竹材性能和在土钉墙支护中的应用

杨育文

(武汉市勘测设计研究院，湖北武汉 430022)

竹材性能和在土钉墙支护中的应用

杨育文∗

(武汉市勘测设计研究院，湖北武汉 430022)

根据室内外试验结果，总结了我国部分竹材的耐久性和力学性能，介绍了竹材复合土钉墙支护实例，论证了竹材替代钢材在临时性基坑工程中应用的可行性。竹材作为一种建筑材料在工程中的应用，可减少温室气体排放，保护环境，应用前景广阔。

竹材；力学性能；土钉墙

1 前 言

我国是世界上最主要的产竹国，有500余种，其中有一些是我国特有竹种。1999年至2003年第六次全国森林资源清查结果显示，全国竹林面积484万公顷，其中毛竹面积达337万公顷[1]。我国竹子主要分布在福建、江西、浙江、湖南、广东、四川、广西、安徽、湖北、重庆10个省(区、市)，其竹林面积占全国的93.8%，其中福建、江西、浙江三个省竹林面积占全国的一半[1]。竹业在我国已形成了一个新兴产业，年产竹材近4亿根，在建筑、造纸、轻工、食品、家具、包装、运输等行业中广泛应用。竹子从出笋到成材生长期短，大多3年～5年就可以成材砍伐。生长期过长，材质老化，竹子强度反而降低。竹材抗拉强度高，素有“植物钢筋”之称，在20世纪50年代～60年代，它大量用于建筑等各个领域。竹材是绿色、环保、可再生、价格低廉的建筑材料。

天然竹子抗拉强度高，也有一定的抗弯和抗剪能力，在短期内力学性质可基本保持稳定，具有耐久性，可用于挡土墙结构中，是一种天然的土钉和抗滑桩，可替代钢筋或钢管等钢材和木材，用于基坑支护等。将竹材用于基坑和滑坡治理等工程，已取得一些成功经验[2～4]。绝大多数建筑基坑几个月或一年左右就能竣工，很少超过两年的，基坑支护属临时性工程。大多数竹类，两年内竹材力学性质可保持基本稳定，符合基坑支护要求。本文总结了我国部分竹材的耐久性和强度性能，介绍了竹材在基坑支护结构中可以发挥的一些作用。

2 竹材的耐久性

天然竹子的含糖量高，含水量也高，易受菌虫的危害，使其发霉、变色、强度减弱。一般情况下，天然竹子稍作加工处理之后，就用于实际工程中，有的暴露于空气中日晒雨淋，有的埋入地下受地下水、生物和化学物质的腐蚀。因此，竹材容易发生变质。作为建筑材料，竹材的耐久性是人们关心最基本的问题之一。以下介绍六种竹材室内外试验结果[5]。

2.1 室内耐腐性试验

不同竹材的结构和化学成分不同，天然耐腐性差异很大。竹材对不同腐朽菌的耐腐性也不一样。试块为3年生竹材，无明显发霉、变色和腐朽，大小为20 mm×20 mm×10 mm(或壁厚)，保留竹青，试验菌种选为彩绒革盖菌和密粘褶菌[5]。试验中，试样表面长满白色菌丝，变得松软，但仍保持试块的基本形状，试块的颜色变化不大，稍经用力即呈纤维状剥离。毛竹、大泰竹、车筒竹试材硬度降低不明显。试验结果表明，毛竹和大泰竹竹材属于耐腐等级，马来甜龙竹、撑篙竹、车筒竹、麻竹竹材属于稍耐腐等级[5]。

