麥秸稈加筋濱海鹽漬土的加筋效應及工程應用問題

余 沛，柴壽喜，王曉燕，張午斌，魏 麗

(1. 天津城市建設學院 天津市軟土特性與工程環(huán)境重點實驗室，天津 300384；2. 中水北方勘測設計研究有限責任公司 勘察院，天津 300222)

麥秸稈為天然草本纖維材料，化學成分主要為纖維素、半纖維素、木素和多戊糖，無機成分僅占 15%左右[1]，其外表面光滑，附著一層致密的角質層，而內表面組織較為疏松，沒有角質層，有利于膠滴的濕潤、擴散和滲透[2].現有的資料表明，麥秸稈遇水容易腐爛，因此作為加筋材料使用時，需考慮其防腐問題.實驗表明，SH膠浸泡麥秸稈起到了防腐作用，提高了麥秸稈的抗拉能力和延展性能[3]；在一定程度上延長了麥秸稈在加筋土中的使用壽命.麥秸稈加筋豐富了濱海鹽漬土的加筋方法，具有應用和推廣的意義.

J.E.Barret(1958年)[4]在美國佛羅里達州開始利用合成纖維織物作為海岸塊石護坡的墊層，一般認為這是加筋材料使用的開端；20世紀 60年代初，法國工程師 Henri Vidal提出了加筋土理論[5]，實驗證實：在土中摻加一定量的纖維材料，可提高土的強度；Endo和Tsuruta(1969年)[6]現場測試了含有植物根系土的抗剪強度，研究了植物垂直根系對土抗剪強度的增強作用；Manbeian(1973年)[7]采用室內直剪試驗分別研究了大麥、苜蓿、向日葵的根系對土抗剪強度的影響；周錫九等人[8]通過現場抗剪強度試驗，研究了植物根系加筋土的強度特性與其他材料加筋土的強度特性基本吻合；陳昌富等人[9]通過草根加筋土的室內三軸試驗，證實草根加筋土存在一個最優(yōu)的加筋率；魏麗等人[3]探討了麥秸稈的防腐方法，對麥秸稈的力學性能及微觀結構進行分析，結果表明，麥秸稈適宜作加筋材料使用；李敏等人[10]采用麥秸稈作為加筋材料，與石灰共同加筋固化濱海鹽漬土，提高了土的強度.

麥秸稈作為加筋材料賦予了鹽漬土較高的力學性能，按材料學的觀點，宏觀性能取決于微觀結構，而麥秸稈的加筋效應取決于麥秸稈的微觀結構；現對有關筋土效應進行總結和比較，并對影響筋土作用的因素進行分析，探尋麥秸稈加筋土的加筋效應.

1 麥秸稈的加筋效應與影響因素

麥秸稈加筋鹽漬土的加筋效應是由加筋材料與土之間的摩擦力完成的，結果是改變原土體的受力變形性能，從而達到補強的目的.麥秸稈加筋鹽漬土時，在土中是無序分布的，相互彎曲交織的麥秸稈形成的約束空間阻止了土體受力所產生的位移，對土體有一定的補強作用[3].

1.1 麥秸稈的彎曲效應和交織效應

研究表明[11-12]，加筋土固結時，加筋材料會隨之收縮，隨著加筋土剪切變形的發(fā)展，收縮的筋材慢慢舒展開，待加筋材料完全恢復到原狀時，土體已發(fā)生一定的變形，此時加筋材料才開始發(fā)揮作用.

天然麥秸稈具有一定的抗拉強度和延展性，當土承受外力而固結時，加筋材料在彎曲的凹側將產生對土顆粒的壓力和摩擦力，起到加固土體的作用.另外，麥秸稈均勻分布于土中，存在著很多交織點，當交織點處的土顆粒受力時，有產生位移的趨勢，而此時交織的麥秸稈就會阻止這種位移.即任何一段麥秸稈的受力變形都牽動與之交織的各個方向的麥秸稈，從而形成空間受力區(qū)[3].加筋效應示意見圖1.

圖1 加筋麥秸稈的彎曲效應和交織效應示意

可見，麥秸稈產生的這種加筋效應是由于土體發(fā)生變形及麥秸稈本身的特性引起的，筋材對土的補強作用既來自筋土間的摩擦力和咬合力，更來源于筋材對土的空間約束作用.

