油菜籽壳加筋黄土劈裂抗拉特性

2021-12-02张心语雷胜友

科学技术与工程 2021年33期

张心语,雷胜友

(长安大学公路学院，西安 710064)

土体的传统改良加固方法为向土中掺入水泥、煤灰、石灰等材料，使土的力学性能得到改善。然而，上述加固材料的生产成本高，使改良成本显著增加。同时，在施工过程中因人为或其他因素导致改良材料的泄露会对周围土壤造成污染，严重影响周围居民的生活和威胁周围动植物的生存。因此，寻找新的土体改良材料迫在眉睫。

原生态加筋材料因其经济环保的特点近来受到广泛关注。郝建斌等[1]采用麦秸秆作为加筋材料，提高了黏性土体的抗剪强度，并通过电子计算机断层扫描(computed tomography，CT)扫描图像验证了麦秸秆加筋土的抗裂性能。Ghavami等[2]通过对3种不同土体进行压缩试验，认为剑麻纤维、椰壳纤维等天然纤维可以作为提高土体强度的加固材料。杜鹏[3]研究了稻草形状对加筋盐渍土的无侧限抗压强度的影响，结果表明0.2%稻草的加筋效果最明显。Adili等[4]对不同纸莎草纤维含量的土体试样进行了直剪、固结试验，认为10%的百分比添加下，土体抗剪强度得到显著改善。李丽华等[5]研究了废旧轮胎和建筑垃圾可有效减小地基沉降；邹强等[6]验证了松针加固黄土的可能性；苏帅等[7]对棕丝纤维黄土进行了抗拉试验，认为棕丝的加入可以显著提高黄土抗拉强度；唐皓等[8]通过棕丝纤维土的微观结构分析，认为纤维在土中形成的“雀巢式”网状结构大大增强了土体黏聚力。

现选取原生态材料油菜籽壳作为加筋材料，其具有轻质、表面粗糙，取材方便等特点，采用巴西劈裂试验测定加筋土的抗拉强度，探究油菜籽壳掺量、油菜籽壳长度、压实度对油菜籽壳加筋黄土抗拉强度的影响规律及其机理，采用响应面法分析各因素间的协同作用，建立油菜籽壳加筋黄土抗拉强度的数学模型并进行模型验证，为黄土的环保改良技术提供借鉴。

1 试验方法

1.1 土体与加筋材料

试验用土为黄土，取自陕西咸阳地区，依照《公路土工试验规程》(JTG E40—2007)测定土的相对密度、含水率等基本物理指标(表1)。采用的油菜籽壳为农作物废料，测定其天然含水率为1.35%～4.33%，单根直径为1.00～3.33 mm。

表1 试验土的基本物理指标Table 1 Basic physical index of experimental soil

1.2 试验方案

劈裂抗拉强度试验控制3个油菜籽壳长度L(1、2、3 cm)、3个油菜籽壳掺量J(0.15%、0.25%、0.35%)以及3个压实度K(0.92、0.95、0.98)，采用单因素变量法研究3个因素对油菜籽壳加筋黄土劈裂抗拉强度、应力应变曲线的影响。

1.3 试样制备及测定方法

将黄土静置风干，用木槌碾碎后过10目筛。将裁剪至一定长度的油菜籽壳掺入黄土中，加入纯净水配制成最优含水率(18.10%)状态并充分搅拌均匀，焖料24 h后制样。圆柱试样尺寸为Φ39.1 mm，高为80 mm，采用击样法制样，制样时统一锤击数和击实功能[9-10]。试样制成后采用密封保鲜膜密封待用，防止水分流失导致含水率发生变化。

采用巴西劈裂试验测定黄土的抗拉强度，试验仪器南京土壤厂生产的PY-3型应变控制式无侧限压缩仪。为进行抗拉强度测试，对此仪器进行了改造，在压缩仪上下平台各加入1个带有垫条的微幅度弧形板。抗拉强度σt按照式(1)[11-12]计算，公式为

(1)

