麦秸秆的筋土摩擦性能及加筋作用

2018-11-13魏丽柴寿喜蔡宏洲郑娇娇姜宇波

土木与环境工程学报 2018年6期

魏丽，柴寿喜，蔡宏洲，郑娇娇，姜宇波

(天津城建大学地质与测绘学院，天津 300384)

当土的强度较低时，通常在土中掺入石灰、水泥等工程材料进行固化[1]，或掺入聚丙烯、尼龙等合成纤维及草根、黄麻、棕榈等天然纤维提高土的力学性能[2-6]。麦秸秆为天然纤维材料，具有一定的抗拉和抗变形能力。实验证实，对麦秸秆进行防腐处理后，其抗拉性能与抗腐蚀性显著提高[7]。将麦秸秆均匀的分散于土中，可提高土的强度与抗变形性能，还具有绿色环保、废物利用的优势[8]。

纤维加筋土的强度和稳定性来源于筋土摩擦作用和交织纤维的立体约束作用[9]。当加筋土受力变形时，筋土界面粘聚力和界面摩擦力限制了土颗粒的滑动，此时分散在土中的纤维起到拉筋作用[10-11]。筋土摩擦力和粘聚力越大，纤维越不容易在土中发生滑动或被拔出，可有效延缓张拉裂缝的产生与发展，提高土的强度和抗变形能力。当加筋土受压时，在弯曲纤维的凹侧产生对土颗粒的下压力和摩擦力，发挥筋土摩擦作用；当土受到挤压时，纤维交织点处的土颗粒产生位移趋势，临近的纤维就会阻止这种位移，形成对土的立体约束作用[12]。

麦秸秆与土料均匀混合，没有形成明显的筋土界面，有别于土工格栅等材料在土中的分层铺设方式，因此，筋土摩擦性能无法通过传统的直剪实验和拉拔实验进行测试[13-14]。为此,专门设计了麦秸秆拉拔摩擦实验的试样制备装置与测试装置，以测试麦秸秆在土中的拉拔摩擦强度，描述拉拔力与位移的相关关系。

土的含水率与干密度是筋土界面摩擦性能的主要影响因素[15]。当麦秸秆在土中埋置一定深度时，才能反映出拉拔力与筋土位错的变化过程。因此，确定以含水率、干密度及麦秸秆埋置深度为影响因素，开展筋土拉拔摩擦实验，分析各因素对筋土摩擦强度的影响程度，探讨麦秸秆拉拔力与位移及筋土摩擦强度随各因素的变化规律。为验证麦秸秆的加筋效果，完成了盐渍土、麦秸秆加筋盐渍土、石灰固化土、麦秸秆加筋石灰固化土的无侧限抗压实验和三轴压缩实验，以此评价麦秸秆加筋对土的抗压、抗剪和抗变形性能的影响。

1 实验设备与试样制备

1.1 实验设备

1.1.1 拉拔弯折实验机全自动多量程拉拔弯折实验机，型号LTW-500N，可用于拉伸线状和片状材料。

麦秸秆拉拔摩擦试样直径61.8 mm,高125 mm，麦秸秆一端埋入土中一定深度，另一端放入拉伸夹具中。在麦秸秆空心中放入一截直径4 mm的圆木柱，夹具两侧设有半圆形凹槽，与麦秸秆相匹配，以保证麦秸秆的端部呈圆形，均匀受压。拉拔弯折实验机及拉拔试样安装见图1。

拉拔速率为2 mm/min，计算机采集拉拔力与拉拔位移。实验过程中，上部夹具不动，下部夹具匀速下降。麦秸秆拉拔力骤减时，实验结束。

1.1.2 制样装置和脱模装置采用双向静力挤压法制备试样。制样模具包括模筒、上压柱、下压柱和脱模柱，其主视图和俯视图如图2所示。在上压柱和脱模柱的中心设置一个圆孔，直径为10 mm，制样和脱模时将麦秸秆的自由端伸入圆孔中，以免麦秸秆被挤压。制样装置与脱模装置如图3所示。

