竹條加筋土的大尺寸直剪試驗研究

馬 強，邢文文，李麗華，鄭貞藝

(湖北工業(yè)大學 土木工程與建筑學院，武漢 430068)

竹條加筋土的大尺寸直剪試驗研究

馬 強，邢文文，李麗華，鄭貞藝

(湖北工業(yè)大學 土木工程與建筑學院，武漢 430068)

為確定竹條加筋砂土的筋土界面工作機理，進行了大尺寸直剪試驗。將厚度為5 mm的竹材分別制成長度為20，40，60 mm，寬度為10 mm的竹條，并分別按0.2%，0.4%，0.6%，0.8%，1.0%,1.2%的質量百分含量加入到砂土中，對加入竹條的砂土進行大尺寸直剪試驗研究。結果表明：與純砂相比，竹條加筋土的抗剪強度明顯增強，峰值強度和殘余強度均有所提高；竹條加筋土的黏聚力和內摩擦角均有所增加，其中黏聚力變化較大，內摩擦角變化較小；竹條加筋土的峰值抗剪強度隨著竹條尺寸和竹條加筋率的增加呈現(xiàn)先增加后減小的規(guī)律；尺寸為10 mm×40 mm且質量百分含量為0.8%的竹條加筋砂土效果最佳。

竹條加筋土；大尺寸直剪試驗；強度特性；黏聚力;加筋率

1 研究背景

現(xiàn)今工程實踐中常采用土工合成材料作為土體加筋材料，這些合成加筋材料由高分子聚合物構成，其生產過程會有一定環(huán)境污染，應用時又需長距離運輸，若工程中能夠就地取材，應用天然材料進行加筋，將具有良好的經濟效益和生態(tài)效益。

竹子具有一定的強度和韌性，是很好的天然加筋材料，在土木工程領域的應用已較為普遍。國內外學者在竹材物理和力學特性方面開展了大量的研究，主要集中在竹材力學性能及其影響因素方面。Chen等[1]通過化學和物理方法研究了竹纖維、竹纖維束和竹條的物理力學性質。張丹等[2]和李旭[3]根據GB/T15780—1995[4]研究了不同竹齡、竹節(jié)等條件下毛竹的力學性能。Bergado等[5]利用直接剪切試驗和拉拔試驗研究了竹網和土工格柵加筋粉質黏土的加筋效果，結果表明竹網加筋效果略好于土工格柵。Ma’ruf 等[6]通過大量直剪試驗研究了印度尼西亞Apus品種竹子根系的加筋效果，結果表明竹根加筋土的抗剪強度與竹根的體積百分比呈現(xiàn)線性增加關系。陳俊[7]總結并綜述了竹子的力學性能、竹子的加筋原理、竹子的運用以及竹子防霉的研究現(xiàn)狀。此外，國內外學者對竹子作為加筋材料在實際工程中的運用進行了一系列的研究。黨發(fā)寧等[8]介紹了將竹子作為抗拉筋材加固軟土路基的應用效果。Toh等[9]研究了馬來西亞地區(qū)土工織物與竹子混合加筋軟土的加筋效果。He等[10]研究了水泥和竹條加筋土的強度特性。王蕾等[11]用竹筋格柵加固公路軟基，并利用三軸試驗研究了其加筋土性質。石振明等[12]通過對某實際工程竹筋地基現(xiàn)場監(jiān)測成果和數(shù)值模擬分析了竹筋對軟土地基的加筋效果。文華等[13]基于川南地區(qū)常見的粉質黏土軟弱路基的特點，經過現(xiàn)場試驗研究，總結鄉(xiāng)村公路竹筋加筋土路基施工工藝以及關鍵技術。張世賢等[14]基于攀西地區(qū)鳳尾竹的試驗結果，利用數(shù)值模擬分析了地震作用下竹筋加筋土擋墻的動力特性。Jian等[15]通過數(shù)值分析和室內試驗研究了竹子作為錨桿加固軟土路基的情況。王曉東等[16]研究了楠竹加筋新型錨桿的力學性質。張玲玲等[17]研究了鉆前工程中短期使用的井場公路竹筋代替土工合成材料加筋路基的工程特性。

