干密度对稻草加筋盐渍土和稻草加筋石灰土的抗剪强度影响

徐 良，王晓燕，柴寿喜

(1. 天津城市建设学院 天津市软土特性与工程环境重点实验室，天津 300384；2. 中水北方勘测设计研究有限责任公司 勘察院，天津 300222)

滨海盐渍土存在吸湿软化、盐胀、溶陷等不良工程地质问题[1]，未经处理不能满足工程使用要求．前期研究表明，加筋可使盐渍土的应变软化程度降低，残余强度提高，有效约束土的变形，提高土的强度[2]．因为土的抗剪强度受干密度的影响[3]，所以控制干密度是加筋土结构设计的主要问题之一，研究干密度对加筋盐渍土抗剪强度的影响，可为在盐渍土道路进行工程设计和施工提供一定的理论依据和技术指导．

李敏等[2]研究了麦秸杆加筋对盐渍土抗剪强度的增强作用；石茜等[4]研究了稻草的极限拉伸性能；刘付华等[5]研究表明，二灰(石灰、粉煤灰)使滨海盐渍土的抗压强度提高；周晓鹏等[6]研究了石灰固化滨海盐渍土的抗剪强度；蔡正银等[7]研究了砂土的变形特性，显示砂土的干密度和有效平均正应力会影响其剪胀或剪缩；汪明元等[3]研究了干密度对加筋膨胀土强度与变形特性的影响；丁万涛等[8]研究了含水率对加筋膨胀土强度的影响；张孟喜等[9]提出水平-垂直正交加筋土的想法，该布筋方式能提高土的黏聚力和内摩擦角；张艳美等[10]进行了土工合成纤维土补强机理的试验研究．

稻草是农业废弃物，是具有一定抗拉性能的天然纤维，在物理力学性质上有别于土工合成材料，在分布形态和联结方式上也不同于天然植物根系[11]．石灰可抵抗滨海盐渍土中氯盐的腐蚀，且可增强滨海盐渍土的抗压强度[12]．笔者尝试用稻草做加筋材料，辅以石灰共同加筋固化滨海盐渍土．为此，完成了不同干密度的加筋盐渍土和加筋石灰土的三轴压缩试验，并研究干密度对加筋土的抗剪强度的影响．

1 试验部分

1.1 试验仪器

采用台式三轴剪力仪，型号为南京电力自动化设备总厂生产的SJ-1A.G．

1.2 试验材料

滨海盐渍土的液限为32.6%，塑限为16.8%，塑性指数为15.8，含盐量为2.64%，以氯盐为主．

试验前将盐渍土风干，过2 mm筛．由重型击实试验获得土的最大干密度为 1.78 g/cm3，最优含水率为20%．

人工收割稻草，取直径4～5 mm的稻草，剥离外层表皮，剪至20 mm长，质量加筋率为0.2%．

使用有效钙镁含量为 70%的石灰粉，过 2 mm筛．掺加量为干土质量的8%．

1.3 试验方案

制备试样类型为盐渍土、石灰土、加筋盐渍土和加筋石灰土．

提前一天将水均匀喷洒于盐渍土，制样时再拌入稻草和石灰，稻草均匀分布于整体试样中．然后，将混合料分三层装入钢质模具中，其内壁涂抹黏稠油脂，层间打毛深度5 mm，借助千斤顶和反力装置，上下同时缓慢挤压而成．压制成型后静置5 min，以保证制备的试样有较好的整体性．试样直径为 61.8 mm，高度为125 mm．

鉴于土的最大干密度为1.78 g/cm3，并考虑到施工中的压实度取 93%～98%，故制备干密度为1.66 g/cm3、1.71 g/cm3、1.76 g/cm3的试样．

2 试验结果与分析

2.1 抗剪强度

将盐渍土、石灰土、加筋盐渍土、加筋石灰土的黏聚力和内摩擦角列于表1中．

表1 四种土的抗剪强度指标

从表1看出，加石灰使盐渍土的黏聚力和内摩擦角均显著增加，而加筋只增大盐渍土和石灰土的黏聚力．对于加筋盐渍土和加筋石灰土，随干密度的增大，黏聚力均有大幅增加，而内摩擦角的变化则不明显，这与文献[13-14]的研究结果相同．当干密度为1.76 g/cm3时，加筋石灰土的抗剪强度指标相对最优．可对以上现象进行如下解释．

(1)对盐渍土，加入石灰后，增强了盐渍土颗粒间的联结力．原因是加入石灰后，石灰发生水化反应，使得石灰和盐渍土颗粒形成胶结物，使土颗粒之间的联结方式发生变化，增加了土颗粒之间的联结力，同时处于分散状态的胶粒因石灰的加入而大量聚集，大大降低了孔隙比，提高了土的结构强度．表现为黏聚力增长397%，内摩擦角增长220%．

(2)在盐渍土和石灰土中加入筋材后，剪切加筋土时，需克服由稻草组成的纤维网对盐渍土的空间约束．因稻草在土中随机分布，在土样内容易形成相互交织的立体网络，那么位于纤维网内的土颗粒，在受力产生运动趋势时，就会受到纤维网的约束作用．

(3)对加筋盐渍土和加筋石灰土，当干密度从1.66 g/cm3增大到1.76 g/cm3时，使土颗粒间的接触及土颗粒与稻草纤维的接触更紧密，当土颗粒有运动趋势时，需克服的摩擦力更大．表现为加筋盐渍土的黏聚力增长105%，加筋石灰土的黏聚力增长79%．对土的内摩擦角而言，加筋和增加土的密度并未改变土颗粒的表面性质和外部性状，粗大颗粒嵌入作用的影响也相对较小．因此，土的内摩擦角变化不大．