图2 模具设计图Fig.2 Mould drawings

图3 制样装置与脱模装置Fig.3 Devices for making sample and stripping

1.2 实验材料

选择粗细均匀、内径为4 mm的无茎节麦秸秆，风干后截成实验所需的长度。

实验所用的氯盐渍土取自天津滨海新区，含盐量2.65%，塑性指数11.2，为粉质粘土。重型击实实验获得最优含水率17.6%，最大干密度1.81 g/cm-3。将土风干碾碎，过2 mm筛后备用。

生石灰粉的有效钙镁成分含量70%。

1.3 拉拔实验试样的制备

1.3.1 制样条件

1)以土的最优含水率17.6%为基准，上下浮动 2%左右，即16%、17.6%和20%。

2)以麦秸秆加筋土填筑路堤，按路基分层及道路等级选择压实度95%、93%和90%，对应的干密度为1.72、1.68和1.63 g/cm3。

3)埋置深度小于20 mm时，麦秸秆很容易被拔出。埋置深度分别设置为20、40、60、80、100、125 mm。

1.3.2 制样步骤

1)按不同的含水率配制土料，浸润一昼夜;

2)选择直径4 mm的麦秸秆，量取每根麦秸秆的总长度，控制麦秸秆埋入深度，计算筋土接触面积;

3)在制样模筒内壁涂抹油脂，将麦秸秆的一端置于模筒中心，然后在麦秸秆四周填埋土料，另一端深入到上压柱的圆孔内。在上压柱的顶端放置麦秸秆铅直固定装置，并测量麦秸秆的埋置深度。上下同时缓慢挤压两个压柱，使其全部进入模筒中。静置10 min后，使用脱模柱缓慢推出试样。

1.4 抗压试样与三轴压缩试样的制样条件

制备盐渍土、麦秸秆加筋盐渍土、石灰固化土、麦秸秆与石灰加筋固化土的无侧限抗压试样和三轴压缩试样。制样条件：

1)含水率17.6%，干密度1.72 g/cm3(为95%压实度)。

2)石灰掺量8%，养护龄期28 d。

3)抗压试样直径50 mm，高50 mm；三轴压缩试样直径61.8 mm，高125 mm。

4)麦秸秆的质量加筋率0.25%；抗压试样加筋长度10 mm，三轴压缩试样加筋长度20 mm[7,16]。

2 筋土摩擦性能

2.1 含水率、干密度及麦秸秆埋置深度对筋土摩擦强度的影响

2.1.1 含水率与干密度图4为3个干密度6个埋置深度试样的筋土摩擦强度随含水率的变化曲线。

图4 麦秸秆与盐渍土的筋土摩擦强度随含水率的变化曲线Fig. 4 Friction strength of wheat straw in saline soil vs. water

1)筋土摩擦强度随含水率的增加而减小。以干密度1.72 g/cm3的试样为例，当含水率从16%增加到20%时，麦秸秆埋置深度20、40、60、80、100、125 mm的筋土摩擦强度分别减小了14.1%、13.9%、13.1%、12.6%、14.6%和14.5%。因为筋土摩擦强度主要来源于粘聚力和摩擦力。粘聚力受土的粘粒含量与含水率影响；摩擦力不仅与土颗粒形状和级配相关，还取决于土的含水率、麦秸秆粗糙程度及筋土接触面积等因素。

当含水率增大时，界面的自由水增多，有利于麦秸秆表面的润滑作用，减小了筋土接触面的摩擦系数。由于粘土颗粒的结合水膜变厚，在拉拔过程中界面附近土颗粒的重新排列所需的外力也相应减小。因此，筋土摩擦强度随含水率的增加而下降。

