考虑土体含水率的根-土复合体抗剪强度计算方法

技术领域

本发明属于岩土、地质工程技术领域，具体为考虑土体含水率的根-土复合体抗剪强度计算方法。

背景技术

近年来世界各地极端降雨频发，从而引发浅层滑坡、泥石流等地质灾害。比如，中国东南沿海地区丘陵山地广分布且经常受到台风侵袭，台风所带来的强降雨对斜坡稳定产生不利影响，使得这些地区饱受滑坡灾害困扰。这些滑坡中一个值得注意的点便是具有较高的植被覆盖率。随着水土保持理念不断更新，植物根系在边坡稳定和侵蚀控制中起的重要作用已经得到认同。植物根系可以通过保持或者降低土壤水分含量，增强土壤剪切强度来加固土壤。基于根系的力学尺寸效应，目前比较认同的理论有粗根锚固作用与细根加筋作用。

对于植被发育的斜坡而言，具有较高强度的植物根系与较低强度的土壤相结合为根-土复合体，通过相互之间的物理力学作用提高土体的抗剪强度与抗变形性能。由于根系的复杂性，根-土复合体抗剪强度的准确计算一直是个难题，特别是对不同含水率下的根-土复合体抗剪强度值的计算，考虑含水率的根-土复合体抗剪强度计算方法能够为降雨作用下的植被覆盖区滑坡稳定性分析提供重要依据。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷和不足，本发明目的是提供一种考虑土体含水率的根-土复合体抗剪强度计算方法，提供了一种基于土体含水率与区域内根总面积测定根-土复合体抗剪强度的方法。通过测量土体含水率与区域内根总面积，结合考虑含水率修正系数k

其通过测量土体含水率与区域内根总面积，结合修正系数k′、考虑含水率的土体黏聚力修正系数k

本发明解决其技术问题具体采用的技术方案是：

一种考虑土体含水率的根-土复合体抗剪强度计算方法，其特征在于：通过测量土体含水率与区域内根总面积，结合考虑含水率修正系数k

进一步地，具体包括以下步骤：

步骤S1：传统Wu模型未考虑水分对根-土复合体强度的影响，无法计算不同含水率的根-土复合体强度。因此基于Wu模型，考虑含水率对于土体本身黏聚力与根系附加黏聚力影响，引入与土体含水率相关的修正系数k

式中：s

其中，考虑含水率的土体黏聚力修正系数k

k

式中：c，d为土性参数；

考虑含水率的根系附加黏聚力修正系数k

k

式中：a，b为土性参数；

步骤S2：通过室内土工实验测得土体在不同含水率下的土体黏聚力c与土体内摩擦角

步骤S3：通过野外调查测试获得根-土复合体的区域内根总面积A

步骤S4：通过野外调查测试获得根-土复合体的区域内根总面积A

步骤S5：通过室内单根拉伸试验获得所需根系的平均抗拉强度T

步骤S6：根据步骤S2测得的虑含水率的土体黏聚力修正系数k

进一步地，步骤S1当中，考虑土体含水率的根-土复合体抗剪强度公式的获得具体过程如下：

1a)在现有技术的范畴内，根据Wu模型，有一种能够估算根-土复合体抗剪强度的简易模型；

式中：s

其中：

s

式中：T

1b)考虑原位直剪试验中，对于根-土复合体剪切面，正应力为：

σ＝ρVg/A＝(ρ

ρ

1c)考虑采集的含水率为体积含水率，体积含水率与质量含水率的转换关系为：

θ

式中：θ

1d)联立式(6)、(7)获得根-土复合体剪切面正应力与土体体积含水率关系：

σ＝(ρ

1e)考虑对于根系提供的附加黏聚力，Wu模型的计算结果偏高，因此在模型中引入修正系数校正Wu模型，将式(5)改写为：

s

式中：k′为修正系数，为根系附加黏聚力实测值与模型值的比值；

1f)采用式(9)对应的修正后的Wu模型对不同RAR的根系附加黏聚力进行计算，作为该根系在常规含水率下的根系附加黏聚力，并与实测的不同含水率作用下根系附加黏聚力进行对比，定义在水分影响下的根系附加黏聚力与修正Wu模型计算的自然含水率下的根系附加黏聚力比值为考虑含水率的根系附加黏聚力修正系数，修正系数k

k

式中：a，b为土性参数；

1g)由于坡残积黏性土的土体内摩擦角

k

式中：c，d为土性参数；

1h)由式(4)、(9)及修正系数，得到式(1)的表达形式。

进一步地，测得的虑含水率的土体黏聚力修正系数k

测得修正系数k′的具体做法为：根据实测的根系附加黏聚力实测值与Wu模型计算值相除，所得比值既为k′。

测得的虑含水率的土体黏聚力修正系数k

相比于现有技术，本发明及其优选方案利用测量土体含水率与区域内根总面积，结合改进的Wu模型，计算考虑含水率的根-土复合体抗剪强度，用来确定不同含水率下根-土复合体的抗剪强度值，解决了不同含水率下根-土复合体抗剪强度值难以计算的问题。对于植被发育的斜坡而言，具有较高强度的植物根系与较低强度的土壤相结合为根-土复合体，通过相互之间的物理力学作用提高土体的抗剪强度与抗变形性能。因此利用测量土体含水率与区域内根总面积，结合改进的Wu模型，计算不同含水率的根-土复合体抗剪强度对降雨作用下植被滑坡稳定性分析及监测预警具有重要的理论及实际意义。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：

