麥秸稈加筋土的強(qiáng)度特性及細(xì)觀結(jié)構(gòu)分析

郝建斌， 魏興梅， 姚 婕,3， 張振北

(1.長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測繪學(xué)院， 陜西 西安 710054； 2.長安大學(xué) 國土資源部巖土工程開放研究實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710054； 3.新疆送變電有限公司， 新疆維吾爾自治區(qū) 烏魯木齊 830011)

加筋是一種有效的土體改良技術(shù)，其特點(diǎn)是在土體中摻入一定比例的筋材，以增強(qiáng)土體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，從而改善不良土的承載力、抗剪強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度等特性，因此在工程中得到了廣泛的應(yīng)用.加筋土在我國很早就有應(yīng)用，如距今5000多年前良渚古城的水利系統(tǒng)中就采用了這種工藝[1].而國際巖土界認(rèn)為，加筋土的概念是由法國工程師亨利·維達(dá)(Henri Vidal)在1963年(觀察鳥類利用泥和草筑巢而受到啟發(fā))提出來的[1].此后，很多學(xué)者與研究人員致力于各種加筋土材料及加筋土理論的研究，其中研究較多的則是人工加筋材料[2-6].近年來，也逐漸開展了天然作物加筋作用的探索與研究[7-13].研究表明，筋材種類、含量和長度是影響土體強(qiáng)度和性能的主要因素[7]，如在粘性土中摻入劍麻纖維，可使土體的黏聚力平均提高50%以上，當(dāng)纖維含量為0.4%、纖維長度為5 mm時，可使土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大[8].在膨脹土中加入黃麻纖維，可顯著提高土體抗剪強(qiáng)度和膨脹土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度[9].此外，植物根系也可提高土壤的黏聚力，從而提高土體的抗剪強(qiáng)度[10].在植物加筋材料中，具有代表性且容易就地取材的還有農(nóng)作物秸稈(麥秸稈，稻秸稈).其中，麥秸稈已被研究應(yīng)用于加筋海濱鹽漬土[11-12]、粘土[13]等.亦有研究表明，麥秸稈加筋土具有抗沖蝕性，具有很好的邊坡防護(hù)效果[14].此外，在民用建筑、道路工程等領(lǐng)域均有廣闊的應(yīng)用前景[15].

本文基于三軸固結(jié)不排水(CU)試驗(yàn)，開展了麥秸稈加筋黏性土在不同加筋長度和不同加筋率時的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究，確定了最優(yōu)加筋長度和最優(yōu)加筋率.同時采用計算機(jī)斷層掃描(computed tomography,CT)掃描試驗(yàn)，從土體細(xì)觀結(jié)構(gòu)的變化對麥秸稈的加筋作用效果進(jìn)行了分析.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)用土取自西安市某工地，基于界限含水率、輕型擊實(shí)等土工試驗(yàn)，得出其基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1所示，此試驗(yàn)所用土為粉質(zhì)黏土.

已有研究表明，天然麥秸稈的平均極限拉力約為65 N[11].本次試驗(yàn)選用的麥秸稈取自西安市藍(lán)田縣.麥秸稈與土混合前，用0.4%石灰水對其浸泡24 h進(jìn)行防腐處理.試驗(yàn)中將麥秸稈外表皮剝?nèi)?，用碾壓工具將其碾壓扁平，使其具有一定韌性，并按最優(yōu)含水率配備試驗(yàn)用土.圖1為試驗(yàn)用麥秸稈，圖2為麥秸稈加筋土.

圖2 麥秸稈加筋土

Fig.1Wheat straw for

圖1 試驗(yàn)用麥秸稈

Fig.2Wheat straw experiment reinforced soil

1.2 試驗(yàn)設(shè)備與方案

三軸壓縮試驗(yàn)所用儀器為南京土壤儀器廠生產(chǎn)的SLB-1型應(yīng)力/應(yīng)變控制式三軸剪切試驗(yàn)儀，試驗(yàn)選取的麥秸稈加筋率(干麥秸稈與干土的質(zhì)量比)分別為0.1%、0.2%、0.3%和0.4%，長度分別為5、10和15 mm.試樣為直徑61.8 mm，高125 mm的圓柱試樣.考慮實(shí)際工程土體的主要影響深度范圍及其對應(yīng)的土壓力，選取4種圍壓(50，100，200，300 kPa)，應(yīng)變速率為2 mm·min-1.

