含水率與加筋率對(duì)加筋土崩解特性影響的試驗(yàn)研究

沙琳川， 王桂堯， 李斌， 周歡， 張紅日,4

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410114； 2.貴州省質(zhì)安交通工程監(jiān)控檢測(cè)中心有限責(zé)任公司；3.武漢二航路橋特種工程有限責(zé)任公司； 4.廣西交通科學(xué)研究院)

為解決邊坡施工完成后坡面植被尚未生長(zhǎng)或生長(zhǎng)早期的雨水沖刷問(wèn)題，研究人員提出了采用稻秸稈加筋土進(jìn)行邊坡防護(hù)的全生態(tài)方法?；◢弾r殘積土具有易崩解的特性，導(dǎo)致其所形成的邊坡在開(kāi)挖后需要及時(shí)進(jìn)行防護(hù)，而防護(hù)層的水穩(wěn)定性好壞直接關(guān)系到防護(hù)的效果。因此，有必要研究含水率和加筋率對(duì)加筋土體崩解特性的影響規(guī)律。

將加筋土用于工程防護(hù)已有很長(zhǎng)的歷史，I.R.Mcibor研究了白楊樹(shù)根系的力學(xué)性能，證明了其根系可以加固土體，從而提高坡面的穩(wěn)定；Chia-Cheng Fan通過(guò)原位直剪試驗(yàn)總結(jié)了土的含水率和根的面積率對(duì)根系土抗剪強(qiáng)度的影響；唐朝生和施斌等研究了聚丙乙烯纖維提高土體抗剪強(qiáng)度的作用機(jī)理；錢(qián)葉琳等分析了黃麻纖維對(duì)膨脹土的加筋機(jī)理；石茜通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比分析指出稻秸稈對(duì)鹽漬土的加筋效果優(yōu)于麥秸稈。關(guān)于土體崩解特性及坡面土體侵蝕研究方面，如張抒等通過(guò)自制的崩解儀器對(duì)非飽和殘積土進(jìn)行崩解試驗(yàn)，從含水率與壓實(shí)度方面，通過(guò)微觀分析得出對(duì)非飽和殘積土崩解性起控制性因素的是孔隙氣壓和基質(zhì)吸力；李家春等通過(guò)對(duì)黃土的崩解試驗(yàn)，研究表明壓實(shí)度和含水量對(duì)黃土崩解速率的影響可以用有效空隙率來(lái)表示，并可用于預(yù)測(cè)壓實(shí)土的崩解速率；張澤等通過(guò)研究天然和風(fēng)干狀態(tài)下冷生亞黏土的崩解形態(tài)特征，并得出崩解形態(tài)與崩解速率有著緊密的對(duì)應(yīng)關(guān)系；劉子壯等以黃土高原邊坡4種護(hù)坡植物為研究對(duì)象，通過(guò)研究植物根系在土體中的分布以及根系的抗拉、原狀土的抗壓和抗崩解等力學(xué)指標(biāo)的規(guī)律，得出土層深度和土層中根系的含量是影響土體崩解速率的主要因素；肖宏彬探索了混合種植林草的邊坡土體的初始含水量、邊坡坡度及有效根密度對(duì)邊坡土體抗崩解能力的影響。

以上可以看出：目前有關(guān)加筋土在工程上的應(yīng)用以研究強(qiáng)度特性為主，而對(duì)強(qiáng)度特性以外的研究較少；在崩解方面大多數(shù)學(xué)者研究的是土體崩解特性，而關(guān)于加筋土崩解特性的研究?jī)H開(kāi)展了一些初步研究，且對(duì)影響加筋土崩解特性的因子研究較少。該文為進(jìn)一步驗(yàn)證稻秸稈加筋土護(hù)坡方法的實(shí)際適用性，通過(guò)試驗(yàn)研究不同初始含水率和加筋率條件下稻秸稈防護(hù)層的崩解特性，從而為該方法的使用和設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土取自長(zhǎng)沙市某施工現(xiàn)場(chǎng)，土樣取回后根據(jù)JTG E40-2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》對(duì)其基本物理性質(zhì)進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果如表1所示。

表1 試驗(yàn)土樣的基本參數(shù)

