不同瓣型蕎麥殼加筋黃土的強度特性

雷勝友 文曉燦

摘 要：為了探索植物殼生態(tài)加筋土的強度特性，進(jìn)行了蕎麥殼加筋黃土的剪切試驗研究。首先，進(jìn)行了蕎麥殼和黃土的基本性質(zhì)試驗，然后，將蕎麥殼分瓣，按一定的干土質(zhì)量比將分瓣好的蕎麥殼添加到配好的濕土中，擊實成樣，進(jìn)行直剪試驗。試驗結(jié)果表明：蕎麥殼加筋黃土的剪應(yīng)力剪切位移曲線的變化規(guī)律與素土相似;蕎麥殼加筋后土的強度有明顯提高，最大提高23%;加筋后土的內(nèi)摩擦角有很大提高，最大提高了6.13°，而黏聚力則有不同程度降低，其降低值不超過8 kPa;只有當(dāng)蕎麥殼的加筋率大于某百分比時，蕎麥殼加筋土的強度才大于素土，該百分比與蕎麥殼的分瓣情況有關(guān)。對于蕎麥殼加筋材料，存在一個界限加筋率，當(dāng)加筋率小于界限加筋率時，蕎麥殼起作用所需的剪切位移基本上隨垂直壓力而增大，當(dāng)加筋率大于界限加筋率時，蕎麥殼起作用所需的剪切位移隨垂直壓力的增大而減小，該界限值也與蕎麥殼的分瓣情況有關(guān)。比較而言，天然蕎麥殼和兩瓣型蕎麥殼作為加筋材料更合適。

關(guān)鍵詞：生態(tài)加筋土;蕎麥殼;瓣型;包裹作用;分隔作用;內(nèi)摩擦角

中圖分類號：TU444 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-6717（2022）05-0118-10

收稿日期：2020-10-10

基金項目：國家自然科學(xué)基金（59479017）;鐵道部科技研究開發(fā)項目（2010G003-F）;地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室開放基金（GZ2005-03）;國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃（S202010710008）

作者簡介：雷勝友（1965- ），男，博士，教授，主要從事加筋土強度、巖石力學(xué)及深水基礎(chǔ)工程研究，E-mail： 1436885380@qq.com。

Received：2020-10-10

Foundation items：National Natural Science Foundation of China （No.59479017）; Science and Technology Research and Development Project of the Ministry of Railways （No. 2010G003-F）; Open Fund Project of the State Key Laboratory of Geological Disaster Prevention and Geoenvironmental Protection （No. GZ2005-03）， National University Student Innovation and Entrepreneurship Training Program （No. S202010710008）

Author brief：LEI Shengyou （1965- ）， PhD， professor， main research interests： reinforced soil， rock mechanics and deep water foundation engineering， E-mail： 1436885380@qq.com

Experimental study on the strength characteristics of reinforced loess with different petal-shaped buckwheat husks

LEI Shengyou， WEN Xiaocan

（Highway School， Chang'an University， Xi'an 710064， P.R. China）

Abstract：In order to explore the strength characteristics of ecologically reinforced soil with plant shells， the authors conducted a series shear test study on the loess reinforced with different petal-shaped buckwheat husks. First， we carried out the tests on the basic properties of buckwheat husks and loess， and then divided the buckwheat husks， added the divided the buckwheat husks to the soil according to a certain mass ratio of buckwheat husks to dry soil， compacted them into specimens， and carried out direct shear tests. The research results showed that the change law of shear stress-shear displacement curve of buckwheat husk reinforced loess is basically the similar to that of plain soil. The strength of the soil reinforced with buckwheat husks has been significantly improved， with a maximum increase of 23%. In terms of strength indicators， the main manifestation is that after reinforcement， the angle of internal friction of the soil has been greatly improved， with the maximum increase of 6.13°， while the cohesion has decreased to varying degrees， but the decrease is not much， within 8 kPa. It was also found that when the addition rate of buckwheat husk is greater than a certain percentage， the strength of buckwheat husk reinforced soil is greater than that of plain soil， and the percentage was related to the splitting of buckwheat husk. When the buckwheat husk is used as a reinforced material， there is a limit reinforcement rate. When the reinforcement rate is less than the limit reinforcement rate， the shear displacement required for the buckwheat husk to function generally increases with the increase of the vertical pressure.When the reinforcement ratio is greater than the limit reinforcement ratio， the shear displacement required for the buckwheat husk to function roughly decreases with the increase of the vertical pressure， the limit value is also related to the splitting of the buckwheat husk.In comparison， natural buckwheat husks and two-petal buckwheat husks are more suitable as reinforcing materials.

