竹条加筋土的大尺寸直剪试验研究

马 强，邢文文，李丽华，郑贞艺

(湖北工业大学 土木工程与建筑学院，武汉 430068)

竹条加筋土的大尺寸直剪试验研究

马 强，邢文文，李丽华，郑贞艺

(湖北工业大学 土木工程与建筑学院，武汉 430068)

为确定竹条加筋砂土的筋土界面工作机理，进行了大尺寸直剪试验。将厚度为5 mm的竹材分别制成长度为20，40，60 mm，宽度为10 mm的竹条，并分别按0.2%，0.4%，0.6%，0.8%，1.0%,1.2%的质量百分含量加入到砂土中，对加入竹条的砂土进行大尺寸直剪试验研究。结果表明：与纯砂相比，竹条加筋土的抗剪强度明显增强，峰值强度和残余强度均有所提高；竹条加筋土的黏聚力和内摩擦角均有所增加，其中黏聚力变化较大，内摩擦角变化较小；竹条加筋土的峰值抗剪强度随着竹条尺寸和竹条加筋率的增加呈现先增加后减小的规律；尺寸为10 mm×40 mm且质量百分含量为0.8%的竹条加筋砂土效果最佳。

竹条加筋土；大尺寸直剪试验；强度特性；黏聚力;加筋率

1 研究背景

现今工程实践中常采用土工合成材料作为土体加筋材料，这些合成加筋材料由高分子聚合物构成，其生产过程会有一定环境污染，应用时又需长距离运输，若工程中能够就地取材，应用天然材料进行加筋，将具有良好的经济效益和生态效益。

竹子具有一定的强度和韧性，是很好的天然加筋材料，在土木工程领域的应用已较为普遍。国内外学者在竹材物理和力学特性方面开展了大量的研究，主要集中在竹材力学性能及其影响因素方面。Chen等[1]通过化学和物理方法研究了竹纤维、竹纤维束和竹条的物理力学性质。张丹等[2]和李旭[3]根据GB/T15780—1995[4]研究了不同竹龄、竹节等条件下毛竹的力学性能。Bergado等[5]利用直接剪切试验和拉拔试验研究了竹网和土工格栅加筋粉质黏土的加筋效果，结果表明竹网加筋效果略好于土工格栅。Ma’ruf 等[6]通过大量直剪试验研究了印度尼西亚Apus品种竹子根系的加筋效果，结果表明竹根加筋土的抗剪强度与竹根的体积百分比呈现线性增加关系。陈俊[7]总结并综述了竹子的力学性能、竹子的加筋原理、竹子的运用以及竹子防霉的研究现状。此外，国内外学者对竹子作为加筋材料在实际工程中的运用进行了一系列的研究。党发宁等[8]介绍了将竹子作为抗拉筋材加固软土路基的应用效果。Toh等[9]研究了马来西亚地区土工织物与竹子混合加筋软土的加筋效果。He等[10]研究了水泥和竹条加筋土的强度特性。王蕾等[11]用竹筋格栅加固公路软基，并利用三轴试验研究了其加筋土性质。石振明等[12]通过对某实际工程竹筋地基现场监测成果和数值模拟分析了竹筋对软土地基的加筋效果。文华等[13]基于川南地区常见的粉质黏土软弱路基的特点，经过现场试验研究，总结乡村公路竹筋加筋土路基施工工艺以及关键技术。张世贤等[14]基于攀西地区凤尾竹的试验结果，利用数值模拟分析了地震作用下竹筋加筋土挡墙的动力特性。Jian等[15]通过数值分析和室内试验研究了竹子作为锚杆加固软土路基的情况。王晓东等[16]研究了楠竹加筋新型锚杆的力学性质。张玲玲等[17]研究了钻前工程中短期使用的井场公路竹筋代替土工合成材料加筋路基的工程特性。

从上述文献可以看出，关于竹条自身力学性质的研究及其在实际工程中的应用已经十分广泛，但是对于竹条加筋的加筋机理研究还是相对比较滞后，本文进行大尺寸直剪试验，通过控制加筋条件研究竹条加筋砂土的加筋机理及竹材的最优加筋率和加筋尺寸。

2 试验仪器和试验材料

2.1 试验仪器

试验采用由成都东华卓越科技有限公司研制的大型直接剪切试验机,型号为ZY50-2G，试验设备主要由剪切仪、数据采集系统和位移传感器3部分构成。剪切仪主要由水平加载系统、垂直加载系统、剪切盒、开缝环、下剪切盒位移滚动机构、开缝滚柱等组成。水平加载系统和垂直加载系统均为油压千斤顶，最大水平推力和最大垂直荷载为700 kN，且油缸最大水平和垂直行程为120 mm。剪切盒尺寸为φ504.6 mm，包括上剪切盒和下剪切盒，上剪切盒可以自行拆卸。