图1本发明实施例土体黏聚力修正系数k

图2本发明实施例根系附加黏聚力修正系数k

具体实施方式

为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本说明书使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

如图1、图2所示，本发明实施例提供一种考虑土体含水率的根-土复合体抗剪强度计算方法，包括如下步骤：

为实现上述目的，本发明所涉及的一种考虑含水率的根-土复合体抗剪强度计算方法包括如下步骤:

1)传统Wu模型未考虑水分对根-土复合体强度的影响，无法计算不同含水率的根-土复合体强度。因此本发明基于Wu模型，考虑含水率对于土体本身黏聚力与根系附加黏聚力影响，引入与土体含水率相关的修正系数k

式中：s

其中，考虑含水率的土体黏聚力修正系数k

k

式中：c，d为土性参数。

考虑含水率的根系附加黏聚力修正系数k

k

式中：a，b为土性参数。

基于Wu模型，考虑含水率对于土体本身黏聚力与根系附加黏聚力影响，提出一种考虑土体含水率的根-土复合体抗剪强度计算方法具体过程如下：

1a)Wu等基于土力学与材料力学相关理论，建立了一种能够估算根-土复合体抗剪强度的简易模型。

式中：s

其中：

s

式中：T

1b)原位直剪试验中，对于根-土复合体剪切面，正应力为：

σ＝ρVg/A＝(ρ

式中：ρ

1c)由于在滑坡监测中许多土体含水率传感器采用的是TDR原理，因此采集的含水率为体积含水率，体积含水率与质量含水率的转换关系为

θ

式中：θ

1d)联立式(6)、(7)可得根-土复合体剪切面正应力与土体体积含水率关系

σ＝(ρ

1e)对于根系提供的附加黏聚力，许多学者发现Wu模型的计算结果偏高，因此许多学者在模型中引入修正系数校正Wu模型，式(5)可改写为：

s

式中：k′为修正系数，为根系附加黏聚力实测值与模型值的比值。

1f)采用修正后的Wu模型(式9)对不同RAR的根系附加黏聚力进行计算，作为该根系在常规含水率下的根系附加黏聚力，并与实测的不同含水率作用下根系附加黏聚力进行对比，定义在水分影响下的根系附加黏聚力与修正Wu模型计算的自然含水率下的根系附加黏聚力比值为考虑含水率的根系附加黏聚力修正系数，修正系数k

k

式中：a，b为土性参数。

1g)由于坡残积黏性土的土体内摩擦角

k

式中：c，d为土性参数。

1h)由式(4)、(9)及后续的修正系数，可得到考虑土体含水率变化的根-土复合体抗剪强度计算公式：

式中：s

2)通过室内土工实验测得土体在不同含水率下的土体黏聚力c与土体内摩擦角

3)通过野外调查测试获得根-土复合体的区域内根总面积A

4)通过野外调查测试获得根-土复合体的区域内根总面积A

5)通过室内单根拉伸试验获得所需根系的平均抗拉强度T

6)根据步骤2)测得的虑含水率的土体黏聚力修正系数k

下面结合具体实例对本发明作进一步描述：

本实施例所用实例为福建龙岩武平地区的马尾松根系与坡残积黏性土组成的根-土复合体。首先在现场取与根-土复合体一致的坡残积黏性土，并于室内配置体积含水率25％、30％、35％、40％、45％的重塑土进行室内直剪试验，得到不同含水率下坡残积黏性土黏聚力变化情况，并根据式(11)进行拟合，拟合曲线如图1所示。得到土性参数c＝2.09,d＝-0.04，考虑含水率的土体黏聚力修正系数k

表1修正WU模型计算结果

现有技术提供的根-土复合体计算模型并不能计算不同含水率下的根-土复合体抗剪强度，本发明利用含水率传感器测量土体含水率，用挖掘法与电子游标卡尺测量区域内根总面积，结合改进的Wu模型，计算考虑含水率的根-土复合体抗剪强度，用来确定不同含水率下根-土复合体的抗剪强度值，解决了不同含水率下根-土复合体抗剪强度值难以计算的问题。对于植被发育的斜坡而言，计算考虑含水率的根-土复合体抗剪强度对降雨作用下植被滑坡稳定性分析及监测预警具有重要的理论及实际意义。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的考虑土体含水率的根-土复合体抗剪强度计算方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。