加筋率对稻秸秆加筋土开裂特性的试验研究

王桂尧，沙琳川，曹文贵，张永杰，唐前松

(1. 长沙理工大学土木与建筑学院，湖南 长沙 410114；2.湖南大学岩土工程研究所， 湖南 长沙 410082；3.湖南省高速公路管理局，湖南 长沙 410008)

加筋率对稻秸秆加筋土开裂特性的试验研究

王桂尧1，沙琳川1，曹文贵2，张永杰1，唐前松3

(1. 长沙理工大学土木与建筑学院，湖南 长沙 410114；2.湖南大学岩土工程研究所， 湖南 长沙 410082；3.湖南省高速公路管理局，湖南 长沙 410008)

针对花岗岩残积土边坡生态防护采用的稻秸秆加筋土，通过室温与模拟日照条件下的加筋土开裂试验研究稻秸秆加筋率对土体开裂性能的影响规律，结果表明：室温条件下稻秸秆加筋率为0.3%，0.4%和0.5%的试样均未发生开裂；模拟日照条件下加筋土试样开裂过程按裂缝宽度发展速度可分为缓慢发展Ⅰ、快速发展Ⅱ、缓慢发展Ⅲ和稳定发展Ⅳ4个阶段，快速发展阶段加筋率0%，0.4%，0.5%的试样均完成70%以上的裂缝开裂宽度，加筋土样含水率呈现出快—慢—快—慢的变化过程，而裂缝宽度呈现快—慢—稳定的变化过程，稻秸秆对试样具有保湿作用，但加筋率过多会导致土样中的空隙增大，为水分蒸发提供通道；稻秸秆加筋土开裂的界限加筋率应为0.3%，其结果可为稻秸秆加筋土生态防护设计提供借鉴。

稻秸秆加筋土；开裂试验；加筋率；含水率；裂缝宽度

南方地区雨季存在极端、长时间持续强降雨，对开挖后未及时防护或防护效果不理想的花岗岩残积土边坡会产生较大影响，使坡面容易形成冲沟或表层滑动、坍塌，为减少植被成型前降雨对坡面或客土喷播层的冲刷程度，有必要增强边坡生态防护措施的抗冲刷性能，提高边坡生态防护效果。为此不同学者提出了不同的边坡生态防护方法，如：短管式防护、竹片式防护[1]、CF网防护[2～4]和草绳网护坡[5]等，为有效增强客土喷播层的抗冲刷性能，同时兼顾经济、环保，可采用植物秸秆加筋土与客土喷播相结合的方法对开挖后的边坡进行生态防护，以防止强降雨对坡面冲刷而影响生态防护效果。

对于加筋土，工程上常用于改良土体性质，商拥辉等[6]采用高强玻纤格栅加固季节性低温区高速铁路的软基，并证明其优越性，贺炜等[7]采用土工格栅防治路基下部岩溶塌陷，陈轮等[8]、唐朝生等[9]采用聚丙乙烯纤维作为加筋材料以提高土体的抗裂性能，但上述加筋材料为高分子化合物，用于边坡防护对生态环境不利，有必要研究植物纤维加筋土。璩继立等[10]提出采用棕榈加筋作为加固上海黏土的一种有效方法，钱叶林等[11]采用黄麻纤维对膨胀土进行加筋处理，魏丽等[12]、柴寿喜等[13]采用麦秸秆改良滨海盐渍土，并探讨了麦秸秆的布筋位置与截面形状对土体强度的影响规律，石茜[14]通过试验得出稻秸秆对盐渍土的加筋效果优于麦秸秆的加筋效果，卢浩[15]采用麦秸秆与土混合所形成的草泥防护层进行边坡生态防护。结合南方地区大面积种植水稻的情况，一些学者提出采用稻秸秆加筋土进行南方花岗岩残积土边坡生态防护，但稻秸秆加筋土受含水量的影响会产生开裂，裂缝的产生不但影响加筋土强度与稳定性[16]，而且还影响加筋土的渗透性与水力学特性[17～18]，将极大削弱边坡生态防护效果。因此，将稻秸秆加筋土应用于实际工程前应系统研究其不同工况下的抗裂性能。本文通过室温与模拟日照条件下的加筋土开裂试验，深入研究稻秸秆加筋率对土体开裂性能的影响规律以及其与土体的相互作用，以期为工程设计提供参考。