試驗(yàn)所用的加筋體采用農(nóng)田中去除根部的稻秸稈，根據(jù)文獻(xiàn)[2]，為保證試驗(yàn)結(jié)果的可對(duì)比性，在稻秸稈制樣時(shí)去掉稻秸稈頂部與莖葉，稻秸稈每段長(zhǎng)3 cm，將制做的30 kg稻秸稈進(jìn)行混合均勻備用。根據(jù)20組隨機(jī)樣本分類(lèi)稱重統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可將稻秸稈按直徑分為粗稈、中粗稈、中細(xì)稈和細(xì)稈4個(gè)等級(jí)，其直徑范圍分別為0.43～0.58、0.34～0.42、0.22～0.33和0.14～0.21 mm,4個(gè)等級(jí)的稻秸稈分別約占總質(zhì)量的28.4%、24.3%、15.0%和32.3%。

采用上述土體與稻秸稈混合制成的加筋土體進(jìn)行室內(nèi)崩解試驗(yàn)，尚需確定具體的試樣制備與剪切試驗(yàn)方案。

1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)儀器采用自行設(shè)計(jì)制作的崩解試驗(yàn)儀器(圖1)進(jìn)行浸水崩解試驗(yàn)，其包括玻璃缸(便于觀察崩解試驗(yàn)現(xiàn)象)、網(wǎng)板、吊架、電子天平等。電子天平量程為2 000 g，精度為0.1 g，用于記錄網(wǎng)板上剩余試樣的重量；網(wǎng)板采用直徑2 mm的鋼絲交織成8 mm×8 mm的網(wǎng)格板，通過(guò)細(xì)線連接吊架，架設(shè)于電子天平上，實(shí)時(shí)記錄試樣的質(zhì)量；玻璃缸長(zhǎng)2 000 cm、寬15 cm、高30 cm，上端開(kāi)口，每次試驗(yàn)時(shí)應(yīng)保證水面在同一位置；數(shù)顯式溫度計(jì)用于測(cè)量試驗(yàn)時(shí)水溫，保證每次試驗(yàn)時(shí)水溫約為20 ℃。

圖1 試驗(yàn)裝置圖示

1.3 試驗(yàn)方案

該文主要研究含水率與加筋率對(duì)加筋土崩解性的影響規(guī)律，因此，試驗(yàn)方案主要涉及不同含水率和不同加筋率的試樣制備問(wèn)題。根據(jù)已有加筋率取值狀況，該文主要探討0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%和0.5%共6種加筋工況，并通過(guò)改變稻秸稈摻入量來(lái)實(shí)現(xiàn)。含水率主要通過(guò)烘干的方法模擬現(xiàn)場(chǎng)工況，以此體現(xiàn)稻秸稈加筋土在使用過(guò)程中的崩解特性。

試驗(yàn)以含水率和稻秸稈摻加比例為控制變量，研究含水率與稻秸稈摻加比例對(duì)土樣崩解性的影響。崩解試樣控制含水率和稻秸稈摻加比例見(jiàn)表2。

表2 崩解試樣變量參數(shù) %

具體的試驗(yàn)步驟如下：

(1) 首先在30 cm×20 cm×10 cm的泡沫盒子中配制高6 cm的稻秸稈摻加比例為0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%和0.5%的飽和泥漿，并記錄整體試樣的重量及此時(shí)的含水率，用來(lái)監(jiān)測(cè)試樣的含水率。

(2) 將配制好的泥漿放入40 ℃烘箱中，該文初步定為6 h取一次樣，試樣的大小經(jīng)加工后形成5 cm×5 cm×5 cm的立方體。其中試樣的稻秸稈摻加比例不同，相同時(shí)間內(nèi)各個(gè)試樣的含水率變化不同，為保證試樣的含水率相同，采取以下方法控制：對(duì)土樣每1 h稱重一次，以監(jiān)測(cè)試樣的含水率變化情況，當(dāng)接近6 h取樣時(shí)，選取土樣中最低的含水率作為此組崩解試驗(yàn)的基準(zhǔn)含水率，剩余的土樣待其含水率降至此基準(zhǔn)值時(shí)，再對(duì)剩下的土樣取樣進(jìn)行崩解試驗(yàn)。