2.2 现场试验

在野外，竹材损毁的原因包括腐朽和白蚁取食。竹材经白蚁取食后，一般靠近竹青部位仍留存，仍能保持一定的强度。竹材经腐朽后，力学强度丧失，稍经用力即折断。竹材腐朽后，其材质变脆，硬度减小不大，在未完全损毁前较难判断。野外埋地试样为50 cm长的原竹，3个月观察1次。从试验结果看，竹材腐朽后，其断面为褐色，竹材的竹青部分较耐腐，从外表较难看出其腐朽。白蚁的危害通常是竹黄部分被蛀空，而竹青仍完好。试验以超过60%的竹材损毁时间作为竹材的天然耐久平均月数。直径大的竹材天然耐久性平均月数应会增加。试验结果如表1所示。6种竹材的天然耐久平均月数都在24个月以内，以毛竹的天然耐久月数最长，达到24个月。

6种竹材的天然耐久平均月数[5]表1

从表1可以看出，这6种竹天然耐久平均月数从9个月～24个月不等，毛竹耐久性最好。若基坑工期较长，可选择毛竹、大泰竹、车筒竹这些竹类；若是工期短的小型工程，这六种竹材都可以选用。

3 竹材力学性能

竹材力学性能与竹类、竹龄、含水量、地区等多因素密切相关。竹材试验测试，依照《竹材物理力学性质试验方法》(GBT 15780－1995)等相关规定进行。以下根据竹材种类的不同，分别介绍。

3.1 楠竹

试样采用四川5年生楠竹，经过天然风干，含水率为5.8%～8.0%，密度为0.78 g/cm～0.83 g/cm，内径为50 mm～67 mm，外径为58 mm～78 mm，壁厚为8 mm～11 mm。试验结果[6]:①经过天然风干竹块抗压强度为87 MPa～122 MPa，3年生楠竹块顺纹抗压强度达119 MPa，比5年竹龄楠竹大；②楠竹条拉伸试验中，天然含水率时，抗拉强度平均值为308.30 MPa，而对于带有竹节抗拉试件，平均抗拉强度为151.13 MPa；③楠竹顺纹抗压强度平均值为98.30 MPa，约为横纹抗压强度的3.0倍，径向抗压强度的1.5倍；④楠竹的拉伸强度是顺纹抗压强度的3倍多，达到308.30 MPa左右，但若试件中含有竹节，其强度将降低一半；⑤楠竹条抗弯与其抗拉过程具有相似性，对于带有竹节试件，抗弯强度较抗拉强度低约40%，为90.7 MPa；⑥竹材强度随含水量的增加有下降的趋势，竹节对承载力有一定的影响。

不同地区同种竹类，竹材顺纹抗拉极限强度存在一定差异。例如[7]，湖北楠竹145.2 MPa，四川楠竹216 MPa；浙江毛竹184.2 MPa，前苏联毛竹153 MPa。

根据以上试验数据，楠竹的抗拉强度可取值154.13 MPa，抗弯强度90.7 MPa。从《混凝土结构设计规范》(GB50010－2002)知，普通钢筋HPB235抗拉强度设计值fy＝210 MPa，直径在16 mm～40 mm的Q235钢筋抗拉、抗弯强度设计值为205 MPa。由此可以看出，楠竹和普通钢筋它们抗拉强度差异并不是太大，这就是竹材被称为“植物钢筋”的原因。一根外直径70 mm、壁厚10 mm的楠竹，经天然风干后，经计算它可承受极限拉力T＝290 kN，极限弯矩M＝5.56 kN·m。从强度上看，楠竹稍作加工处理之后，可承受较大轴向拉力和一定的弯矩，在基坑支护中用作土钉或抗滑桩等。

3.2 大木竹

试样采用浙江省平阳县南湖乡3年生大木竹样，平均直径77.7 mm，含水率9%～15%。试验中，以材性优良的毛竹为参比竹材。试验结果[8]:①在纵向各部位顺纹抗拉强度的均值为238 MPa，略大于参比竹种5年生毛竹的相应值232.1 MPa。5年生雷竹和红壳竹的顺纹抗拉强度值分别为178.7 MPa、231.9 MPa；②顺纹抗压强度为75.1 MPa，略小于参比竹种毛竹的相应值77.8 MPa；③大木竹竹材的顺纹抗剪强度为11.9 MPa，比参比竹种毛竹的强度16.6 MPa低；④大木竹竹材的抗弯强度为139.0 MPa，比毛竹材169.1 MPa要低；从抗弯弹性模量上看，大木竹竹材的抗弯弹性模量为12.6 GPa，大于毛竹材11.7 GPa。