從上述文獻可以看出，關于竹條自身力學性質的研究及其在實際工程中的應用已經十分廣泛，但是對于竹條加筋的加筋機理研究還是相對比較滯后，本文進行大尺寸直剪試驗，通過控制加筋條件研究竹條加筋砂土的加筋機理及竹材的最優(yōu)加筋率和加筋尺寸。

2 試驗儀器和試驗材料

2.1 試驗儀器

試驗采用由成都東華卓越科技有限公司研制的大型直接剪切試驗機,型號為ZY50-2G，試驗設備主要由剪切儀、數(shù)據采集系統(tǒng)和位移傳感器3部分構成。剪切儀主要由水平加載系統(tǒng)、垂直加載系統(tǒng)、剪切盒、開縫環(huán)、下剪切盒位移滾動機構、開縫滾柱等組成。水平加載系統(tǒng)和垂直加載系統(tǒng)均為油壓千斤頂，最大水平推力和最大垂直荷載為700 kN，且油缸最大水平和垂直行程為120 mm。剪切盒尺寸為φ504.6 mm，包括上剪切盒和下剪切盒，上剪切盒可以自行拆卸。

圖1 砂土顆粒級配曲線Fig.1 Curve of particle size distribution

圖2 竹條拉拔力- 變形關系曲線Fig.2 Relationship between pullout force and deformation of bamboo slat

2.2 試驗材料

試驗所用砂土顆粒級

配曲線如圖1所示， 砂土的基本物理參數(shù)見表1。 試驗所用加筋材料為恩施巴東的天然竹材， 將厚度為5 mm的竹條處理為300 mm×20 mm進行試驗， 通過一系列拉拔試驗得到竹條軸向拉力-變形曲線， 其均值化結果如圖2所示。 結果表明： 天然竹材具有一定的抗拉強度， 且竹材受拉變形過程呈現(xiàn)近似線性變化， 可以用作加筋材料。

表1 砂土參數(shù)Table 1 Parameters of sand

3 試驗方法和試驗結果

3.1 試驗方法

試驗采用應變式直接剪切，剪切速度為0.5 mm/min。通過控制變量法來研究竹條加筋砂土的加筋機理以及不同竹條尺寸和摻入竹條質量百分比對加筋砂土效果的影響。

所采用的加筋方式為均勻拌合加筋，即將竹條均勻拌合于砂土中，使竹條隨機均勻分布在砂土中。竹條取自自然風干狀態(tài)下，以竹條的摻入質量百分比和竹條加筋長度作為加筋材料的影響控制因素。制樣前將竹條分別剪成10 mm×20 mm，10 mm×40 mm和10 mm×60 mm的尺寸，加筋質量百分比分別為0.2%，0.4%，0.6%，0.8%，1.0%，1.2%。不同尺寸和質量百分比下的各組試樣都在400，800，1 200，1 600 kPa這4種不同的豎向荷載作用下進行剪切試驗，共進行36組大尺寸直剪試驗。

將稱好的竹條與砂土拌合均勻，倒入一定質量的水進行攪拌，使試樣含水率為5%，然后對拌合均勻的砂土竹條混合物養(yǎng)護24 h，使其含水率穩(wěn)定，最后制備試樣。統(tǒng)一稱取135 kg土樣，采取統(tǒng)一的擊實錘且擊實至相同的高度，從而控制試樣的擊實度，試驗分3層進行擊實，最終制得尺寸為φ504.6 mm×400 mm的試樣。