(3) 采用圖1試驗(yàn)裝置進(jìn)行崩解試驗(yàn)，采用電子天平記錄試樣在水中崩解60 min的剩余質(zhì)量。

2 稻秸稈加筋土室內(nèi)崩解試驗(yàn)結(jié)果

由已有研究可知：評(píng)價(jià)黏性土的指標(biāo)一般采用崩解時(shí)間、崩解現(xiàn)象和崩解速率3個(gè)方面進(jìn)行表征：① 崩解時(shí)間：指試樣完全崩解所需的時(shí)間；② 崩解現(xiàn)象：試樣在崩解過(guò)程中出現(xiàn)的各種狀況；③ 崩解速率：崩解過(guò)程中土樣的質(zhì)量損失與原土樣質(zhì)量的比值與時(shí)間的關(guān)系。

通過(guò)預(yù)試驗(yàn)結(jié)果可知當(dāng)試樣含水率較高時(shí)，試樣崩解量較小，所以將崩解時(shí)間限定為60 min，比較在60 min內(nèi)試樣在水中崩解的變化規(guī)律。進(jìn)行完崩解試驗(yàn)后，從60 min內(nèi)試樣的崩解率、崩解現(xiàn)象和崩解速率3個(gè)指標(biāo)入手，分析初始含水率和稻秸稈摻加比例對(duì)崩解性的影響。

2.1 初始含水率和稻秸稈摻加比例與崩解時(shí)間關(guān)系

在40 ℃的烘干條件下，每隔6 h對(duì)不同摻加比例的土體進(jìn)行取樣，然后將其制成5 cm×5 cm×5 cm的立方體進(jìn)行崩解試驗(yàn)。

對(duì)6個(gè)不同初始含水率的試樣進(jìn)行崩解試驗(yàn)，其結(jié)果見(jiàn)圖2。從圖2(a)可以得出稻秸稈摻加比例為0的試樣(素土樣)隨著含水率不斷下降，相同時(shí)間內(nèi)崩解量不斷增加，崩解過(guò)程較快，其中在60 min內(nèi)完全崩解的土樣的初始含水率為7%、8%和13%。初始含水率為7%試樣完全崩解的時(shí)間最短，在25 min左右時(shí)完全崩解，其崩解過(guò)程大致分為兩個(gè)階段:第1階段為快速崩解階段，第2階段為崩解減緩階段。由于土樣是在烘干條件下改變含水率，在此種條件下土樣水分蒸發(fā)較為快速，水分在土樣中快速蒸發(fā)后會(huì)留下孔隙通道。當(dāng)含水率較低的素土試樣進(jìn)行崩解試驗(yàn)時(shí)，由于土內(nèi)的基質(zhì)吸力較大，土體的吸水能力較強(qiáng)，外界水在基質(zhì)吸力的作用下沿著孔隙通道進(jìn)入土中，此時(shí)原有孔隙中的空氣隨著水的滲入而被不斷地壓縮，孔隙氣壓(斥力)不斷增大，當(dāng)孔隙氣壓大于土顆粒間的有效應(yīng)力(吸力)時(shí)，原有試樣的結(jié)構(gòu)性會(huì)發(fā)生破壞。這時(shí)在崩解量的曲線上表現(xiàn)為快速上升，為快速崩解階段。但隨著土中滲入的水不斷增多，土體的飽和度越來(lái)越大，土體內(nèi)的基質(zhì)吸力不斷變小，且孔隙氣壓逐漸變大與外界氣壓平衡，因此土體的崩解速度開(kāi)始變慢，直到試樣完全停止崩解，所以在后期試樣崩解開(kāi)始減緩。從3個(gè)完全崩解試樣可以看出崩解時(shí)間隨著初始含水率的降低而減少。

圖2 不同稻秸稈摻加比例和初始含水量與崩解時(shí)間的關(guān)系

而剩余3個(gè)未崩解的試樣，其崩解量也與試樣的初始含水率有關(guān)，基本上也遵循著在相同的時(shí)間下試樣隨著初始含水率降低崩解量增加。

試驗(yàn)得到的素土試樣崩解結(jié)果與張澤研究得到的含水率對(duì)亞黏性土崩解特性規(guī)律相同，土樣的崩解性與土樣的初始含水率有關(guān)，基本上遵循試樣初始含水率越低則崩解時(shí)間越短這一規(guī)律。

