降低上海软粘土变形效应的加筋试验研究

璩继立，刘宝石，李陈财

（上海理工大学环境与建筑学院，上海 200093）

上海地区浅部分布着厚度较大的软粘土层[1]，饱和软弱[2,3]，其工程地质特性决定了未经固化处理无法满足工程建设的强度和变形要求[4]。因此，考虑用植物纤维来加筋上海粘土，以提高土体强度和抗变形性能。

室内试验已经证实，在土中掺加一定数量的纤维，可以提高土的强度[5]。Park等将合成纤维应用于路基填料中，确认纤维加筋对路堤土的抗压强度有明显的提高作用[6]；Prabakar通过抗压强度试验和直剪试验，证实在不同加筋长度和不同加筋率条件下，剑麻纤维加筋土存在一个最大强度值[7]；杨继位等人对麦秸秆加筋滨海盐渍土进行了抗压强度和Taguchi正交试验设计优化方法，确定了麦秸秆的适宜加筋条件[8]；石茜等人的研究结果表明，稻草适宜做加筋材料使用，可以提高土的强度和整体性[9]。

本文通过无侧限抗压强度试验，研究棕榈和麦秸秆对上海地区粘土的适宜加筋条件，以期得到它们对加筋土抗压强度影响的变化规律，并对二者的加筋效果和作用机理做比较分析。

1 试验仪器、材料及试验方案

1.1 试验仪器

采用南京土壤仪器厂生产的PY-3型应变控制式无限压缩仪测试抗压强度，仪器的主要技术指标为：位移测量范围0～30mm，测力计量力范围0～600N，升降速率2.3～2.7mm/min，外形尺寸235×150×476mm。

1.2 试验材料

使用上海地区粘土，经测定其最优含水率为20.3%，最大干密度为1.67g/cm3。将土经烘干、碾碎，过2mm筛之后备用。

两种筋材均取自上海崇明岛，棕榈剪成纤维状，麦秸秆剪成四分之一圆管状，如图1所示。

图1 试验用棕榈纤维和麦秸秆Fig.1 Palm fi ber and wheat straw used in test

1.3 试验方案

选用的加筋材料以加筋长度和质量加筋率为抗压强度影响因素。棕榈纤维的加筋长度，因材料本身的特点，选用三个长度区间：5～10mm、10～15mm、20～25mm，加筋率为0.1%～1.8%；四分之一状麦秸秆的加筋长度为5mm、10mm、15mm、25mm，加筋率为0.1%～0.6%。按含水率21%、密度2.0g/cm3制备试样，试样直径为39.1mm，高度为80mm，试验中每组制备6个试样。

将备用的土、筋材加水均匀拌和后装入塑料袋，放入密闭的玻璃容器中闷一昼夜。试样制备完成后，在相同条件下对两种加筋土试样进行无侧限抗压强度试验并记录数据。

2 试验结果

2.1 棕榈加筋土的无侧限抗压强度

试验中发现，随着加筋率的增加，棕榈加筋土的无侧限抗压强度在15%的应变内很难达到极限强度值，故取应变为15%时的无侧限抗压强度作为不同质量加筋率加筋土的无侧限抗压强度值。图2为棕榈的无侧限抗压强度试验结果。

图2 棕榈加筋土的抗压强度随加筋率与加筋长度变化Fig.2 Compressive strength of the soil reinforced with palm and reinforced ratio(L)& reinforcement length(R)

图2表明，棕榈加筋土随质量加筋率的增加，无侧限抗压强度先增强，特别是加筋率超过0.2%以后增强效果明显，之后强度变化不再明显，基本保持不变或略有降低，拐点位置大约在1.0%加筋率处。因此，在该试验条件和试件尺寸下，可以初选1.0%作为棕榈加筋土的适宜加筋率。与素土相比，棕榈加筋土的抗压强度提高了大约0.9～1.8倍。

从图中可以看出棕榈加筋土的抗压强度随加筋长度的变化规律。总体上讲，适宜的加筋长度区间在10～20mm之间。考虑到纤维状棕榈的特点和工程应用中加筋土的搅拌，可以选择平均长度为15mm的棕榈纤维作为适宜加筋长度。

2.2 麦秸秆加筋土的无侧限抗压强度

麦秸秆加筋土的无侧限抗压强度试验结果如图3所示。

由图可知，麦秸秆加筋土的抗压强度随质量加筋率总体上呈抛物线趋势变化，故存在适宜加筋率，适宜加筋率大约在0.3%～0.4%之间。其中5mm长度的加筋土变化趋势不明显，强度增幅较小或有所降低。与素土相比，在该试验条件和试件尺寸下，麦秸秆加筋土的抗压强度提高了大约0.8～1.2倍。

图中给出的是相同加筋率条件下，加筋土的抗压强度随加筋长度的变化趋势，同样趋近于抛物线型，适宜加筋长度大约为15mm。

图3 麦秸秆加筋土的抗压强度随加筋率与加筋长度变化Fig.3 Compressive strength of the soil reinforced with wheat straw and reinforced ratio(L)& reinforcement length(R)

3 分析比较

3.1 加筋机理分析

棕榈与麦秸秆加筋土的加筋效果的不同，存在多种可能的原因，下面首先从加筋机理进行分析。

棕榈与麦秸秆均为天然植物纤维，但由于二者的物理力学性能的不同导致加筋机理有所差异。

实验研究表明，加筋土与未加筋土的强度曲线可近似视为平行，土的内摩擦角在加筋前后基本保持不变，但加筋土的粘聚力有所提高，也就是说，加入的筋材与土的结合提高了土的粘聚力，这种加筋机理被称为准粘聚力原理[10]。可以推断，麦秸秆和棕榈都在一定程度上改变了土的粘聚力，改变的程度与加筋量和加筋长度有关，而棕榈对粘聚力的提高比麦秸秆高。

