麦秸秆加筋土的强度特性及细观结构分析

2019-07-04郝建斌魏兴梅张振北

同济大学学报（自然科学版） 2019年6期

郝建斌，魏兴梅，姚婕,3，张振北

(1.长安大学地质工程与测绘学院，陕西西安 710054； 2.长安大学国土资源部岩土工程开放研究实验室，陕西西安 710054； 3.新疆送变电有限公司，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐 830011)

加筋是一种有效的土体改良技术，其特点是在土体中掺入一定比例的筋材，以增强土体的强度和稳定性，从而改善不良土的承载力、抗剪强度、抗压强度等特性，因此在工程中得到了广泛的应用.加筋土在我国很早就有应用，如距今5000多年前良渚古城的水利系统中就采用了这种工艺[1].而国际岩土界认为，加筋土的概念是由法国工程师亨利·维达(Henri Vidal)在1963年(观察鸟类利用泥和草筑巢而受到启发)提出来的[1].此后，很多学者与研究人员致力于各种加筋土材料及加筋土理论的研究，其中研究较多的则是人工加筋材料[2-6].近年来，也逐渐开展了天然作物加筋作用的探索与研究[7-13].研究表明，筋材种类、含量和长度是影响土体强度和性能的主要因素[7]，如在粘性土中掺入剑麻纤维，可使土体的黏聚力平均提高50%以上，当纤维含量为0.4%、纤维长度为5 mm时，可使土的无侧限抗压强度达到最大[8].在膨胀土中加入黄麻纤维，可显著提高土体抗剪强度和膨胀土的无侧限抗压强度[9].此外，植物根系也可提高土壤的黏聚力，从而提高土体的抗剪强度[10].在植物加筋材料中，具有代表性且容易就地取材的还有农作物秸秆(麦秸秆，稻秸秆).其中，麦秸秆已被研究应用于加筋海滨盐渍土[11-12]、粘土[13]等.亦有研究表明，麦秸秆加筋土具有抗冲蚀性，具有很好的边坡防护效果[14].此外，在民用建筑、道路工程等领域均有广阔的应用前景[15].

本文基于三轴固结不排水(CU)试验，开展了麦秸秆加筋黏性土在不同加筋长度和不同加筋率时的抗剪强度试验研究，确定了最优加筋长度和最优加筋率.同时采用计算机断层扫描(computed tomography,CT)扫描试验，从土体细观结构的变化对麦秸秆的加筋作用效果进行了分析.

1 试验概况

1.1 试验材料

本次试验用土取自西安市某工地，基于界限含水率、轻型击实等土工试验，得出其基本物理力学性质指标如表1所示，此试验所用土为粉质黏土.

已有研究表明，天然麦秸秆的平均极限拉力约为65 N[11].本次试验选用的麦秸秆取自西安市蓝田县.麦秸秆与土混合前，用0.4%石灰水对其浸泡24 h进行防腐处理.试验中将麦秸秆外表皮剥去，用碾压工具将其碾压扁平，使其具有一定韧性，并按最优含水率配备试验用土.图1为试验用麦秸秆，图2为麦秸秆加筋土.

图2 麦秸秆加筋土

Fig.1Wheat straw for

图1 试验用麦秸秆

Fig.2Wheat straw experiment reinforced soil

1.2 试验设备与方案

三轴压缩试验所用仪器为南京土壤仪器厂生产的SLB-1型应力/应变控制式三轴剪切试验仪，试验选取的麦秸秆加筋率(干麦秸秆与干土的质量比)分别为0.1%、0.2%、0.3%和0.4%，长度分别为5、10和15 mm.试样为直径61.8 mm，高125 mm的圆柱试样.考虑实际工程土体的主要影响深度范围及其对应的土压力，选取4种围压(50，100，200，300 kPa)，应变速率为2 mm·min-1.

CT扫描使用仪器为长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室的工业CT试验系统.考虑到加载过程的连续性，素土和加筋土均备三个试样.先对三个初始状态试样进行CT扫描，然后三个试样均进行无侧限抗压试验(加载速率为1 mm·min-1)，试样1、试样2和试样3分别加载至轴向应变为5%、10%和15%时结束试验，最后对加载后的试样分别进行CT扫描.

2 试验结果与分析

2.1 应力-应变曲线

图3和图4为不同围压下素土的应力-应变(σ-ε)曲线以及其破坏后的形态.