Keywords：ecological reinforced soil; buckwheat husk; petal type; wrapping; separation; angle of internal friction

自法國工程師發(fā)明加筋土以來，土工加筋技術(shù)因具有多種優(yōu)點而風(fēng)靡全球。然而，隨著人們環(huán)保意識的進(jìn)一步加強，綠色環(huán)保、低碳經(jīng)濟(jì)的生態(tài)建筑日益成為人們期盼的生活家園，而生態(tài)加筋土工程則是其中一項重要的基礎(chǔ)設(shè)施。隨著城市化建設(shè)的進(jìn)一步推進(jìn)，廣大的農(nóng)村逐步城市化，生態(tài)加筋土工程的修筑會日益增多，需求量會逐步加大，其應(yīng)用前景非常廣闊。

歷史上的生態(tài)加筋土工程最早可追溯到秦代，例如，古長城西段就是用姜石、草根、荊條等加土夯實而成，又如，劍門關(guān)的土橋也屬生態(tài)加筋工程。時至今日，這些古代的生態(tài)加筋土工程仍然煥發(fā)著勃勃生機。在現(xiàn)代化的今天，生態(tài)加筋土工程更多，如草皮護(hù)坡、植物根須加固土坡、草皮防風(fēng)固沙等。土的強度問題一直是世界上研究的熱點問題，加筋土也不例外。在生態(tài)加筋土強度的研究方面，既有針對坡面淺層植草加固土現(xiàn)場取樣進(jìn)行的室內(nèi)試驗，也有針對狗尾草草根加筋粉質(zhì)黏土、地毯草根系加筋褐色黏土、刺槐根系加筋黃土等室內(nèi)制樣，進(jìn)行的剪切試驗。所有研究都表明，植物根須對被加固土體提供了附加圍壓作用，表現(xiàn)為加固后土體強度的提高。近幾年，也有不少學(xué)者進(jìn)行了麥秸稈加筋土的強度特性研究，研究表明，加筋后土的黏聚力提高了。

中國每年有大量的麥殼、稻殼、蕎麥殼、花生殼等植物殼被丟棄，甚至焚燒，造成環(huán)境污染。如果變廢為寶，將這些綠色的天然材料用于土木工程建設(shè)，形成蕎麥殼加筋土基、麥殼加筋土路堤、稻殼加筋土擋墻等，既對土體起到了加筋作用，又可充分利用這些農(nóng)產(chǎn)品廢棄物，兩全其美，也為實現(xiàn)裝配式路基工程尋找到一條新的途徑。但目前關(guān)于植物殼加筋土的研究還開展得不多，尤其是這些植物殼能否作為加筋材料以及作為加筋材料添加后土體強度提高的程度，關(guān)于這方面的研究較少，甚至還是空白;由于這些殼的特殊結(jié)構(gòu)，對所形成的加筋土與傳統(tǒng)加筋土的不同之處也鮮有報道。為此，筆者以蕎麥殼為例，進(jìn)行植物殼類加筋土的剪切試驗研究，旨在揭示蕎麥殼加筋黃土的應(yīng)力變形及強度特性，拓寬加筋材料的來源范圍，為植物殼類加筋土的工程應(yīng)用積累規(guī)律性資料。

1 試驗材料、試樣制備及試驗方法

試驗用土取自長安大學(xué)南院家屬區(qū)基坑開挖出來的黃土（見圖1（a）），風(fēng)干黃土的含水率為6.02%，比重為2.72，液限W為30.10%，塑限W為20.93%。進(jìn)行輕型擊實試驗，擊實試驗成果為：最大干密度ρ=1.741 g/cm，最優(yōu)含水量W=18.9%。試驗采用最優(yōu)含水量配土，壓實系數(shù)取0.95，擊實成樣，試樣尺寸為φ6.18 cm×2 cm。在直剪儀中進(jìn)行快剪試驗。

