加筋纤维类型及用量对薄层土壤抗剪强度的影响

刘 威,孙海龙,李绍才,龙 凤,王云翔

(1.四川大学生命科学学院,四川成都 610064;2.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室,四川成都 610064;3.四川大学水利水电学院,四川成都 610064)

加筋纤维类型及用量对薄层土壤抗剪强度的影响

刘 威1,孙海龙2,李绍才1,龙 凤1,王云翔3

(1.四川大学生命科学学院,四川成都 610064;2.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室,四川成都 610064;3.四川大学水利水电学院,四川成都 610064)

土壤加筋;纤维;饱和含水率;抗剪强度;黏聚力;内摩擦角

加筋处理能够增加薄层土壤的抗剪强度,为了确定加筋材料合理的种类与用量,选取几种常用的有机、无机纤维材料作为试验材料,通过直剪试验,从土壤饱和含水率与抗剪强度两方面进行分析比较,研究了加筋处理后薄层土壤的抗剪特性。结果表明:在各用量条件下,椰丝加筋处理的土壤黏聚力最大,水稻秸秆丝加筋处理次之,聚丙烯纤维与玻璃纤维加筋处理的效果最差,但所有处理的黏聚力均高于素土;随着土壤纤维加筋量的增加,土壤的黏聚力与内摩擦角也逐渐增加;综合考虑土壤饱和含水率、材料来源与经济成本,水稻秸秆丝加筋处理能够达到较好的土壤抗剪效果。

在我国岩石边坡植被护坡工程建设中,一般采用常规土工材料如土工网、土工格栅和铁丝网等对边坡薄层土壤进行抗侵蚀处理,以增加坡面土体稳定性。对于采用喷射工艺的岩石边坡植被护坡工程而言,薄层土壤加筋具有抗侵蚀、提高抗剪强度、增加扰动土体稳定性等作用[1],并且与常规土工材料护坡技术相比拥有成本低、施工工序简单等优势。目前,我国关于加筋纤维的研究主要集中在混凝土、沥青路面的加筋纤维应用上,针对薄层扰动土壤加筋的研究比较少[2]。因此,本研究在前人成果的基础上讨论纤维材料种类与用量对人工改良土壤抗剪强度的影响,以期为扰动土体的稳定保持、生态恢复提供技术保障,为工程应用提供理论支持[3-4]。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2011年3月在四川省彭州市升平镇进行。本着试验材料就地选取的原则,在保证各个处理试验结果准确、综合考虑各种常见类型土壤抗剪性质[5]的基础上,选取试验地点当地的砂壤土作为试验材料。试验选取的纤维材料共有4种,基本参数见表1。

表1 试验纤维材料基本参数

1.2 试验设计与处理

试验主要研究加筋纤维种类及用量对土壤抗剪强度的影响。试验中选择的加筋纤维种类和编号分别为玻璃纤维(B1)、聚丙烯纤维(J1)、椰丝(Y1)、水稻秸秆丝(S1),加筋纤维用量和编号分别为 765.04 m/试件(SF1)、1 530.08 m/试件(SF2)、2 295.12 m/试件(SF3),为全试验设计,共12个处理。每处理设置3个重复试件,每试件试验1次,共36次试验,与未采用加筋处理的素土(CK)做对照。试件为长方体木质结构,底面为正方形,内部底边长0.35 m,高0.05 m。试验时,先在试件内部铺设规格0.35 m×0.35 m、16目的玻璃纤维网,再根据试验需要填筑厚0.05 m、素土容重1 200 kg/m3的加筋土壤。

1.3 试验测定内容

试验时,首先将包含有配合均匀物料的试件放置于降雨室中,在36.5 mm/h雨强下人工模拟降雨2 h,再将试件置于避光通风的仓库中固结12 h;然后用标准直剪环刀在试件中随机选取5个样区取样,将待检样品浸入水中,吸水12 h,根据以往试验经验,在此条件下12 h的吸水时间可以保证土壤达到水分饱和状态;最后采用直剪仪对样品进行直剪操作,测定剪应力与饱和含水率。

1.4 试验测定方法

(1)土壤饱和含水率测定。根据《森林土壤含水量的测定》[6]提供的方法,采用烘干法进行测定,计算公式为

式中:m为烘干土质量,g;m2为湿土质量,g。

(2)内摩擦角与抗剪强度测定。根据《土工试验规程》[7],使用SDJ-II型电动三速等应变直剪仪进行试验,计算公式为

式中:τ为剪应力,kPa;C为测力计率定系数,N/0.01 mm;R为测力计读数,0.01 mm;A0为试样底面积,cm2。

2 结果与分析

2.1 加筋纤维类型与用量对土壤饱和含水率的影响

饱和含水率是一个重要的土壤物理性质指标,是分析土壤保水和抗侵蚀性能的重要参数。在土体稳定性的相关研究中,饱和含水率是一项重要的研究内容,对土壤抗剪强度有着直接的影响。由于不同的加筋处理会在一定程度上改变试样的饱和含水率,从而间接影响各处理试件的抗剪强度,所以本研究所采用的直接剪切试验要测定薄层土壤样品在饱和含水率下的抗剪强度指标。根据土壤直接剪切试验的操作规程,处理的含水率试验均为5个重复,从每处理的第一个试件中采集的5个样品作为饱和含水率测定的样品。