3.3 苦竹

试样选用浙江省余杭中泰乡采集苦竹28株，按竹竿生长年龄(1年～5年)分别采集，采样株生长正常，胸径差异不大，平均值41.1 mm。随着竹龄的增加，顺纹抗拉强度在132 MPa～234 MPa之间变化，抗弯强度也发生一定的变化，试验结果如图1～图3所示[9]。

图1～图3表明[9]，苦竹竹材力学性质随着竹龄的增大而增大，径向、弦向和体积干缩系数随竿龄增加逐渐减少。从1年～2年、2年～3年期间，各项物理力学性质的变化幅度较大，以后几年的变化幅度较小，3年～5年趋于稳定。综合分析，选用竹龄为3年的苦竹作为建筑材料较合适。

图1 顺纹抗压强度随竿龄的变化趋势

图2 顺纹抗拉强度随竿龄的变化趋势

图3 弦向抗弯强度随竿龄的变化趋势

以上试验结果表明:①竹材强度与竹密度相关。竹材密度、纤维强度越大，则承载能力也越强；②含水量较大的竹件柔性比天然含水率有所提高，但承载力有所降低；③竹子生长达到一定竹龄后，其竹材的物理力学性质差异在不断减少，例如，3年或4年不等(与竹类相关)，力学性质趋向稳定。竹龄太大(例如，大于5年)，纤维老化，韧性差，脆性太大，承载力反而减少；④同种竹材，不同地区，其强度不同；⑤竹材可承受较大的拉力、一定的剪力和弯矩。竹材的抗拉强度几乎与普通钢筋接近。

4 土钉墙支护中的竹材

竹材费用相对低廉，同样长度的毛竹价格仅为钢材价格的1/10～1/8[10]。竹材抗拉强度高，在两年内力学性能相对稳定，适用于建筑基坑临时性支护结构。采用竹材替代钢材土钉，竹竿土钉两年之后就腐朽变质了，不占用相邻地下空间。竹材作为抗滑排桩，可有效控制基坑侧壁及底部软土因基坑开挖引起的变形。通过竹竿芯孔进行花管注浆，还可在排桩底部形成一道加竹筋的水泥土墙，既可防渗，又可以发挥挡土作用。

4.1 竹竿土钉

竹竿土钉宜为通长，尽量减少接头。若需面层侧壁排水，可把竹竿节中内隔片打通，作为排水通道。土钉长度、空间布置，由土钉墙稳定计算确定，安全系数在1.5～2.0之间。根据经验[2]，软土地区，SH×SV＝0.7 m2～1.0 m2，土钉位置越往下，土钉长度越长；粘土、粉土等土层，SH×SV＝1.5 m2～2.0 m2，土钉位置越往下，长度越短，但一般最短的不小于5 m。软土地区设计剖面图如图4所示[11]。对于淤泥层，用洛阳铲成孔一半深后将竹竿土钉置于一半，然后把另一半压入侧壁土层。水泥注入量为25 kg/m[11]。开挖到竣工期间，基坑周边最大水平位移300 mm，基坑处于稳定状态。

图4 毛竹土钉墙剖面

4.2 竹材抗滑桩

基坑开挖深度4.8 m，上部土层是厚约3 m杂填土和粘土，下部是流塑状淤泥质粘土，厚2.1 m～16 m。两排大头直径110 mm的毛竹桩相互搭接(桩长大于等于5 m，排距1 300 mm(或1 800 mm)，间距500 mm)，形成一道厚2 000 mm的挡土墙[4](如图5所示)。开挖期间，基坑周边水平位移监测的最大水平位移发生在地表附近，为22 mm，土钉墙施工完毕后，水平位移基本保持不变。基坑一直处于稳定状态。