图1 砂土颗粒级配曲线Fig.1 Curve of particle size distribution

图2 竹条拉拔力- 变形关系曲线Fig.2 Relationship between pullout force and deformation of bamboo slat

2.2 试验材料

试验所用砂土颗粒级

配曲线如图1所示， 砂土的基本物理参数见表1。 试验所用加筋材料为恩施巴东的天然竹材， 将厚度为5 mm的竹条处理为300 mm×20 mm进行试验， 通过一系列拉拔试验得到竹条轴向拉力-变形曲线， 其均值化结果如图2所示。 结果表明： 天然竹材具有一定的抗拉强度， 且竹材受拉变形过程呈现近似线性变化， 可以用作加筋材料。

表1 砂土参数Table 1 Parameters of sand

3 试验方法和试验结果

3.1 试验方法

试验采用应变式直接剪切，剪切速度为0.5 mm/min。通过控制变量法来研究竹条加筋砂土的加筋机理以及不同竹条尺寸和掺入竹条质量百分比对加筋砂土效果的影响。

所采用的加筋方式为均匀拌合加筋，即将竹条均匀拌合于砂土中，使竹条随机均匀分布在砂土中。竹条取自自然风干状态下，以竹条的掺入质量百分比和竹条加筋长度作为加筋材料的影响控制因素。制样前将竹条分别剪成10 mm×20 mm，10 mm×40 mm和10 mm×60 mm的尺寸，加筋质量百分比分别为0.2%，0.4%，0.6%，0.8%，1.0%，1.2%。不同尺寸和质量百分比下的各组试样都在400，800，1 200，1 600 kPa这4种不同的竖向荷载作用下进行剪切试验，共进行36组大尺寸直剪试验。

将称好的竹条与砂土拌合均匀，倒入一定质量的水进行搅拌，使试样含水率为5%，然后对拌合均匀的砂土竹条混合物养护24 h，使其含水率稳定，最后制备试样。统一称取135 kg土样，采取统一的击实锤且击实至相同的高度，从而控制试样的击实度，试验分3层进行击实，最终制得尺寸为φ504.6 mm×400 mm的试样。

将试样先加载竖向荷载，稳定后加载水平剪切荷载，推动下剪切盒水平移动，使试样发生剪切。当水平位移到达30～35 mm时停止剪切。

3.2 试验结果分析

3.2.1 对抗剪强度的影响

图3为纯砂发生30 mm剪切位移的剪切力-剪切位移关系曲线。从图3可以看出纯砂剪切力-剪切位移曲线呈现软化型，随着剪切位移的增加,剪切力增大，到达峰值后趋于稳定。剪切力和峰值剪切力随着竖向荷载的增大而不断增大。此外，在剪切位移较小时，不同竖向荷载作用下的剪切力-剪切位移曲线很接近，但随着剪切位移的逐渐增加，不同竖向荷载作用下的纯砂剪切力-剪切位移关系曲线的距离逐渐拉开且不断增加，说明竖向荷载对于纯砂抗剪强度的影响在剪切位移较大时较为显著。

图3 纯砂的剪应力-剪切位移关系曲线Fig.3 Curves of shear stress vs. shear displacement of pure soil

图4为不同尺寸竹条加筋率为0.6%时试样发生30 mm剪切位移的剪切力-剪切位移关系曲线，图5为10 mm×40 mm竹条不同加筋率下试样的剪切力-剪切位移关系曲线。

图4 不同尺寸竹条加筋率0.6%时试样 剪应力-剪切位移关系曲线Fig.4 Curves of shear stress vs. shear displacement of reinforced soil specimens with different bamboo sizes (reinforcement ratio of 0.6%)

图5 10 mm×40 mm的竹条不同加筋率下试样的 剪应力-剪切位移关系曲线Fig.5 Curves of shear stress vs. shear displacement of reinforced soil specimens with different reinforcement ratios(bamboo size 10 mm×40 mm)

