魏麗，柴壽喜，蔡宏洲，鄭嬌嬌，姜宇波

(天津城建大學(xué) 地質(zhì)與測(cè)繪學(xué)院，天津 300384)

當(dāng)土的強(qiáng)度較低時(shí)，通常在土中摻入石灰、水泥等工程材料進(jìn)行固化[1]，或摻入聚丙烯、尼龍等合成纖維及草根、黃麻、棕櫚等天然纖維提高土的力學(xué)性能[2-6]。麥秸稈為天然纖維材料，具有一定的抗拉和抗變形能力。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，對(duì)麥秸稈進(jìn)行防腐處理后，其抗拉性能與抗腐蝕性顯著提高[7]。將麥秸稈均勻的分散于土中，可提高土的強(qiáng)度與抗變形性能，還具有綠色環(huán)保、廢物利用的優(yōu)勢(shì)[8]。

纖維加筋土的強(qiáng)度和穩(wěn)定性來源于筋土摩擦作用和交織纖維的立體約束作用[9]。當(dāng)加筋土受力變形時(shí)，筋土界面粘聚力和界面摩擦力限制了土顆粒的滑動(dòng)，此時(shí)分散在土中的纖維起到拉筋作用[10-11]。筋土摩擦力和粘聚力越大，纖維越不容易在土中發(fā)生滑動(dòng)或被拔出，可有效延緩張拉裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展，提高土的強(qiáng)度和抗變形能力。當(dāng)加筋土受壓時(shí)，在彎曲纖維的凹側(cè)產(chǎn)生對(duì)土顆粒的下壓力和摩擦力，發(fā)揮筋土摩擦作用；當(dāng)土受到擠壓時(shí)，纖維交織點(diǎn)處的土顆粒產(chǎn)生位移趨勢(shì)，臨近的纖維就會(huì)阻止這種位移，形成對(duì)土的立體約束作用[12]。

麥秸稈與土料均勻混合，沒有形成明顯的筋土界面，有別于土工格柵等材料在土中的分層鋪設(shè)方式，因此，筋土摩擦性能無法通過傳統(tǒng)的直剪實(shí)驗(yàn)和拉拔實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試[13-14]。為此,專門設(shè)計(jì)了麥秸稈拉拔摩擦實(shí)驗(yàn)的試樣制備裝置與測(cè)試裝置，以測(cè)試麥秸稈在土中的拉拔摩擦強(qiáng)度，描述拉拔力與位移的相關(guān)關(guān)系。

土的含水率與干密度是筋土界面摩擦性能的主要影響因素[15]。當(dāng)麥秸稈在土中埋置一定深度時(shí)，才能反映出拉拔力與筋土位錯(cuò)的變化過程。因此，確定以含水率、干密度及麥秸稈埋置深度為影響因素，開展筋土拉拔摩擦實(shí)驗(yàn)，分析各因素對(duì)筋土摩擦強(qiáng)度的影響程度，探討麥秸稈拉拔力與位移及筋土摩擦強(qiáng)度隨各因素的變化規(guī)律。為驗(yàn)證麥秸稈的加筋效果，完成了鹽漬土、麥秸稈加筋鹽漬土、石灰固化土、麥秸稈加筋石灰固化土的無側(cè)限抗壓實(shí)驗(yàn)和三軸壓縮實(shí)驗(yàn)，以此評(píng)價(jià)麥秸稈加筋對(duì)土的抗壓、抗剪和抗變形性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與試樣制備

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1.1.1 拉拔彎折實(shí)驗(yàn)機(jī) 全自動(dòng)多量程拉拔彎折實(shí)驗(yàn)機(jī)，型號(hào)LTW-500N，可用于拉伸線狀和片狀材料。

麥秸稈拉拔摩擦試樣直徑61.8 mm,高125 mm，麥秸稈一端埋入土中一定深度，另一端放入拉伸夾具中。在麥秸稈空心中放入一截直徑4 mm的圓木柱，夾具兩側(cè)設(shè)有半圓形凹槽，與麥秸稈相匹配，以保證麥秸稈的端部呈圓形，均勻受壓。拉拔彎折實(shí)驗(yàn)機(jī)及拉拔試樣安裝見圖1。