加筋材料取自陜北某地的蕎麥，經(jīng)脫殼后形成蕎麥殼（見圖1（b）），即為天然蕎麥殼，含有少量的殼屑以及不完整蕎麥殼等，顏色呈咖啡色。完整的蕎麥殼為三瓣，質(zhì)地堅硬，近似呈微開狀或封閉狀。外觀尺寸為：長度5～6.5 mm，平均長度5.77 mm;寬、高大致相等，尺寸3.5～6 mm，平均值4.636 mm。殼的厚度0.11～0.269 mm，平均厚度約0.158 mm。

用于研究的蕎麥殼多孔介質(zhì)混合材料在自然松散狀態(tài)下密度為0.115 2 g/cm（按一個環(huán)刀容積計算，環(huán)刀容積為59.992 cm），經(jīng)室內(nèi)剪切試驗測定，摩阻系數(shù)tan φ為0.389 1，相應(yīng)的內(nèi)摩擦角φ為21.26°，黏聚力c為8.246 kPa;在試樣上、下墊上多層濾紙，經(jīng)測定，摩阻系數(shù)tan φ為0.371 8，相應(yīng)的內(nèi)摩擦角φ為20.40°，黏聚力c為13.656 kPa;按兩個環(huán)刀容積的蕎麥殼質(zhì)量計算，其密度為0.109 8 g/cm，在試樣上、下墊上經(jīng)過預(yù)壓的硬紙片，經(jīng)測定，其摩阻系數(shù)tan φ為0.337 2，相應(yīng)的內(nèi)摩擦角φ為18.63°，黏聚力為9.07 kPa。

如果考慮蕎麥殼松散介質(zhì)的抗拉強度，按c×cot φ計算，則可以粗略估算出蕎麥殼散體介質(zhì)的抗拉強度分別為21.194、36.72、26.904 kPa;若按2c×tan（45°-φ/2）計算，則可粗略估算出在極限狀態(tài)下蕎麥殼散體介質(zhì)的抗拉強度分別為11.280、18.982、13.027 kPa。可以看出，按前一種方法估算出的蕎麥殼散體的抗拉強度值很大，按極限狀態(tài)估算出的值又偏小，前者的值基本上是后者的兩倍。對于前一種方法，主要是在受拉狀態(tài)下蕎麥殼松散介質(zhì)的強度線不是直線，按直線型計算，則結(jié)果偏大。

由于單個蕎麥殼幾何上的特殊性，以目前的試驗條件，還無法進(jìn)行蕎麥殼材質(zhì)的抗拉強度試驗。但對于土力學(xué)研究而言，重點關(guān)注的是剪切強度，故在研究中關(guān)注更多的是蕎麥殼多孔介質(zhì)粒團(tuán)的宏觀效果，所以，蕎麥殼散體的剪切強度是研究的重點。

蕎麥殼屬易燃物，故一般與濕土攪拌在一起，經(jīng)夯實形成土工構(gòu)筑物。在內(nèi)蒙古等地，就是將植物殼與含一定水量的濕土拌和，填埋在挖好的基坑內(nèi)，夯實之后即形成建筑地基。古長城西段以及劍門關(guān)的土橋經(jīng)千年而不垮，也說明在干旱環(huán)境下，埋在土內(nèi)的植物殼與外界環(huán)境相隔離，避免了氧化、老化等問題，不會發(fā)生腐爛變質(zhì)，所以，作為加筋材料，蕎麥殼不需要做防腐處理，只要做好防排水即可。在現(xiàn)代化的土木工程施工過程中，一般采用機械拌和填料。如果將蕎麥殼與土一起采用機械拌和，形成的蕎麥殼加筋土是均勻的。如果將蕎麥殼作為加筋材料，用于支擋結(jié)構(gòu)、裝配式路基的工業(yè)化快速施工，必將顯示出廣闊的應(yīng)用前景。

筆者除了給土中添加天然蕎麥殼外，還添加了不同瓣型的蕎麥殼，即通過手工方法將蕎麥殼掰成2瓣、1瓣，形成2瓣型、1瓣型蕎麥殼（見圖1（c）），同時，將2瓣、1瓣按2∶1的數(shù)量比混合成“2瓣+1瓣”型蕎麥殼，以觀察不同瓣型蕎麥殼的加筋效果。

