柔性纖維加筋土抗剪特性研究

韓 雷，田振華，左蓓蓓

(黑龍江省水利科學(xué)研究院，150080，哈爾濱)

植被護(hù)坡的穩(wěn)定性研究由來(lái)已久，很多學(xué)者從植物根系增加土體抗剪強(qiáng)度的角度出發(fā)，研究了多種草本植物根系土體的穩(wěn)定特性，但影響天然草皮穩(wěn)定的因素很多，諸如土壤類型、植物種類、密度、齡期、草根的分布等。因此，本文從標(biāo)準(zhǔn)化研究的角度出發(fā)，基于植物根系可增加土壤抗剪強(qiáng)度的理論，認(rèn)為不同根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度不同，其抗水流沖刷的能力亦不同；創(chuàng)新性地將柔性加筋材料與土體摻混，研究了柔性纖維加筋土的抗剪特性，其研究思路符合標(biāo)準(zhǔn)化研究方向，對(duì)下一步加筋土的抗水流沖刷試驗(yàn)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，其成果亦對(duì)工程設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。

黏性土具有一定的抗壓抗剪強(qiáng)度，但其抗拉強(qiáng)度很低，在土中摻入或鋪設(shè)一定的加筋材料，加筋材料通過(guò)摩擦力將自身的抗拉強(qiáng)度與土體的抗壓強(qiáng)度結(jié)合起來(lái)，從而加強(qiáng)了土體的穩(wěn)定性和強(qiáng)度。

目前應(yīng)用于工程中的加筋材料，大都為人工合成的各種類型的聚合物產(chǎn)品，比如化纖、塑料、合成橡膠、玻璃纖維等。由于各種加筋材料已廣泛應(yīng)用于砂土、黏性土、碎石土、軟土、石灰、粉煤灰等各個(gè)領(lǐng)域，取得了明顯的工程、經(jīng)濟(jì)效益，因此對(duì)加筋土性質(zhì)的研究也越來(lái)越深入。張孟喜等研究了鍍鋅鐵皮和有機(jī)玻璃加筋材料下加筋土的強(qiáng)度特性。介玉新等對(duì)聚丙烯纖維加筋黏性土的離心模型試驗(yàn)得出，纖維加筋增加在拉應(yīng)力作用下土的塑性和韌性，提高邊坡的穩(wěn)定性，改變其受力破壞模式。張小江等研究了聚丙烯纖維加筋黏性土抵抗靜荷載作用下土體發(fā)生張拉裂縫的功能。楊果林等重點(diǎn)研究了加筋土工程中4種典型筋材——土工格柵、土工帶、土工網(wǎng)和土工布的拉拔試驗(yàn)、循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變?cè)囼?yàn)、長(zhǎng)期加載蠕變?cè)囼?yàn)，得出了4種典型筋材的工程特性指標(biāo)。因此,對(duì)纖維加筋土特性的研究越來(lái)越受到重視,各研究成果對(duì)工程措施提供了有力的科學(xué)依據(jù)。本文從柔性加筋土的黏聚力與內(nèi)摩擦角隨筋材比的變化趨勢(shì)角度，探討了東北黑土添加柔性材料后抗剪特性的變化趨勢(shì)，其試驗(yàn)結(jié)果對(duì)工程實(shí)踐有一定的指導(dǎo)意義。

一、試驗(yàn)方法

1.試驗(yàn)材料

土樣采用黑龍江省水利科學(xué)研究院試驗(yàn)研究基地東北黑土,按《土工試驗(yàn)規(guī)程》（SL 237—1999）的要求采集與制備土樣，測(cè)定其物理性質(zhì)指標(biāo)，結(jié)果見(jiàn)表1和表2。

本實(shí)驗(yàn)主要選用兩種加筋材料，一種是ABS塑料，另一種是聚丙烯單絲纖維，其具體參數(shù)詳見(jiàn)表3。ABS塑料纖維采用普通床刷為原料，根據(jù)試樣環(huán)刀所需尺寸人工裁剪。聚丙烯單絲纖維是一種以聚丙烯為主要原料、以獨(dú)特生產(chǎn)工藝制造而成的高強(qiáng)度束狀單絲纖維。加入混凝土或砂漿中可有效控制混凝土（砂漿）的塑性收縮、干縮、溫度變化等因素引起的微裂縫，防止及抑制裂縫的形成及發(fā)展，大大改善混凝土的阻裂抗?jié)B性能、抗沖擊及抗震能力，可廣泛應(yīng)用于水利工程等領(lǐng)域。