拉拔速率為2 mm/min，計(jì)算機(jī)采集拉拔力與拉拔位移。實(shí)驗(yàn)過程中，上部夾具不動(dòng)，下部夾具勻速下降。麥秸稈拉拔力驟減時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

1.1.2 制樣裝置和脫模裝置 采用雙向靜力擠壓法制備試樣。制樣模具包括模筒、上壓柱、下壓柱和脫模柱，其主視圖和俯視圖如圖2所示。在上壓柱和脫模柱的中心設(shè)置一個(gè)圓孔，直徑為10 mm，制樣和脫模時(shí)將麥秸稈的自由端伸入圓孔中，以免麥秸稈被擠壓。制樣裝置與脫模裝置如圖3所示。

圖2 模具設(shè)計(jì)圖Fig.2 Mould drawings

圖3 制樣裝置與脫模裝置Fig.3 Devices for making sample and stripping

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

選擇粗細(xì)均勻、內(nèi)徑為4 mm的無莖節(jié)麥秸稈，風(fēng)干后截成實(shí)驗(yàn)所需的長(zhǎng)度。

實(shí)驗(yàn)所用的氯鹽漬土取自天津?yàn)I海新區(qū)，含鹽量2.65%，塑性指數(shù)11.2，為粉質(zhì)粘土。重型擊實(shí)實(shí)驗(yàn)獲得最優(yōu)含水率17.6%，最大干密度1.81 g/cm-3。將土風(fēng)干碾碎，過2 mm篩后備用。

生石灰粉的有效鈣鎂成分含量70%。

1.3 拉拔實(shí)驗(yàn)試樣的制備

1.3.1 制樣條件

1)以土的最優(yōu)含水率17.6%為基準(zhǔn)，上下浮動(dòng) 2%左右，即16%、17.6%和20%。

2)以麥秸稈加筋土填筑路堤，按路基分層及道路等級(jí)選擇壓實(shí)度95%、93%和90%，對(duì)應(yīng)的干密度為1.72、1.68和1.63 g/cm3。

3)埋置深度小于20 mm時(shí)，麥秸稈很容易被拔出。埋置深度分別設(shè)置為20、40、60、80、100、125 mm。

1.3.2 制樣步驟

1)按不同的含水率配制土料，浸潤(rùn)一晝夜;

2)選擇直徑4 mm的麥秸稈，量取每根麥秸稈的總長(zhǎng)度，控制麥秸稈埋入深度，計(jì)算筋土接觸面積;

3)在制樣模筒內(nèi)壁涂抹油脂，將麥秸稈的一端置于模筒中心，然后在麥秸稈四周填埋土料，另一端深入到上壓柱的圓孔內(nèi)。在上壓柱的頂端放置麥秸稈鉛直固定裝置，并測(cè)量麥秸稈的埋置深度。上下同時(shí)緩慢擠壓兩個(gè)壓柱，使其全部進(jìn)入模筒中。靜置10 min后，使用脫模柱緩慢推出試樣。

1.4 抗壓試樣與三軸壓縮試樣的制樣條件

制備鹽漬土、麥秸稈加筋鹽漬土、石灰固化土、麥秸稈與石灰加筋固化土的無側(cè)限抗壓試樣和三軸壓縮試樣。制樣條件：

1)含水率17.6%，干密度1.72 g/cm3(為95%壓實(shí)度)。

2)石灰摻量8%，養(yǎng)護(hù)齡期28 d。

3)抗壓試樣直徑50 mm，高50 mm；三軸壓縮試樣直徑61.8 mm，高125 mm。

4)麥秸稈的質(zhì)量加筋率0.25%；抗壓試樣加筋長(zhǎng)度10 mm，三軸壓縮試樣加筋長(zhǎng)度20 mm[7,16]。

2 筋土摩擦性能

2.1 含水率、干密度及麥秸稈埋置深度對(duì)筋土摩擦強(qiáng)度的影響

2.1.1 含水率與干密度 圖4為3個(gè)干密度6個(gè)埋置深度試樣的筋土摩擦強(qiáng)度隨含水率的變化曲線。

圖4 麥秸稈與鹽漬土的筋土摩擦強(qiáng)度隨 含水率的變化曲線Fig. 4 Friction strength of wheat straw in saline soil vs. water