將試樣先加載豎向荷載，穩(wěn)定后加載水平剪切荷載，推動下剪切盒水平移動，使試樣發(fā)生剪切。當水平位移到達30～35 mm時停止剪切。

3.2 試驗結果分析

3.2.1 對抗剪強度的影響

圖3為純砂發(fā)生30 mm剪切位移的剪切力-剪切位移關系曲線。從圖3可以看出純砂剪切力-剪切位移曲線呈現(xiàn)軟化型，隨著剪切位移的增加,剪切力增大，到達峰值后趨于穩(wěn)定。剪切力和峰值剪切力隨著豎向荷載的增大而不斷增大。此外，在剪切位移較小時，不同豎向荷載作用下的剪切力-剪切位移曲線很接近，但隨著剪切位移的逐漸增加，不同豎向荷載作用下的純砂剪切力-剪切位移關系曲線的距離逐漸拉開且不斷增加，說明豎向荷載對于純砂抗剪強度的影響在剪切位移較大時較為顯著。

圖3 純砂的剪應力-剪切位移關系曲線Fig.3 Curves of shear stress vs. shear displacement of pure soil

圖4為不同尺寸竹條加筋率為0.6%時試樣發(fā)生30 mm剪切位移的剪切力-剪切位移關系曲線，圖5為10 mm×40 mm竹條不同加筋率下試樣的剪切力-剪切位移關系曲線。

圖4 不同尺寸竹條加筋率0.6%時試樣 剪應力-剪切位移關系曲線Fig.4 Curves of shear stress vs. shear displacement of reinforced soil specimens with different bamboo sizes (reinforcement ratio of 0.6%)

圖5 10 mm×40 mm的竹條不同加筋率下試樣的 剪應力-剪切位移關系曲線Fig.5 Curves of shear stress vs. shear displacement of reinforced soil specimens with different reinforcement ratios(bamboo size 10 mm×40 mm)

從圖4和圖5可以看出，曲線中均有明顯的峰值點，抗剪強度達到峰值后逐漸降低然后趨于平穩(wěn)。剪切力和峰值剪切力隨著豎向荷載的增大而不斷增大，曲線呈現(xiàn)軟化型。在剪切位移較小時，不同豎向荷載作用下的剪切力-剪切位移曲線很接近，但隨著剪切位移的逐漸增加，不同豎向荷載作用下的竹條加筋土剪切力-剪切位移關系曲線的距離逐漸拉開且不斷增加，說明豎向荷載對于加筋土抗剪強度的影響在剪切位移較大時較為顯著。較純砂剪切力-剪切位移曲線，加入竹條的加筋土的關系曲線均要高于純砂關系曲線，說明竹條加筋可以提高砂土的抗剪強度。加入竹條且拌合均勻的加筋土的剪應力-剪切位移曲線的峰值要明顯高于純砂的剪應力-剪切位移曲線峰值，說明加入竹條后，提升了砂土的峰值剪切強度。此外，達到峰值后的曲線，加竹條的加筋土的殘余強度較純砂也有所提高。

圖4顯示，加入竹條后加筋土的抗剪強度均增加，竹條加筋土的峰值抗剪強度隨著竹條長度的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。與純砂相比，竹條加筋土峰值抗剪強度在400 kPa法向應力時分別提高了24.12%，26.25%,9.38%;在800 kPa時分別提高了19.48%，26.95%,22.28%;在1 200 kPa時分別提高了17.32%，25.11%和17.53%;在1 600 kPa時分別提高了6.17%，16.31%,15.46%。竹條長度為40 mm時，加筋土的峰值抗剪強度提高最大，加筋效果達到最佳狀態(tài)。

圖5顯示，加入竹條后加筋土的抗剪強度均增加，竹條加筋土的峰值抗剪強度隨著加筋率的增加呈現(xiàn)先增大后減小趨勢。與純砂相比，10 mm×40 mm的竹條加筋土峰值強度在400 kPa時分別提高了4.55%，15.92%，20.13%，27.33%，21.73%,15.42%;在800 kPa時分別提高了17.40%，18.22%，19.55%，23.85%，18.83%,16.77%;在1 200 kPa時分別提高了14.07%，14.34%，17.68%，34.71%，12.50%,10.86%;在1 600 kPa時分別提高了1.40%，6.03%,6.08%,11.73%，8.22%,8.12%。竹條加筋率為0.8%時，加筋土的峰值強度提高最大，抗剪強度達到最大值。