將蕎麥殼按干土質(zhì)量的0.1%～2.0%添加到配好的濕土中，混合均勻后，擊實成樣，立即進(jìn)行快剪試驗。

2 試驗結(jié)果及分析

試驗結(jié)果主要反映為以下關(guān)系曲線：

1）黃土的剪應(yīng)力剪切位移關(guān)系曲線。

2）天然蕎麥殼加筋土的剪應(yīng)力剪切位移關(guān)系曲線。

3）相對于素土，加筋土強度提高的百分比隨垂直壓力變化的關(guān)系曲線。

4）加筋材料起作用所需的剪切位移隨垂直壓力變化的關(guān)系曲線。

5）加筋土的強度指標(biāo)隨加筋率的變化關(guān)系曲線。

2.1 蕎麥殼加筋土的剪切應(yīng)力剪切位移曲線及強度提高的百分比 從圖2所示的黃土的剪應(yīng)力剪切位移曲線可以看出，以垂直壓力相區(qū)分，剪應(yīng)力剪切位移曲線層次分明，隨著垂直壓力的增大，每條曲線逐次升高，由應(yīng)變軟化型逐漸變化為應(yīng)變硬化型。其中，在開始階段，垂直壓力為50 kPa的剪應(yīng)力剪切位移曲線，隨著剪切位移的增加剪應(yīng)力增加較快，隨后剪應(yīng)力增加較慢，并逐漸達(dá)到最大值（約為63.5 kPa），隨后又下降，最終趨于一個確定的殘余值（約為51.1 kPa），整個曲線表現(xiàn)為明顯的應(yīng)變軟化型。垂直壓力為100 kPa的剪應(yīng)力剪切位移曲線與前者稍有不同，達(dá)到峰值（約為88.5 kPa）后稍有下降，曲線為弱應(yīng)變軟化型。垂直壓力為200、300 kPa的曲線表現(xiàn)與前兩者完全不同，曲線經(jīng)過快速發(fā)展階段后，隨著剪切位移的發(fā)展，剪應(yīng)力均有緩慢增大，未出現(xiàn)應(yīng)力峰值，曲線表現(xiàn)為應(yīng)變硬化型。

對于加筋土，現(xiàn)以加筋率為1.5%的天然蕎麥殼加筋土的剪應(yīng)力剪切位移曲線為例進(jìn)行分析，如圖3所示。由圖3可以看出，蕎麥殼加筋黃土的剪應(yīng)力剪切位移曲線的發(fā)展規(guī)律與素土基本相同，但加筋土的剪應(yīng)力比對應(yīng)的素土有明顯提高，其強度提高的百分比R分別為：50 kPa：11.6%;100 kPa：13.6%;200 kPa：19.1%;300 kPa：17.8%。若以加筋率相區(qū)分，將以上數(shù)據(jù)對繪成曲線，如圖4所示。由圖4可以看出，在垂直壓力為200 kPa處，加筋率為1.3%時的強度提高最大，提高的百分比約為22%，其次是加筋率為0.8%和1.5%。垂直壓力為50 kPa，加筋率為0.1%、0.3%、0.6%時，加筋土的強度均低于素土;加筋率大于0.6%時，加筋土的強度才大于素土;在其他垂直壓力下，當(dāng)加筋率為0.1%、0.3%時，加筋后強度提高的百分率均小于5%，當(dāng)加筋率大于0.6%時，加筋的效果才比較顯著，加筋土的強度較素土提高很多。

從圖5可以看出，2瓣型蕎麥殼加筋土強度提高的百分率隨垂直壓力的變化規(guī)律與天然蕎麥殼加筋土類似。通過數(shù)值對比可以發(fā)現(xiàn)，僅在垂直壓力為50、100 kPa、加筋率為0.1%和0.3%的情形下，加筋土的強度低于素土，其余情況下，加筋土的強度皆大于素土?？v觀全圖，可以看出，垂直壓力100 kPa處成為大部分曲線的谷底點，而垂直壓力200 kPa處則成為大部分曲線的峰值點;加筋率為1.5%時，加筋土強度提高最大，約為23%，加筋率為1.3%時次之。當(dāng)加筋率為1.5%、1.3%、0.6%時，3條曲線都沒有峰值點，說明隨著垂直壓力的進(jìn)一步增大，加筋土的強度還會不斷增大。從提高的百分比看，2瓣型蕎麥殼的加筋效果要比天然蕎麥殼稍好些。