1)筋土摩擦強(qiáng)度隨含水率的增加而減小。以干密度1.72 g/cm3的試樣為例，當(dāng)含水率從16%增加到20%時(shí)，麥秸稈埋置深度20、40、60、80、100、125 mm的筋土摩擦強(qiáng)度分別減小了14.1%、13.9%、13.1%、12.6%、14.6%和14.5%。因?yàn)榻钔聊Σ翉?qiáng)度主要來源于粘聚力和摩擦力。粘聚力受土的粘粒含量與含水率影響；摩擦力不僅與土顆粒形狀和級(jí)配相關(guān)，還取決于土的含水率、麥秸稈粗糙程度及筋土接觸面積等因素。

當(dāng)含水率增大時(shí)，界面的自由水增多，有利于麥秸稈表面的潤(rùn)滑作用，減小了筋土接觸面的摩擦系數(shù)。由于粘土顆粒的結(jié)合水膜變厚，在拉拔過程中界面附近土顆粒的重新排列所需的外力也相應(yīng)減小。因此，筋土摩擦強(qiáng)度隨含水率的增加而下降。

2)筋土摩擦強(qiáng)度隨干密度的增加而增大。以含水率17.6%的試樣為例，當(dāng)干密度從1.63 g/cm3增加到1.72 g/cm3時(shí)，麥秸稈埋置深度20、40、60、80、100、125 mm的筋土摩擦強(qiáng)度分別增加19.6%、17.1%、16.4%、12.2%、12.7%和12.8%。因?yàn)楦擅芏却蟮脑嚇釉谥茦訒r(shí)需要較大的壓實(shí)功，土柱施加給麥秸稈表面的包裹力越大，筋土摩擦強(qiáng)度也就越大。同時(shí)，增加土的干密度，導(dǎo)致孔隙比減小，麥秸稈與土顆粒的接觸面積增大，界面粘聚力增強(qiáng)。

2.1.2 麥秸稈埋置深度 圖5為3個(gè)干密度3個(gè)含水率試樣的筋土摩擦強(qiáng)度隨埋置深度的變化曲線。

圖5 麥秸稈與鹽漬土的筋土摩擦強(qiáng)度隨埋置深度變化曲線Fig. 5 Friction strength of wheat straw in saline soil vs. embedment

麥秸稈與鹽漬土的筋土摩擦強(qiáng)度隨埋置深度的增加而增大。主要因?yàn)椋郝裰蒙疃仍酱螅浔砻媸艿降膲毫υ酱?，將麥秸稈拔出或拔斷所需的力越大，筋土摩擦作用有所增?qiáng)。以干密度1.72 g/cm3含水率16%的試樣為例，埋置深度由20 mm增加到40、60、80、100、125 mm時(shí)，筋土摩擦強(qiáng)度分別增加1.6%、2.9%、3.6%、7.1%和7.6%。

2.2 不同因素對(duì)筋土摩擦強(qiáng)度的影響程度分析

由圖4和圖5可見，筋土摩擦強(qiáng)度與含水率、干密度及麥秸稈埋置深度均呈線性關(guān)系。筋土摩擦強(qiáng)度隨含水率和干密度的變化較大，而隨埋置深度的變化趨勢(shì)則較為平緩。借助SPSS軟件，通過多元線性回歸分析，計(jì)算3個(gè)影響因素與筋土摩擦強(qiáng)度的相關(guān)性。結(jié)果見表1。

表1 3個(gè)影響因素與筋土摩擦強(qiáng)度與的單相關(guān)系數(shù)

由表1可知，干密度、埋置深度與筋土摩擦強(qiáng)度呈正相關(guān)，而含水率與筋土摩擦強(qiáng)度成負(fù)相關(guān)。相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值越大、顯著性越接近于0，對(duì)筋土摩擦強(qiáng)度的影響程度就越大。因此，3個(gè)因素對(duì)筋土摩擦強(qiáng)度的影響程度依次減小為干密度、含水率和埋置深度。