2.試樣制備

配合土樣，將含水率為20%的土樣與加筋材料，按照事先設(shè)定的比例均勻摻混，將土樣與加筋材料夯實(shí)，并置于水中浸泡24 h。土樣配合完成之后，按預(yù)先設(shè)定的密度，將加筋土樣分成等重的4份，分別夯入內(nèi)壁涂一薄層機(jī)油的環(huán)刀，試樣制備應(yīng)迅速，將制備完成的試樣，上下層各貼一薄層濾紙，并加透水石隔開(kāi)，在真空儀中抽真空1 h，然后加水飽和24 h后，上直剪儀。每組試驗(yàn)取4個(gè)試樣，在4種不同垂直壓力下進(jìn)行剪切試驗(yàn)。飽和完成的土樣采用精度為0.1 g的天平分別稱重，并由環(huán)刀體積計(jì)算出試樣的平均飽和密度。

3.試驗(yàn)儀器與試驗(yàn)方法

直剪試驗(yàn)采用南京水利電力儀表廠生產(chǎn)的直剪儀。對(duì)于每一個(gè)環(huán)刀試樣，對(duì)上下剪切盒插入固定銷。再將帶有試樣的環(huán)刀刃口向上（試樣上下兩面均貼有濾紙），對(duì)準(zhǔn)剪切盒口，在試樣上面放透水石，再將試樣緩慢推入剪切盒內(nèi)，并移去環(huán)刀。轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，使上盒前端鋼珠剛好與測(cè)力計(jì)接觸，調(diào)整測(cè)力計(jì)讀數(shù)為零。順次加上加壓蓋板、鋼珠、加壓框架，安裝垂直位移計(jì)，測(cè)記起始讀數(shù)。

表1 土的顆粒組成

表2 土的物理性質(zhì)指標(biāo)

表3 加筋材料性能參數(shù)

表4 加筋材料土筋質(zhì)量配合比

每一組筋土配比下，均制作4個(gè)完全相同配比的試樣，分別加載50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa 的 豎向荷載，同時(shí)加水飽和試樣，待水平表讀數(shù)穩(wěn)定后（大概6～8h后）,表明試樣已完全飽和固結(jié)。立即拔去固定銷，調(diào)整測(cè)力計(jì)后，接通電源，開(kāi)動(dòng)秒表，當(dāng)測(cè)力計(jì)的讀數(shù)不變或出現(xiàn)后退（此過(guò)程大概持續(xù)6 mins），表示試樣己被剪壞，一般應(yīng)剪切至剪切變形達(dá)4 mm為止，如測(cè)力計(jì)讀數(shù)隨剪切變形繼續(xù)加大，則剪切變形應(yīng)達(dá)6 mm為止。剪切結(jié)束后應(yīng)立即吸去剪切盒內(nèi)積水，退去剪切力和垂直壓力，移去加壓框架，取出試樣，按上述步驟連續(xù)剪完不同垂直壓力下的其他3個(gè)試樣。

二、試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)采用了ABS塑料纖維及聚丙烯纖維兩種加筋材料，土樣與兩種加筋材料的質(zhì)量配合比見(jiàn)表4所示。

1.ABS加筋土體的抗剪特性

試驗(yàn)得出，所選裸土飽和密度為1.86 g/cm3，采取同樣的快剪試驗(yàn)下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，黏聚力為31 kPa，內(nèi)摩擦角為11.25°，為與加筋土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的對(duì)比。

按照表4中的土筋配比，分別得出了兩種加筋材料不同配比下的加筋土體抗剪強(qiáng)度隨土筋比的變化曲線，如圖1所示。同時(shí)分析了兩種加筋材料不同配比下加筋土體的內(nèi)摩擦角隨土筋比的變化曲線，如圖2所示。

