含水率对木纤维加筋土抗剪强度的影响

徐福增，穆 璇,杨 松

(云南农业大学水利学院，云南 昆明 650201)

1 概述

边坡是人类工程活动中最基本的地质环境之一，也是工程建设最常见的工程形式。边坡在自然与人为因素作用下的破坏形式主要表现为滑坡、滑塌、崩塌和剥落[1]，边坡的稳定性受多种因素的影响[2]，边坡失稳会严重危及到国家财产和人们的安全。

红黏土作为一种典型特殊土，主要分布在广西、贵州、云南、广东以及湖南等省[3-4]。红黏土具有高含水率、高塑性、低压缩性等特点，工程性质较为复杂。对于不同土抗剪强度影响因素的研究国内外已经有了不少研究成果[5-9]。红黏土的强度会因含水率的增大而显著降低，工程力学性质变差，红黏土失水皱缩，表面会出现裂隙，对边坡的稳定有不利影响。

纤维增强土是指在土壤中掺入一定量的纤维和土壤充分混合并形成的一种复合土[10]。纤维具有良好的分散性和一定的韧性[11]，纤维掺入土体中与土体混合后会形成三维网状结构，可以提高土体的强度、抗雨水冲刷性能，使得储水保温效果更加良好，将它与土、种子拌合后进行边坡种植，不仅可以防止水土流失、根系固土，还可以起到绿化的作用。

本文旨在研究含水率对木纤维加筋土的强度特性影响，研究结果为岩土工程高边坡相关设计提供参考。

2 试验材料与方法

2.1 试验材料

试验所用红黏土取自云南省昆明市盘龙区某施工场地，红黏土呈红褐色，根据土工试验方法标准(GB/T 50123—2019)，对所用红黏土进行相关试验，求得土的基本物理指标如表1所示。试验选用木质纤维为加筋材料，木纤维如图1所示。

表1 红黏土基本物理指标

图1 木纤维示意

2.2 试验方法

试验所用土风干、碾碎后过2 mm筛备用，采用1.0 g/cm3的干密度制备不同含水量不同纤维含量的复合土样，纤维含量按干质量比分别为0、2.5%、5%，将配好的纤维与土样拌合均匀，放置一昼夜，然后取出备用，不同纤维掺量下制备5组试样，每组试样个数不少于4个，总共不少于60个试样。直剪试验所用的环刀高为2 cm、直径为6.18 cm，试样制备好后，在室外进行风干，然后在室内进行快剪试验，垂直压力分别为50、100、150、200 kPa，以0.8 mm/min的速率剪切[12]。

3 试验结果与分析

3.1含水率与抗剪强度

从图2～4中可以看出：含水率逐渐增大，抗剪强度逐渐减小；同一含水率下，随着垂直压力的增大抗剪强度也是增大的；同一级压力下，加筋土抗剪强度要比素土的抗剪强度大；且5%纤维含量的抗剪强度要大于2.5%纤维含量的抗剪强度；含水量越低，抗剪强度越大，含水量越高，抗剪强度越小；图2中纤维掺量为0时，最大的抗剪强度为317.34 kPa，此时的含水率为5.98%，最小的抗剪强度为40.45 kPa，此时的含水率为33.6%；图3中纤维掺量为2.5%时，最大的抗剪强度为407.8 kPa，此时的含水率为5.63%，最小的抗剪强度为41.03 kPa，此时的含水率为34.22%；图4中纤维掺量为5%，最大的抗剪强度为617.24 kPa，此时的含水率为5.13%，最小的抗剪强度为64.06 kPa，此时的含水率为34.29%。由于含水量差异不大，以(压力以50 kPa、200 kPa)为例：当压力为200 kPa时，2.5%纤维含量的土壤抗剪强度较素土提高了28.51%；5%纤维掺量的加筋土抗剪强度较素土提高了94.50%；当压力为50 kPa时，2.5%纤维掺量的加筋土抗剪强度较素土提高了1.43%；5%纤维含量增强土壤抗剪强度较素土提高了58.37%，因此，纤维对红土强度提高了很多。

3.2 含水率与抗剪强度参数

通过直剪试验测得不同含水率下抗剪强度与垂直压力，然后以抗剪强度为纵坐标，垂直压力为横坐标，画出抗剪强度与垂直压力关系曲线，在根据库仑定律求得不同含水率下加筋土的内摩擦角与含水率，结果如表2所示。

图2 无纤维掺量素土含水率与抗剪强度关系曲线示意

图3 2.5%纤维掺量加筋土含水率与抗剪强度关系曲线示意

图4 5%纤维掺量加筋土含水率与抗剪强度关系曲线示意

通过表2显示：当纤维掺量为0时，内摩擦角和粘聚力随着含水量的增加而逐渐减小；纤维掺量为2.5%时，随着含水量的增大粘聚力是一直减小的，而内摩擦角则是先降低再升高再降低，纤维掺量为5%时，粘聚力随着含水量的增加而降低，而内摩擦角则是先降低后升高在降低；还可以得出：当含水量接近风干含水量6%时，2.5%纤维掺量增强土壤的粘聚力较素土提高了144.24%，5%纤维掺量加筋土的粘聚力较素土提高了264.67%，当含水量接近最优含水量32.5%，2.5%纤维含量增强土壤粘聚力较素土提高了55.9%，5%纤维含量加筋土粘聚力较素土提高了297.7%。由此可以看出：与摩擦角相比，纤维对粘聚力有很大的提高，纤维增强土壤的粘聚力比素土粘聚力都高，5%纤维掺量的粘聚力最高，产生这种结果是因为纤维有很好的分散性，随着纤维的增加加筋土比表面积增大可以很好的填补土壤中的孔隙，土壤更加紧凑，因而粘聚力更高。

表2 不同含水率下加筋土的内摩擦角和粘聚力

3.3 垂直压力和抗剪强度

从图5、图6中可以看出：随垂直压力增大抗剪强度也是增加的；素土的抗剪强度小于纤维增强土的抗剪强度；5%纤维含量加筋土的抗剪强度大于2.5%纤维含量增强土的抗剪强度，且5%纤维含量加筋土抗剪强度最大。这是因为随着纤维含量的增多，纤维与土壤形成的交错点越来越多，三维网格结构越来越密集，使得土体的抗剪强度更大。

图5 抗剪强度与垂直压力关系曲线示意

图6 抗剪强度与垂直压力关系曲线示意

4 结语

通过对不同含水率下不同掺量的木质纤维加筋土进行室内直剪试验可以得到以下结论：

1) 掺入木质纤维对土体的抗剪强度有较大提升，因此掺入木纤维增强土体的强度是可行的。

2) 在含水量接近风干含水量6%时，加筋土的抗剪强度最大。

3) 含水率为5.13%时，粘聚力达到了最大，此时纤维含量是5%。