筋土摩擦強(qiáng)度為因變量Y，3個(gè)影響因素為自變量x，建立多元線性回歸模型，得出筋土摩擦強(qiáng)度與含水率、干密度和埋置深度的線性回歸方程為

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

式中：Y為筋土摩擦強(qiáng)度；x1為含水率；x2為干密度；x3為埋置深度。

圖6為標(biāo)準(zhǔn)化殘差直方圖。圖7為回歸-標(biāo)準(zhǔn)化殘差的標(biāo)準(zhǔn)P-P圖。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)化殘差直方圖Fig.6 Standardization residual sequence histogram

圖7 標(biāo)準(zhǔn)化殘差正態(tài)概率圖Fig. 7 Standardization residual sequence

標(biāo)準(zhǔn)化殘差分布服從正態(tài)分布，觀測(cè)的散點(diǎn)基本上都分布在對(duì)角線周邊，說明觀測(cè)的殘差累計(jì)概率符合正態(tài)分布，最終可以認(rèn)定殘差分布服從正態(tài)分布，該方程有意義。多元線性回歸模型對(duì)纖維加筋土筋土摩擦強(qiáng)度的影響因素分析是適宜的。

2.3 麥秸稈拉拔力與筋土位移的關(guān)系

圖8為干密度1.72 g/cm3,埋置深度60 mm的3個(gè)含水率試樣拉拔力隨筋土位移變化曲線。

圖8 不同含水率試樣的拉拔力隨筋土位移的變化曲線Fig.8 Pulling force of wheat straw in saline soil in the conditions of three water contents vs.

圖9為含水率17.6%,埋置深度60 mm的3個(gè)干密度試樣拉拔力隨筋土位移變化曲線。

圖9 不同干密度試樣的拉拔力隨筋土位移的變化曲線Fig.9 Pulling force of wheat straw in saline soil in the conditions of three dry densities vs.

圖10為含水率17.6%,干密度1.72 g/cm3的6個(gè)埋置深度試樣拉拔力隨筋土位移變化曲線。

圖10 不同埋置深度試樣的拉拔力隨筋土位移變化曲線Fig.10 Pulling force of wheat straw in saline soil in the conditions of six embedment lengths vs.

麥秸稈拉拔力隨筋土位移的增大近線性增大。初始，麥秸稈發(fā)生彈性變形，此時(shí),麥秸稈所受的荷載小于筋土摩擦力，拉伸荷載以應(yīng)變能的形式存儲(chǔ)在麥秸稈的自由長(zhǎng)度段內(nèi)。拉拔力繼續(xù)增大，達(dá)到峰值后，筋土接觸面發(fā)生松動(dòng)，拉拔力迅速減小。在隨后拉拔過程中，筋土界面作用以滑動(dòng)摩擦力為主，使麥秸稈拉拔力趨于定值。

觀察圖8～圖10，拉拔力均隨含水率的增大而減小，隨干密度和埋置深度的增加而增大。這與圖4和圖5中筋土摩擦強(qiáng)度的變化規(guī)律相對(duì)應(yīng)。

圖8～圖10還顯示，麥秸稈被拉動(dòng)后，筋土作用力并沒有完全消失。說明當(dāng)加筋土出現(xiàn)張裂縫或剪切面時(shí)，麥秸稈加筋可有效延緩或阻止裂縫的發(fā)展，增強(qiáng)土的抗變形性能。這與麥秸稈加筋土在三軸壓縮實(shí)驗(yàn)中呈現(xiàn)較大破壞應(yīng)變的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。

3 麥秸稈加筋土的加筋效果評(píng)價(jià)

麥秸稈在土中隨機(jī)分布，其加筋作用主要包括筋土摩擦作用和空間約束作用。麥秸稈在土中的分布形態(tài)呈直線狀或彎曲狀，麥秸稈呈直線狀時(shí)的筋土摩擦強(qiáng)度可通過拉拔摩擦實(shí)驗(yàn)測(cè)試，而麥秸稈彎曲時(shí)對(duì)土顆粒產(chǎn)生下壓力和摩擦力，目前的實(shí)驗(yàn)手段很難測(cè)出。