從圖2(b)～(f)可知：從整體上看稻秸稈摻加比例相同的試樣，其崩解量也與初始含水率有關(guān)，基本符合初始含水率越低其在相同時(shí)間內(nèi)的崩解量就越大。當(dāng)初始含水率相同時(shí)，再?gòu)牡窘斩挀郊颖壤齺?lái)看，試樣的崩解性與稻秸稈摻加比例有關(guān)，基本上呈現(xiàn)出隨著稻秸稈摻加比例增多，其在相同時(shí)間內(nèi)的崩解量呈現(xiàn)出先減小后增大趨勢(shì)，且在稻秸稈摻加比例為0.3%時(shí)達(dá)到最小值。這主要是因?yàn)殡S著稻秸稈的摻加比例不斷增大，其稻秸稈在土中的比表面積增大，稻秸稈與土顆粒間的摩擦增大，土體的有效應(yīng)力增加，也就是抵抗水進(jìn)入土體所產(chǎn)生的孔隙氣壓力(斥力)變強(qiáng)，所以崩解量減少。但當(dāng)?shù)窘斩挼膿郊颖壤^續(xù)增加，稻秸稈增大了土體的孔隙度，由于孔隙度過(guò)大引起崩解時(shí)孔隙氣壓增大抵消了其對(duì)有效應(yīng)力的增加量，而且過(guò)多的稻秸稈會(huì)搭建出一個(gè)含有少量土甚至是無(wú)土的空間，使試樣的結(jié)構(gòu)性遭到破壞，甚至?xí)?dǎo)致其在相同時(shí)間的崩解量大于不添加稻秸稈的試樣。

2.2 初始含水率和稻秸稈摻加比例與崩解現(xiàn)象關(guān)系

(1) 首先對(duì)稻秸稈摻加比例相同、初始含水率不同的試樣進(jìn)行對(duì)比。稻秸稈摻加比例為0.4%的試樣，初始含水率為23%和13%時(shí)崩解現(xiàn)象見(jiàn)圖3。

圖3 稻秸稈摻加比例為0.4%不同初始含水率土的崩解現(xiàn)象

由圖3(a)可知：

在初始含水率較高時(shí)試樣由“外”到“內(nèi)”以鱗片狀掉落,且由于試樣含水率較高，其基質(zhì)吸力較小，吸水能力差，外界進(jìn)入孔隙中的水較少，外界水的進(jìn)入引起的孔隙氣壓較小，所以含水率較高時(shí)崩解量較少。

由圖3(b)可知：由于試樣在烘干的條件下改變?cè)嚇拥暮剩谝粋€(gè)較短的時(shí)間內(nèi)試樣含水率迅速減少，其水分蒸發(fā)過(guò)程中會(huì)在土樣的內(nèi)部留下較多的裂隙。當(dāng)進(jìn)行崩解試驗(yàn)時(shí)，由于試樣的含水量降低，孔隙中含水量減少，基質(zhì)吸力升高，土樣吸水的能力變強(qiáng)，當(dāng)外界水浸入試樣的孔隙后，孔隙中原有的空氣被擠壓，隨著外界水不斷浸入土體，試樣表面開(kāi)始有氣泡冒出，并伴有細(xì)小顆粒不斷下落，然后試樣由整塊試樣分裂成幾個(gè)大塊，接著再由幾個(gè)大塊分裂出若干個(gè)次級(jí)小塊，直至崩解結(jié)束。

比較發(fā)現(xiàn)：試樣的崩解現(xiàn)象與試樣的初始含水率有關(guān)，初始含水率決定試樣的崩解現(xiàn)象。

(2) 對(duì)初始含水率相同、稻秸稈摻加比例不同的試樣進(jìn)行對(duì)比。初始含水率為7.0%，稻秸稈含量分別為0和0.1%的試樣崩解試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 初始含水率為7.0%不同稻秸稈摻加比例土的崩解現(xiàn)象

由圖4(a)可知：在崩解過(guò)程中水沿著原水分蒸發(fā)時(shí)留下的裂隙通道進(jìn)入土中，原有土中的空氣被浸入的水分?jǐn)D壓，此時(shí)試樣的表面有氣泡不斷冒出，試樣表面的顆粒成粉狀掉落，隨后表面有小塊掉落，試樣的體積不斷縮小，直至完全崩解。在崩解過(guò)程中水槽中的水在不斷變渾濁，后期無(wú)法觀察試樣的崩解現(xiàn)象。