2.2 不同干密度加筋土的应力应变

干密度1.71 g/cm3的盐渍土和石灰土应力应变关系如图1所示．加筋盐渍土和加筋石灰土的应力应变关系如图2所示．

加石灰使盐渍土的主应力差明显增大．当干密度相同时，增大围压使加筋石灰土的主应力差变化较大，使加筋盐渍土的主应力差变化较小．在干密度和应变相同时，加石灰可使加筋土的主应力差有显著提高．

随着轴向应变的增加，四种土均呈应变硬化特性．相同干密度下，围压对加筋石灰土的主应力差影响较大，对加筋盐渍土的主应力差影响不大；对加筋盐渍土来说，土颗粒间及土颗粒与筋材间的摩擦作用并不强烈，此时围压处于次要因素，所以加筋盐渍土的主应力差改变较小．对于加筋石灰土，当轴向应变在3%以内时，围压对主应力差的影响不明显；当轴向应变大于 3%时，围压越大，应力应变曲线愈陡，应力应变曲线的硬化特征愈明显，主应力差也越大．

图1 盐渍土和石灰土的应力应变关系

图2 加筋盐渍土和加筋石灰土的应力应变关系

比较图1和图2b可知，加入稻草可以提高盐渍土和石灰土的主应力差，且使石灰土的主应力差提高较多．

2.3 不同围压下的加筋土的应力应变

不同围压下的加筋盐渍土和加筋石灰土的应力应变关系如图3所示．

在四个围压下，随着干密度的增大，土的主应力差均逐渐增大，且能明显看出加石灰后，加筋石灰土主应力差有显著增大．且随围压增大，两种土的主应力差也有提升．

图3 不同围压下的加筋土的应力应变关系

相同围压时，初始密度为 1.76 g/cm3的加筋石灰土，在100 kPa和200 kPa的围压下应力应变曲线均出现软化特征，而当围压逐步增大后应力应变曲线转变为硬化型．主要是因为干密度较大时，土颗粒间的作用力较强，较小的围压不足以影响土的横向变形．对于加筋石灰土，无论何种围压时，当干密度从1.66 g/cm3增大到1.76 g/cm3后，主应力差均有大幅的提高．

加筋石灰土在轴向应变大于 10%时，干密度为1.71 g/cm3和1.76 g/cm3时的应力应变曲线趋于重合，说明当轴向应变较大时，干密度对土主应力差的影响近乎消失，此时土的主应力差主要取决于围压，围压越大，土的主应力差越大．

3 结 论

干密度的大小决定了土的结构的紧密程度，并影响土的抗剪强度．初步的研究结论为：

(1)随着土的干密度的增大，加筋盐渍土和加筋石灰土的黏聚力均显著增大，而内摩擦角则变化不大．

(2)相同干密度时，加筋石灰土较加筋盐渍土的主应力差有大幅提升，说明石灰对增强加筋盐渍土的抗剪强度作用较为明显．

(3)不同干密度时，当加筋石灰土的轴向应变大于10%时，干密度为1.71 g/cm3和1.76 g/cm3的土应力应变曲线趋于重合，说明当轴向应变较大时，干密度对土的主应力差的影响近乎消失，此时土的主应力差取决于围压．

(4)加入稻草和石灰，通过稻草和土的界面摩擦作用，可以增强对土的侧向约束作用，提高土的承载力，而石灰的固化作用又使得筋土摩擦作用进一步增强．

［1］ 徐攸在. 盐渍土地基[M]. 北京：中国建筑工业出版社，1993.

［2］ 李 敏，柴寿喜，杜红普，等. 麦秸秆加筋石灰土的抗剪强度及剪切破坏形式[J]. 深圳大学学报：理工版，2011，28(1)：65-70.

［3］ 汪明元，于嫣华. 干密度对加筋膨胀土强度与变形特性的影响[J]. 水文地质工程地质，2009(5)：40-43.

［4］ 石 茜，柴寿喜，李 敏，等. 潮湿环境中稻草的防腐效果及极限拉伸性能[J]. 吉林大学学报：地球科学版，2011，41(1)：200-206.

［5］ 刘付华，柴寿喜，张学兵，等. 二灰固化滨海盐渍土抗压强度的影响因素[J]. 湘潭大学报，2006，28(20)：118-122.

［6］ 周晓鹏，王 沛. 固化滨海盐渍土的抗剪强度及偏应力应变特征分析[J]. 天津城市建设学院学报，2010，16(2)：95-98.

［7］ CAI Zhengyin，LI Xiangsong. Deformation characteristics and critical state of sand[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2004，26(5)：697-701.

［8］ 丁万涛，雷胜友. 含水率对加筋膨胀土强度的影响[J].岩土力学，2007，28(2)：291-394.

［9］ 张孟喜，张贤波，段晶晶. H-V加筋黏性土的强度与变形特性[J]. 岩土力学，2009，30(6)：1 563-1 568.

［10］ 张艳美，张旭东，张鸿儒. 土工合成纤维土补强机理试验研究及工程应用[J]. 岩土力学，2005，26(8)：1 323-1 326.

［11］ 陈昌富，刘怀星，李亚平. 草根加筋土的室内三轴试验研究[J]. 岩土力学，2007，28(10)：2 041-2 045.

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