图3 素土应力-应变关系曲线

a 50 kPa

b 100 kPa

c 200 kPa

d 300 kPa

从图3可以看出：不同围压下的应力-应变曲线均为硬化曲线，没有明显的峰值.低围压(50，100 kPa)下，曲线比较平缓；而高围压(200，300 kPa)下，曲线斜率明显增大.由图4可以看出：围压为50 kPa时，试样的破坏状态呈现“塑性鼓胀破坏”的特征，无明显剪切破坏；围压为100 kPa时，“鼓胀破坏”不明显，而在试样下端出现少量纵向裂纹；围压为200 kPa时，试样下端有多条纵向裂纹扩展至试样中部；围压为300 kPa时，试样出现明显的剪切破坏.

与素土相比，在土中掺入随机分布的麦秸秆，其破坏特征出现明显差异，加筋土样均出现“鼓胀破坏”，且未见明显裂纹或剪切破坏.图5为加筋土样在围压300 kPa时破坏后的形态.可见，麦秸秆加筋的效果是非常明显的，在同等应变条件下，仅出现塑性变形，较素土稳定.

a 0.1%,10 mm

b 0.2%,15 mm

c 0.3%,1 5mm

表2为素土和加筋土的抗剪强度指标试验结果.从表2中可以看出，麦秸秆筋材长度为10 mm时，其内聚力增高最为明显，介于41.3～85.3 kPa之间，约为素土黏聚力的2～3.3倍；不论筋材长短，加筋土内摩擦角的变化随加筋率的增大呈现出先降低后增高的变化规律.综合抗剪强度的两项指标，认为最佳加筋长度为10 mm.筋材在10 mm范围内，加筋率为0.2%和0.4%的加筋作用较强，其中前者主要表现在增加了土体的黏聚力(增大2.3倍)，后者也增加了土体的黏聚力(增大1倍)，但主要增大了土体的内摩擦角.可见，麦秸秆的掺入对土体的黏聚力和内摩擦角均有影响.

表2 不同加筋条件下加筋土的抗剪强度指标

由于麦秸秆的密度小于土体的密度，当加筋率达到某一临界值时，将影响加筋土的压实效果.这个临界值是多少？这是值得研究的问题.但加筋率越高，筋土混合物中大尺度物质(筋材)就越多.考虑到尺寸效应的影响，本试验没有开展加筋率大于0.4%的加筋土三轴试验.此外，由于本试验中受到试样大小的限制，试样尺寸较小，考虑到尺寸效应的影响，试验没有开展筋材长度大于15 mm的加筋土三轴试验.如加筋率大于0.4%、筋材长度大于15 mm，对土体的黏聚力和内摩擦角有何影响，后续将开展相关试验做进一步的研究.

为分析加筋率对土体强度特性的影响规律，绘制了筋材长度为10 mm的加筋土的应力-应变曲线，如图6所示.由图6可见，加筋土的应力-应变曲线仍呈现应变硬化特性，围压和加筋率的变化对曲线形状并无明显影响.围压的增大使土体刚度增加，而加筋率对土体刚度的影响则随围压的不同而不同.围压较小时，加筋土的刚度均比素土刚度大；随着围压的增大，刚度差距逐渐缩小；当围压为300 kPa时，加筋率的影响则不再明显.

2.2 CT扫描结果

为分析比较素土和加筋土在荷载作用过程中的细观结构变化，以筋材长度10 mm、加筋率为0.2%的加筋土为试样，进行CT扫描.图7～图9为素土在初始状态与不同应变(5%、10%、15%)时的CT扫描对比图像.从图中可以看出，初始状态下素土存在较多孔隙和微裂纹，对土体施加外荷载使轴向应变为5%时，在细观结构上并无明显变化，此阶段主要为压实及弹性变化阶段.当轴向应变达到10%时，逐渐出现横向小的裂纹，且有裂纹贯通的趋势，在贯通裂纹周边伴随形成许多微裂纹，此时土体处于塑性变形阶段.轴向应变达到15%时，截面内可观察到大量裂纹，与应变10%时相比，裂纹长而宽，且分布范围广，在整个截面内均有分布，此阶段土体基本处于破坏阶段.

图10～图12为加筋土在初始状态与不同轴向应变(5%、10%、15%)时的CT扫描对比图像.从图10可看出，加筋土轴向应变为5%时，土体内部也无细观结构的变化.当轴向应变达到10%时，出现小的扩展裂纹，但规模较小，仅在局部出现(图11中圈出部位).对比分析图8b和图11b可知，加筋土与素土在应变为10%时，加筋土裂纹在数量及延伸长度上均小于素土.应变达到15%时，该截面上分布有三条比较明显的裂纹(图12中圈出部位)，但其他区域基本无裂纹.素土与加筋土相比较，素土内部裂纹较多且在整个截面内均分布.因此可见，麦秸秆加筋在限制土体变形方面的作用是非常显著的.