1 试验设计

为了获得稻秸秆加筋土防护层的最优稻秸秆掺和比例和最优的含水率，本文进行了室温条件下的干燥开裂试验和模拟日照条件下的开裂试验。

1.1试验材料

本次试验土取自长沙市天心区某施工地点，其基本物理性质如表1所示。

表1 试验土样的基本参数

试验所用的稻秸秆为农田中收割去除根部和外壳的稻秸秆，按稻秸秆的直径不同将其分为4个等级：粗秆、中粗秆、中细秆、细秆，其中粗秆的直径范围为4.3～5.8 mm、中粗秆3.4～4.2 mm、中细秆2.2～3.3 mm和细秆1.4～2.1 mm(图1)。稻秸杆在制取时同时去掉稻秸秆顶部与茎叶后，再按每段3 cm截取稻秸秆，最后将获得稻秸秆混合均匀，并放入干燥处。随机抽取混合后的稻秸秆20 g，将稻秸秆按上述分类挑选出来，其中粗秆质量为5.68 g约占总质量28.4%、中粗秆质量为4.86 g约占总质量的24.3%、中细秆质量为3 g约占总质量的15.0%和细秆质量约为6.46 g约占总质量的32.3%。开裂试验中所用稻秸秆是按此比例分布进行制备。

图1 试验稻秸秆示意图Fig.1 Schematic diagram of the rice straw

1.2开裂试验方案

试验所用试样的具体制备操作步骤如下：

①将制作试样所需土和稻秸秆的2倍材料用量等分为9份。

②将1份干燥的土与稻秸秆倒入拌土槽中，拌合均匀后再加特定含水率所需水进行搅拌，拌合至无结块时，再将下一份土与稻秸秆加入拌土槽中进行搅拌，重复操作直至9份土与稻秸秆均拌合完成。

③将按上述步骤拌合好的土样，用塑料布密封后，再用不透光的雨布进行覆盖，闷样24 h后开始试验。

稻秸秆加筋土开裂试验测量方法如下：

①干燥过程中实时观察试样，并每隔3 h对试样拍照1次，试验观测时间为每天早晨6点至晚上6点。

②试验采用塞尺对裂缝宽度进行测量，并对裂缝测试位置进行标记，确保每次测量均为同一位置。

③若试样裂缝开裂至试验盒底部则停止测量，视为破坏；当裂缝宽度大于10 mm且48 h无变化则认为试验完成。

2 开裂试验结果

2.1室温条件下干燥开裂试验

根据李陈才等[19]的研究成果，分别取稻秸秆的质量加筋率(稻秸秆质量/干土质量)为0%，0.1%，0.2%，0.3%，0.4%和0.5%进行试验，同时结合边坡生态防护客土喷播施工工艺特点，稻秸秆的长度取3 cm。试验装置采用42 cm×35 cm×10 cm的泡沫盒，将试样放置于顶部有太阳板的实验棚下，进行无雨水与太阳暴晒条件下的加筋土自然开裂模拟试验。试样每隔3 h观察1次，当出现裂缝时增加观测频率，主要记录试样的开裂时间、裂缝宽度以及观测时的温度。试验共进行了3次。

2015年3月25日至4月18日的开裂试验结果如图2所示，由此可知：随稻秸秆加筋率的减小，主裂缝越来越宽，次生裂缝的条数也越来越多，次生裂缝与主裂缝相交并近似呈90°夹角；稻秸秆加筋率为0.3%，0.4%和0.5%时，土样表面除边界处出现裂缝外，试样中部并无明显裂缝，表现出良好的抗裂性。该试验结果与文[8]具有一定的相似性，即随聚丙乙烯纤维加筋率的增加试样开裂角不再以90°为主，并在加筋率高于0.15%时加筋土样表面的裂隙很少，表现出较好的整体性。

图2 不同加筋率的加筋土表面干缩裂缝(第26 d)Fig.2 Dry shrinkage crack of reinforced soil with different reinforcement ratio(26 d)