從圖6可以看出，對于“1瓣+2瓣”型蕎麥殼加筋土，所有曲線峰值點都在200 kPa處，加筋率為1.5%時，加筋土強度提高最多，提高的百分比約為18.4%;當(dāng)垂直壓力為50、100、300 kPa，加筋率為0.1%、0.3%時，以及垂直壓力為100 kPa，加筋率為0.6%、0.8%時，加筋土的強度都低于素土;而當(dāng)加筋率大于0.8%時，加筋土的強度才大于素土。

從圖7可以看出，對于1瓣型蕎麥殼加筋土，從加筋土強度提高的百分比看，只有當(dāng)加筋率大于0.8%的情況下，加筋土的強度才大于素土，曲線的峰值在垂直壓力為200 kPa處;加筋率為1.3%時，加筋土強度提高的百分比最大，約為20%。當(dāng)垂直壓力為50、100 kPa、加筋率為0.1%、0.3%、0.6%、0.8%，以及垂直壓力為300 kPa、加筋率為0.1%、0.3%、0.6%時，加筋土的強度都低于素土。

進(jìn)一步分析可以發(fā)現(xiàn)：對于天然蕎麥殼加筋土和2瓣型蕎麥殼加筋土，當(dāng)加筋率大于0.6%時，加筋土的強度大于素土，加筋的效果才比較明顯。當(dāng)加筋率為1.3%時，天然型蕎麥殼加筋土強度提高最大，約22%;當(dāng)加筋率為1.5%時，2瓣型蕎麥殼加筋土的強度提高最大，約23%。對于“1瓣+2瓣”型蕎麥殼加筋土和1瓣型蕎麥殼加筋土，當(dāng)加筋率大于1.0%時，加筋土的強度才大于素土，加筋的效果才比較明顯。當(dāng)加筋率為1.5%時，“1瓣+2瓣”型蕎麥殼加筋土強度提高最大，約18.4%;當(dāng)加筋率為1.3%時，1瓣型蕎麥殼加筋土強度提高最大，約20%。

由此可見，可以將加筋材料可分為兩大組，即天然蕎麥殼和2瓣型蕎麥殼為一組，1瓣型蕎麥殼和“1瓣+2瓣”型蕎麥殼為另一組，前一組的加筋效果要好于后一組。在同一組中，2瓣型蕎麥殼與天然蕎麥殼的加筋效果幾乎不相上下，1瓣型蕎麥殼稍好于“1瓣+2瓣”型蕎麥殼。

2.2 加筋材料開始起作用的剪切位移

將加筋土的剪應(yīng)力剪切位移曲線與素土的剪應(yīng)力剪切位移曲線繪制在一起，如圖8所示。從圖8可以看出，當(dāng)垂直壓力為200 kPa時，加筋土和素土的應(yīng)力變形曲線都表現(xiàn)為明顯的應(yīng)變硬化型。在開始階段，加筋土的應(yīng)力變形曲線與素土重合，當(dāng)剪切位移大于0.275 mm后，兩條曲線不再重合，加筋土的應(yīng)力變形曲線在素土之上，表明加筋后土體的強度提高了。兩條曲線分叉處對應(yīng)的剪切位移稱為加筋材料開始起作用的剪切位移，用L表示，L的意義在于，大于該剪切位移時，加筋材料才起作用，加筋土的剪切應(yīng)力才大于素土。

統(tǒng)計4種瓣型蕎麥殼加筋土的L值，得到L隨垂直壓力變化的關(guān)系曲線，如圖9所示。

從圖9（a）可以看出，當(dāng)加筋率為0.1%時，除個別點變化異常外，曲線的變化規(guī)律大致為：加筋材料起作用所需的剪切位移隨著垂直壓力的增大而增大，說明在垂直壓力較小時，加筋材料起作用較早些，而在垂直壓力較大時，加筋材料起作用較晚。

換句話說，當(dāng)垂直壓力較小時，較小的剪切變形即可使加筋材料發(fā)揮加筋作用，并顯示出加筋效果，而當(dāng)垂直壓力較大時，則需要較大的剪切變形才能使加筋材料發(fā)揮加筋作用。由此可見，垂直壓力越大，加筋材料起作用所需的剪切位移越大。

從圖9（b）可以看出，當(dāng)加筋率為0.3%時，對于

“1瓣+2瓣”型和2瓣型蕎麥殼加筋土，曲線的變化規(guī)律均為，垂直壓力越大，加筋起作用所需的剪切位移越大。對于天然蕎麥殼加筋土，曲線表現(xiàn)為垂直壓力越大，加筋起作用所需的剪切位移越小。除垂直壓力為100 kPa處異常外，1瓣型蕎麥殼加筋土曲線的變化規(guī)律同天然蕎麥殼加筋土相似。

