含水率与加筋率对加筋土抗剪强度的影响规律研究

沙琳川，王桂尧，张永杰，唐前松，马吉倩, 张红日，4

(1.长沙理工大学土木与建筑学院，湖南 长沙 410114；2.贵州省质安交通工程监控检测中心有限责任公司，贵州 贵阳 550000；3.湖南省高速公路管理局，湖南 长沙 410008；4.广西交通科学研究院，广西 南宁 530007)

为解决边坡施工完成后坡面植被尚未生长或生长早期的雨水冲刷问题，人们提出了采用稻秸秆加筋土进行边坡防护的全生态方法[1]，为研究这种方法的实际可行性，必须首先研究含水率和加筋率对稻秸秆加筋土的强度影响问题。

针对含水率对加筋土强度的影响规律部分学者已开展了相关研究，李鹏等[2]通过不同含水率欠固结砂土的直剪试验得知土体抗剪强度随含水率的增加而下降，邢鲜丽等[3]通过三轴固结不排水试验得知含水率对黄土抗剪强度的影响主要体现在黏聚力上；胡昕等[4]通过直剪试验得知煤系土抗剪强度与含水率存在较强的相关性，且变化趋势存在阶段性。上述研究主要分析含水率对单纯土体抗剪强度的影响规律，基于此，对于工程中广泛使用的加筋土，I.R.Mcibor等[5]研究了白杨树根系的力学性能，证明了其根系可以加固土体，从而提高坡面的稳定。Chia-Cheng Fan等[6]通过原位直剪试验总结了土的含水率和根的面积率对根系土抗剪强度的影响。徐超等[7]通过试验探讨了土工格栅加筋对地基土承载力的改善作用；唐朝生等[8]研究了聚丙乙烯纤维提高土体抗剪强度的作用机理；钱叶林等[9]分析了黄麻纤维对膨胀土的加筋机理；柴寿喜等[10]讨论了土中麦秸秆布筋位置和截面形状对土体抗剪强度的影响规律；石茜[11]通过试验对比分析指出稻秸秆对盐渍土的加筋效果优于麦秸秆；李陈财等[12]通过试验得知麦秸秆加筋土抗剪强度随含水率的升高呈现出先增大后减小的规律。上述关于加筋土力学特性的研究有利于深入了解加筋土的工程特性，并促进其工程实际应用，但仍存在不足：其一，含水率对加筋土抗剪强度的影响规律仍缺乏系统研究，特别是稻秸秆加筋土抗剪强度特性的研究；其二，尚需分析影响加筋土抗剪强度的其它因素，如加筋率(加筋体质量/土体质量)、加筋体特征参数等；其三，尚需建立加筋土抗剪强度与各影响因素的量化关系，以便工程应用。因此，有必要在现有研究基础上对加筋土抗剪强度特性进行系统研究。

为此，本文通过室内直剪试验对稻秸秆加筋土抗剪强度特性进行研究，重点探讨不同制样条件下稻秸秆加筋土抗剪强度参数随含水量与加筋率的变化规律，分析其剪切变形机理，并尝试建立抗剪强度参数与含水率、加筋率的量化统计关系。

1 加筋土剪切试验方法

1.1 试验材料

本文试验所用土体取自长沙市天心区某施工现场，土样取回后根据《公路土工试验规程》(JTG E40—2007)对其基本物理性质进行测定，结果如表1所示。为保证所制加筋土样的均匀性，将现场所取土体风干碾碎后过2 mm的筛。

表1 试验土样基本物理参数

试验所用加筋体采用农田中去除根部的稻秸秆，在文[11]的研究基础上，为保证试验结果的可对比性，稻秸杆制样时去掉稻秸秆顶部与茎叶，稻秸秆每段长3 cm，将制做的30 kg稻秸秆混合均匀备用。根据20组随机样本分类称重统计结果，可将稻秸秆按直径分为粗秆、中粗秆、中细秆和细秆4个等级，其直径范围分别为0.43～0.58 mm，0.34～0.42 mm，0.22～0.33 mm和0.14～0.21 mm，其中，粗秆约占总质量的28.4%，其余3个等级的稻秸秆分别约占总质量的24.3%，15.0%和32.3%。