为定量描述稻秸秆加筋对粘性土干缩裂缝的抑制效果，本文引入裂缝宽度减少率(Pb)的概念，Pb定义如下：

式中：P——无稻秸秆土样的最大裂缝宽度；

Pd——稻秸秆加筋土的最大裂缝宽度。

根据试验测试结果可知：加筋率为0%的试样最终裂缝宽度为16.0 mm，0.1%的试样最终裂缝宽度为14.5 mm，0.2%的试样最终裂缝宽度为11.0 mm，0.3%，0.4%和0.5%的试样除在边界周围有细小裂缝外，试样中部并无明显裂缝。结果表明随稻秸秆加筋率的增加土样裂缝宽度随之减小，而当稻秸秆加筋率达到一定比例后，土体与稻秸秆形成一个整体，能有效抵抗裂缝的发展。将3次试验结果按式(1)进行数据拟合，可得稻秸秆加筋率与裂缝减少率呈二次函数增长关系(图3)，裂缝减少率随稻秸秆加筋率的增加而增加，当稻秸秆加筋率达到0.30%时，裂缝减少率为100%，为0.10%稻秸秆加筋率时的10倍，充分说明稻秸秆加筋对抑制土体干缩开裂的良好效果。

图3 加筋率与裂缝减少率的关系Fig.3 Relationship between the reinforcement ratio and crack reduction

2.2模拟日照条件下干燥开裂试验

室温条件下加筋土样干燥开裂试验结果表明，稻秸秆加筋率大于0.3%时加筋土样无裂缝产生，但试验是在无太阳暴晒的条件下进行的，为进一步获得更接近工程实际条件的稻秸秆加筋率，有必要进一步开展模拟日照条件下的干燥开裂试验。选取0%，0.3%，0.4%和0.5%的加筋率进行模拟日照条件下的开裂试验，以此确定此种条件下的最优抗裂效果的稻秸秆加筋率。试验主要通过自制恒温室控制温度模拟太阳暴晒效果(图4、图5)，长沙地区7，8月份的日平均气温为34 ℃左右，故试验温度控制在37 ℃±2 ℃，湿度为50%±3%。

图4 恒温室示意图Fig.4 Schematic diagram of a constant temperature room

图5 恒温室实物图Fig.5 Physical diagram of the thermostatic chamber

每种加筋率均制备2个平行试样，1个用于测量裂缝，1个用于测量含水率。试验采取模拟太阳暴晒12 h，然后自然存放12 h，以此循环试验；每隔3 h测量试样的含水率；试样尺寸、厚度与室温干燥开裂试验的试样相同。当试样裂缝宽度超过10 mm或在加热条件下6 h不在发生改变时停止试验。

不同稻秸秆加筋率试样含水率随时间的变化关系如图6所示，由此可知4种加筋率的试样均由30%±1%的含水率状态开始干燥，随时间的增加，含水率不断减小。若干燥的第一个白天12 h为阶段Ⅰ，次后每24 h分为一个阶段，即Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，经计算可知不同阶段试样含水率降低速率随时间增加而不断降低(图7)，加筋率为0%与0.5%的试样含水率降低较快；当加筋率为0%时，试样缺少稻秸秆的保水功能，所以在相同试验条件下试样的含水率下降较快；当加筋率为0.5%时，虽然稻秸秆具有保水功能，但土样中的大量稻秸秆使试样的空隙增加(图8)，为水分蒸发提供了良好的通道。因此，加筋率0.5%试样的含水率降低速率同样较快；稻秸秆加筋率为0.3%和0.4%时，稻秸秆既能起到保湿作用，又不会造成土中空隙过大，故含水率降低速率相对较慢。

图6 不同稻秸秆加筋率试样含水率的时间变化Fig.6 Variation in moisture content of the samples with different proportions of rice straw with time

图7 不同稻秸秆加筋率试样含水率各阶段速率变化Fig.7 Variation in water content rate of the samples in each stage of with different mixing proportion of rice straw

图8 不同稻秸秆加筋率的试样剖面图Fig.8 Profile of the samples with different rice straw reinforcement ratios