从图4和图5可以看出，曲线中均有明显的峰值点，抗剪强度达到峰值后逐渐降低然后趋于平稳。剪切力和峰值剪切力随着竖向荷载的增大而不断增大，曲线呈现软化型。在剪切位移较小时，不同竖向荷载作用下的剪切力-剪切位移曲线很接近，但随着剪切位移的逐渐增加，不同竖向荷载作用下的竹条加筋土剪切力-剪切位移关系曲线的距离逐渐拉开且不断增加，说明竖向荷载对于加筋土抗剪强度的影响在剪切位移较大时较为显著。较纯砂剪切力-剪切位移曲线，加入竹条的加筋土的关系曲线均要高于纯砂关系曲线，说明竹条加筋可以提高砂土的抗剪强度。加入竹条且拌合均匀的加筋土的剪应力-剪切位移曲线的峰值要明显高于纯砂的剪应力-剪切位移曲线峰值，说明加入竹条后，提升了砂土的峰值剪切强度。此外，达到峰值后的曲线，加竹条的加筋土的残余强度较纯砂也有所提高。

图4显示，加入竹条后加筋土的抗剪强度均增加，竹条加筋土的峰值抗剪强度随着竹条长度的增加呈现先增大后减小的趋势。与纯砂相比，竹条加筋土峰值抗剪强度在400 kPa法向应力时分别提高了24.12%，26.25%,9.38%;在800 kPa时分别提高了19.48%，26.95%,22.28%;在1 200 kPa时分别提高了17.32%，25.11%和17.53%;在1 600 kPa时分别提高了6.17%，16.31%,15.46%。竹条长度为40 mm时，加筋土的峰值抗剪强度提高最大，加筋效果达到最佳状态。

图5显示，加入竹条后加筋土的抗剪强度均增加，竹条加筋土的峰值抗剪强度随着加筋率的增加呈现先增大后减小趋势。与纯砂相比，10 mm×40 mm的竹条加筋土峰值强度在400 kPa时分别提高了4.55%，15.92%，20.13%，27.33%，21.73%,15.42%;在800 kPa时分别提高了17.40%，18.22%，19.55%，23.85%，18.83%,16.77%;在1 200 kPa时分别提高了14.07%，14.34%，17.68%，34.71%，12.50%,10.86%;在1 600 kPa时分别提高了1.40%，6.03%,6.08%,11.73%，8.22%,8.12%。竹条加筋率为0.8%时，加筋土的峰值强度提高最大，抗剪强度达到最大值。

此外，在较大位移处竹条加筋土的剪切强度仍然大于纯砂，即竹条加筋土的残余抗剪强度大于纯砂抗剪强度，提高了土的延性，改善了砂土的强度和变形特性。在竖向荷载为400 kPa时残余抗剪强度较峰值抗剪强度下降较快，随着竖向荷载的增加,残余抗剪强度下降减缓且趋于平稳，这对于土体延性的提高起到了积极作用，增加了加筋土的抗变形能力。

通过分析可知，竹条加筋土的抗剪强度高于纯砂，分析其原因是竹条呈“近似曲面体”，表面凹凸不平，且竹条的顺纹方向有很多较深的纹路。这些纹路能够提高竹条与砂土之间的机械咬合力，从而改善竹条加筋土的抗剪性能，提高竹条加筋复合材料的整体性能，增大竹条与砂土之间的摩擦力。同时，竹条是一种天然柔性材料，具有一定的韧性和强度，使其在土体中不容易被破坏。本文所述的加筋土是竹条与砂土均匀拌合所成的复合材料，竹条在砂土中以一定的角度随机穿插在砂土中，增加了剪切时的阻力，提高了加筋土的抗剪强度。

当竖向荷载不断增大时，土体的抗剪强度也随之不断增加。通过分析可知，当竖向荷载较小时，对于土体的约束较小，当剪切面发生剪切破坏时所需要的剪切力也较小，当土体的抗剪强度达到峰值后，土与土、土与竹条、竹条与竹条之间会出现裂缝，由于约束小，裂缝随着应变的增加而迅速发展扩大，导致土体的抗剪强度急剧下降。相反，竖向荷载较大时，对土体的约束也大，当达到峰值后，土与土、土与竹条、竹条与竹条之间裂缝发展受到限制，减缓了裂缝的扩大，抑制了抗剪强度的降低。

3.2.2 对抗剪强度指标的影响

图6为竹条加筋率为0.6%的加筋土不同竹条尺寸对加筋土抗剪强度指标的影响关系曲线。

图6 竹条加筋率为0.6%的加筋土竹条尺寸与 抗剪强度指标的关系Fig.6 Relationship between size of bamboo slats and strength indexes of reinforced soil (reinforcement ratio 0.6%)