此外，在較大位移處竹條加筋土的剪切強度仍然大于純砂，即竹條加筋土的殘余抗剪強度大于純砂抗剪強度，提高了土的延性，改善了砂土的強度和變形特性。在豎向荷載為400 kPa時殘余抗剪強度較峰值抗剪強度下降較快，隨著豎向荷載的增加,殘余抗剪強度下降減緩且趨于平穩(wěn)，這對于土體延性的提高起到了積極作用，增加了加筋土的抗變形能力。

通過分析可知，竹條加筋土的抗剪強度高于純砂，分析其原因是竹條呈“近似曲面體”，表面凹凸不平，且竹條的順紋方向有很多較深的紋路。這些紋路能夠提高竹條與砂土之間的機械咬合力，從而改善竹條加筋土的抗剪性能，提高竹條加筋復合材料的整體性能，增大竹條與砂土之間的摩擦力。同時，竹條是一種天然柔性材料，具有一定的韌性和強度，使其在土體中不容易被破壞。本文所述的加筋土是竹條與砂土均勻拌合所成的復合材料，竹條在砂土中以一定的角度隨機穿插在砂土中，增加了剪切時的阻力，提高了加筋土的抗剪強度。

當豎向荷載不斷增大時，土體的抗剪強度也隨之不斷增加。通過分析可知，當豎向荷載較小時，對于土體的約束較小，當剪切面發(fā)生剪切破壞時所需要的剪切力也較小，當土體的抗剪強度達到峰值后，土與土、土與竹條、竹條與竹條之間會出現(xiàn)裂縫，由于約束小，裂縫隨著應變的增加而迅速發(fā)展擴大，導致土體的抗剪強度急劇下降。相反，豎向荷載較大時，對土體的約束也大，當達到峰值后，土與土、土與竹條、竹條與竹條之間裂縫發(fā)展受到限制，減緩了裂縫的擴大，抑制了抗剪強度的降低。

3.2.2 對抗剪強度指標的影響

圖6為竹條加筋率為0.6%的加筋土不同竹條尺寸對加筋土抗剪強度指標的影響關系曲線。

圖6 竹條加筋率為0.6%的加筋土竹條尺寸與 抗剪強度指標的關系Fig.6 Relationship between size of bamboo slats and strength indexes of reinforced soil (reinforcement ratio 0.6%)

從圖6(a)中可以看出，加筋土黏聚力隨著竹條長度變化呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在竹條長度為40 mm時曲線達到峰值，較純砂而言，竹條加筋土的黏聚力大幅度增加。從圖6(b)中可以看出,曲線變化不明顯，變化范圍很小，近似直線。竹條加筋土的內摩擦角較純砂略微增加。即加入竹條的加筋土的黏聚力和內摩擦角較純砂均有所提高，但黏聚力增加較為明顯，內摩擦角增加很小。說明加筋竹條尺寸對加筋土抗剪強度的影響主要體現(xiàn)為對黏聚力的影響。

圖7為10 mm×40 mm的竹條加筋土不同竹條加筋率對加筋土抗剪強度的影響關系曲線。從圖7(a)中可以看出，加筋土黏聚力隨著竹條加筋率變化呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在竹條加筋率為0.8%時曲線達到峰值，竹條加筋土的黏聚力較純砂大幅度增加。從圖7(b)中可以看出曲線變化不明顯，變化范圍很小，近似直線。竹條加筋土的內摩擦角較純砂略微增加。即加入竹條的加筋土的黏聚力和內摩擦角較純砂均有所提高，但黏聚力增加較為明顯，內摩擦角增加很小。說明竹條加筋率對加筋土抗剪強度的影響主要體現(xiàn)在對黏聚力的影響。

圖7 10 mm×40 mm的竹條加筋土加筋率 與抗剪強度指標的關系Fig.7 Relationship between reinforcement ratio and strength indexes of reinforced soil (bamboo slat size 10 mm×40 mm)

