法的改進[J].巖土力學,2014,35(12):3619?3626.(LI Wei, LIU Guan-shi, YAO Ting. Improvement of methods for crack image processing and crack feature extraction of expansive soil[J].Rock and Soil Mechanics, 2014, 35(12): 3619?3626.(in Chinese))

[13] 李雄威,馮欣,張勇.膨脹土裂隙的平面描述分析[J]. 水文地質工程地質,2009,36(1):96?99.(LI Xiong-wei, FENG Xin, ZHANG Yong. Depicting and analysis of expansive soil fissure in view of plane[J]. Hydrogeology & Engineering Geology,2009,36(1):96?99.(in Chinese))

[14] 袁俊平,殷宗澤,包承綱.膨脹土裂隙的量化手段與度量指標研究[J].長江科學院院報,2003,20(6):27?30. (YUAN Jun-ping, YIN Zong-ze, BAO Cheng-gang. Quantitative description method & index for fissures in expansive soils[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute,2003,20(6):27?30.(in Chinese))

[15] 劉春,王寶軍,施斌,等.基于數字圖像識別的巖土體裂隙形態參數分析方法[J].巖土工程學報,2008,30(9):1383? 1388. (LIU Chun, WANG Bao-jun, SHI Bin, et al. Analytic method of morphological parameters of cracks for rock and soil based on image processing and recognition[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2008,30(9):1383?1388.(in Chinese))

[16] 唐朝生,施斌,劉春.膨脹土收縮開裂特性研究[J].工程地質學報, 2012, 20(5): 663-673. (TANG Chao-sheng, SHI Bin, LIU Chun. Study on desiccation cracking behaviour of expansive soil[J]. Journal of Engineering Geology, 2012,20(5):663?673.(in Chinese))

[17] 唐朝生,施斌,崔玉軍.土體干縮裂隙的形成發育過程及機理[J].巖土工程學報,2018,40(8):1415?1423.(TANG Chao-sheng, SHI Bin, CUI Yu-jun. Behaviors and mechanisms of desiccation cracking of soils[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2018, 40(8): 1415? 1423.(in Chinese))

Test study on the effect of root growth direction on cracking characteristics of expansive soil

DENG Peng, WANG Gui-yao, MEI Zhi-peng, HUANG Yong-gang, TAO Jian

(School of Civil Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China)

To investigate the improvement role of vegetation in the expansive soil, the vegetation was imitated by fine cordage, and the dry shrinkage cracking tests of soil were conducted with different diameter and layout of roots. The crack suppression mechanism of horizontal roots, vertical roots, oblique roots, mixed roots and different root diameter on the expansive soil was analyzed. The statistics demonstrate that the inhibition to swelling-shrinkage deformation from top to bottom is mixed root, horizontal root, oblique root and vertical root. The surface crack rate of reinforcement on expansive soil shows an increasing amelioration trend firstly. The surface crack rate with root diameter of 2 mm group is 1.6%. Root diameter of 1, 3 and 4 mm groups were 2.6%, 3.4% and 4.06%, respectively. The achievement can provide a certain reference for the related research of expansive soil slope ecological reinforcement slope protection.

expansive soil; simulated rope; cracking experiment; root distribution

U416.1+04

A

1674 ? 599X(2021)01 ? 0019 ? 07

2020?03?16

鄧鵬(1997?)，男，長沙理工大學碩士生。