不同加筋方式對紫色土壤抗剪強(qiáng)度的影響

朱婭秋 趙暢

摘 要：以紫色土壤為對象，利用三軸儀開展埂坎重塑土剪切試驗，采用天然竹材為試驗加筋材料，研究不同加筋方式下紫色土壤抗剪強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明：（1）使用竹筋材料時，不同加筋方式均提高了紫色土壤的抗剪強(qiáng)度;（2）不同加筋方式對2個抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響不一樣：黏聚力受到加筋方式的影響較為明顯，而內(nèi)摩擦角幾乎沒有變化;（3）試驗中5種加筋類型下，土壤加筋效果不同，分別為圓圈混合型>圓圈平鋪型>竹筋豎直型>竹筋混合型>竹筋平鋪型，即圓圈混合型加筋效果最好，所有加筋試樣的應(yīng)力—應(yīng)變形態(tài)在4種圍壓下均為硬化型。

關(guān)鍵詞：紫色土;抗剪強(qiáng)度;加筋方式;三軸試驗

中圖分類號 S157文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 1007-7731（2019）21-0106-04

紫色土主要分布于四川、重慶、云南、貴州等省市，以四川盆地最為集中，面積最大。重慶地區(qū)地處四川盆地邊緣，坡耕地分布較為廣泛。坡耕地地塊分界線可控制土壤侵蝕，減少水土流失，維護(hù)土壤穩(wěn)定性，因此，土體抗剪強(qiáng)度作為土壤水土保持性能的重要指標(biāo)，研究紫色土壤的抗剪強(qiáng)度影響因素有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。研究表明，不同的土體，不同的加筋材料、布筋位置和層數(shù)均會對加筋效果產(chǎn)生顯著影響[1]。通過控制含水率和干密度，在經(jīng)過摻雜纖維材料[2]或者打包帶材料[3]在試樣土中進(jìn)行剪切試驗研究得出，加入纖維可提高土體抗剪強(qiáng)度，不同的加筋材料結(jié)構(gòu)和數(shù)量會對抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c和φ值產(chǎn)生不同影響，加筋層數(shù)的增加與加筋土的抗剪強(qiáng)度呈正相關(guān)非線性關(guān)系。利用三軸壓縮試驗得知布筋位置會對加筋土的黏聚力產(chǎn)生了較大的影響，不同形狀的筋帶對加筋土抗剪強(qiáng)度影響大小不一。竹材料加筋方式可以提高土體的整體性[4]，且不同尺寸的竹材料加筋土對抗剪強(qiáng)度影響效果有所不同[5]。加筋材料、加筋長度、加筋位置、加筋率等都會對土體抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生一定的影響。

因天然竹材自身的特性且分布廣泛，方便施工，適合土工應(yīng)用[6]。同時，加筋土補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理通過極限平衡和狀態(tài)理論的準(zhǔn)黏聚力和摩擦加筋原理可描述[7-8]，基于摩擦加筋原理，便可用彎曲機(jī)理和交織機(jī)理解釋竹條加筋的補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理[9]，即竹簽作為加筋材料具有科學(xué)性。本研究利用三軸剪切試驗，以紫色土壤為對象，利用竹材作為加筋材料，分析不同加筋方式對埂坎土壤抗剪性能的影響，得出埂坎抗剪性能最佳的加筋方式。

1 材料與方法

1.1 試驗材料 試驗所用紫色土壤取自重慶市忠縣境內(nèi)，根據(jù)三軸試驗要求，通過2mm篩后封閉儲存于樣品袋內(nèi)。試驗用加筋竹材料采自重慶師范大學(xué)校園。試驗采用全自動三軸儀（TSZ-1）。試驗設(shè)備要求土樣直徑39.1mm，試樣截面積12cm2，高度80mm。制備樣土工具有：樣土模具，盛土容器，噴壺，小刀，保鮮膜，攪拌棒。

1.2 試驗方法

1.2.1 材料處理 本試驗共計設(shè)置6組，同一組4個，故進(jìn)行24個三軸剪切試驗。設(shè)置一個參照組，不添加竹筋，即為素土型;其余為5個不同的竹子加筋方式，分別是竹筋平鋪型，竹筋混合型，竹筋豎直型，圓圈平鋪型，圓圈混合型。試驗土方面，據(jù)野外研究得出，將樣品土壤最佳含水率控制在21%左右，試驗土壤干密度定為1.6g/cm3，三軸試驗儀器規(guī)格要求計算得出每組稱取試樣土于容器中，使用小噴壺均勻噴灑到土壤間，立即用保鮮膜封閉，等待24h后浸潤攪拌均勻后可使用模具進(jìn)行制樣。加筋材料方面，將選取的天然竹材處理為直徑2mm大小均勻的條狀竹材，根據(jù)加筋方式的需要再將竹條分批為兩類，一類是將其剪切為2cm長度的短小筋條;另一類是將長度6～8cm的竹條繞轉(zhuǎn)為直徑為1cm的圓圈狀竹筋。根據(jù)研究得知，竹條加筋質(zhì)量百分比為0.8%時，紫色土抗剪強(qiáng)度最佳，故每組試驗均稱取固定量竹子加筋材料。