從圖9（c）可知，當(dāng)加筋率為0.6%時，對于天然蕎麥殼和“1瓣+2瓣”型蕎麥殼加筋土，其曲線的變化規(guī)律為：垂直壓力越大，加筋起作用所需的剪切位移越大;對于1瓣型蕎麥殼加筋土，曲線的表現(xiàn)形式出兩頭大、中間小，100 kPa處為曲線的最低點。當(dāng)垂直壓力大于100 kPa后，隨著垂直壓力的增大，加筋起作用所需的剪切位移增大。而對于2瓣型蕎麥殼加筋土，其曲線的表現(xiàn)形式與1瓣型蕎麥殼加筋土相同，只是最低點在200 kPa處。

從圖9（d）可以看出，當(dāng)加筋率為0.8%時，對于1瓣型蕎麥殼加筋土，曲線的變化規(guī)律為，垂直壓力越大，加筋起作用所需的剪切位移越大;對于天然蕎麥殼和“1瓣+2瓣”型蕎麥殼加筋土，曲線表現(xiàn)出兩頭大、中間小的特點，即除了垂直壓力為50 kPa處的剪切位移較大外，曲線大致表現(xiàn)為垂直壓力越大，加筋起作用所需的剪切位移越大;對于2瓣型蕎麥殼加筋土，其曲線的變化特點與天然蕎麥殼加筋土類似，只是曲線隨垂直壓力的變化更平緩些。

從圖9（e）可知，當(dāng)加筋率為1%時，對于2瓣型和1瓣型蕎麥殼加筋土，曲線表現(xiàn)出兩頭大、中間小的特點，即除了垂直壓力為50 kPa處的剪切位移較大外，曲線大致表現(xiàn)為，垂直壓力越大，加筋起作用所需的剪切位移越大;對于天然蕎麥殼和“1瓣+2瓣”型蕎麥殼加筋土，其曲線的變化特點為，垂直壓力為50 kPa處所需要的剪切位移最大，100 kPa處成為曲線的最低點，200 kPa處成為曲線的峰值點，隨后曲線下降。

如圖9（f）所示，當(dāng)加筋率為1.3%時，所有曲線皆表現(xiàn)為在50 kPa處所需的剪切位移最大。對于天然蕎麥殼和“1瓣+2瓣”型蕎麥殼加筋土，當(dāng)垂直壓力大于100 kPa后，曲線的變化規(guī)律為：垂直壓力越大，加筋起作用所需的剪切位移越大;對于2瓣型和1瓣型蕎麥殼加筋土，曲線的變化特點為，隨著垂直壓力的增大，加筋發(fā)揮作用所需的剪切位移一直減小。

如圖9（g）所示，當(dāng)加筋率為1.5%時，對于天然型蕎麥殼加筋土，其曲線的變化規(guī)律為，垂直壓力越大，加筋起作用所需剪切位移越大;對于1瓣型蕎麥殼加筋土，曲線除了在100 kPa處跳躍外，總體表現(xiàn)為，隨著垂直壓力的增大，加筋發(fā)揮作用所需的剪切位移一直減小。

對于“1瓣+2瓣”型和2瓣型蕎麥殼加筋土，其曲線的變化規(guī)律同天然型蕎麥殼加筋土正好相反，即垂直壓力越大，加筋起作用所需的剪切位移越小，而2瓣型蕎麥殼加筋土的曲線變化相對比較緩和。

當(dāng)加筋率為2%時，最終只制成了天然蕎麥殼加筋土樣。從圖9（h）可以看出，曲線的變化特點為，在50 kPa處所需的剪切位移最大，隨著垂直壓力的增大，加筋起作用所需的剪切位移減小，當(dāng)垂直壓力達(dá)到200 kPa時，所需的剪切位移達(dá)到最小值，隨著垂直壓力的增大，所需剪切位移增大。曲線總的變化規(guī)律為，垂直壓力越大，加筋起作用所需的剪切位移越小。