表2為土體黏聚力和內摩擦角與竹條加筋率和尺寸的數(shù)值關系，與純砂相比，各種竹條加筋土的黏聚力和內摩擦角均有所提高，但黏聚力增加較大，內摩擦角增加較小，幾乎沒變化。對比上述不同尺寸的竹條試驗，可以看出：10 mm×40 mm的竹條加筋土的黏聚力增加的幅度最大，內摩擦角幾乎不變。竹條尺寸為10 mm×40 mm時，不同竹條加筋率對應的加筋土黏聚力提高程度不同，內摩擦角提高程度也有所差異。對比尺寸為10 mm×40 mm不同加筋率的竹條加筋土的強度指標，可以看出：加筋率為0.8%時加筋土的黏聚力增加的幅度最大，內摩擦角增加很小，幾乎不變。說明黏聚力對砂土抗剪強度的影響較大。

表2 大尺寸直剪試驗不同加筋率砂土強度指標Table 2 Strength indexes of reinforced soil of different bamboo ratios in large-scale direct shear test

竹條加筋土的黏聚力和內摩擦角均有所增加，其黏聚力增加的幅度較大，內摩擦角變化較小，幾乎不變。在大尺寸剪切試驗中，試樣受到剪切力沿著剪切面發(fā)生剪切破壞，隨著剪切位移的增加，土體要改變原有的結構排列，使得土顆粒沿著剪切面移動，加入竹條后，竹條與土之間相互作用，使得竹條也承擔了一部分剪切力，土的抗壓性能和竹條的抗拉性能共同作用提高了加筋土的摩擦面積，阻礙土顆粒的移動，提高加筋土的峰值抗剪強度，也使得土體在發(fā)生較大應變時仍然保持較大的強度。但是，加入竹條并沒有很大地改變砂土本身的物理性質，因此對于內摩擦角的影響較小[18]。

3.2.3 最優(yōu)長度和最優(yōu)加筋率分析

通過分析圖6可知，加入竹條的長度對加筋土的抗剪強度影響呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。對比表2中不同長度尺寸加筋土的強度指標可知，當竹條尺寸為10 mm×40 mm時，對砂土加筋效果最為明顯。究其原因是竹條長度過小不能充分發(fā)揮竹條與砂土之間相互作用的摩擦力，長度過大則在加筋過程中易被折斷或使得竹條與砂土不能充分接觸，破壞土體的整體性，從而影響竹條的加筋效果。

通過分析圖7可知，竹條加筋率對加筋土的抗剪強度影響呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。對比表2中不同加筋率加筋土的強度指標可知，竹條加筋率為0.8%時，砂土加筋效果最顯著。究其原因是由于竹條加入量少，竹條與土體之間的作用有限，對筋土之間摩擦力的貢獻也較小，隨著竹條加入量的不斷增加，筋土之間的摩擦力接觸面積不斷增加，對于加筋土抗剪強度的貢獻也不斷加強，表現(xiàn)出加筋土的抗剪強度隨著加筋率的增加而增加，當達到最優(yōu)含量0.8%時，加筋效果達到最佳狀態(tài)，繼續(xù)增加竹條含量，使得過量的竹條相互堆積重疊，竹條不能與砂土充分接觸，破壞了土體的整體性，從而表現(xiàn)出抗剪強度增幅下降的現(xiàn)象。

綜上所述，竹條加筋能夠提高砂土的抗剪性能，有效抑制土體變形。從上述36組大尺寸直剪試驗中可以得到，當竹條尺寸為10 mm×40 mm，竹條加筋率為0.8%時，對砂土加筋效果為最佳。

3.2.4 竹條加筋土的補強機理分析

目前，國內外通常采用基于極限平衡和極限狀態(tài)理論的摩擦加筋和準黏聚力原理來描述加筋土的補強機理[19-20]?；谀Σ良咏钤?，竹條加筋砂土的補強機理可用彎曲機理和交織機理解釋[21]。