加筋土是由土与筋材组成的复合体，二者共同受力、协调变形。荷载作用下，加筋土整体发生变形，由于土与筋材的弹性模量不同，二者之间会有相互错动趋势产生摩擦力，故可通过筋材的抗拉强度提高加筋土的强度和抗变形能力，这种加筋机理被称作摩擦加筋机理[11]。加入的棕榈为丝状体，与片状的麦秸秆相比，单个体积小，比表面积大，被土包裹得更加紧密，与土的接触面积更大，因此棕榈与土产生的摩擦力较麦秸秆更大，对土的强度和抗变形能力提高更明显。

棕榈与麦秸秆都具有上述两种加筋机理，只是作用强度不同。除此以外，由于棕榈纤维本身的特点，它在土中的几何形态呈弯曲状，几乎没有直线段，在外力作用下，其弯曲的凹侧面会对土产生压力和摩擦力；而当加筋量达到一定时，棕榈丝会交织成网状，且中间还有土体贯穿，这样就会阻止土的横向位移，在空间层面上提高土的强度和抗变形能力，这种作用机理称为交织与弯曲机理[12]。麦秸秆由于自身的硬度和长度限制很难起到这种加筋作用，这也成为二者强度明显差异的主要原因。

3.2 变形特性分析

下面以具有代表性的0.4%加筋率、15mm长度的麦秸秆加筋土与0.4%加筋率、20～25mm加筋长度的棕榈加筋土的应力应变关系为例进行分析比较。应力—应变关系如图4所示。

图4 麦秸秆与棕榈加筋土的应力—应变曲线Fig.4 Stress-strain curves of the soils reinforced with palm and with wheat straw

从图4中可以明显看出两种加筋土应力应变曲线的差别。当轴向应变较小时，二者的应力都随应变的增加明显增大，并且在10%的应变内，二者应力增加的速度基本相当；当轴向应力超过各自的峰值后，棕榈仍具有较高的残余强度，相反麦秸秆在峰值后应力会很快进入下降段。上述情况表明，在无侧限抗压强度试验中，麦秸秆加筋土的应力应变特性表现为应变软化型，棕榈加筋土的应力应变特性表现为应变硬化型[13]。原因是棕榈纤维的空间交织作用相当于给试件施加了很大的围压，并且围压随竖向应变的增加而不断增强。此外，从试件的整个破坏过程看，即使发生较大的竖向应变，棕榈试件依然能够保持较好的整体性，不会出现整体破坏现象。

可见，棕榈加筋土的应变硬化特性以及良好的整体性，可以有效改善上海粘土的抗变形性能，对控制和减小地基土的变形具有重要的工程意义。

3.3 加筋土抗压强度变化规律分析

图2中棕榈加筋土抗压强度变化规律的原因是，随着筋材的增加，土与筋材的接触面积也随之增大，土的粘聚力不断增强，使加筋土的强度在开始阶段不断提高；当加筋材料过多时，土与土、土与筋材之间的联结作用会不断减弱，极易在土中形成薄弱面，特别是棕榈较长时，由于分布不均，在土中产生局部缺陷的几率更高，这可以解释为何图2中筋材较长的试件在0.6%加筋率后强度会有所降低。当加筋率达到一定值后，棕榈的空间交织补强机理将会发挥作用，为试件提供相当于围压的约束力，从而弥补由于局部缺陷所带来的强度损失，使强度重新增加或基本保持不变。

棕榈加筋土强度随长度的变化规律可以用弯曲与交织加筋机理进行解释，一定的加筋长度可以有效的发挥筋材交织与弯曲加筋作用，但过长后则会对土的整体性产生难以弥补的缺陷，并且不利于加筋土的搅拌，使筋材在土中无法均匀分布。

图3中麦秸秆加筋土上升段的加筋强度变化原理与棕榈基本一致，之所以出现下降段是因为随着麦秸秆的增加不仅减弱了土颗粒的联结，反过来也减弱了土对单个麦秸秆的包裹，加上麦秸秆片体积较大，大量麦秸秆的聚集会在土中产生很多缺陷和薄弱面，而且麦秸秆的空间交织与弯曲加筋作用又很小，因此导致了图4中下降段的发生。

麦秸秆强度随加筋长度的变化是因为筋材长度过小时，土中的裂纹容易绕开筋材继续发展，不能很好地发挥筋材的摩擦加筋作用[8]。过长的筋材则更容易在土体内部形成薄弱面，破坏土的整体性，因此会抵消筋材本身对土体强度的增强效果[14]。

4 结论

通过棕榈和麦秸秆加筋上海地区粘土的无侧限抗压强度试验可以得出以下结论：

（1）试验证实棕榈与麦秸秆均能改善土的抗压强度和抗变形性能，并且棕榈加筋土的抗压强度与抗变形能力均高于麦秸秆加筋土。

（2）对上海地区的粘土初选出棕榈纤维的适宜加筋率为1.0%，适宜加筋长度的平均值为15mm；四分之一圆管状麦秸秆的适宜加筋率为0.3%～0.4%，适宜加筋长度为15mm。

（3）棕榈加筋土的应力应变关系曲线表现为应变强化型，残余应力较大，很难出现下降段，破坏时试件的整体性依然很好；麦秸秆的应力应变关系曲线为应变软化型，应力峰值过后，随着应变的增加，应力消散得很快。

以上试验结论是在特定土质、含水率和试件尺寸下得出的，因此受到试件尺寸效应等因素的影响，不能代表各自加筋土的最优加筋率和加筋长度，只是一个初选结果。

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