式(1)中：P为荷载，N；L为试样长度，mm；d为试样直径，mm。

每组试验进行2组平行试验以消除偶然误差和系统误差对试验结果的影响。

2 结果与讨论

2.1 油菜籽壳掺量的影响

压实度0.92、油菜籽壳长度为1 cm时，不同油菜籽壳掺量下的加筋黄土抗拉强度影响规与劈入深度关系曲线如图1所示。油菜籽壳加筋黄土拉应力与劈入深度曲线呈应变软化特点，变化规律与素土基本保持一致，试验前期拉应力随劈入深度呈线性增长，拉应力达到峰值点后急剧下降，试件发生脆性破坏。油菜籽壳掺量对抗拉强度与劈入深度峰值影响如图2所示。素土试样发生断裂破坏小于30 s，垫条劈入深度临界值为0.524 mm，油菜籽壳掺量为0.15%时，加筋土试样的破坏的时间约为30 s，对应的垫条劈入深度临界值为0.530 mm。随着油菜籽壳掺量增加到0.35%，试样破坏时间增加到40 s，对应垫条劈入深度增加到0.670 mm，增幅为11.45%～27.86%。表明油菜籽壳的掺入有效提高了黄土的极限抗拉强度与残余应力，随掺量增大，增强效果越好。

图1 油菜籽壳掺量对加筋黄土抗拉强度-劈入深度曲线的影响Fig.1 Effect of rapeseed shell content on tensile strength-cutting depth curve of reinforced loess

加筋土的抗拉强度主要由三部分构成：土颗粒间的作用力、油菜籽壳-土颗粒间作用力以及油菜籽壳本身的抗拔力。素土试样劈裂时表面产生微裂缝，主要靠土颗粒间的作用力发挥作用，应力达到峰值后土颗粒间的作用力达到临界值，裂缝迅速发展，土颗粒结构遭到破坏，发生明显的脆性断裂。油菜籽壳加筋土在劈裂过程中，当土颗粒间的作用力达到峰值消失后，试件薄弱处的微裂缝继续开展，此时油菜籽壳与土颗粒间的摩阻力、油菜籽壳本身的抗拔力开始发挥作用，由于油菜籽壳的变形模量远大于土的变形模量，油菜籽壳与土颗粒产生相对滑动，弯曲段内侧会对土颗粒产生压力和摩擦力来阻止土颗粒的移动，当油菜籽壳被拔出时达到拉应力峰值，从而提高了加筋黄土抵抗外荷载的能力。

2.2 油菜籽壳长度的影响

压实度0.95、油菜籽壳掺量0.15%时，绘制不同油菜籽壳长度对加筋黄土抗拉强度影响规与劈入深度关系曲线如图3所示。油菜籽壳长度对抗拉强度与劈入深度峰值的影响如图4所示。从图3和图4可以发现，不同油菜籽壳长度的加筋黄土拉应力与劈入深度变化趋势基本一致，在初始阶段拉应力呈线性增长，达到峰值点后应力迅速下降。随着油菜籽壳长度的增加，加筋黄土的劈裂抗拉强度、峰值劈入深度与残余强度均提高，在油菜籽壳长度为3 cm时加筋土体破坏后不再发生断裂现象。保持压实度为0.95时，素土试样在30 s内发生断裂破坏，垫条劈入深度临界值为0.530 mm，油菜籽壳掺量为0.15%时，加筋土试样自试验开始到破坏的时间为35 s，对应的垫条劈入深度临界值为0.589 mm，随着油菜籽壳掺量增加到0.35%时，试样破坏时间增加到50 s，对应垫条劈入深度增加到0.845 mm，增幅为11.13%～54.43%。

图3 油菜籽壳长度对加筋黄土抗拉强度-劈入深度的影响Fig.3 Effect of rapeseed shell length on tensile strength-splitting depth of reinforced loess

图4 油菜籽壳长度对劈裂抗拉强度和峰值劈入深度的影响Fig.4 Effect of rapeseed shell length on splitting tensile strength and peak cutting depth