从图6(a)中可以看出，加筋土黏聚力随着竹条长度变化呈现先增大后减小的趋势，在竹条长度为40 mm时曲线达到峰值，较纯砂而言，竹条加筋土的黏聚力大幅度增加。从图6(b)中可以看出,曲线变化不明显，变化范围很小，近似直线。竹条加筋土的内摩擦角较纯砂略微增加。即加入竹条的加筋土的黏聚力和内摩擦角较纯砂均有所提高，但黏聚力增加较为明显，内摩擦角增加很小。说明加筋竹条尺寸对加筋土抗剪强度的影响主要体现为对黏聚力的影响。

图7为10 mm×40 mm的竹条加筋土不同竹条加筋率对加筋土抗剪强度的影响关系曲线。从图7(a)中可以看出，加筋土黏聚力随着竹条加筋率变化呈现先增大后减小的趋势，在竹条加筋率为0.8%时曲线达到峰值，竹条加筋土的黏聚力较纯砂大幅度增加。从图7(b)中可以看出曲线变化不明显，变化范围很小，近似直线。竹条加筋土的内摩擦角较纯砂略微增加。即加入竹条的加筋土的黏聚力和内摩擦角较纯砂均有所提高，但黏聚力增加较为明显，内摩擦角增加很小。说明竹条加筋率对加筋土抗剪强度的影响主要体现在对黏聚力的影响。

图7 10 mm×40 mm的竹条加筋土加筋率 与抗剪强度指标的关系Fig.7 Relationship between reinforcement ratio and strength indexes of reinforced soil (bamboo slat size 10 mm×40 mm)

表2为土体黏聚力和内摩擦角与竹条加筋率和尺寸的数值关系，与纯砂相比，各种竹条加筋土的黏聚力和内摩擦角均有所提高，但黏聚力增加较大，内摩擦角增加较小，几乎没变化。对比上述不同尺寸的竹条试验，可以看出：10 mm×40 mm的竹条加筋土的黏聚力增加的幅度最大，内摩擦角几乎不变。竹条尺寸为10 mm×40 mm时，不同竹条加筋率对应的加筋土黏聚力提高程度不同，内摩擦角提高程度也有所差异。对比尺寸为10 mm×40 mm不同加筋率的竹条加筋土的强度指标，可以看出：加筋率为0.8%时加筋土的黏聚力增加的幅度最大，内摩擦角增加很小，几乎不变。说明黏聚力对砂土抗剪强度的影响较大。

表2 大尺寸直剪试验不同加筋率砂土强度指标Table 2 Strength indexes of reinforced soil of different bamboo ratios in large-scale direct shear test

竹条加筋土的黏聚力和内摩擦角均有所增加，其黏聚力增加的幅度较大，内摩擦角变化较小，几乎不变。在大尺寸剪切试验中，试样受到剪切力沿着剪切面发生剪切破坏，随着剪切位移的增加，土体要改变原有的结构排列，使得土颗粒沿着剪切面移动，加入竹条后，竹条与土之间相互作用，使得竹条也承担了一部分剪切力，土的抗压性能和竹条的抗拉性能共同作用提高了加筋土的摩擦面积，阻碍土颗粒的移动，提高加筋土的峰值抗剪强度，也使得土体在发生较大应变时仍然保持较大的强度。但是，加入竹条并没有很大地改变砂土本身的物理性质，因此对于内摩擦角的影响较小[18]。

3.2.3 最优长度和最优加筋率分析

通过分析图6可知，加入竹条的长度对加筋土的抗剪强度影响呈现先增加后减小的趋势。对比表2中不同长度尺寸加筋土的强度指标可知，当竹条尺寸为10 mm×40 mm时，对砂土加筋效果最为明显。究其原因是竹条长度过小不能充分发挥竹条与砂土之间相互作用的摩擦力，长度过大则在加筋过程中易被折断或使得竹条与砂土不能充分接触，破坏土体的整体性，从而影响竹条的加筋效果。

通过分析图7可知，竹条加筋率对加筋土的抗剪强度影响呈现先增加后减小的趋势。对比表2中不同加筋率加筋土的强度指标可知，竹条加筋率为0.8%时，砂土加筋效果最显著。究其原因是由于竹条加入量少，竹条与土体之间的作用有限，对筋土之间摩擦力的贡献也较小，随着竹条加入量的不断增加，筋土之间的摩擦力接触面积不断增加，对于加筋土抗剪强度的贡献也不断加强，表现出加筋土的抗剪强度随着加筋率的增加而增加，当达到最优含量0.8%时，加筋效果达到最佳状态，继续增加竹条含量，使得过量的竹条相互堆积重叠，竹条不能与砂土充分接触，破坏了土体的整体性，从而表现出抗剪强度增幅下降的现象。

