测定边坡植株根-土复合体力学特性的试验系统及试验方法

摘要

本发明所述测定边坡植株根‑土复合体力学特性的试验系统，包括围绕某一植株保护性挖掘，使植株所在土垒位于中心的工字型试验土坑、垂直加载组、水平梯级加载‑受力组、剪切位移测量组，工字型其中一翼的土坑中靠近植株土垒预留有一堵土墙，定义此坑为后坑，相对的一翼为前坑；所述垂直加载组由横跨植株土垒和两侧地表面，并预留出供植株穿过的空隙的垂直加载板、用于支撑垂直加载板对称设置在两侧地表面上和植株土垒上的三组支撑柱、堆放在植株土垒正上方垂直加载板上的堆载物组成；所述水平加载‑受力组包括多层剪切盒、多层土压力盒、多块垫板、竖向拉杆及滑轮。本发明所述系统可同步测定边坡上不同深度根‑土复合体力学特性。

说明书

技术领域

本发明属于生态护坡领域，具体涉及一种测定边坡植株根-土复合体力学特性试验系统和方法。

背景技术

近年来，随着全球气候变化、自然环境的恶化和植被的破坏，出现了越来越多的滑坡和泥石流。边坡与河岸的加固和长期稳定及其与生态环境的相容性也越来越受到重视，因此生态护坡和生态护岸技术越来越受到工程技术人员的青睐。但是人们在使用植被护坡和护岸的设计和施工中，往往难以准确测定边坡植株不同深度根-土复合体的力学特性。设计中不同深度根系分布的土层的抗剪强度指标一般按一个均值取用，经验性的取值方法既不准确也难以反映植株实际的受力变形破坏机理。

目前实验室里常用直剪仪、单剪仪、环剪仪来测定土体抗剪强度。在实验室常用四个土样分别在不同垂直压力下施加水平荷载进行剪切以求得固定破坏面上的剪应力，然后确定土的抗剪强度参数内摩擦角和凝聚力。直剪仪上下两个剪切盒结构简单、操作方便，试验时一般土样放在上剪切盒中，在一定法向压力下剪切，发生剪切错动位移。不仅使得剪切面附近的土体应力不均，而且其变形条件与实际情况出入较大，靠近剪切方向的上盒的后侧壁处的土体挤压明显，而前侧壁处的土体发生松动，从而导致剪切面应力和应变分布都不均匀，试验结果精度降低。另外通常在实际剪切面一定距离范围内的土体都有不同程度的剪切变形。单剪仪的叠环式剪切盒的结构比直剪仪稍复杂，试样位于若干重叠放置的圆环内，圆环及土样置于底座上，底座沿水平方向移动，同时保持试样顶部的加压盖板固定不动。当剪切变形发生后，试样顶部水平向固定导致试样的叠环一边上翘，从而使试样内竖向应力分布不均。试验中距离剪切面一定范围内的土体可以有剪切变形，与实际比较接近，但剪切面上的应力分布仍不均匀，尤其在剪切变形较大时。环剪仪不存在边界挤压引起试样应力分布不均情况，只要试样环向的厚度相比于环的直径足够小，可以用试样中心环处的剪切位移及剪应力代表整个剪切面上的位移和应力，因而剪应力分布不均不会引起太大误差。但是由于沿半径方向剪切面上的剪切位移不同，也会导致剪应力分布不均，而且结构较复杂、使用也不太方便。

受实验室沿固定面剪切土样以测定土的抗剪强度做法的启发，人们往往采用一个大的直剪盒套住现场植株及其根系周围不同深度的土体，然后施加水平力使盒子底面土体和根系受剪，从而测定某深度处固定剪切面上根系-土的抗剪强度。这种做法由于在试验前开挖试坑时就必须把直剪盒周围的根系铲除，只留下剪切盒底面上的根系；直剪盒内根系和土体都是随剪切盒的刚体平移而受力，根系和土体难以发挥出根-土共同作用需要的竖向变形和水平剪切变形的条件；而且土体自重应力在设定的单一固定剪切面上产生的抗剪强度沿着深度越来越大，试验结果往往难以甄别同一剪切面上根系所提供的抗剪强度。另外，众所周知，根系从地表往下分布模式一般是：上部侧根分布宽、长而粗、须根多，不同深度的主根和侧根呈不同的分布，根系与土体的共同作用在不同深度内是不同的，一般越往下越不同于上部的根系分布，测试结果难以真实全面地反映根系的空间分布及其抗剪和抗拉拔性能对其固土作用的影响。因此，传统的只有一个固定剪切面的根-土复合体的试验方法是很难反映整个植株根系深度范围内的根-土复合体力学性能的。