当油菜籽壳长度较短时比表面积小，油菜籽壳之间有效搭接面积较小，土颗粒间的引力消失后，主要靠油菜籽壳与土颗粒界面的摩阻力以及油菜籽壳本身的抗拔力发挥作用。随着油菜籽壳长度的增加，油菜籽壳与土颗粒的接触面积增大，界面间相互作用随之增加，此外，土中随机分布的油菜籽壳能够相互搭接形成“交织点”[13-14]，受到土颗粒的作用力而处于受拉状态的部分油菜籽壳会使交织点产生位移趋势，从而影响交织点周围其他油菜籽壳的状态形成三维约束空间，土颗粒受到整个油菜籽壳网格的空间约束，起到限制土体位移、增强土体抗裂能力的作用，使加筋黄土裂而不断。

2.3 压实度的影响

油菜籽壳长度为1 cm时不同压实度对加筋黄土抗拉强度影响如图5所示，可以发现压实度为影响加筋黄土抗拉强度的重要因素。加筋黄土的劈裂抗拉强度随着压实度的增加而增大。以掺量0.35%为例，压实度0.92时复合土体抗拉强度为13.08 kPa，当压实度增加到0.95和0.98时，对应的抗拉强度为17.25 kPa和20.37 kPa，增幅分别为31.88%和55.73%。这是由于压实度小时，土体孔隙比较大，土颗粒之间较松散，油菜籽壳与土颗粒间的联结不紧密，此时土颗粒与土颗粒间的引力以及土颗粒与油菜籽壳间的界面摩阻力较小，加筋黄土抗拉强度低。随着压实度的增加，土颗粒间的间距减小，孔隙比减小，土体变得密实，土颗粒与油菜籽壳接触面积增大，油菜籽壳-土界面摩阻力与油菜籽壳纤维的抗拔能力均能更大程度发挥作用，从而加筋黄土抗拉强度得以有效提高。

图5 压实度对加筋黄土抗拉强度的影响Fig.5 Effect of compaction degree on tensile strength of reinforced loess

2.4 油菜籽壳掺量与长度协同作用

考虑的3个影响土体抗拉强度的因素(油菜籽壳掺量A、油菜籽壳长度B、压实度C)中，油菜籽壳掺量和长度均为与加筋材料有关的变量，为了探究油菜籽壳掺量与长度的协同作用，采用响应面法对协同作用规律进行方差分析，确定协同作用的影响规律，分析时采用考虑协同作用的二阶模型。

考虑到油菜籽壳长度与掺量可能并不是影响加筋黄土抗拉强度的单独因素，建立两者交互作用对抗拉强度影响的响应面与等高线图如图6所示。方差分析结果如表2所示，其中F值反映了各因素对油菜籽壳加筋黄土抗拉强度影响的主次关系，结果表明FA>FC>FB，说明影响依次为油菜籽壳掺量、压实度、油菜籽壳长度，且3类因素对加筋黄土抗拉强度的影响均显著。油菜籽壳掺量和长度的交互项AB的P<0.05，说明上述两个因素的协同作用显著。

表2 响应面方差分析结果Table 2 Results of response surface variance analysis

油菜籽壳掺量与长度的交互作用关系如图6、图7所示。图6显示了油菜籽壳不同掺量的平均抗拉强度以及油菜籽壳长度，两条曲线不平行说明了油菜籽壳掺量与长度之间存在交互作用，加筋黄土抗拉强度与油菜籽壳掺量之间的关系依赖于油菜籽壳的长度。从图7可以看出，A、B交互时，油菜籽壳掺量曲面变化幅度高于油菜籽壳长度，即考虑二者交互作用时，加筋黄土抗拉强度随油菜籽壳掺量的变化幅度更大。在油菜籽壳为1 cm时，抗拉强度随掺量的变化较小，当油菜籽壳掺量达到3 cm时，抗拉强度随油菜籽壳掺量的变化幅度达到最大，说明在油菜籽壳长度较长时，油菜籽壳掺量的影响更大。在油菜籽壳掺量较小时，随油菜籽壳长度的增加，抗拉强度变化很小，如图7(a)所示，说明油菜籽壳掺量低的情况下油菜籽壳长度对加筋黄土抗拉强度影响小。图7(b)、图7(c)比图7(a)中的等高线更密集，说明随着压实度的增加，土体后期抗拉强度增长更快，油菜籽壳长度与掺量的交互作用对其贡献增大。