彎曲機理是指纖維在土中的分布形態(tài)是由無數(shù)個彎曲轉折組成的，幾乎沒有直線段。當土體承受外力而使纖維受拉時，在纖維彎曲的凹側就會產生纖維對土顆粒的壓力和摩擦力，從而起到加固土體的作用。

交織機理是指由于土中無序分布的纖維存在著無數(shù)交織點，如果在纖維交叉處受到力的作用，從而有位移的趨勢，就會遇到其它纖維阻止這種位移，即任何一段纖維的受力變形都會牽動與之交織的各個方向的纖維，從而形成空間的受壓區(qū)，如圖8所示。

圖8 彎曲機理與交織機理示意圖Fig.8 Principle diagram of bending and intercrossing mechanism

竹條加筋土的補強作用不僅來自竹條與土體間的摩擦阻力或咬合力，還來自竹條網對土體的空間約束作用，即竹條加筋土的補強屬于體積補強。

4 結 論

采用竹條加筋砂土，不僅能夠利用天然加筋材料改善砂土性能，還能就地取材降低工程成本。從竹條加筋砂土大尺寸直剪試驗中可以得到以下結論。

(1) 竹條加筋使砂土的抗剪強度提高，峰值剪切強度和殘余抗剪強度均增大，峰值剪切強度最大提高了26.95%。加筋土殘余抗剪強度的增加，增強了加筋土的抗變形能力。

(2) 竹條加筋砂土的加筋機理滿足摩擦加筋理論和準黏聚力理論。其加筋土黏聚力和內摩擦角均有所增加，但黏聚力增加較大，內摩擦角幾乎沒變。尺寸為10 mm×40 mm且加筋率為0.8%的竹條加筋土的黏聚力最大，與純砂相比，黏聚力提高了79.20%。

(3) 竹條加筋土的剪切力-剪切位移曲線受豎向荷載的影響。豎向荷載較小時，剪切力-剪切位移曲線呈現(xiàn)軟化型，豎向荷載增大時，剪切力-剪切位移曲線軟化減緩。

(4) 竹條加筋的效果隨著加筋率和竹條長度的變化而變化。竹條加筋土的峰值抗剪強度隨著竹條加筋率和竹條長度的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。與純砂相比，竹條加筋土的抗剪強度均提高，竹條尺寸為10 mm×40 mm且加筋率為0.8%時加筋效果最為顯著，峰值應力最大增加了34.71%。

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(編輯：陳 敏)

Large-scale Direct Shear Test on Soil Reinforced with Bamboo Slats

MA Qiang, XING Wen-wen, LI Li-hua, ZHENG Zhen-yi

(Civil Engineering and Building Academy, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China)

Bamboo slats (thickness of 5mm, width of 10mm, and length of 20, 40, 60mm respectively) were added into soil in different mass percentage contents (0.2%, 0.4%, 0.6%, 0.8%, 1.0%, and 1.2%). Then large-scale direct shear test was carried out on the soils reinforced with the bamboo slats to investigate the reinforcement mechanism. Results reveal that compared with pure sand, the shear strength of reinforced soil is obviously improved, the peak strength and residual strength are increased; and also cohesion and friction angle have increased, among which cohesion increased greatly; the peak shear strength of reinforced soil increased firstly and then decreased with the increasing size and percentage of bamboo slats; the optimal size of bamboo slat is 10mm×40mm and the optimal ratio of reinforcement is 0.8%.

soil reinforced with bamboo slats; large-scale direct shear test; strength performance; cohesion; reinforcement ratio

2016-06-23；

2016-08-08

國家自然科學基金項目(51678223，51678224)；湖北省高等學校優(yōu)秀中青年科技創(chuàng)新團隊計劃項目(T201605)；湖北工業(yè)大學高層次人才計劃項目(YXQN2017001，BSQD12153)

馬 強(1983-)，男，湖北丹江口人，副教授，博士，主要從事加筋土方面的研究，(電話)027-59750507(電子信箱)maqiang927@163.com。

10.11988/ckyyb.20161006

TU44

A

1001-5485(2017)02-0069-06

2017,34(2):69-74