從圖1可以看出，對(duì)于試驗(yàn)中所選的土樣以及ABS塑料纖維與聚丙烯纖維兩種加筋材料而言，圖中加入某一含量的筋材后，其黏聚力均發(fā)生了變化，但與裸土相比，其黏聚力均有所減小；這與草根加筋土增大了土體的抗剪強(qiáng)度這一結(jié)論相悖，究其原因，是由于本實(shí)驗(yàn)所選用的加筋材料與土體的結(jié)合形式與真實(shí)的天然根土結(jié)合體在物理模型上有很大的不同，單束細(xì)絲狀纖維的加入改變了土體原有的物理結(jié)構(gòu)，破壞了土體原有的小土顆粒間的黏聚力。從圖1可以看出，隨著土筋比的增大，兩種加筋土的黏聚力值均先快速增大至某一峰值后，轉(zhuǎn)而逐漸變小趨于平緩，總體呈現(xiàn)開(kāi)口向下的拋物線狀。其峰值土筋比大概在100～150之間，這一數(shù)值范圍可為加筋土配比的工程實(shí)踐提供參考。含筋量的變化對(duì)黏聚力的影響趨勢(shì)是很明顯的，因此在試樣中選擇合適的土筋比，找到峰值抗剪強(qiáng)度值尤為重要。如果所加入的筋材過(guò)少，則得不到理想的土體抗剪強(qiáng)度值；過(guò)多，則既得不到所需的抗剪強(qiáng)度，對(duì)筋材而言也是一種浪費(fèi)。

表5 天然草皮土力學(xué)參數(shù)

圖1 黏聚力-土筋比變化曲線

由圖2可以看出，本文試驗(yàn)中所選擇試樣及加筋材料，對(duì)加筋土體內(nèi)摩擦角的影響尤為明顯。土體中不論加入本試驗(yàn)中ABS塑料纖維還是聚丙烯單絲纖維，其內(nèi)摩擦角均產(chǎn)生了不同程度的增大。土體中加入筋材后，其內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)先迅速減小轉(zhuǎn)而繼續(xù)增大后，趨于某一恒定值，總體呈現(xiàn)開(kāi)口向下的拋物線狀。這一變化趨勢(shì)，與黏聚力的變化趨勢(shì)恰恰相反。盡管筋材的加入對(duì)加筋土體黏聚力產(chǎn)生了削弱影響，但有效地增大了加筋土體的內(nèi)摩擦角。土筋比在100～150之間時(shí)，出現(xiàn)了內(nèi)摩擦角的最小值，而此時(shí)兩種加筋材料下的土體卻均出現(xiàn)了黏聚力的最大值。筋材的加入，宏觀上增大了土顆粒之間的摩擦，約束了相鄰?fù)令w粒之間的相對(duì)移動(dòng)，微觀上則表現(xiàn)出內(nèi)摩擦角的增大。

圖2 內(nèi)摩擦角-土筋比變化曲線

2.多年生早熟禾天然草皮的抗剪特性

為了對(duì)比裸土、柔性加筋土、天然草皮三者的抗剪特性，選取了早熟禾作為典型植物種類，采用同樣的試驗(yàn)方法，得出了早熟禾天然草皮的抗剪特性。所選早熟禾天然草皮的土力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表5。

試驗(yàn)得出了早熟禾天然草皮在滿足表5所示的土力學(xué)參數(shù)下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，黏聚力為68.5 kPa，內(nèi)摩擦角為9.57°。

綜上，本試驗(yàn)可以得出以下試驗(yàn)結(jié)果，多年生早熟禾天然草皮的抗剪特性最強(qiáng)，其黏聚力可達(dá)到68.5 kPa；而相應(yīng)裸土的黏聚力僅為31 kPa；而柔性材料加筋土的黏聚力值普遍低于裸土的值，因此就黏聚力大小而言，多年生早熟禾大于裸土大于柔性加筋材料。由此得出，天然草本植物根系的存在大大增加了原有土體的抗剪強(qiáng)度，甚至可使原土體的抗剪強(qiáng)度增加一倍；而人工配比柔性加筋材料的加入，降低了原有土體的黏聚力值，而使得內(nèi)摩擦角有了較大增加。

三、結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)直剪試驗(yàn)對(duì)比分析了天然草皮、裸土、ABS塑料纖維和聚丙烯單絲纖維兩種加筋土的抗剪特性指標(biāo)，得出：

①多年生早熟禾天然草皮的黏聚力最大，內(nèi)摩擦角最??；

②土體中加筋可改變?cè)型馏w的物理力學(xué)指標(biāo)；

③加筋土體的抗剪強(qiáng)度變化與加筋材料的物理力學(xué)性質(zhì)關(guān)系很大；

④土體中加入不同含量的筋材后，其黏聚力、內(nèi)摩擦角均呈現(xiàn)規(guī)律性變化；

⑤土體加筋后，在某一土筋比區(qū)間范圍內(nèi)，存在最大黏聚力與最小內(nèi)摩擦角。

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