稻草加筋土和麦秸秆加筋土的无侧限抗压强度比较

张瑞敏，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试验室，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)

滨海盐渍土是含有一定数量的氯盐且具有盐胀、溶陷、腐蚀和吸湿软化等不良性质的特殊土，须经改性或固化处理后才能用于建设工程[1]，通常采用水泥、石灰等无机材料固化滨海盐渍土[2]，另外掺加纤维材料，如合成纤维、剑麻等，以提高土的强度，并改善土的抗拉性能[3-4].

室内试验证实，在土中掺加一定数量的纤维，可提高土的强度.魏丽和李敏等人[5-6]探讨了麦秸秆的防腐方法，对麦秸秆的力学性能及微观结构进行分析，对比了防腐处理麦秸秆的质量增加率、吸水率、极限拉力和极限延伸率，证实用SH胶浸泡麦秸秆不仅能起到防腐作用，还可提高麦秸秆的力学性能.石茜等人[7]得出结论：防腐处理增强了稻草纤维间的联结，提高了稻草的抗拉性能.研究结果表明，稻草和麦秸秆是具有一定拉伸性能的天然纤维材料，适宜作加筋材料使用；在滨海盐渍土中分别加入稻草和麦秸秆，可提高土的强度和整体性.

1958年，J.E.Barret[8]在美国佛罗里达州开始利用合成纤维织物作为海岸块石护坡的垫层，一般认为这是加筋材料使用的开端；20世纪 60年代初，法国工程师Henri Vidal[9]提出了加筋土理论；Park等[10]将合成纤维应用于路基填料中，通过抗压强度试验，确认纤维加筋对路堤土的抗压强度有明显的提高作用.麦秸秆作加筋材料时，其抗拉性能不同于钢带一类的刚性材料，也不同于土工布和土工格栅一类的柔性材料，与合成纤维材料相比，在强度和抗变形能力等方面也存在差异[11-12].

本文通过无侧限抗压强度试验，研究稻草和麦秸秆适宜的加筋长度和质量加筋率对加筋土抗压强度的影响及其变化规律；分析适宜加筋形状对加筋土抗压强度的影响；使用SH胶浸泡稻草和麦秸秆，测试天然和经防腐处理后的加筋土抗压强度.为下一步研究稻草加筋土和麦秸秆加筋土的抗剪强度性能提供试验参考.

1 试验材料与试验方案

1.1 试验设备与材料

1.1.1 试验设备

采用南京土壤仪器厂生产的 CBR-1 型承载比试验仪测试抗压强度，选用规格 10 kN的测力环，应变速率为1 mm/min.

1.1.2 试验材料

滨海盐渍土塑性指数为 15.8，为粉质黏土，将土烘干、碾碎，过2 mm筛之后备用.

稻草和麦秸秆为人工收割，分成圆管状、二分之一状、四分之一状，截成长度10 mm和15 mm的段.

SH胶为水溶性液体高分子材料，分子量在20000以上，成分为改性的聚乙烯醇.

1.2 试验方案

选择稻草和麦秸秆作为加筋材料，以加筋长度、质量加筋率(筋材质量与干土质量的比值)、筋材形状、防腐处理(浸泡SH胶)为影响因素，测试稻草加筋土和麦秸秆加筋土的无侧限抗压强度.

前期研究得出了稻草的适宜加筋条件：加筋长度为15 mm，质量加筋率为0.20%，筋材形状为二分之一状.杨继位等人[13]通过抗压强度试验和Taguchi正交试验设计优化方法，确定麦秸秆的适宜加筋条件为：加筋长度为 10 mm，质量加筋率为 0.25%，筋材形状为四分之一状.

以相同条件比较两种加筋土的无侧限抗压强度，据此选定：加筋长度为10 mm和15 mm；质量加筋率为 0.20%和 0.25%；筋材形状为圆管状、二分之一状、四分之一状.

滨海地区的高地下水位和毛细水的强烈上升将导致盐渍土潮湿，稻草和麦秸秆在潮湿环境中易腐烂，故在用于加筋之前，需对稻草及麦秸秆浸泡 SH胶，作防腐处理.因此，将稻草和麦秸秆的防腐处理也作为一个影响因素考虑.

2 无侧限抗压强度试验结果

2.1 加筋长度

选取圆管状稻草和麦秸秆，制备适宜质量加筋率，不同加筋长度的加筋土样，其抗压强度试验结果如图1所示.

图1 加筋土的无侧限抗压强度随加筋长度的变化

由图1可知，不同加筋长度的稻草和麦秸秆加筋土抗压强度的变化趋势不同，稻草加筋土抗压强度先增加，后逐渐降低，有明显的峰值点.麦秸秆加筋土的抗压强度先缓慢增加，后缓慢降低，无明显的峰值点.这是因为：加筋长度过小时，土中的裂纹容易绕开筋材继续发展，不能起到很好的加筋作用.加筋长度过长时，会在土体内部形成薄弱面，也将抵消加筋对强度的增强效果.