采用上述土体与稻秸秆混合制成的加筋土试样进行室内剪切试验，尚需确定具体的试样制备与剪切试验方案。

1.2 试验方案

本文主要研究含水率与加筋率对加筋土抗剪强度的影响规律，因此，试验方案主要涉及不同含水率与不同加筋率的试样制备问题。根据已有研究加筋土加筋率的取值情况，本文主要探讨0，0.1%，0.2%，0.3%，0.4%和0.5%六种加筋率工况，并通过控制稻秸秆掺入量来实现。含水率则分别通过加水法与烘干法实现其不同取值工况，以此分别体现加筋土施工制备与使用过程中的力学性状，具体试验方案如下。

若采用加水法控制稻秸秆加筋土试样的含水率，则不同含水率与加筋率的组合情况如表1所示，每组工况至少试验3个有效试样，具体的实验步骤如下：

(1)基于4 kg干土计算制备不同含水率与加筋率的试样所需用水量与稻秸秆质量，并准备好相应的材料。

(2)将4 kg干土与稻秸秆各分成2份，每份干土与稻秸秆混合搅拌均匀后再合并搅拌。

(3)用喷壶分4次对混合土样进行洒水，并逐次搅拌均匀，而后将土样置于保湿器中保湿24 h。

(4)击实制备加筋土样，用标准环刀取样，测定核准含水率，进行直剪试验。

(5)分批制备不同含水率对应的加筋率取值组合的稻秸秆加筋土试样并进行直剪试验。

表2 加水法试样制备工况

若采用烘干法控制稻秸秆加筋土试样的含水率，则不同含水率与加筋率的组合情况如表3所示，每组工况同样至少试验3个有效试样，具体的实验步骤如下：

(1)按照加水法制样过程制备含水率为24%的2批试样，对应的加筋率分别为0～0.2%，0.3%～0.5%，保证每个试样的重量均为120 g±2 g，并采用相同的击实次数保证其压实度相同。

(2)分别将2批试样放入40 ℃烘箱中进行加热，并从每种加筋率工况的试样中取1个试样通过称重法进行含水量实时监控。

(3)试样含水率达到试验设计的目标值时，将试样取出采用多台直剪仪进行剪切试验。

表3 烘干法试样制备工况

上述不同工况的每组试样分别进行100，200，和300 kPa垂直压力作用下的直接快剪试验，且每种工况均进行2组平行试验，试验结果取2个试样的平均值，由此可得稻秸秆加筋土加水法直剪试验结果与烘干法直剪试验结果。

2 稻秸秆加筋土室内直剪试验结果

2.1 加水法制样直剪试验结果

加水法制备稻秸秆加筋土试样时每批试样的各组试件分别采用相同含水率对应的不同加筋率，直剪试验结果整理时对相同含水率的不同抗剪强度值(以垂直压力为300 kPa下的抗剪强度为例)进行统计分析，不同工况下抗剪强度与加筋率、含水率的关系曲线如图1所示，典型土样如图2所示。

图1 加水法加筋土抗剪强度与加筋率的关系曲线Fig.1 Relationship between the shear strength and reinforcement ratio of the reinforced soil by adding water

图2 稻秸秆加筋土典型试样Fig.2 Typical samples of the rice straw reinforced soil

(1)含水率为12.5%，14.8%和17.5%时，稻秸秆加筋土的抗剪强度随加筋率的增加而增大，关系曲线拟合效果良好，且其增加率逐渐降低；含水率为20%，22.5%时，抗剪强度虽均随加筋率的增加而减小，且减少率逐渐降低，但其试验值波动较大，且含水率为20%时不存在拟合关系；可能存在一个临界含水量，使加水法稻秸秆加筋土抗剪强度受加筋率的影响最小。