1.2.2 樣品制作方法 試驗樣品土制作分5層擊實(shí)操作，統(tǒng)一采用擊實(shí)錘將每層擊實(shí)到相同高度，從而控制試樣土的擊實(shí)度。每組試驗中，樣土和竹筋質(zhì)量相等，加筋位置，竹筋放置方式以及竹筋形態(tài)有所不同。其中，竹筋平鋪型是指將固定量的加筋竹條材料分為4份，在將土樣分層擊實(shí)的時候，刨毛處理完畢就以水平均勻放置的方式加入一份竹筋于土樣容器中;竹筋混合型是指將定量的竹條材料先與紫色土壤樣土在試驗盆中攪拌均勻，后采用分層擊實(shí)地方式制定試樣;竹筋豎直型是指該固定量下的竹條材料分為4份后，在分層擊實(shí)制作樣土?xí)r，以豎立垂直的方式插入刨毛土壤中，制備出樣土;圓圈平鋪型是指將固定量的圓圈狀竹筋均分為4份后，以橫向平鋪的方式加入樣土中，進(jìn)行分層擊實(shí)制樣;圓圈混合型是指將固定量的圓圈竹筋與定量埂坎試樣土攪拌混合，通過分層擊實(shí)的方式加入模具進(jìn)行制樣。圖1a～f為本次5組試驗竹筋材料于圓柱體土壤模型中的放置情況橫截面圖。

1.2.3 樣品測量 采用不固結(jié)不排水法（UU）進(jìn)行三軸剪切試驗，測定每組試樣土壤主應(yīng)力差隨軸向應(yīng)力增加而不斷改變的過程。依據(jù)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50123-1999），在軸向應(yīng)變設(shè)定為20%時，土樣應(yīng)力—應(yīng)變曲線無峰值，則取軸向應(yīng)變?yōu)?5%時對應(yīng)的剪切峰值作為土樣抗剪強(qiáng)度。每1組試樣類型分別采用100kPa、200kPa、300kPa和400kPa進(jìn)行測定，剪切應(yīng)變速率為0.8mm/min。試驗數(shù)據(jù)采集通過試驗儀器配套的土工試驗自動采集，系統(tǒng)處理后輸出到電腦終端。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法 利用5種加筋方式下土壤的極限主應(yīng)力差對比素土型主應(yīng)力差，得到各個對比增量百分比數(shù)值;分別用應(yīng)力-應(yīng)變曲線表示5組試樣的應(yīng)變情況，參照素土型進(jìn)行對比分析各個類型的抗剪強(qiáng)度以及應(yīng)力—應(yīng)變形態(tài)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同加筋方式對紫色土壤抗剪強(qiáng)度的影響 如圖2所示，加筋土壤黏聚力均高于素土，同等條件下，素土的黏聚力為61.05kPa。5種加筋方式下的土壤黏聚力從小到大依次為：竹筋平鋪（66.42kPa）、竹筋混合（72.07kPa）、竹筋豎直（81.48kPa）、圓圈平鋪（91.5kPa）、圓圈混合（105.44kPa）。其中，圓圈混合型黏聚力最大，是素土的1.73倍。對于抗剪強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)摩擦角，不同加筋方式下變化影響較小，變化范圍小，無明顯規(guī)律，由左到右依次是：竹筋平鋪（16.19°）、竹筋混合（16.66°）、竹筋豎直（16.4°）、圓圈平鋪（15.08°）、圓圈混合（14.96°）。素土的內(nèi)摩擦角是14.15°，加入竹條的埂坎土壤的內(nèi)摩擦角較素土均有略微增加。不同加筋方式下的竹材加筋埂坎土壤黏聚力和內(nèi)摩擦角相對于素土均有所提高，但黏聚力增長較大，內(nèi)摩擦角增加較小。且由于不同加筋方式下竹材彎曲程度以及混合布筋形式不同，導(dǎo)致產(chǎn)生了不同的加筋抗剪強(qiáng)度效果。