对于稻草加筋土，在加筋长度 15 mm，质量加筋率为0.20%时，稻草加筋土的抗压强度处于最高位置，相对于加筋长度为10 mm时增加了16.1%.

对于质量加筋率为 0.25%的麦秸秆加筋土，当加筋长度从10 mm增加到15 mm时，其抗压强度仅降低了4.3%，因此，10 mm或15 mm均可作为麦秸秆的适宜加筋长度.

2.2 质量加筋率

选取圆管状稻草和麦秸秆，制备适宜加筋长度不同质量加筋率的加筋土样，其抗压强度试验结果如图2所示.

图2 加筋土的无侧限抗压强度随加筋率的变化

由图2可见，在0.15%的质量加筋率时，麦秸秆加筋土的抗压强度高于稻草加筋土，但随着质量加筋率的增加，稻草加筋土抗压强度呈抛物线趋势变化，而麦秸秆加筋土抗压强度则平缓增加，增加幅度较小.

这是因为：加入筋材，增大了土的孔隙度，过大的孔隙度将抵消加筋对强度的增强效果；过多的加筋材料容易在土中重叠，减弱了土颗粒间的联结，使其抗压强度降低.

在质量加筋率为 0.20%时，稻草加筋土的抗压强度达到峰值，而在0.25%时，又降低了6.3%.麦秸秆在加筋率为0.25%处，加筋土的抗压强度最大，至0.20%处又减少了3.2%，可见，麦秸秆的适宜加筋率为0.20%或0.25%.

对比图1和图2可知，稻草加筋土的适宜加筋长度为15 mm，质量加筋率为0.20%.麦秸秆的适宜加筋长度为 10 mm 或 15 mm，质量加筋率为 0.20%或0.25%.

土颗粒与筋材的良好摩擦性能，使土的强度提高[14].麦秸秆表面含有蜡质，表面光滑，而稻草的表面比麦秸秆粗糙，两者与土颗粒间的摩擦系数不同，由此导致其适宜加筋条件的不同.

2.3 筋材形状

将稻草和麦秸秆分成圆管状、二分之一状和四分之一状，制备加筋土样.其抗压强度试验结果如图 3所示.

图3 不同筋材形状加筋土的无侧限抗压强度

由图3可知，对于稻草，二分之一状加筋土与圆管状加筋土相比，加筋土的抗压强度增加了6.7%.对麦秸秆而言，二分之一状加筋土与圆管状加筋土相比，加筋土的抗压强度增加了4.8%，四分之一状加筋土与二分之一状加筋土相比，加筋土的抗压强度增加了7.1%.

筋材形状造成土的抗压强度不同的原因是，与圆管状相比，二分之一状的稻草和麦秸秆的内外表面均与土接触，与土颗粒的有效接触面积增大了一倍，即摩擦力增加了；与二分之一状相比，四分之一状的筋材个数增加了一倍，这使得筋材发生交织成网的几率大为增加.两种原因导致加筋土的抗压强度增大，残余强度也较大.

2.4 防腐处理

使用SH胶浸泡稻草和麦秸秆，对其进行防腐处理，加筋土的抗压强度试验结果如图4所示.

图4 防腐处理加筋土的无侧限抗压强度

由图4可见，防腐稻草加筋土的抗压强度比天然稻草加筋土的增加了5.6%，防腐麦秸秆加筋土的抗压强度比天然的增加了 13.7%.天然稻草和防腐稻草加筋土的抗压强度都高于天然麦秸秆和防腐麦秸秆加筋土的抗压强度.工程应用时，宜优先考虑防腐稻草做加筋材料.

浸SH胶防腐后，麦秸秆和稻草的极限拉力和极限延伸率大为提高，吸水性能下降[5-7]，能很好地适应并协调土的变形，提高了加筋土的抗压强度.

3 结 论

通过加筋土的抗压强度对比，证实稻草加筋土的抗压强度高于麦秸秆加筋土，同时还得出：

(1) 稻草的适宜加筋长度为15 mm，质量加筋率为0.20%；麦秸秆的适宜加筋长度为10 mm或15 mm，质量加筋率为0.20%或0.25%；

(2) 就筋材形状而言，二分之一状优于圆管状，四分之一状优于二分之一状；

(3) 浸泡在 SH胶中，对麦秸秆和稻草作防腐处理，这使得加筋土的抗压强度均有不同程度的提高.考虑到加筋土的耐久性问题，在将稻草和麦秸秆用于加筋之前，需对其进行防腐处理.

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