综上所述，竹条加筋能够提高砂土的抗剪性能，有效抑制土体变形。从上述36组大尺寸直剪试验中可以得到，当竹条尺寸为10 mm×40 mm，竹条加筋率为0.8%时，对砂土加筋效果为最佳。

3.2.4 竹条加筋土的补强机理分析

目前，国内外通常采用基于极限平衡和极限状态理论的摩擦加筋和准黏聚力原理来描述加筋土的补强机理[19-20]。基于摩擦加筋原理，竹条加筋砂土的补强机理可用弯曲机理和交织机理解释[21]。

弯曲机理是指纤维在土中的分布形态是由无数个弯曲转折组成的，几乎没有直线段。当土体承受外力而使纤维受拉时，在纤维弯曲的凹侧就会产生纤维对土颗粒的压力和摩擦力，从而起到加固土体的作用。

交织机理是指由于土中无序分布的纤维存在着无数交织点，如果在纤维交叉处受到力的作用，从而有位移的趋势，就会遇到其它纤维阻止这种位移，即任何一段纤维的受力变形都会牵动与之交织的各个方向的纤维，从而形成空间的受压区，如图8所示。

图8 弯曲机理与交织机理示意图Fig.8 Principle diagram of bending and intercrossing mechanism

竹条加筋土的补强作用不仅来自竹条与土体间的摩擦阻力或咬合力，还来自竹条网对土体的空间约束作用，即竹条加筋土的补强属于体积补强。

4 结 论

采用竹条加筋砂土，不仅能够利用天然加筋材料改善砂土性能，还能就地取材降低工程成本。从竹条加筋砂土大尺寸直剪试验中可以得到以下结论。

(1) 竹条加筋使砂土的抗剪强度提高，峰值剪切强度和残余抗剪强度均增大，峰值剪切强度最大提高了26.95%。加筋土残余抗剪强度的增加，增强了加筋土的抗变形能力。

(2) 竹条加筋砂土的加筋机理满足摩擦加筋理论和准黏聚力理论。其加筋土黏聚力和内摩擦角均有所增加，但黏聚力增加较大，内摩擦角几乎没变。尺寸为10 mm×40 mm且加筋率为0.8%的竹条加筋土的黏聚力最大，与纯砂相比，黏聚力提高了79.20%。

(3) 竹条加筋土的剪切力-剪切位移曲线受竖向荷载的影响。竖向荷载较小时，剪切力-剪切位移曲线呈现软化型，竖向荷载增大时，剪切力-剪切位移曲线软化减缓。

(4) 竹条加筋的效果随着加筋率和竹条长度的变化而变化。竹条加筋土的峰值抗剪强度随着竹条加筋率和竹条长度的增加呈现先增加后减小的趋势。与纯砂相比，竹条加筋土的抗剪强度均提高，竹条尺寸为10 mm×40 mm且加筋率为0.8%时加筋效果最为显著，峰值应力最大增加了34.71%。

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(编辑：陈 敏)

Large-scale Direct Shear Test on Soil Reinforced with Bamboo Slats

MA Qiang, XING Wen-wen, LI Li-hua, ZHENG Zhen-yi

(Civil Engineering and Building Academy, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China)

Bamboo slats (thickness of 5mm, width of 10mm, and length of 20, 40, 60mm respectively) were added into soil in different mass percentage contents (0.2%, 0.4%, 0.6%, 0.8%, 1.0%, and 1.2%). Then large-scale direct shear test was carried out on the soils reinforced with the bamboo slats to investigate the reinforcement mechanism. Results reveal that compared with pure sand, the shear strength of reinforced soil is obviously improved, the peak strength and residual strength are increased; and also cohesion and friction angle have increased, among which cohesion increased greatly; the peak shear strength of reinforced soil increased firstly and then decreased with the increasing size and percentage of bamboo slats; the optimal size of bamboo slat is 10mm×40mm and the optimal ratio of reinforcement is 0.8%.

soil reinforced with bamboo slats; large-scale direct shear test; strength performance; cohesion; reinforcement ratio

2016-06-23；

2016-08-08

国家自然科学基金项目(51678223，51678224)；湖北省高等学校优秀中青年科技创新团队计划项目(T201605)；湖北工业大学高层次人才计划项目(YXQN2017001，BSQD12153)

马 强(1983-)，男，湖北丹江口人，副教授，博士，主要从事加筋土方面的研究，(电话)027-59750507(电子信箱)maqiang927@163.com。

10.11988/ckyyb.20161006

TU44

A

1001-5485(2017)02-0069-06

2017,34(2):69-74