2)筋土摩擦强度随干密度的增加而增大。以含水率17.6%的试样为例，当干密度从1.63 g/cm3增加到1.72 g/cm3时，麦秸秆埋置深度20、40、60、80、100、125 mm的筋土摩擦强度分别增加19.6%、17.1%、16.4%、12.2%、12.7%和12.8%。因为干密度大的试样在制样时需要较大的压实功，土柱施加给麦秸秆表面的包裹力越大，筋土摩擦强度也就越大。同时，增加土的干密度，导致孔隙比减小，麦秸秆与土颗粒的接触面积增大，界面粘聚力增强。

2.1.2 麦秸秆埋置深度图5为3个干密度3个含水率试样的筋土摩擦强度随埋置深度的变化曲线。

图5 麦秸秆与盐渍土的筋土摩擦强度随埋置深度变化曲线Fig. 5 Friction strength of wheat straw in saline soil vs. embedment

麦秸秆与盐渍土的筋土摩擦强度随埋置深度的增加而增大。主要因为：埋置深度越大，其表面受到的压力越大，将麦秸秆拔出或拔断所需的力越大，筋土摩擦作用有所增强。以干密度1.72 g/cm3含水率16%的试样为例，埋置深度由20 mm增加到40、60、80、100、125 mm时，筋土摩擦强度分别增加1.6%、2.9%、3.6%、7.1%和7.6%。

2.2 不同因素对筋土摩擦强度的影响程度分析

由图4和图5可见，筋土摩擦强度与含水率、干密度及麦秸秆埋置深度均呈线性关系。筋土摩擦强度随含水率和干密度的变化较大，而随埋置深度的变化趋势则较为平缓。借助SPSS软件，通过多元线性回归分析，计算3个影响因素与筋土摩擦强度的相关性。结果见表1。

表1 3个影响因素与筋土摩擦强度与的单相关系数

由表1可知，干密度、埋置深度与筋土摩擦强度呈正相关，而含水率与筋土摩擦强度成负相关。相关系数的绝对值越大、显著性越接近于0，对筋土摩擦强度的影响程度就越大。因此，3个因素对筋土摩擦强度的影响程度依次减小为干密度、含水率和埋置深度。

筋土摩擦强度为因变量Y，3个影响因素为自变量x，建立多元线性回归模型，得出筋土摩擦强度与含水率、干密度和埋置深度的线性回归方程为

Y=-0.829x1+39.913x2+0.019x3-30.593

式中：Y为筋土摩擦强度；x1为含水率；x2为干密度；x3为埋置深度。

图6为标准化残差直方图。图7为回归-标准化残差的标准P-P图。

图6 标准化残差直方图Fig.6 Standardization residual sequence histogram

图7 标准化残差正态概率图Fig. 7 Standardization residual sequence

标准化残差分布服从正态分布，观测的散点基本上都分布在对角线周边，说明观测的残差累计概率符合正态分布，最终可以认定残差分布服从正态分布，该方程有意义。多元线性回归模型对纤维加筋土筋土摩擦强度的影响因素分析是适宜的。

2.3 麦秸秆拉拔力与筋土位移的关系

图8为干密度1.72 g/cm3,埋置深度60 mm的3个含水率试样拉拔力随筋土位移变化曲线。

图8 不同含水率试样的拉拔力随筋土位移的变化曲线Fig.8 Pulling force of wheat straw in saline soil in the conditions of three water contents vs.

图9为含水率17.6%,埋置深度60 mm的3个干密度试样拉拔力随筋土位移变化曲线。

图9 不同干密度试样的拉拔力随筋土位移的变化曲线Fig.9 Pulling force of wheat straw in saline soil in the conditions of three dry densities vs.

图10为含水率17.6%,干密度1.72 g/cm3的6个埋置深度试样拉拔力随筋土位移变化曲线。

图10 不同埋置深度试样的拉拔力随筋土位移变化曲线Fig.10 Pulling force of wheat straw in saline soil in the conditions of six embedment lengths vs.