由圖4(b)可知：其崩解試驗(yàn)現(xiàn)象與稻秸稈摻加比例為0的試樣類(lèi)似，不同點(diǎn)在于試樣表面的顆粒成粉狀不斷掉落后，與土相結(jié)合的稻秸稈在土顆粒掉落后，便上浮在水面。

比較發(fā)現(xiàn)：稻秸稈摻加比例對(duì)試樣崩解現(xiàn)象影響不是非常明顯。

綜上，含水率對(duì)試樣的崩解現(xiàn)象有決定性作用，而稻秸稈摻加比例對(duì)試樣的崩解現(xiàn)象影響不大。

2.3 初始含水率和稻秸稈摻加比例與崩解速率的關(guān)系

通過(guò)對(duì)不同初始含水率、不同稻秸稈摻加比例試樣進(jìn)行崩解試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)其崩解速率與崩解量的結(jié)果相對(duì)應(yīng)。不同稻秸稈摻加比例的試樣在不同初始含水率下的試樣崩解速率的關(guān)系如圖5所示。

圖5 土樣的崩解速率與初始含水率的關(guān)系圖

由圖5可得：① 在試樣的稻秸稈摻加比例相同時(shí)，隨著含水率的增大其崩解速率不斷減少；② 當(dāng)試樣在初始含水率相同時(shí)，隨著稻秸稈摻加比例的增大其崩解速率呈現(xiàn)出先減小后增大的規(guī)律，并在摻加比例為0.3%時(shí)崩解速率取得最小值；③ 不同稻秸稈摻加比例試樣的崩解速率隨著初始含水率的增加呈指數(shù)衰減：y=Ae-bx(其中A和b是關(guān)于試樣稻秸稈摻加比例的擬合系數(shù)，R2均大于0.81，擬合效果較好)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，可以將所有試樣分為兩組，第1組為初始含水率<23%的試樣；第2組為初始含水率≥23%試樣。從圖2(a)～(f)以及圖5可以看出：試樣在初始含水率低于23%時(shí)，無(wú)論稻秸稈的摻加比例是多少，其崩解量和崩解速度基本上都有明顯的提高，含水率越低試樣崩解得越完全；而當(dāng)試樣含水率高于23%時(shí)，試樣基本不發(fā)生崩解。由此可得試樣崩解量隨著初始含水率的增大而減小的規(guī)律，可將初始含水率23%定義為此次試驗(yàn)用土的一個(gè)“界限含水率”，當(dāng)試樣初始含水率大于“界限含水率”時(shí)，土樣基本不發(fā)生崩解，而低于這個(gè)“界限含水率”時(shí)，試樣開(kāi)始快速崩解。這個(gè)“界限含水率”可以用來(lái)作為衡量土崩解性的變化指標(biāo)。

對(duì)不同初始含水率和不同稻秸稈摻加比例試樣的崩解現(xiàn)象進(jìn)行對(duì)比可得，初始含水率對(duì)試樣的崩解現(xiàn)象具有決定性的影響，而稻秸稈摻量對(duì)試樣崩解現(xiàn)象的影響并不大。當(dāng)含水率較高時(shí)試樣是由“外”向“內(nèi)”以“鱗片狀”一層一層剝落；當(dāng)含水率較低時(shí)，試樣先是細(xì)小顆粒以粉狀下落，然后試樣先分裂為幾個(gè)大塊，然后再分裂成次一級(jí)的小塊，直至試樣崩解完成。

4 結(jié)論

(1) 試樣的崩解量和崩解速率與試樣的初始含水率和稻秸稈摻加比例有關(guān)，試樣的崩解量和崩解速率隨著試樣的初始含水率的降低而增加。

(2) 初始含水率對(duì)試樣的崩解性起決定性影響，稻秸稈摻加比例對(duì)試樣崩解現(xiàn)象影響不大。當(dāng)初始含水率較高時(shí)，試樣成“鱗片狀”崩解；當(dāng)初始含水率較低時(shí)，試樣先是細(xì)小顆粒以粉狀掉落，試樣成“塊狀”崩解。

(3) 不同稻秸稈摻加比例試樣的崩解速率隨著初始含水率的增加呈指數(shù)衰減：y=Ae-bx，將初始含水率23%定為此次試驗(yàn)用土的“界限含水率”。