1.2 水平加筋作用

在土體中的一定部位鋪設水平方向的加筋材料，將土壓實后，土與加筋材料密切結合，形成筋土復合體，它們共同受力、協(xié)調變形.

由于麥秸稈的彈性模量大于土的彈性模量，且變形具有協(xié)調性，在加筋土樣表面施加荷載時，加筋材料與土之間產生較大的摩阻力，限制了加筋土的變形，相當于在土樣側面施加了約束力，這樣在筋土交界面上產生了一個平行于界面的切向力，如圖2所示.

圖2 加筋土三軸試樣的受力分析

由圖2c可知，試樣側面除了承受3σ外，還有一個同3σ方向一致、分布形式相同的Δ3σ的作用，當加筋層數增多時，Δ3σ值增大，這是一個顯著的增量，會起到增大3σ的作用.若使試樣破壞，只有增大1σ，這樣土體的抗剪強度就提高了[13-14].

試驗表明水平加筋層數越多，加筋土強度提高就越大，從而減小了土體的側向變形，起到加筋的目的.

1.3 加筋率與加筋長度的影響

傅華等人[15]的試驗結果表明，對于同一種加筋材料，加筋層數越多，加筋層間距越小，加筋效果越明顯.陳昌富等人[13]以狗尾草為研究對象，每層加筋量分為 8 種情況，分別為 0.2，0.4，0.5，0.6，0.8，1.0，1.2，1.4 g/層.試驗得出結論：加筋材料含量為 0.8 g/層的主應力差值增長最快.當加筋層數一定時，加筋土中存在一個最優(yōu)加筋率，當加筋過多時，它們相互交織不能保證筋材與土體充分接觸，反而因加筋材料間的相對錯動而減弱了加筋效應.可見，在最優(yōu)加筋率條件下，加筋材料產生的加筋效應使土體的強度最大.

李敏等人[10]發(fā)現麥秸稈的長短在加筋土中也有一定的影響，試驗研究表明：摻加長10 mm麥秸稈加筋土的抗壓強度優(yōu)于摻加長 20 mm 麥秸稈的；適宜加筋率為0.3%～0.4%.不同長度麥秸稈加筋土的抗壓強度隨加筋率的變化見圖 3，加筋率為 0.1%和 0.2%時，10 mm長度與20 mm長度麥秸稈加筋土的無側限抗壓強度近乎相等；0.2%后，10 mm長度加筋土的無側限抗壓強度均高于20 mm長度的.因為麥秸稈的表面光滑，加筋率太高時，較長的麥秸稈易在土中形成薄弱面，影響加筋土的整體性，降低強度.

圖3 不同長度麥秸稈加筋土的抗壓強度隨加筋率的變化曲線

1.4 麥秸稈形狀的影響

Hoe I. Ling，M. ASCE等人[16]通過動態(tài)離心模型試驗，分析了長短形狀不一的筋材加固擋土墻的加筋效應；李朝暉等人[17]通過研究輪胎條外觀比(即長寬比)對抗剪強度的影響，表明大形狀輪胎條加筋土有更高的抗剪強度.可見，加筋材料形狀的不同影響了加筋效應，麥秸稈作為加筋材料的一種，也是如此.

加筋麥秸稈的形狀可分為圓筒狀、半圓弧狀和四分之一圓弧狀.楊繼位[18]通過試驗表明加筋麥秸稈的形狀對加筋土無側限抗壓強度有較大影響.摻加半圓弧狀麥秸稈相對于摻加圓筒狀麥秸稈，加筋土的無側限抗壓強度提高了8%；摻加四分之一圓弧狀麥秸稈相對于摻加半圓弧狀麥秸稈，加筋土的無側限抗壓強度提高了7%.

由此可見，不同形狀的麥秸稈在土中產生的加筋效應是不同的，當加筋麥秸稈為四分之一圓弧狀時，加筋土的無側限抗壓強度最大.

2 麥秸稈加筋鹽漬土的強度增長原理

在相同的條件下，摻加適量麥秸稈的鹽漬土與素鹽漬土的力學性能相比分析如下.