根据试验结果绘制不同加筋纤维类型与用量的土壤饱和含水率变化图,见图1。由图1知:①玻璃纤维与聚丙烯纤维均为无机实心材料,基本不具备吸水能力,因此与 CK相比,B1、J1处理的土壤饱和含水率较低,并且加筋量越大饱和含水率越低。由于J1线密度低,在土壤中的质量百分比低于B1,所以J1处理的土壤饱和含水率要稍高于B1。②不同纤维用量条件下,Y1与S1处理的土壤饱和含水率基本都大于CK,这是由于水稻秸秆丝与椰丝这两种纤维材料本身具有一定的吸水能力。尤其是水稻秸秆丝,能够吸收自身重量3倍的水,所以S1处理的土壤饱和含水率随着纤维用量的增加而增加明显。椰丝的吸水速度与吸水量低于水稻秸秆丝,所以在高加筋量的情况下,Y1处理的土壤饱和含水率低于S1。③Y1处理在SF3纤维用量情况下饱和含水率稍低于CK,这是因为在高加筋量条件下12 h的吸水时间并不能满足椰丝的吸水需求,导致饱和含水率较 Y1处理的SF1、SF2和CK处理的SF3低。

图1 不同加筋纤维类型与用量的土壤饱和含水率变化

2.2 加筋纤维类型对土壤抗剪强度的影响

根据库仑定律,抗剪强度由黏聚力和内摩擦力组成[8]。根据试验结果绘制不同加筋纤维类型对土壤黏聚力影响对比图,见图2。由图2知,在SF1、SF2、SF3三种加筋纤维用量条件下,各处理的土壤黏聚力均大于CK,并且差异达到显著性水平(P＜0.05),说明在试验条件下与对照相比这4种纤维材料的加筋处理均能达到较好的抗剪效果。在同样纤维长度条件下,水稻秸秆丝经过揉丝机破碎处理,拉伸强度较低,而椰丝较水稻秸秆丝拉伸强度高,表面粗糙,因此Y1＞S1;聚丙烯纤维比玻璃纤维更加柔软,在土壤中呈现弯曲卷绕形态,而玻璃纤维韧性大,在土壤中交错排布,因此 J1＞B1。综上,不同加筋纤维类型处理土壤黏聚力大小排序为Y1＞S1＞J1＞B1＞CK。

图3为加筋纤维类型对内摩擦角的影响。由图3可知,在SF1用量下,4种纤维加筋土(B1、J1、Y1、S1)的内摩擦角较素土的增加率分别为11.37%、9.00%、13.53%、11.92%;在SF2用量下,增加率分别为17.93%、9.83%、17.56%、25.80%;在SF3用量下,增加率分别为18.69%、21.57%、28.30%、58.10%。由此可见,在各种用量条件下纤维加筋土的内摩擦角均大于对照,而内摩擦角增大有助于增加纤维与土壤之间的黏聚力。

2.3 加筋纤维用量对土壤抗剪强度的影响

根据试验结果绘制不同纤维用量对土壤黏聚力影响的对比图,见图 4。由图 4知,B1、J1、Y1、S1 处理在 SF1、SF2、SF3纤维用量下的土壤黏聚力均大于CK,并且随着纤维用量的增加,各处理的土壤黏聚力逐渐增加,各处理间以及各处理和CK间的差异均达到显著性水平(P＜0.05)。这说明在试验条件下与对照相比,不同纤维加筋量处理均能增强土壤黏聚力,对同种纤维材料而言,纤维加筋量的增加导致了纤维与土壤颗粒间的总摩擦力增加,也就增加了土壤的黏聚力。

图5为加筋纤维用量对内摩擦角的影响。由图5知,加筋纤维用量不同,加筋土壤内摩擦角就不相同,并且随着用量的增加,各处理的内摩擦角增加率也不相同。玻璃纤维加筋土在高加筋量的情况下内摩擦角增加率较低,说明玻璃纤维较其他纤维更容易形成软弱滑动面。这一现象可能与玻璃纤维质地坚硬、光滑、粗糙度较小导致与土壤的黏结力小于其他纤维有关,此结论还有待于进一步试验验证。

3 结 语

土壤加筋处理对土壤抗剪强度的影响较大,加筋纤维有效加大了土壤颗粒之间的黏聚力与内摩擦角。试验研究表明:长度为0.01 m的玻璃纤维、聚丙烯纤维、水稻秸秆丝与椰丝均能有效提高薄层土壤的抗剪强度,且用量越大效果越明显;水稻秸秆丝与椰丝的加筋效果好于玻璃纤维与聚丙烯纤维,水稻秸秆丝与椰丝加筋处理的土壤饱和含水率也要高于玻璃纤维与聚丙烯纤维处理。因此,在利用天然植物纤维对边坡薄层土壤进行加筋处理、实施边坡防护时,要根据实际需要选择加筋纤维用量,以达到最佳的水土保持效果。

[1]张俊云,周德培,李绍才.高速公路岩石边坡绿化方法探讨[J].岩石力学与工程学报,2002,21(9):1400-1403.

[2]汪洋,杨鼎宜,周明耀.聚丙烯纤维混凝土的研究现状与趋势[J].混凝土,2004(1):24-31.

[3]张俊云,周德培,李绍才.岩石边坡生态护坡研究简介[J].水土保持通报,2000,20(4):36-38.

[4]陈昌富,刘怀星,李亚平.草根加筋土的护坡机理及强度准则试验研究[J].中南公路工程,2006,31(2):14-17.

[5]刘成宇.土力学[M].北京:中国铁道出版社,2000:146-148.

[6]LY/T 1213—1999,森林土壤含水量的测定[S].

[7]SL 237—1999,土工试验规程[S].

[8]李广信.高等土力学[M].北京:清华大学出版社,2004:159-161.

S157.2

A

1000-0941(2011)10-0058-03

国家科技支撑计划课题(2011BAK12B04)

刘威(1986—),男,四川成都市人,硕士研究生,主要从事生态工程方面的研究。

2011-06-15

(责任编辑 李杨杨)