3种加筋率试样的裂缝宽度随时间的变化关系曲线如图所示，由此可知加筋率为0%，0.4%，0.5%的试样出现裂缝的时间分别为12 h，27 h和24 h。综合试样含水率变化过程与裂缝发展特点，将裂缝发展速度大致分为4个阶段，即缓慢发展阶段I、快速发展阶段II、缓慢发展阶段III和稳定发展阶段IV。裂缝宽度发展速度v：0.05 mm/h≤v≤0.25 mm/h为缓慢发展阶段，v>0.25 mm/h为快速发展阶段，v<0.05 mm/h为稳定发展阶段。通过计算可知加筋率0%，0.4%和0.5%的试样在快速发展阶段裂缝分别完成了整个裂缝发育的78%，76%和71%；快速发展阶段加筋率0%的试样裂缝宽度的增长速率为0.433 mm/min，分别是0.4%和0.5%试样的1.486和1.368倍。从裂缝最终宽度来看，稻秸秆加筋率0.3%的试样没有出现裂缝(图11)，加筋率0.4%，0.5%和0%的试样最终裂缝宽度分别为4.5，8.5和16 mm。综合上述分析可知，稻秸秆加筋率0.3%的试样为模拟日照条件下抗裂性能最优的稻秸秆加筋率。

图9 不同稻秸秆加筋率试样裂缝宽度的时间变化Fig.9 Variation in crack width of the specimen with different mixing proportion of rice straw with time

图10 不同稻秸秆加筋率试样裂缝宽度速率变化Fig.10 Variation in crack width of the specimen with different mixing proportion of rice straw vs speed

图11 模拟日照条件下加筋土表面干缩裂缝(84 h)Fig.11 Surface shrinkage crack of the reinforced soil under the simulated sunlight (final sample after 84 h)

为了进一步分析稻秸秆在土中的加筋作用，开裂试验完成后沿试样开裂的主裂缝方向将试样剖开，以稻秸秆加筋率为0.4%的试样为例(图12)，可知裂缝所处剖面稻秸秆分布不均匀，稻秸秆在局部集中，进而土样中存在较多的空隙通道，试验过程中使试样中的水分更容易蒸发，这正是此处首先产生裂缝的原因；未开裂处试样剖面的稻秸秆分布较均匀，减少了稻秸秆存在过多时可能出现的应力集中现象，同时该剖面土样密实且空隙通道较少，减少了土样中水分蒸发量。此外，稻秸秆加筋率增加时更容易在试样中形成稻秸秆局部集中，进而使加筋率高的试样更容易开裂。

图12 0.4%试样开裂图与稻秸秆剖面图Fig.12 Diagram showing 0.4% sample cracking and cross section of the rice straw

2.3裂缝与含水率变化关系

土中水分蒸发的快慢对土的开裂有控制性作用，水分变化会引起土中吸力大小的变化，从而控制土体开裂。随含水率的不断下降，试样开始出现裂缝且宽度不断发展，以加筋率0.4%的试样为例(图13、图14)，将试样裂缝宽度按发展速度分为4个阶段，试样在缓慢发展阶段I裂缝尚未产生，但含水率降低的较大(6.07%)，约为总变化量的26.7%，说明裂缝产生首先需要含水量的减小；快速发展阶段II裂缝宽度从日照开始增加了3.5 mm，约占总开裂宽度的77.8%，但含水率在该阶段变化不大，下降了4.9%，约占含水率总变化量的21.4%；经过快速发展阶段II后，裂缝发展速度变慢，进入缓慢发展阶段III，试样含水率下降速度并未发生较大变化；当含水率降至11.4%，试样裂缝发展趋于稳定，当含水率进一步下降至8.21%时试样裂缝发展基本停止，此时试样表面呈现出干硬外壳。

图13 加筋率0.4%试样裂缝宽度及含水率随时间变化关系Fig.13 Relationship between the fracture width and the water content of the sample with blending ratio of 0.4% with time

图14 加筋率0.4%试样不同含水率下裂缝宽度Fig.14 Diagram showing the sample crack width structure with the blending ratio of 0.4% under different water content注：图片的物理尺寸为42 cm×35 cm，比例尺为1∶10