CT掃描使用儀器為長安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的工業(yè)CT試驗(yàn)系統(tǒng).考慮到加載過程的連續(xù)性，素土和加筋土均備三個試樣.先對三個初始狀態(tài)試樣進(jìn)行CT掃描，然后三個試樣均進(jìn)行無側(cè)限抗壓試驗(yàn)(加載速率為1 mm·min-1)，試樣1、試樣2和試樣3分別加載至軸向應(yīng)變?yōu)?%、10%和15%時結(jié)束試驗(yàn)，最后對加載后的試樣分別進(jìn)行CT掃描.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖3和圖4為不同圍壓下素土的應(yīng)力-應(yīng)變(σ-ε)曲線以及其破壞后的形態(tài).

圖3 素土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

a 50 kPa

b 100 kPa

c 200 kPa

d 300 kPa

從圖3可以看出：不同圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均為硬化曲線，沒有明顯的峰值.低圍壓(50，100 kPa)下，曲線比較平緩；而高圍壓(200，300 kPa)下，曲線斜率明顯增大.由圖4可以看出：圍壓為50 kPa時，試樣的破壞狀態(tài)呈現(xiàn)“塑性鼓脹破壞”的特征，無明顯剪切破壞；圍壓為100 kPa時，“鼓脹破壞”不明顯，而在試樣下端出現(xiàn)少量縱向裂紋；圍壓為200 kPa時，試樣下端有多條縱向裂紋擴(kuò)展至試樣中部；圍壓為300 kPa時，試樣出現(xiàn)明顯的剪切破壞.

與素土相比，在土中摻入隨機(jī)分布的麥秸稈，其破壞特征出現(xiàn)明顯差異，加筋土樣均出現(xiàn)“鼓脹破壞”，且未見明顯裂紋或剪切破壞.圖5為加筋土樣在圍壓300 kPa時破壞后的形態(tài).可見，麥秸稈加筋的效果是非常明顯的，在同等應(yīng)變條件下，僅出現(xiàn)塑性變形，較素土穩(wěn)定.

a 0.1%,10 mm

b 0.2%,15 mm

c 0.3%,1 5mm

表2為素土和加筋土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果.從表2中可以看出，麥秸稈筋材長度為10 mm時，其內(nèi)聚力增高最為明顯，介于41.3～85.3 kPa之間，約為素土黏聚力的2～3.3倍；不論筋材長短，加筋土內(nèi)摩擦角的變化隨加筋率的增大呈現(xiàn)出先降低后增高的變化規(guī)律.綜合抗剪強(qiáng)度的兩項指標(biāo)，認(rèn)為最佳加筋長度為10 mm.筋材在10 mm范圍內(nèi)，加筋率為0.2%和0.4%的加筋作用較強(qiáng)，其中前者主要表現(xiàn)在增加了土體的黏聚力(增大2.3倍)，后者也增加了土體的黏聚力(增大1倍)，但主要增大了土體的內(nèi)摩擦角.可見，麥秸稈的摻入對土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角均有影響.

表2 不同加筋條件下加筋土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

由于麥秸稈的密度小于土體的密度，當(dāng)加筋率達(dá)到某一臨界值時，將影響加筋土的壓實(shí)效果.這個臨界值是多少？這是值得研究的問題.但加筋率越高，筋土混合物中大尺度物質(zhì)(筋材)就越多.考慮到尺寸效應(yīng)的影響，本試驗(yàn)沒有開展加筋率大于0.4%的加筋土三軸試驗(yàn).此外，由于本試驗(yàn)中受到試樣大小的限制，試樣尺寸較小，考慮到尺寸效應(yīng)的影響，試驗(yàn)沒有開展筋材長度大于15 mm的加筋土三軸試驗(yàn).如加筋率大于0.4%、筋材長度大于15 mm，對土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角有何影響，后續(xù)將開展相關(guān)試驗(yàn)做進(jìn)一步的研究.

