柔性纤维加筋土抗剪特性研究

2012-09-11田振华左蓓蓓

中国水利 2012年22期

韩雷，田振华，左蓓蓓

(黑龙江省水利科学研究院，150080，哈尔滨)

植被护坡的稳定性研究由来已久，很多学者从植物根系增加土体抗剪强度的角度出发，研究了多种草本植物根系土体的稳定特性，但影响天然草皮稳定的因素很多，诸如土壤类型、植物种类、密度、龄期、草根的分布等。因此，本文从标准化研究的角度出发，基于植物根系可增加土壤抗剪强度的理论，认为不同根土复合体的抗剪强度不同，其抗水流冲刷的能力亦不同；创新性地将柔性加筋材料与土体掺混，研究了柔性纤维加筋土的抗剪特性，其研究思路符合标准化研究方向，对下一步加筋土的抗水流冲刷试验提供数据基础，其成果亦对工程设计有一定的参考价值。

黏性土具有一定的抗压抗剪强度，但其抗拉强度很低，在土中掺入或铺设一定的加筋材料，加筋材料通过摩擦力将自身的抗拉强度与土体的抗压强度结合起来，从而加强了土体的稳定性和强度。

目前应用于工程中的加筋材料，大都为人工合成的各种类型的聚合物产品，比如化纤、塑料、合成橡胶、玻璃纤维等。由于各种加筋材料已广泛应用于砂土、黏性土、碎石土、软土、石灰、粉煤灰等各个领域，取得了明显的工程、经济效益，因此对加筋土性质的研究也越来越深入。张孟喜等研究了镀锌铁皮和有机玻璃加筋材料下加筋土的强度特性。介玉新等对聚丙烯纤维加筋黏性土的离心模型试验得出，纤维加筋增加在拉应力作用下土的塑性和韧性，提高边坡的稳定性，改变其受力破坏模式。张小江等研究了聚丙烯纤维加筋黏性土抵抗静荷载作用下土体发生张拉裂缝的功能。杨果林等重点研究了加筋土工程中4种典型筋材——土工格栅、土工带、土工网和土工布的拉拔试验、循环应力-应变试验、长期加载蠕变试验，得出了4种典型筋材的工程特性指标。因此,对纤维加筋土特性的研究越来越受到重视,各研究成果对工程措施提供了有力的科学依据。本文从柔性加筋土的黏聚力与内摩擦角随筋材比的变化趋势角度，探讨了东北黑土添加柔性材料后抗剪特性的变化趋势，其试验结果对工程实践有一定的指导意义。

一、试验方法

1.试验材料

土样采用黑龙江省水利科学研究院试验研究基地东北黑土,按《土工试验规程》（SL 237—1999）的要求采集与制备土样，测定其物理性质指标，结果见表1和表2。

本实验主要选用两种加筋材料，一种是ABS塑料，另一种是聚丙烯单丝纤维，其具体参数详见表3。ABS塑料纤维采用普通床刷为原料，根据试样环刀所需尺寸人工裁剪。聚丙烯单丝纤维是一种以聚丙烯为主要原料、以独特生产工艺制造而成的高强度束状单丝纤维。加入混凝土或砂浆中可有效控制混凝土（砂浆）的塑性收缩、干缩、温度变化等因素引起的微裂缝，防止及抑制裂缝的形成及发展，大大改善混凝土的阻裂抗渗性能、抗冲击及抗震能力，可广泛应用于水利工程等领域。

2.试样制备

配合土样，将含水率为20%的土样与加筋材料，按照事先设定的比例均匀掺混，将土样与加筋材料夯实，并置于水中浸泡24 h。土样配合完成之后，按预先设定的密度，将加筋土样分成等重的4份，分别夯入内壁涂一薄层机油的环刀，试样制备应迅速，将制备完成的试样，上下层各贴一薄层滤纸，并加透水石隔开，在真空仪中抽真空1 h，然后加水饱和24 h后，上直剪仪。每组试验取4个试样，在4种不同垂直压力下进行剪切试验。饱和完成的土样采用精度为0.1 g的天平分别称重，并由环刀体积计算出试样的平均饱和密度。

3.试验仪器与试验方法

直剪试验采用南京水利电力仪表厂生产的直剪仪。对于每一个环刀试样，对上下剪切盒插入固定销。再将带有试样的环刀刃口向上（试样上下两面均贴有滤纸），对准剪切盒口，在试样上面放透水石，再将试样缓慢推入剪切盒内，并移去环刀。转动手轮，使上盒前端钢珠刚好与测力计接触，调整测力计读数为零。顺次加上加压盖板、钢珠、加压框架，安装垂直位移计，测记起始读数。