(1)麥秸稈加筋鹽漬土后，加筋土的強度和抗變形能力較素鹽漬土有顯著的增強.天然麥秸稈所具有的力學特性決定了它與土的協(xié)調變形能力較強，能適應較大的土體變形.在SH膠中浸泡后，隔斷了麥秸稈與水的接觸通道，使麥秸稈的抗腐蝕性得到增強，其抗拉強度和延伸率也有所提高.楊繼位[18]所做試驗表明，石灰能提高加筋土的無側限抗壓強度，而麥秸稈起到抗拉作用，麥秸稈的加筋作用與石灰的固化作用相結合，提高了濱海鹽漬土的抗壓性能.

(2)從經濟和施工角度考慮，SH膠具有價格低廉、無毒性、滲透性強等優(yōu)點；用 SH膠浸泡麥秸稈后對麥秸稈起到很好的滲透、吸附及封閉作用，浸膠3 d后適宜投入工程使用.因此，選擇天然草本纖維材料麥秸稈加筋鹽漬土與其他材料相比，能有效地降低工程成本；同時拓寬現有加筋材料的種類，豐富了鹽漬土的加筋固化方法[10].

(3)根據未加筋鹽漬土和加筋鹽漬土三軸試驗結果分析得知[19-20]：在土中加入纖維材料，加筋土的c值有較大提高，如圖4所示.

由圖 4可知，加筋后的土的強度提高了.根據莫爾-庫侖強度理論，加筋并未改變土的成分和顆粒級配，可以假定加筋前后鹽漬土的內摩擦角保持不變，得到加筋土處于極限平衡狀態(tài)下的數學表達式

式中：φ 為未加筋土的內摩擦角；c′為加筋土的準黏聚力.比較加筋前后鹽漬土的極限平衡條件，加筋土比未加筋土多了一項c′引起的強度增量，即準黏聚力有了很大的提高.

3 用于加筋鹽漬土麥秸稈的物理性能要求

(1)摻入的麥秸稈的質量必須符合加筋材料的要求.防腐處理后的麥秸稈既不能降低其原有的物理力學性質，又要設法延長麥秸稈在加筋土中的使用壽命.

(2)麥秸稈加筋鹽漬土時，要注意防腐的處理，不宜直接加入.要注意不同長度和不同形狀的麥秸稈對土體的強度影響不同，需通過試驗分析擇優(yōu)選取.

(3)麥秸稈浸泡于 SH膠中時，要控制浸泡的時間，浸膠 1，3，7，14，21，28 d 后的麥秸稈質量變化曲線見圖5.試驗表明，浸膠7 d時麥秸稈對SH膠的吸附基本飽和，浸膠3 d與7 d相比差距較小.因此，綜合考慮施工條件與施工工藝，選用浸膠3 d的麥秸稈較為適宜[10].

圖5 麥秸稈的質量增加率隨浸膠時間的變化曲線

4 麥秸稈加筋土在工程中的應用

4.1 在古代工程中的應用

麥秸稈為天然草本纖維材料，具有一定的拉力和延伸率，在工程應用中，人們將蘆葦、長纖維的麥秸、稻草等用于砌筑墻面、加固地基等.它們的直徑、長短不一，隨機地摻加到土中，與土形成一個完整的復合體.經歷了上千年的天然土工材料加筋土工程——“萬里長城”(西北地區(qū)的土質長城)能保留至今，不能不說是個奇跡；敦煌莫高窟附近的佛塔即為在土中混入一些竹片、蘆葦和麥秸，用夯錘分層夯實而成[20].這些事實表明，采用天然草本纖維做加筋材料是可行的.

4.2 在現代民用建筑中的應用

陳嘉等人[21]采用在土體中摻和麥秸稈，形成纖維土坯的原材；在土中摻和麥秸稈，麥秸稈與土的摩擦和黏結可以約束土體，提高土體的抗變形性能.在房屋的抗震設計中，墻體的變形能力是房屋抗倒塌的重要指標.使用土質材料的房屋，在新疆廣大農村地區(qū)得到廣泛應用，其優(yōu)越的建筑物理性能和環(huán)保性，得到村鎮(zhèn)居民的青睞.現在仍有部分農村利用加有樹根、稻草或麥秸稈的黏土、磚塊來修建住宅.