為分析加筋率對土體強(qiáng)度特性的影響規(guī)律，繪制了筋材長度為10 mm的加筋土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖6所示.由圖6可見，加筋土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線仍呈現(xiàn)應(yīng)變硬化特性，圍壓和加筋率的變化對曲線形狀并無明顯影響.圍壓的增大使土體剛度增加，而加筋率對土體剛度的影響則隨圍壓的不同而不同.圍壓較小時，加筋土的剛度均比素土剛度大；隨著圍壓的增大，剛度差距逐漸縮?。划?dāng)圍壓為300 kPa時，加筋率的影響則不再明顯.

2.2 CT掃描結(jié)果

為分析比較素土和加筋土在荷載作用過程中的細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化，以筋材長度10 mm、加筋率為0.2%的加筋土為試樣，進(jìn)行CT掃描.圖7～圖9為素土在初始狀態(tài)與不同應(yīng)變(5%、10%、15%)時的CT掃描對比圖像.從圖中可以看出，初始狀態(tài)下素土存在較多孔隙和微裂紋，對土體施加外荷載使軸向應(yīng)變?yōu)?%時，在細(xì)觀結(jié)構(gòu)上并無明顯變化，此階段主要為壓實(shí)及彈性變化階段.當(dāng)軸向應(yīng)變達(dá)到10%時，逐漸出現(xiàn)橫向小的裂紋，且有裂紋貫通的趨勢，在貫通裂紋周邊伴隨形成許多微裂紋，此時土體處于塑性變形階段.軸向應(yīng)變達(dá)到15%時，截面內(nèi)可觀察到大量裂紋，與應(yīng)變10%時相比，裂紋長而寬，且分布范圍廣，在整個截面內(nèi)均有分布，此階段土體基本處于破壞階段.

圖10～圖12為加筋土在初始狀態(tài)與不同軸向應(yīng)變(5%、10%、15%)時的CT掃描對比圖像.從圖10可看出，加筋土軸向應(yīng)變?yōu)?%時，土體內(nèi)部也無細(xì)觀結(jié)構(gòu)的變化.當(dāng)軸向應(yīng)變達(dá)到10%時，出現(xiàn)小的擴(kuò)展裂紋，但規(guī)模較小，僅在局部出現(xiàn)(圖11中圈出部位).對比分析圖8b和圖11b可知，加筋土與素土在應(yīng)變?yōu)?0%時，加筋土裂紋在數(shù)量及延伸長度上均小于素土.應(yīng)變達(dá)到15%時，該截面上分布有三條比較明顯的裂紋(圖12中圈出部位)，但其他區(qū)域基本無裂紋.素土與加筋土相比較，素土內(nèi)部裂紋較多且在整個截面內(nèi)均分布.因此可見，麥秸稈加筋在限制土體變形方面的作用是非常顯著的.

a 圍壓50 kPa

b 圍壓100 kPa

c 圍壓200 kPa

d 圍壓300 kPa

a 初始狀態(tài)

b 應(yīng)變5%

a 初始狀態(tài)

b 應(yīng)變10%

a 初始狀態(tài)

b 應(yīng)變15%

a 初始狀態(tài)

b 應(yīng)變5%

a 初始狀態(tài)

b 應(yīng)變10%

a 初始狀態(tài)

b 應(yīng)變15%

3 結(jié)論

本文進(jìn)行了麥秸稈加筋黏性土的三軸剪切試驗(yàn)和CT掃描試驗(yàn)，分析得出如下結(jié)論：

(1) 麥秸稈加筋黏性土可以提高土體的抗剪強(qiáng)度，其中對黏聚力和摩擦角均有顯著影響，其中長度為10 mm的筋材加筋效果較好.

(2) 素土在剪切過程中出現(xiàn)明顯的宏觀剪切破壞，同等軸向應(yīng)變時，加筋土僅出現(xiàn)鼓脹破壞.

(3) 小圍壓作用時，麥秸稈加筋對土體的剛度影響較大，隨著圍壓的增大，影響逐漸變小.

(4) CT掃描結(jié)果顯示，麥秸稈加筋在限制土體變形和裂紋擴(kuò)展方面的作用非常顯著.

(5) 需要指出的是，本文所得結(jié)論是在特定土質(zhì)、含水率和試件尺寸下得出的，并不具有完全代表性.針對不同土質(zhì)、不同含水率的土體，還需進(jìn)行具有針對性的試驗(yàn)研究.