表1 土的颗粒组成

表2 土的物理性质指标

表3 加筋材料性能参数

表4 加筋材料土筋质量配合比

每一组筋土配比下，均制作4个完全相同配比的试样，分别加载50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa 的竖向荷载，同时加水饱和试样，待水平表读数稳定后（大概6～8h后）,表明试样已完全饱和固结。立即拔去固定销，调整测力计后，接通电源，开动秒表，当测力计的读数不变或出现后退（此过程大概持续6 mins），表示试样己被剪坏，一般应剪切至剪切变形达4 mm为止，如测力计读数随剪切变形继续加大，则剪切变形应达6 mm为止。剪切结束后应立即吸去剪切盒内积水，退去剪切力和垂直压力，移去加压框架，取出试样，按上述步骤连续剪完不同垂直压力下的其他3个试样。

二、试验结果分析

试验采用了ABS塑料纤维及聚丙烯纤维两种加筋材料，土样与两种加筋材料的质量配合比见表4所示。

1.ABS加筋土体的抗剪特性

试验得出，所选裸土饱和密度为1.86 g/cm3，采取同样的快剪试验下的抗剪强度指标，黏聚力为31 kPa，内摩擦角为11.25°，为与加筋土抗剪强度指标的对比。

按照表4中的土筋配比，分别得出了两种加筋材料不同配比下的加筋土体抗剪强度随土筋比的变化曲线，如图1所示。同时分析了两种加筋材料不同配比下加筋土体的内摩擦角随土筋比的变化曲线，如图2所示。

从图1可以看出，对于试验中所选的土样以及ABS塑料纤维与聚丙烯纤维两种加筋材料而言，图中加入某一含量的筋材后，其黏聚力均发生了变化，但与裸土相比，其黏聚力均有所减小；这与草根加筋土增大了土体的抗剪强度这一结论相悖，究其原因，是由于本实验所选用的加筋材料与土体的结合形式与真实的天然根土结合体在物理模型上有很大的不同，单束细丝状纤维的加入改变了土体原有的物理结构，破坏了土体原有的小土颗粒间的黏聚力。从图1可以看出，随着土筋比的增大，两种加筋土的黏聚力值均先快速增大至某一峰值后，转而逐渐变小趋于平缓，总体呈现开口向下的抛物线状。其峰值土筋比大概在100～150之间，这一数值范围可为加筋土配比的工程实践提供参考。含筋量的变化对黏聚力的影响趋势是很明显的，因此在试样中选择合适的土筋比，找到峰值抗剪强度值尤为重要。如果所加入的筋材过少，则得不到理想的土体抗剪强度值；过多，则既得不到所需的抗剪强度，对筋材而言也是一种浪费。

表5 天然草皮土力学参数

图1 黏聚力-土筋比变化曲线

由图2可以看出，本文试验中所选择试样及加筋材料，对加筋土体内摩擦角的影响尤为明显。土体中不论加入本试验中ABS塑料纤维还是聚丙烯单丝纤维，其内摩擦角均产生了不同程度的增大。土体中加入筋材后，其内摩擦角呈现先迅速减小转而继续增大后，趋于某一恒定值，总体呈现开口向下的抛物线状。这一变化趋势，与黏聚力的变化趋势恰恰相反。尽管筋材的加入对加筋土体黏聚力产生了削弱影响，但有效地增大了加筋土体的内摩擦角。土筋比在100～150之间时，出现了内摩擦角的最小值，而此时两种加筋材料下的土体却均出现了黏聚力的最大值。筋材的加入，宏观上增大了土颗粒之间的摩擦，约束了相邻土颗粒之间的相对移动，微观上则表现出内摩擦角的增大。

图2 内摩擦角-土筋比变化曲线

2.多年生早熟禾天然草皮的抗剪特性

为了对比裸土、柔性加筋土、天然草皮三者的抗剪特性，选取了早熟禾作为典型植物种类，采用同样的试验方法，得出了早熟禾天然草皮的抗剪特性。所选早熟禾天然草皮的土力学参数见表5。

试验得出了早熟禾天然草皮在满足表5所示的土力学参数下的抗剪强度指标，黏聚力为68.5 kPa，内摩擦角为9.57°。

综上，本试验可以得出以下试验结果，多年生早熟禾天然草皮的抗剪特性最强，其黏聚力可达到68.5 kPa；而相应裸土的黏聚力仅为31 kPa；而柔性材料加筋土的黏聚力值普遍低于裸土的值，因此就黏聚力大小而言，多年生早熟禾大于裸土大于柔性加筋材料。由此得出，天然草本植物根系的存在大大增加了原有土体的抗剪强度，甚至可使原土体的抗剪强度增加一倍；而人工配比柔性加筋材料的加入，降低了原有土体的黏聚力值，而使得内摩擦角有了较大增加。