试样干燥过程中含水率变化量呈现出先快后慢的阶梯式变化过程，主要是由于模拟日照条件下白天温度在37 ℃左右维持12 h，试样含水率下降迅速，晚上关闭加热装置后，温度降低至室温24 ℃左右，含水率变化较小，故Ⅱ～Ⅳ阶段含水率变化量呈阶梯式变化，且各阶段含水率变量呈现先减小后增大、最后稳定的过程，含水率变化量为Ⅰ阶段6.07%、Ⅱ阶段5.93%、Ⅲ阶段6.84%、Ⅳ阶段3.92%，主要因为开始时试样含水率较高，水分较容易蒸发，随着试验的继续土中水分继续减少，但裂缝的产生加快了水分蒸发，最后裂缝发展与水分蒸发达到平衡，裂缝宽度趋于稳定，含水率变化量减小，故模拟日照条件下稻秸秆加筋土样含水率呈现出快—慢—快—慢的变化过程，而裂缝宽度呈现快—慢—稳定的变化过程。

2.4讨论

通过试验可知0.3%为稻秸秆质量加筋率的最优加筋率，该结论是在加筋试样厚5 cm、长42 cm、宽35 cm、稻秸秆长3 cm的基础上通过室温与模拟日照试验获得的最优加筋率，但从已有试验数据可知改变试验环境会对稻秸秆加筋土抗开裂性能产生一定影响，后续仍需要进一步研究其它因素对稻秸秆加筋土开裂性能的影响规律，并开展相应的野外试验以及降雨冲刷与日照的耦合试验，以便获得更符合工程实际的设计参数，但本文试验结果为后续研究奠定了基础，有利于后续试验的开展，本项目组也正在开展后续试验。

3 结论

(1)稻秸秆加筋可以有效减少土体裂缝的产生，加筋率0.3%为2种试验条件下稻秸秆加筋土的最优加筋率，其抗裂性能最优。

(2)模拟日照条件下裂缝发展可分为缓慢发展I、快速发展II、缓慢发展III和稳定发展IV共4个阶段，快速发展阶段加筋率0%，0.4%，0.5%的试样均完成70%以上的裂缝开裂宽度。

(3)模拟日照条件下稻秸秆加筋土样含水率呈现出快—慢—快—慢的变化过程，而裂缝宽度呈现快—慢—稳定的变化过程；稻秸秆对试样具有保湿作用，但加筋率过多会导致土样中的空隙增大，为水分蒸发提供通道。

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责任编辑：张明霞

Anexperimentstudyofcrackingpropertiesofricestrawreinforcedsoilwithdifferentratios

WANG Guiyao1, SHA Linchuan1, CAO Wengui2, ZHANG Yongjie1, TANG Qiansong3

(1.SchoolofCivilandArchitectureEngineering，ChangshaUniversityofScience&Technology，Changsha,Hunan410114，China；2.InstituteofGeotechnicalEngineering,HunanUniversity,Changsha,Hunan410082,China；3.HighwayAdministrationofHunanProvince，Changsha，Hunan410008,China)

In order to reduce the effect of dry cracking on the protective effect of rice straw in ecological protection of granite residual soil slope, the effect of rice straw reinforcement rate on soil cracking behavior and the interaction between rice straw and soil are examined by the cracking test of reinforced soil under the simulated temperature and simulated sunshine conditions. The results show that the samples with the straw reinforcement rates of 0.3%, 0.4% and 0.5% at room temperature do not crack at room temperature. According to the width of the crack growth rate, the cracking process of reinforced soil samples under simulated sunshine conditions can be divided into 4 stages: slow development Ⅰ, rapid development Ⅱ, slow development Ⅲ and stable development Ⅳ. Rice straw reinforced has a moisturizing effect on the samples. But too much blending ratio will lead to the gap in soil to increase, which provides a convenient channel for water to escape into the atmosphere. In this paper, the limit reinforcement ratio of the rice straw reinforced soil cracking should be 0.3% ～ 0.4%, and the results provide reference for the protection of the ecological design of rice straw reinforced soil.

reinforced soil with rice straw stalk; crack width; water content; reinforcement ratio; cracking experiment

TU411.91

A

1000-3665(2017)05-0052-07

沙琳川(1993-)，男，硕士研究生，研究方向为道路岩土工程。E-mail：617240444@qq.com

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.05.09

2017-03-06;

2017-04-06

国家自然科学基金项目资助(51178063,51578082)；湖南省交通科技计划项目资助(201514)；湖南省研究生创新项目资助(CX2015B354)；广西交通科学研究院科技项目资助(KJ2014-014)

王桂尧(1963-)，男，博士，教授，从事道路岩土工程研究。E-mail：wanggy@163.com