(2)相同稻秸秆加筋率时，加筋土抗剪强度随含水率的增加先增大后减小，如图3所示，并在土体最优含水率14.8%左右抗剪强度达到最大值，此时，抗剪强度与加筋率的相关性最好。

(3)含水率小于17.5%及其与加筋率相同增加率条件下，含水率对加水法加筋土抗剪强度的影响程度较加筋率明显；含水率大于17.5%时，含水率与加筋率对加筋土抗剪强度的影响程度均较小，如图3所示。

图3 加筋土抗剪强度与含水率的关系曲线Fig.3 Relationship between the shear strength and water content of the reinforced soil

2.2 烘干法制样直剪试验结果

将稻秸秆与泥浆混合并搅拌均匀后铺设在边坡上，形成边坡防护层，所采用的烘干法是模拟防护层在太阳的照射下其力学性质的变化过程，为稻秸秆加筋土在边坡防护使用过程中提供借鉴。

烘干法制备不同含水率的稻秸秆加筋土试样时分0～0.2%和0.3%～0.5%两批进行，每批同时考虑4%～20%五种含水率。制样时先采用加水法制备含水率为24%的多个试样，再将试样放入烘箱内烘至目标含水率，通过直剪试验可得烘干法所得稻秸秆加筋土试样的抗剪强度与加筋率、含水率的关系曲线(图4)。

图4 烘干法加筋土抗剪强度与含水率的关系曲线Fig.4 Relationship between the shear strength and water content of the reinforced soil by the drying

(1)含水率为4%～16%时加筋土抗剪强度随加筋率的增加而增大，且其增加率逐渐降低；含水率为20%时加筋土抗剪强度随加筋率的增加而减小，且其减小率逐渐降低；可能同样存在一个临界含水率，使烘干法稻秸秆加筋土抗剪强度受加筋率的影响最小，且数值介于17.5%～20%(约为19%)，与加水法试验结果相似。

(2)不同加筋率条件下稻秸秆加筋土抗剪强度均随含水率的增加而快速减小，如含水率4.0%试样的抗剪强度比含水率20.0%试样的抗剪强度平均增长约338.2 kPa，其抗剪强度与含水率的拟合曲线相关性很高，但与加水法试验结果相比不存在抗剪强度峰值问题。

(3)相同增加率条件下，含水率对烘干法加筋土抗剪强度的影响程度较加筋率明显；同样在含水率大于17.5%时，加筋率对加筋土抗剪强度的影响程度较小，且呈现减小趋势。

上述即为稻秸秆加筋土加水法与烘干法直剪试验所得抗剪强度与含水率、加筋率的试验关系曲线，为研究含水率与加筋率对加筋土抗剪强度的影响规律，仍需在前述分析基础上进一步探讨试验结果曲线及各因素的影响规律。

3 试验结果分析与讨论

稻秸秆加筋土剪切强度符合摩尔库伦定律，即τ=σtanφ+c(其中，τ为抗剪强度，φ为内摩擦角，c为黏聚力)，在分析加筋土抗剪强度与加筋率、含水率试验关系曲线基础上，有必要进一步探讨加筋土黏聚力、内摩擦角与含水率、加筋率的相互关系及其影响规律[13～14]。

3.1 加水法制样直剪试验结果分析

对加水法直剪试验数据处理可得稻秸秆加筋土黏聚力、内摩擦角与含水率、加筋率的关系曲线(图5)。

图5 加筋土抗剪强度与加筋率、含水率的关系曲线Fig.5 Relationship between the shear strength and the reinforcement ratio and the water content of the reinforced soil