图5 毛竹双排微型桩复合土钉墙

5 结 论

竹材是天然可再生资源，成熟期短。作为建筑材料，竹材力学性能比钢材稍差，但价格低很多。用竹材替代钢材，至少有三个优点:①传统土钉墙支护结构中，一般用螺纹钢筋、钢管等作为土钉，有时土钉超越建筑红线进入邻近地界长达几米甚至二十多米，由于钢材无法在短期内腐朽，长期占用了大量的地下空间。采用竹材土钉，超过一定时间，例如，两年，它就会自行腐蚀降解，逐渐失去强度。竹材土钉腐烂后，不污染环境，也不占用地下空间；②钢材在制造过程中，将产生大量温室气体，污染环境，消耗大量能源。用竹材替代钢材，降低了工程造价，符合我国节能减排的基本国策，实现了节地、节能、节水、节材；③竹材低廉，可降低工程投资。在软土地区，竹材土钉支护，基坑最大位移大多在20 cm以内，可确保基坑施工和使用期间基坑稳定和安全[2]。竹材既可用于软土，也可用于一般粘性土地区。基坑大多为临时性工程，竹材在一年左右时间内其力学性质可基本保持稳定，满足基坑工程的要求。竹材可承受较大的拉力、一定的剪力和弯矩，可满足基坑支护要求。

[1] 刘道平.中国竹业发展现状及展望.科学中国网(科学中国人)，2005(10):66～70

[2] 郑桂心.毛竹土钉支护的工程实践.岩土工程界，11 (12):67～69

[3] 潘健，张乃记.竹筋香根草土坡加固技术治理粘性土坡滑坡.汕头大学学报(自然科学版)，2006，21(3):70～75

[4] 陈旭伟，缪曙光，严平等.双排毛竹桩复合土钉墙在软土基坑围护中的应用.浙江建筑，2005，22(2):29～30

[5] 刘磊，廖红霞，苏海涛等.毛竹等6种竹材的天然耐久性试验.广东林业科技，2005，21(2):6～8

[6] 王晓东，张虎元，吕擎峰等.楠竹加筋复合锚杆管材力学性能试验研究.岩石力学与工程学报，2009，28(s1):2941～2946

[7] 陈家冬，别小勇，吴亮等.竹筋喷锚支护技术及工程应用.常州工学院学报，2008，21(s1):70～75

[8] 苏文会，顾小平，马灵飞等.大木竹竹材力学性质的研究.林业科学研究，2006，19(5):621～624

[9] 俞友明，方伟，林新春等.苦竹竹材物理力学性质的研究.西南林学院学报，2005，25(3):64～67

[10] 成红之，李方明，陈茵.竹筋土钉墙在软土地区基坑支护中的应用.中国科技财富，2009(8):69

[11] 郑桂心.毛竹土钉在超软土基坑支护中的应用.地下空间与工程学报，5(6):1217～1219

Bamboo Properties and its Applications in Soil Nailing Walls

Yang YuWen
(Wuhan Geotechnical Engineering and Surveying Institute，Wuhan 430022，China)

According to the testing results，this paper summarizes the durability and mechanical properties of part of bamboos in China.Two case histories of composite soil nailing walls are presented.Bamboo instead of steel is suitable to be applied in temporary deep excavations.As new construction material，bamboo will reduce greenhouse gases and help to protect environment.Bamboo is expected to have an extensive application in the future.

Bamboo；mechanical property；soil nailing walls

1672－8262(2010)03－170－04

TU47

A

2011—04—26

杨育文(1963—)，男，正高职高级工程师，博士，从事基坑工程、地基数值分析、智能系统研究与开发。