麥秸稈的加筋作用從宏觀上表現(xiàn)為加筋土力學(xué)性能的提高。以麥秸稈加筋土的抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度及試樣的破壞形態(tài)，評(píng)價(jià)麥秸稈加筋對(duì)土的強(qiáng)度與抗變形性能的改善效果。表2為鹽漬土、麥秸稈加筋鹽漬土、石灰固化土、麥秸稈加筋石灰固化土的抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度及破壞應(yīng)變。

表2 4種試樣的抗壓強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度及破壞應(yīng)變Table 2 Unconfined compressive strength, shear strength and failure strain of four kinds of samples

注：峰值偏應(yīng)力與破壞應(yīng)變?yōu)?00 kPa圍壓下的數(shù)值。

與鹽漬土相比，麥秸稈加筋土的抗壓強(qiáng)度提高51.4%，粘聚力提高86.5%，內(nèi)摩擦角僅增加9.1%，破壞應(yīng)變提高37%。與石灰固化土相比，麥秸稈與石灰加筋固化土的抗壓強(qiáng)度提高43.1%，粘聚力提高26.8%，內(nèi)摩擦角僅增加3.1%，破壞應(yīng)變提高107%。

由表2可知，麥秸稈加筋顯著提高了土的抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和抗變形性能。麥秸稈的加筋作用主要表現(xiàn)為提高土的粘聚力，對(duì)內(nèi)摩擦角的影響相對(duì)較小。石灰固化土為脆性土，達(dá)到峰值偏應(yīng)力時(shí)所對(duì)應(yīng)的破壞應(yīng)變較小。麥秸稈與石灰加筋固化土的破壞應(yīng)變較大，表現(xiàn)出良好的抗變形能力。原因在于：在外力作用下，麥秸稈與石灰固化土產(chǎn)生筋土摩擦力，麥秸稈起到拉筋作用，約束土的軸向與橫向變形，延緩裂紋的產(chǎn)生與發(fā)展。麥秸稈在土中隨機(jī)分布與交織，對(duì)土顆粒具有空間約束作用。兩者共同作用下，土的強(qiáng)度與抗變形性能顯著提高。

鹽漬土、麥秸稈加筋鹽漬土、石灰固化土、麥秸稈與石灰加筋固化土的剪切破壞形態(tài)見圖11。

圖11 4種試樣的剪切破壞形態(tài)Fig.11 Failure form of four kinds of samples for triaxial

鹽漬土破壞時(shí)，發(fā)生較大的橫向變形，中上部鼓脹；加筋鹽漬土的變形較為均勻，無明顯鼓脹，軸向變形與橫向變形都相對(duì)較小。固化土破壞時(shí)，橫向變形較小，試樣產(chǎn)生貫通的斜向裂紋，發(fā)生脆性破壞；加筋固化土破壞時(shí)，表面產(chǎn)生許多裂紋，中部發(fā)生輕微的鼓脹，總體上保持較為完整的形狀，加筋使得破壞形式由固化土的脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榧咏罟袒恋乃苄云茐摹?種試樣的破壞形態(tài)與三軸壓縮實(shí)驗(yàn)的峰值偏應(yīng)力和破壞應(yīng)變相一致。

4 結(jié)論

1)麥秸稈與鹽漬土的筋土摩擦強(qiáng)度隨含水率的增大而減小，隨干密度和埋置深度的增加而增大。多元線型回歸分析顯示，干密度、含水率和埋置深度3個(gè)因素對(duì)筋土摩擦強(qiáng)度的影響程度依次減小。

2)麥秸稈的拉拔力隨筋土位移的增大呈近似線性增大；達(dá)到峰值后，拉拔力迅速減?。浑S后筋土位移繼續(xù)增加，此時(shí),筋土界面的作用力以滑動(dòng)摩擦力為主，麥秸稈的拉拔力最終趨于定值。

3)麥秸稈與土的筋土摩擦作用及麥秸稈對(duì)土顆粒的空間約束作用使得加筋土的抗壓強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度大幅提高，并顯著增強(qiáng)了土的抗變形性能。