麦秸秆拉拔力随筋土位移的增大近线性增大。初始，麦秸秆发生弹性变形，此时,麦秸秆所受的荷载小于筋土摩擦力，拉伸荷载以应变能的形式存储在麦秸秆的自由长度段内。拉拔力继续增大，达到峰值后，筋土接触面发生松动，拉拔力迅速减小。在随后拉拔过程中，筋土界面作用以滑动摩擦力为主，使麦秸秆拉拔力趋于定值。

观察图8～图10，拉拔力均随含水率的增大而减小，随干密度和埋置深度的增加而增大。这与图4和图5中筋土摩擦强度的变化规律相对应。

图8～图10还显示，麦秸秆被拉动后，筋土作用力并没有完全消失。说明当加筋土出现张裂缝或剪切面时，麦秸秆加筋可有效延缓或阻止裂缝的发展，增强土的抗变形性能。这与麦秸秆加筋土在三轴压缩实验中呈现较大破坏应变的实验结果相吻合。

3 麦秸秆加筋土的加筋效果评价

麦秸秆在土中随机分布，其加筋作用主要包括筋土摩擦作用和空间约束作用。麦秸秆在土中的分布形态呈直线状或弯曲状，麦秸秆呈直线状时的筋土摩擦强度可通过拉拔摩擦实验测试，而麦秸秆弯曲时对土颗粒产生下压力和摩擦力，目前的实验手段很难测出。

麦秸秆的加筋作用从宏观上表现为加筋土力学性能的提高。以麦秸秆加筋土的抗压强度、抗剪强度及试样的破坏形态，评价麦秸秆加筋对土的强度与抗变形性能的改善效果。表2为盐渍土、麦秸秆加筋盐渍土、石灰固化土、麦秸秆加筋石灰固化土的抗压强度、抗剪强度及破坏应变。

表2 4种试样的抗压强度与抗剪强度及破坏应变Table 2 Unconfined compressive strength, shear strength and failure strain of four kinds of samples

注：峰值偏应力与破坏应变为400 kPa围压下的数值。

与盐渍土相比，麦秸秆加筋土的抗压强度提高51.4%，粘聚力提高86.5%，内摩擦角仅增加9.1%，破坏应变提高37%。与石灰固化土相比，麦秸秆与石灰加筋固化土的抗压强度提高43.1%，粘聚力提高26.8%，内摩擦角仅增加3.1%，破坏应变提高107%。

由表2可知，麦秸秆加筋显著提高了土的抗压强度、抗剪强度和抗变形性能。麦秸秆的加筋作用主要表现为提高土的粘聚力，对内摩擦角的影响相对较小。石灰固化土为脆性土，达到峰值偏应力时所对应的破坏应变较小。麦秸秆与石灰加筋固化土的破坏应变较大，表现出良好的抗变形能力。原因在于：在外力作用下，麦秸秆与石灰固化土产生筋土摩擦力，麦秸秆起到拉筋作用，约束土的轴向与横向变形，延缓裂纹的产生与发展。麦秸秆在土中随机分布与交织，对土颗粒具有空间约束作用。两者共同作用下，土的强度与抗变形性能显著提高。

盐渍土、麦秸秆加筋盐渍土、石灰固化土、麦秸秆与石灰加筋固化土的剪切破坏形态见图11。

图11 4种试样的剪切破坏形态Fig.11 Failure form of four kinds of samples for triaxial

盐渍土破坏时，发生较大的横向变形，中上部鼓胀；加筋盐渍土的变形较为均匀，无明显鼓胀，轴向变形与横向变形都相对较小。固化土破坏时，横向变形较小，试样产生贯通的斜向裂纹，发生脆性破坏；加筋固化土破坏时，表面产生许多裂纹，中部发生轻微的鼓胀，总体上保持较为完整的形状，加筋使得破坏形式由固化土的脆性破坏转变为加筋固化土的塑性破坏。4种试样的破坏形态与三轴压缩实验的峰值偏应力和破坏应变相一致。