由此可見，當(dāng)加筋材料為天然蕎麥殼，加筋率小于2%時，除了垂直壓力較小時，加筋起作用所需的剪切位移較大外，大部分曲線大致規(guī)律為，垂直壓力越大，加筋起作用所需的剪切位移越大，當(dāng)加筋率為2%時，曲線的發(fā)展規(guī)律雖然較復(fù)雜，但總體趨勢是，隨著垂直壓力的增大，加筋起作用所需的剪切位移在減小，可見加筋率2%是分界點。當(dāng)蕎麥殼為其他瓣型時，也按分界點加筋率將曲線分為兩種不同的變化形式，其分界點加筋率分別為，“1瓣+2瓣”型1.3%;2瓣型和1瓣型1%。

2.3 蕎麥殼加筋土的強度指標(biāo)隨加筋率的變化規(guī)律 所得蕎麥殼加筋土的強度指標(biāo)皆為表觀強度指標(biāo)，該強度指標(biāo)隨加筋率m的變化規(guī)律如圖10所示。從圖10（a）可以看出，天然蕎麥殼加筋土的內(nèi)摩擦角隨著加筋率的增大而增大，近似呈直線變化，其變化關(guān)系可表示為

φ=397.67m+25.831（1）

從圖10（b）可以看出，在加筋率較大或較小時，黏聚力較大，最大值約為50 kPa，加筋率居于中間值時，則黏聚力較小，最小值約為41 kPa。天然蕎麥殼加筋土的黏聚力隨著加筋率的增大近似呈拋物線形，可寫成

c=137 826m-1 875.2m+47.809（2）

從圖11（a）可以看出，2瓣型蕎麥殼加筋土的內(nèi)摩擦角隨著加筋率的增大而增大，近似呈直線變化，可表示成

φ=302.08m+26.37（3）

從圖11（b）可以看出，隨著加筋率的增長，2瓣型蕎麥殼加筋土的黏聚力在45 kPa附近上下小幅波動，近似呈高次多項式的變化關(guān)系。

從圖12（a）可以看出，1瓣型蕎麥殼加筋土的內(nèi)摩擦角隨著加筋率的增大而增大，近似呈直線變化，可表示成

φ=263.38m+24.622（4）

從圖12（b）可以看出，隨著加筋率的增加，1瓣型蕎麥殼加筋土的黏聚力基本圍繞著50 kPa上下小幅波動，曲線表現(xiàn)為兩頭稍高，中間略低的形式，其變化關(guān)系可近似地表示成四次多項式形式。

從圖13（a）可以看出，隨著加筋率的增大，“1瓣+2瓣”型蕎麥殼加筋土的內(nèi)摩擦角表現(xiàn)為，加筋率較大或較小時，內(nèi)摩擦角值較大，加筋率居于中間值時，則內(nèi)摩擦角值較小，其最小值大約為24.5°，內(nèi)摩擦角隨加筋率的變化關(guān)系可近似表示成

φ=49 737m-541.94m+26.176（5）

從圖13（b）可以看出，在加筋率為0.2%時，“1瓣+2瓣”型蕎麥殼加筋土的黏聚力最小，約為41 kPa，在加筋率為0.9%時，其值最大，約為57 kPa。其黏聚力隨著加筋率的變化關(guān)系可近似表示成四次多項式形式。

研究中土的壓實度為0.95，實際構(gòu)筑物填筑完成后，隨著土體的進(jìn)一步壓縮（即非飽和土的固結(jié)）變形，土體的壓實度會超過0.95，根據(jù)以往的研究經(jīng)驗，土體的強度還會進(jìn)一步提高，這樣，加筋土的強度指標(biāo)也會進(jìn)一步增大。當(dāng)填土體的高度進(jìn)一步增大時，其法向應(yīng)力也會進(jìn)一步增大，加筋土的強度指標(biāo)也會發(fā)生變化，因此，所得加筋土的強度指標(biāo)的變化規(guī)律僅適用于研究所采用的法向應(yīng)力，當(dāng)法向應(yīng)力超出該試驗范圍時，強度指標(biāo)如何變化，尚需進(jìn)一步研究。

2.4 蕎麥殼加筋土作用機理分析

加筋材料發(fā)揮作用需要一定的變形發(fā)生，由于土、筋兩種材料模量的不同，才使得筋土界面產(chǎn)生切向作用。當(dāng)垂直壓力較小時，進(jìn)行直剪試驗，試樣的實際密度相對較小，土筋界面上的摩阻作用較小，需要較大的剪切位移才能使加筋起作用;當(dāng)垂直壓力增大時，試樣的實際密度相對較大，則加筋發(fā)揮作用需要的剪切位移就較小;當(dāng)垂直壓力進(jìn)一步增大時，素土試樣發(fā)生剪切破壞則需要更大的剪切變形，也只有在這種情況下，才能體現(xiàn)出加筋的作用，所以，垂直壓力較大時，加筋起作用需要的剪切位移也較大。