因此，针对实验室里常用的上述三种剪切仪器-直剪仪、单剪仪、环剪仪的试验方法的优缺点，以及目前现场或室内根-土复合体单一固定剪切面测试方法的不足，迫切需要研发一种新型测定边坡植株根-土复合体力学特性的试验系统及试验方法。

发明内容

本发明旨在提供一种新型测定边坡植株根-土复合体力学特性的试验系统及试验方法。

本发明是基于在研的国家自然科学基金面上项目(No:51579167)的资助。

本发明所述新型测定边坡植株根-土复合体力学特性的试验系统，包括围绕某一植株保护性挖掘，使植株所在土垒位于中心的工字型试验土坑、垂直加载组、水平梯级加载-受力组、剪切位移测量组，工字型其中一翼的土坑中靠近植株土垒预留有一堵土墙，定义此坑为后坑，相对的一翼为前坑；所述垂直加载组由横跨植株土垒和两侧地表面，并预留出供植株穿过的空隙的垂直加载板、用于支撑垂直加载板对称设置在两侧地表面上和植株土垒上的三组支撑柱、堆放在植株土垒正上方垂直加载板上的堆载物组成，用于对植株土垒施加法向应力；所述水平加载-受力组包括多层剪切盒、多层土压力盒、多块垫板、竖向拉杆及滑轮，所述剪切盒沿着植株土垒安装在不同高度，多个土压力盒分别安装在土墙和每个剪切盒之间，土墙背面对应植株土垒位置和宽度沿土墙高度贴墙固定多个平行的横向垫板，所述竖向拉杆对应植株土垒中心，紧贴垫板埋设在后坑中，且高度高于土墙；所述滑轮固定在前坑的前端地表挖掘的土坑中，滑轮配套有拉索和砝码，拉索一端绕过滑轮连接砝码，另一端固定在拉杆顶端，用于对剪切盒施加水平推力，拉索上安装有拉力传感器及其数据采集仪；所述剪切位移测量组由埋设在前坑中两侧的两根固定立柱、安装在立柱上对应每层剪切盒前缘的悬挑标尺或LVDT位移传感器，用于每层剪切盒的水平剪切位移监测。

进一步地，所述每层剪切盒为矩形框体，每层框体四壁由若干竖向且平行的框条间隔一定距离拼成格栅式，预留出供植株根系穿过的空隙。

进一步地，所述垂直加载板为两块一边缘带有半圆形空缺的钢板，每块横跨植株土垒和地表面，且空缺边缘相对放置拼成一空心圆，预留出供植株穿过的空隙。

进一步地，垂直加载板的三组支撑柱由土袋垒成，试验坑两岸地表上的土袋支撑柱的最上层用装满水的塑料瓶代替土袋，以便在试验开始时两侧对称地将装满水的塑料瓶拧开放出水使加载板和两边的土袋支柱脱离，从而使得堆载的重力全部通过垂直加载板作用在植株土垒的土体上，施加法向应力。

进一步地，土墙里不同深度埋设有吸力传感器和含水率传感器，用于受力或降雨前后土体的吸力和含水率分布和变化规律的测定。

进一步地，竖向拉杆下端埋入土体中一定深度并锚固，并通过设置在拉杆和土坑侧壁之间的固底千斤顶顶住，以增强其抵抗受拉后的锚固能力。

本发明提供的基于上述试验系统的梯级水平荷载下根-土复合体的剪切实验方法：布置好所述试验系统；将试验坑两岸地表面上垂直加载板的支撑柱上层的塑料瓶拧开放出水，使垂直加载板和土袋支柱脱离受力，从而使得堆载的重力全部通过垂直加载板作用在植株土垒的土体上，施加法向应力；在滑轮上拉索一端逐级加载上砝码，砝码的重力转变为拉索对竖向拉杆的拉力，使拉杆发生弯曲变形，拉杆受力后通过与土墙紧贴的垫板给土墙施加水平土压力，水平土压力被传递给土墙前面的各层土压力盒和剪切盒以便施加水平推力，从而推动各层的剪切盒移动。各层剪切盒在发生不同水平剪切位移时受到梯级分布的水平推力。水平推力通过土压力盒记录，位移变化通过每层剪切盒前缘的悬挑标尺或LVDT位移传感器测量，竖向荷载保持不变，绘制多层测点的水平荷载-剪切位移或者换算的各层剪应力和剪切位移的关系曲线，以研究根-土复合体的抗剪受力和变形特性，以及不同空间分布的根系改善土体延性的能力。