2.2 不同加筋方式對紫色土壤極限主應(yīng)力差的影響 如表1所示，相同圍壓下的極限主應(yīng)力加筋土均大于素土;在5組加筋試驗中，極限主應(yīng)力差的增量呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，且將增量相比較而言，竹筋平鋪型<竹筋混合型<竹筋豎直型<圓圈平鋪型<圓圈混合型。在圓圈混合型加筋下，極限主應(yīng)力差增量提升最大，即該類型加筋土抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大值。在同一加筋方式下，隨著圍壓的增加，土壤極限主應(yīng)力差逐漸增加，但是與素土的相對增量值呈現(xiàn)出遞減的趨勢。本次試驗中，最小增量值為圍壓下的竹筋平鋪型，增量相對素土達(dá)到12.62%;最大增量值為圍壓下的圓圈混合型，增量相對素土達(dá)54.98%，兩者相差42.36%，即不同圍壓、不同加筋方式下，竹筋土壤極限主應(yīng)力差差距很大，加筋效果具有顯著的差別。

2.3 不同加筋方式的紫色土壤應(yīng)力-應(yīng)變特征 圖3a～3f為不同加筋方式下的紫色土壤在4種圍壓下的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線。從圖3a可知，素土型在圍壓100kPa、200kPa、300kPa、400kPa下，主應(yīng)力差呈現(xiàn)上升的趨勢，直至破壞，故素土應(yīng)力—應(yīng)變形態(tài)為硬化型。圖3b為竹筋平鋪型在圍壓100kPa時，主應(yīng)力差隨軸向應(yīng)變的增加逐漸緩和，直至破壞，應(yīng)力—應(yīng)變形態(tài)為弱硬化型;在圍壓300kPa和400kPa時，竹筋平鋪型主應(yīng)力差隨軸向應(yīng)變增加而增加，曲線呈現(xiàn)硬化型;在圍壓200kPa下，關(guān)系曲線中有明顯的峰值點(diǎn)，即抗剪強(qiáng)度達(dá)到峰值后逐漸降低然后趨于平穩(wěn)，呈現(xiàn)弱硬化型。圖3c竹筋混合型在圍壓100kPa時，應(yīng)力—應(yīng)變曲線中有明顯的峰值點(diǎn)，主應(yīng)力差隨軸向應(yīng)變提升到峰值點(diǎn)后，逐漸趨于平緩狀態(tài)，呈軟化型。在圍壓200kPa、300kPa和400kPa時，主應(yīng)力差隨軸向應(yīng)變的增加而不斷增大，直至破壞，該應(yīng)力—應(yīng)變形態(tài)為硬化型。圖3d竹筋豎直型在圍壓100kPa時，主應(yīng)力差提升到一定水平后，逐漸趨于平穩(wěn)，呈弱硬化型。在圍壓200kPa時，主應(yīng)力差逐漸提升，后增長速度減慢，直至破壞，呈現(xiàn)弱硬化型。在圍壓300kPa和400kPa時，主應(yīng)力差隨軸向應(yīng)變平滑上升直到破壞，呈硬化型。圖3e圓圈平鋪型在圍壓100kPa時，應(yīng)力—應(yīng)變曲線中有明顯的峰值點(diǎn)，主應(yīng)力差提升到峰值點(diǎn)后，趨于平緩狀態(tài)，曲線呈弱硬化型。在圍壓200kPa、300kPa和400kPa時，主應(yīng)力差呈上升趨勢至破壞，該應(yīng)力—應(yīng)變形態(tài)為硬化型。圖3f圓圈混合型在圍壓100kPa、200kPa、300kPa和400kPa時，主應(yīng)力差上升至峰值點(diǎn)后，趨于平穩(wěn)狀態(tài)，且主應(yīng)力差峰值隨圍壓的增加亦逐漸加大，此類型加筋土應(yīng)力—應(yīng)變形態(tài)呈硬化型。

3 討論

3.1 加筋方式對紫色土壤抗剪強(qiáng)度的作用 5種不同加筋方式下的土壤對比素土型試驗土，其黏聚力和內(nèi)摩擦角均得到了不同程度的增加，其中，黏聚力增幅較大，增幅最高的是圓圈混合型，相對于素土增加44.39kPa;內(nèi)摩擦角變化無明顯規(guī)律，且變化微小。因土壤的內(nèi)摩擦角大小與埂坎土壤本身的顆粒組成，顆粒大小，密實(shí)度等因素有關(guān)，因此加入竹筋材料并沒有對紫色土壤內(nèi)摩擦角產(chǎn)生較大改變，即不同加筋方式對土壤的內(nèi)摩擦角影響較小。對黏聚力而言，在三軸剪切試驗中，因試樣的主應(yīng)力會隨著軸向應(yīng)變的增大而不斷發(fā)生改變，土體原有的排列結(jié)構(gòu)改變，土壤顆粒發(fā)生移動，加入竹筋材料后，竹筋與土壤之間相互作用，竹筋的抗拉性能和土壤的抗壓性能使得竹筋承擔(dān)了一部分剪切力，竹筋可阻礙土壤顆粒的移動，即加竹筋后的土壤抗剪強(qiáng)度提升。