(1)含水率小于17.5%时，稻秸秆加筋土的黏聚力随加筋率的增加而增大，并在最优含水率时最明显，含水率为17.5%时，加筋土黏聚力与加筋率的拟合效果较差，说明此时加筋率的增加对黏聚力的作用已不明显，且随含水率的增加其反而会降低黏聚力，加筋率对黏聚力的影响存在一个临界含水率，约为17.5%；含水率不大于17.5%时，加筋土内摩擦角随加筋率的增加而增大，同样在最优含水率时最明显，含水率为20%，22.5%时，加筋土内摩擦角随加筋率的增加而减小，加筋率对内摩擦角的影响同样存在一个临界含水率，但是该值应大于17.5%，介于17.5与20%之间(约为19%)，加筋率对抗剪强度的影响同样存在该规律。上述现象存在的主要原因为：含水率小于临界值时，稻秸秆与土颗粒间的结合力大于土颗粒间的结合力，稻秸秆加筋率的增加会提高加筋土的抗剪强度参数；当含水率大于临界值时，稻秸秆与土颗粒间的水膜不断加厚，其润滑作用使稻秸秆与土颗粒间的结合力低于土颗粒间的结合力，如图6所示，稻秸秆加筋率的增加会降低加筋土的抗剪强度。

图6 试样含水率20.0%时稻秸秆与土体的粘结破坏Fig.6 Bond failure between the rice straw and soil when moisture content of the sample is 20%

(2)相同稻秸秆加筋率时，稻秸秆加筋土的黏聚力与内摩擦角均随含水率的增加先增大后减少，并在最优含水率14.8%左右达到最大值，与抗剪强度的变化规律(图3)相似，其主要原因为：加筋土试样也在纯土样最优含水率时获得最大干密度，此时，加筋土试样最密实，土颗粒与土颗粒或稻秸秆之间结合最紧密，试样的黏聚力、内摩擦角与抗剪强度均为该加筋率条件下的最大值；当含水率低于最优含水率(14.8%)时，随含水率的增加，土颗粒间或土颗粒与稻秸秆间的水膜逐渐增大，土颗粒与土颗粒或稻秸秆之间结合更加容易，试样变得越来越密实，此时，加筋土试样的黏聚力与内摩擦角随含水率的增加而增大；当含水率大于最优含水率时，随含水率的不断增加，土颗粒间或土颗粒与稻秸秆间的水膜不断加厚，此时，水膜的结合作用逐渐变为润滑作用，导致试样的黏聚力与内摩擦角呈下降趋势。此外，加筋土黏聚力在含水率大于17.5%时减小速率降低，而内摩擦角在含水率约大于19%时减小速率降低，两者均逐渐趋于稳定值。

(3)含水率小于17.5%及其与加筋率相同增加率条件下，含水率对加水法加筋土黏聚力与内摩擦角的影响程度较加筋率明显；含水率大于17.5%时，含水率与加筋率对加筋土黏聚力与内摩擦角的影响程度均较小，影响规律均与抗剪强度类似。

3.2 烘干法制样直剪试验结果分析

对烘干法直剪试验数据处理可得稻秸秆加筋土黏聚力、内摩擦角平均值与含水率、加筋率的关系曲线(图7)。

图7 加筋土内摩擦角与含水率的关系曲线Fig.7 Relationship between the shear strength and moisture content of the reinforced soil

(1)含水率为4%～16%时加筋土黏聚力随加筋率的增加而增大，且其增加率逐渐降低；含水率为20%时加筋土黏聚力随加筋率的增加而减小，且其减小率逐渐降低。可能同样存在一个临界含水率，使烘干法稻秸秆加筋土黏聚力受加筋率的影响最小，且数值介于17.5%～20%(约为19%)，上述变化规律与烘干法、加水法抗剪强度试验结果均相似。但对于加筋土内摩擦角，含水率小于8%时其随加筋率增加而增大，加筋率影响程度较明显；含水率大于8%时，其随加筋率增加内摩擦角变化波动较大，加筋率影响程度较小，且难以界定临界含水率。