當(dāng)蕎麥殼的添加率大于某百分比時，由于蕎麥殼致密、堅硬，添加蕎麥殼后，土體的密度進(jìn)一步增大，當(dāng)垂直壓力較小時，需要一定的剪切位移才能使加筋起作用，當(dāng)垂直壓力進(jìn)一步增大，土體密度也顯著增大，則加筋起作用所需的剪切位移就較小。

由于天然蕎麥殼絕大部分為3瓣型，2瓣蕎麥殼呈開口的瓢狀，如果將這兩類蕎麥殼添加到配好的濕土中，則蕎麥殼內(nèi)充滿配好的濕土，形成內(nèi)包土體的蕎麥殼，即蕎麥殼大顆粒體;對于2瓣蕎麥殼，雖然也填滿濕土，但有一個面為填土面，這樣就形成瓢狀蕎麥殼包裹土體，也是一個大顆粒體。當(dāng)蕎麥殼為1瓣時，則有微彎的凹面，所包裹的濕土很少，形成扁窄狀蕎麥殼黏結(jié)體，也為大顆粒體。當(dāng)蕎麥殼為2瓣和1瓣混合型時，形成的大顆粒體既有扁窄狀蕎麥殼粘結(jié)體，也有瓢狀蕎麥殼包裹土體。

將蕎麥殼添加在配好的濕土中，相當(dāng)于給土中添加了粗顆粒土，土的內(nèi)摩擦角增大。粗顆粒的粒徑愈大，則土的內(nèi)摩擦角越大，粗顆粒的添加量越大，土的內(nèi)摩擦角增加越多。由于天然蕎麥殼對土的包裹作用，分隔了土體，使得土體不完整，添加天然蕎麥殼后，土的黏聚力就會減少很多，包裹作用越強，分隔作用也越強。添加蕎麥殼后，土的內(nèi)摩擦角增加越多，黏聚力減少也越多，幾乎呈此長彼消的態(tài)勢。相應(yīng)地，添加2瓣蕎麥殼后，這種態(tài)勢比添加天然蕎麥殼弱一些，1瓣蕎麥殼后就更弱。添加1瓣和2瓣混合狀蕎麥殼的態(tài)勢介于2瓣蕎麥殼和1瓣蕎麥殼的態(tài)勢之間。

3 結(jié)論

1）通過直接剪切試驗，發(fā)現(xiàn)蕎麥殼加筋黃土的剪應(yīng)力剪切位移曲線的變化規(guī)律與素土基本相同。

2）當(dāng)蕎麥殼的添加率大于某一百分比時，蕎麥殼加筋土的強度才大于素土，該百分比與蕎麥殼的分瓣情況有關(guān)。

3）采用蕎麥殼加筋后，土的強度最大提高了23%，主要表現(xiàn)為土的內(nèi)摩擦角的提高，最大提高了6.13°，但黏聚力幾乎都有不同程度的降低，降低幅度不大，在8 kPa以內(nèi)。

4）對于蕎麥殼加筋材料，存在一個界限加筋率，當(dāng)加筋率小于界限加筋率時，蕎麥殼起作用所需的剪切位移隨垂直壓力的增大而增大，當(dāng)加筋率大于界限加筋率時，蕎麥殼起作用所需的剪切位移隨垂直壓力的增大而減小，該界限值與蕎麥殼的分瓣情況有關(guān)。

5）綜合考慮，認(rèn)為天然蕎麥殼和兩瓣型蕎麥殼都可作為生態(tài)加筋材料。

與其他植物殼類一樣，蕎麥殼與土混合可用于支擋結(jié)構(gòu)、加筋地基、裝配式路基的工業(yè)化快速施工，也可與其他植物殼、秸稈、芒混合搭配，用于文物的修復(fù)，如修復(fù)泥菩薩、泥觀音、泥塑制品等。

由于試驗結(jié)果的離散性較大，影響因素較多，今后還需進(jìn)一步提高試驗的精度。

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（編輯 胡玲）