4.3 加筋鹽漬土與道路工程應用

選用天然草本纖維材料麥秸稈加筋濱海鹽漬土，不僅可以拓寬加筋材料的種類，還可以豐富加筋土理論，為開發(fā)鹽漬土地區(qū)的加筋土技術提供理論支持.將麥秸稈浸泡在高分子材料 SH膠中進行防腐處理后，可服務于濱海鹽漬土地區(qū)的高等級公路路堤工程建設.

劉孔杰等人[22]的研究表明，濱海鹽漬土道路經常出現路面鹽脹、翻漿、溶陷和腐蝕以及路基次生鹽漬化等病害.鹽漬土用作路基填料應做改性處理，否則其膨脹性不能滿足規(guī)范要求；葛新等人[23]利用風積沙摻加鹽漬土克服了鹽漬土的翻漿問題；周琦[24]通過多種固化方案，對濱海鹽漬土進行了改良試驗研究，使其能夠滿足公路工程建設的需要；魏麗[25]由麥秸稈加筋土離心模型試驗的初步方案及疲勞試驗總結，發(fā)現麥秸稈、石灰、粉煤灰及 SH膠加筋固化后，一方面增加了半剛性基層的抗彎強度和抗變形能力，減輕半剛性基層開裂；另一方面麥秸稈加筋土近似均質土體，能阻止或延緩裂縫的出現與發(fā)展，使路堤的抗疲勞特性提高，進而延長路面的使用壽命；楊繼位[18]通過無側限抗壓強度試驗證實，以最優(yōu)條件加筋的麥秸稈加筋土可改善加筋土體的水穩(wěn)定性，提高加筋土的抗壓強度和抵抗變形的能力.

5 未來的研究問題

在加筋土作用機理研究中已有比較成熟的理論方法，但理論滯后于實踐.加筋土技術作為一項新的土工工程技術，在實際施工中，耦合作用機理的不明確性、設計理論的盲目性、施工技術的缺乏針對性、檢測技術的片面性等，使加筋土技術潛伏著較大的安全隱患和工程浪費[26-27]，這些都制約著麥秸稈更加廣泛地推廣應用.因此還有待于從事麥秸稈資源開發(fā)利用的專家、技術人員們不懈地研究與探索，使麥秸稈的應用技術更加成熟.

(1)纖維加筋土技術雖已應用于地基工程中，但對于纖維加筋機理的認識仍不完整，對于纖維加筋土的設計也缺乏統(tǒng)一的方法.如何延長麥秸稈在土體中的防腐時間，以及進一步提高筋材使用壽命，并考慮筋材在填土中的耐久性問題還需要進一步探索.

(2)傳統(tǒng)的加筋土分析方法都是建立在加筋土極限平衡理論的基礎上，即假設破裂面，利用加筋材料從土中拔出或拉斷，來分析加筋土的抗拉強度和黏著破壞時的承載力，但無法分析研究結構的變形機制.目前亟待解決的問題是準確測試和評價麥秸稈形態(tài)以及麥秸稈加筋鹽漬土的真實性能；如何定量地解釋麥秸稈的摻入與其他成分發(fā)生的組合、疊加效應的影響，這些有待于在以后的工作中進行深入研究.

(3)筋、土的彈性模量差異較大，因此需要進行大量試驗研究.如何在試樣制備中真實反映麥秸稈在土中的實際分布，考慮如何克服兩者之間的差異變形，促使兩者發(fā)揮出最大承載潛能，尚存在一定技術上的困難，還有待于以后進一步研究.

6 結 語

(1)麥秸稈的加筋效應主要是由加筋土的加筋作用及破壞模式所帶來的加固效果兩者形成的，由于加筋的存在改變了土的微結構.麥秸稈加筋鹽漬土時，與土形成復合體，由于摩擦作用使土的抗剪強度和抗變形能力有了提高.

(2)麥秸稈特有的成分和表面特性，賦予其具有一定的抗拉力和延伸率.天然麥秸稈良好的物理力學性能很好地適應了土體的變形，提高了加筋土的抗壓強度，拓寬了現有加筋材料的種類，豐富了濱海鹽漬土的加筋固化方法.

(3)濱海鹽漬土存在鹽脹、溶陷等工程地質問題，用麥秸稈做加筋材料可應用于加筋濱海鹽漬土及地基工程中.

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