(2)不同加筋率条件下稻秸秆加筋土黏聚力与内摩擦角均随含水率的增加而快速减小，两者与含水率的拟合曲线相关性很高，与抗剪强度变化规律相似，但与加水法试验结果相比均不存在峰值问题。通过试验结果可知：含水率为20%时，土样接近于软塑状态，土颗粒与稻秸秆之间以及土颗粒之间的结合力均较低，剪切后变形明显(图8a)；含水率降低到12%时，试样蒸发出一部分水分，剪切变形大幅度减小(图8b)；含水率降低到8%时，试样表面已经开始干硬，外部形成一个稻秸秆加筋外壳，内部含水率高于外部含水率，剪切变形继续减小，试样外壳破坏出现类似于脆性材料的“劈裂”现象(图8c)；含水率降低至4%时，试样外壳厚度增大，几乎不发生剪切变形，仅在表面留下一道痕迹，外壳破坏面与直剪面约成30°夹角。烘干法稻秸秆加筋土未在最优含水率14.8%时获得最大抗剪强度、黏聚力与内摩擦角的主要原因为：烘干法形成的加筋土外壳增加了直剪试验的各参数值，含水率越低外壳的影响作用越明显；烘干法形成的低含水率加筋土的抗剪强度比烘干法所得纯土样与加水法所得相同含水率的加筋土样的抗剪强度均高。

图8 不同含水率直剪试验后的破坏试样Fig.8 Destruction samples after the straight shear test with different water content

(3)相同增加率条件下，含水率对烘干法加筋土黏聚力与内摩擦角的影响程度较加筋率明显；含水率大于17.5%时，加筋率对加筋土黏聚力的影响程度较小，且呈现减小趋势，而内摩擦角不存在相似规律，变化波动较大。

3.3 两种方法试验结果对比分析

通过加水与烘干两种方法改变稻秸秆加筋土试样的含水率进行室内直剪试验，通过前述分析可知两种方法试验结果的差异性主要为：

(1)不同加筋率条件下加水法所得加筋土试样的抗剪强度参数随含水率的增加呈现出先增大后减小的趋势，并在土体最优含水率时出现峰值，而烘干法所得加筋土试样的抗剪强度参数随含水率的增加而逐渐减小，由此表明含水率对加水法与烘干法所表征的加筋土施工制备与使用过程的影响规律是不同的。

(2)不同含水率条件下加水法所得加筋土试样的抗剪强度、黏聚力与内摩擦角以及烘干法所得试样的抗剪强度与黏聚力随加筋率的变化均存在一个临界含水率，约为19%，小于临界含水率时抗剪强度参数随加筋率的增加而增大，反之则减小。

(3)加水法与烘干法的直剪试样均采用相同的加筋率方案，抗剪强度参数值及其变化规律不同主要因为试样不同含水率的制备方法不同。加水法改变试样含水率时先配置不同含水率的土样，再以相同击实次数进行制样，此过程中试样的结构和压实度均发生了变化，抗剪强度参数变化规律是含水率与压实度共同作用的结果；烘干法对应的试样初始含水率、结构与压实度基本相同，烘干过程主要改变试样外层的含水率，试样结构、压实度与内部含水率基本保持不变，试样外层孔隙水压力消散，基质吸力增大，抗剪强度参数增加，但含水率减小到一定程度时(本试验为8%)，试样中基质吸力增大幅度减小，抗剪强度参数在含水率时增加速率减小。

4 结论

(1)不同加筋率条件下加水法所得稻秸秆加筋土试样的抗剪强度、黏聚力与内摩擦角均随含水率的增加先增大后减小，并在土体最优含水率14.8%时出现峰值，而烘干法所得加筋土试样的抗剪强度、黏聚力与内摩擦角则随含水率的增加而逐渐减小。

(2)加水法稻秸秆加筋土的抗剪强度、黏聚力、内摩擦角以及烘干法稻秸秆加筋土的抗剪强度与黏聚力均存在临界含水率，约为19%，小于临界含水率时各参数随加筋率的增加而增大，反之则减小；此外，相同增加率条件下含水率对各参数的影响程度较加筋率大。

(3)加水法与烘干法所制备的稻秸秆加筋土试样的直剪试验结果可分别用于表征加筋土施工与使用过程的力学特性，相关结论可为稻秸秆加筋土配比参数与力学参数确定提供借鉴。

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