對于本次試驗當(dāng)中5組不同加筋方式對土體抗剪強(qiáng)度而言，按由小到大的順序分析可知，竹筋平鋪黏聚力提升最小，逐漸增大依次排序是竹筋混合，竹筋豎直，圓圈平鋪，另提升最大的是圓圈混合。竹筋平鋪型是將2mm短小竹條水平方向均勻放置在土體內(nèi)，竹筋放置方向與軸向應(yīng)變壓力垂直，受到所受軸向壓力不斷增加時，竹筋所受變形少，與土體的接觸摩擦面積少，能為土體承受的部分壓力最少;竹筋混合型是短小竹條與土體均勻混合狀態(tài)，竹筋與土體之間存在各個不同大小的角度，即當(dāng)受到圍壓時，竹筋將承受來自各個方向的壓力，竹筋可為土體承擔(dān)的壓力較大;竹筋豎直型是將短小竹條按豎直方向均勻插入土體內(nèi)，竹筋放置方向與軸向應(yīng)變壓力平行，受到軸向應(yīng)變壓力增加時，竹筋所受變形大，與土體的摩擦面積增大，為土體承受的壓力值大;圓圈平鋪型是大小不同（直徑均小于15mm）的圓圈狀竹條按水平方向均勻放置在土體內(nèi)，因圓圈狀竹條比普通短小竹條抗拉性能更優(yōu)，受到擠壓后與土體摩擦面積大，故該加筋方式能為土體承受的壓力很大，圓圈混合型受到擠壓后，圓圈狀竹筋與土體接觸摩擦面積更大，故使得圓圈混合型是黏聚力增長最多的加筋方式。

3.2 紫色土壤應(yīng)力-應(yīng)變特征 根據(jù)三軸試驗結(jié)果可知，素土型試樣的應(yīng)力—應(yīng)變形態(tài)在4種圍壓下均為硬化型;5組加筋方式在不同圍壓下對應(yīng)的軸向應(yīng)變—應(yīng)力曲線特征有所不同，僅圓圈混合型在4種圍壓狀態(tài)下的應(yīng)力—應(yīng)變特征均有一定的峰值抗剪強(qiáng)度，呈現(xiàn)弱硬化型;其余4種加筋類型在4種圍壓下形態(tài)有所不同。因圓圈混合型加筋土是將圓圈狀竹筋條均勻混入埂坎土壤中，首先，圓圈狀竹條對比普通短小竹條會更加具有韌性，就其加筋材料而言，圓圈狀增強(qiáng)了竹筋的抗拉性能;其次，采用均勻混合埂坎土壤的方式，使得土體內(nèi)部竹筋與土壤接觸摩擦面積更大，進(jìn)而黏聚力增加，土體抗剪強(qiáng)度得到提升。由竹材加筋土的補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理可知，圓圈混合型加筋土不僅是因為竹筋與土壤相互間的摩擦阻力或咬合力增強(qiáng)了黏聚力，且圓圈混合型容易在圍壓狀態(tài)下產(chǎn)生擠壓，形成竹材加筋網(wǎng)，能夠?qū)ν馏w空間產(chǎn)生約束作用，屬于體積補(bǔ)強(qiáng)，而圓圈混合型加筋方式的抗剪強(qiáng)度效果最佳。

4 結(jié)論

（1）竹筋具有抗拉性能，是作為天然加筋材料的良好材料。不同加筋方式均提高了紫色土壤抗剪強(qiáng)度。

（2）不同加筋方式下，紫色土壤的加筋效果不同，對應(yīng)抗剪強(qiáng)度也不同，其中加筋方式對2個抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響也不一樣：黏聚力受到加筋方式影響較為明顯，而內(nèi)摩擦角幾乎沒有變化。

（3）控制其他變量，對比本試驗5種不同的加筋方式得知抗剪強(qiáng)度也不同：圓圈混合型>圓圈平鋪型>竹筋豎直型>竹筋混合型>竹筋平鋪型，即得圓圈混合型加筋效果最好，其應(yīng)力—應(yīng)變形態(tài)為在4種圍壓下均為硬化型。

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（責(zé)編：張宏民）