在上述剪切试验方法中，开挖试坑时，围绕植株土垒安装多层叠合的剪切盒，根据植株根系分布特征布置剪切盒格栅式边壁，对应每层剪切盒在其靠近土墙的受力侧安装土压力盒，在其它三个不受力侧调整间距使根系穿过格栅空隙，使得试验过程不必剪断剪切盒周围的根系，从而保护植株。

本发明提供的基于上述试验系统的逐级竖向荷载下根-土复合体的无侧限压缩试验方法：仅使用垂直加载，不使用剪切盒，植株土垒四周无侧限(仅开挖土坑和安装垂直加载组)，在垂直加载板上加载应力范围外安装百分表，用于测量垂直加载板的沉降；将两侧岸地面上垂直加载板的2组支撑柱上层的塑料瓶拧开放出水，使垂直加载板和土袋支柱脱离受力，从而使得堆载的重力全部通过垂直加载板作用在植株土垒的土体上，不断增加堆载物数量，逐级施加法向应力，整个过程无水平推力；记录每级竖向荷载作用下沉降稳定后的数值，绘制竖向荷载-沉降关系曲线，以研究根-土复合体的竖向受力和变形特性，以及不同空间分布的根系改善土体延性的能力。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明所述试验系统可以同步测定边坡上不同深度根-土复合体力学特性。

2、本发明方法中采用土墙间隔技术，把拉杆传递给垫板的集中荷载通过柔性土墙传递、转换成水平向的分布荷载，再传递给土墙另一侧的土压力盒，这样不会改变土压力的水平方向，从而保证了多层剪切盒梯级分布的水平受力。

3、本发明所述试验系统，由于剪切盒侧壁采用格栅拼板预留多个间隙，可以保留剪切盒外的根系在试验过程中不需剪断，从而可以更为准确地评估一株灌乔木植物的根系整体固土能力。

4、本发明所示试验系统方便了在土墙里不同深度埋设吸力和含水率传感器，以便同步测到受力前后边坡不同深度土体的吸力和含水率分布规律。

5、本发明所示试验系统结构简单，使用方便。

6、本发明所述试验系统利用多层土压力盒和LVDT位移传感器，直接测定多层测点的梯级水平荷载-剪切位移关系曲线，避免了背景技术中固定剪切面上的剪应力分布不均匀、试验结果精度降低的难题。

附图说明

图1是本发明所述试验装置的平面(俯视)图；

图2是本发明所述试验装置的侧面图；

图3是本发明所述试验根系穿过剪切盒侧壁格栅空隙的分布图；

图4是本发明所述的多层剪切盒的受力图(编号从上往下)；

图5是本发明所述的无侧限压缩试验装置的侧面图。

图中，1-垂直加载板(载荷板)、2-支撑柱(包括其顶部装水的塑料箱或瓶)、3-堆载物、4-多层土压力盒、5-多层剪切盒、6-垫板、7-土墙、8-拉杆、9-固底千斤顶(及配套装置)、10-拉索、11-滑轮、12-砝码(或其他重物)、13-三角支架、14-标尺或LVDT位移传感器、15-拉力传感器及其数据采集仪、16-固定立柱、17-吸力传感器、18-含水率传感器、19-植株及其根系、20-百分表。

图中以及以下实施例中，垂直加载板、多层剪切盒可由市场加工定制，多层土压力盒、固底千斤顶(及配套装置)、标尺或LVDT位移传感器、拉力传感器及其数据采集仪、吸力传感器、含水率传感器、百分表等均可从市场购买商品。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明所述新型测定边坡植株根-土复合体力学特性的试验系统及试验方法作进一步说明。

实施例1

本实施例所述新型测定边坡植株根-土复合体力学特性的试验系统，如图1-3所示，包括围绕某一植株保护性挖掘，使植株所在土垒位于中心的工字型试验土坑、垂直加载组、水平梯级加载-受力组、剪切位移测量组，工字型其中一翼的土坑中靠近植株土垒预留有一堵土墙7，定义此坑为后坑，相对的一翼为前坑；

所述垂直加载组由横跨植株土垒和两侧地表面，并预留出供植株穿过的空隙的垂直加载板1、用于支撑垂直加载板对称设置在两侧地表面上和植株土垒上的三组支撑柱2、堆放在植株土垒正上方垂直加载板上的堆载物3组成，用于对植株土垒施加法向应力；所垂直述加载板为两块一边缘带有半圆形空缺的钢板，每块横跨植株土垒和地表面，且空缺边缘相对放置拼成一空心圆，预留出供植株穿过的空隙。加载板两端架在试验土坑两侧支柱上，中间压在植株土体表面，堆载物避开植株放置在这三组支撑的加载板上。垂直加载板的三组支撑柱由土袋垒成，试验坑两岸地表上的土袋支撑柱的最上层用装满水的塑料瓶代替土袋，以便在试验开始时两侧对称地将装满水的塑料瓶拧开放出水使加载板和两边的土袋支柱脱离，从而使得堆载的重力全部通过垂直加载板作用在植株土垒的土体上，施加法向应力。相比传统的重物堆载，联合千斤顶反压提供法向应力的做法更省事。

所述水平加载-受力组包括多层剪切盒5、多层土压力盒4、多块垫板6、竖向拉杆8及滑轮11，所述剪切盒沿着植株土垒安装在不同高度的多层，剪切盒为矩形框体，每层框体四壁由若干竖向且平行的框条间隔一定距离拼成格栅式，预留出供植株根系穿过的空隙。多个土压力盒分别安装在土墙和每个剪切盒之间，土墙背面对应植株土垒位置和宽度沿土墙高度贴墙固定多个平行的横向垫板6，所述竖向拉杆对应植株土垒中心，紧贴垫板埋设在后坑中，且高度高于土墙；所述滑轮固定在前坑的前端地表挖掘的土坑中，通过三角支架13固定，滑轮配套有拉索10和砝码12，拉索一端绕过滑轮连接砝码，另一端固定在拉杆顶端，用于对多层剪切盒施加水平推力，拉索上安装有拉力传感器及其数据采集仪15。竖向拉杆下端埋入土体中一定深度并锚固，并通过设置在拉杆和土坑侧壁之间的固底千斤顶9顶住，以增强其抵抗受拉后的锚固能力。

所述剪切位移测量组由埋设在前坑中的两根固定立柱16、安装在立柱上对应每层剪切盒前缘的悬挑标尺或LVDT位移传感器14，用于每层剪切盒的水平剪切位移监测。立柱远离剪切盒应力影响区域，其上的悬挑标尺或LVDT位移传感器在每层剪切盒前缘。

土墙里不同深度埋设有吸力传感器17和含水率传感器18，用于受力或降雨前后土体的吸力和含水率分布和变化规律的测定。

实施例2

基于实施例1所述试验系统，竖向载荷不变，开展梯级水平荷载下根-土复合体的剪切实验方法，开挖试坑，布置好所述试验系统，围绕植株土垒安装多层叠合的剪切盒，对应每层剪切盒在其靠近土墙的受力侧安装土压力盒，在其它三个不受力侧根据植株根系分布布置剪切盒格栅式边壁，调整间距使根系穿过格栅空隙，使得试验过程不必剪断剪切盒周围的根系，从而保护植株。对应每层剪切盒在其靠近土墙的受力侧安装土压力盒，用于监测每层剪切盒的水平梯级分布的土压力，同时测定受力或降雨前后土体的土压力分布和变化规律。将试验坑两岸地表面上垂直加载板的支撑柱上层的塑料瓶拧开放出水，使垂直加载板和土袋支柱脱离受力，从而使得堆载的重力全部通过垂直加载板作用在植株土垒的土体上，施加法向应力；在滑轮上拉索一端逐级加载上砝码，砝码的重力转变为拉索对竖向拉杆的拉力，从而逐级对剪切盒施加水平推力，推动各层的剪切盒移动(受力如图4所示)，水平推力通过土压力盒记录，位移变化通过每层剪切盒前缘的悬挑标尺或LVDT位移传感器测量，竖向荷载保持不变，绘制多层测点的水平荷载-剪切位移或者换算的各层剪应力和剪切位移的关系曲线，以研究根-土复合体的抗剪受力和变形特性，以及不同空间分布的根系改善土体延性的能力。

实施例3

基于实施例1所述试验系统，不施加水平荷载，开展多级竖向荷载下根-土复合体的无侧限压缩实验：仅使用垂直加载，不使用剪切盒植株土垒四周无侧限，开挖试坑时，围绕植株根据植株根系分布挖掘，使得试验过程不必剪断根系，从而保护植株。在垂直加载板上加载应力范围外安装百分表20，百分表安装在垂直加载板上，表架在外围稳定处，不受加载应力范围影响。用于测量垂直加载板的沉降；将两侧岸地面上垂直加载板的支撑柱上层的塑料瓶拧开放出水，使垂直加载板和土袋支柱脱离受力，从而使得堆载的重力全部通过垂直加载板作用在植株土垒的土体上，不断增加堆载物数量，逐级施加法向应力，整个过程无水平推力；记录每级竖向荷载作用下沉降稳定后的数值，绘制竖向荷载-沉降关系曲线，以研究根-土复合体的竖向受力和变形特性，以及不同空间分布的根系改善土体延性的能力。