竹材性能和在土釘墻支護(hù)中的應(yīng)用

楊育文

(武漢市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，湖北武漢 430022)

竹材性能和在土釘墻支護(hù)中的應(yīng)用

楊育文?

(武漢市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，湖北武漢 430022)

根據(jù)室內(nèi)外試驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)了我國(guó)部分竹材的耐久性和力學(xué)性能，介紹了竹材復(fù)合土釘墻支護(hù)實(shí)例，論證了竹材替代鋼材在臨時(shí)性基坑工程中應(yīng)用的可行性。竹材作為一種建筑材料在工程中的應(yīng)用，可減少溫室氣體排放，保護(hù)環(huán)境，應(yīng)用前景廣闊。

竹材；力學(xué)性能；土釘墻

1 前 言

我國(guó)是世界上最主要的產(chǎn)竹國(guó)，有500余種，其中有一些是我國(guó)特有竹種。1999年至2003年第六次全國(guó)森林資源清查結(jié)果顯示，全國(guó)竹林面積484萬(wàn)公頃，其中毛竹面積達(dá)337萬(wàn)公頃[1]。我國(guó)竹子主要分布在福建、江西、浙江、湖南、廣東、四川、廣西、安徽、湖北、重慶10個(gè)省(區(qū)、市)，其竹林面積占全國(guó)的93.8%，其中福建、江西、浙江三個(gè)省竹林面積占全國(guó)的一半[1]。竹業(yè)在我國(guó)已形成了一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)，年產(chǎn)竹材近4億根，在建筑、造紙、輕工、食品、家具、包裝、運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)中廣泛應(yīng)用。竹子從出筍到成材生長(zhǎng)期短，大多3年～5年就可以成材砍伐。生長(zhǎng)期過(guò)長(zhǎng)，材質(zhì)老化，竹子強(qiáng)度反而降低。竹材抗拉強(qiáng)度高，素有“植物鋼筋”之稱(chēng)，在20世紀(jì)50年代～60年代，它大量用于建筑等各個(gè)領(lǐng)域。竹材是綠色、環(huán)保、可再生、價(jià)格低廉的建筑材料。

天然竹子抗拉強(qiáng)度高，也有一定的抗彎和抗剪能力，在短期內(nèi)力學(xué)性質(zhì)可基本保持穩(wěn)定，具有耐久性，可用于擋土墻結(jié)構(gòu)中，是一種天然的土釘和抗滑樁，可替代鋼筋或鋼管等鋼材和木材，用于基坑支護(hù)等。將竹材用于基坑和滑坡治理等工程，已取得一些成功經(jīng)驗(yàn)[2～4]。絕大多數(shù)建筑基坑幾個(gè)月或一年左右就能竣工，很少超過(guò)兩年的，基坑支護(hù)屬臨時(shí)性工程。大多數(shù)竹類(lèi)，兩年內(nèi)竹材力學(xué)性質(zhì)可保持基本穩(wěn)定，符合基坑支護(hù)要求。本文總結(jié)了我國(guó)部分竹材的耐久性和強(qiáng)度性能，介紹了竹材在基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)中可以發(fā)揮的一些作用。

2 竹材的耐久性

天然竹子的含糖量高，含水量也高，易受菌蟲(chóng)的危害，使其發(fā)霉、變色、強(qiáng)度減弱。一般情況下，天然竹子稍作加工處理之后，就用于實(shí)際工程中，有的暴露于空氣中日曬雨淋，有的埋入地下受地下水、生物和化學(xué)物質(zhì)的腐蝕。因此，竹材容易發(fā)生變質(zhì)。作為建筑材料，竹材的耐久性是人們關(guān)心最基本的問(wèn)題之一。以下介紹六種竹材室內(nèi)外試驗(yàn)結(jié)果[5]。

2.1 室內(nèi)耐腐性試驗(yàn)

不同竹材的結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分不同，天然耐腐性差異很大。竹材對(duì)不同腐朽菌的耐腐性也不一樣。試塊為3年生竹材，無(wú)明顯發(fā)霉、變色和腐朽，大小為20 mm×20 mm×10 mm(或壁厚)，保留竹青，試驗(yàn)菌種選為彩絨革蓋菌和密粘褶菌[5]。試驗(yàn)中，試樣表面長(zhǎng)滿(mǎn)白色菌絲，變得松軟，但仍保持試塊的基本形狀，試塊的顏色變化不大，稍經(jīng)用力即呈纖維狀剝離。毛竹、大泰竹、車(chē)筒竹試材硬度降低不明顯。試驗(yàn)結(jié)果表明，毛竹和大泰竹竹材屬于耐腐等級(jí)，馬來(lái)甜龍竹、撐篙竹、車(chē)筒竹、麻竹竹材屬于稍耐腐等級(jí)[5]。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

在野外，竹材損毀的原因包括腐朽和白蟻取食。竹材經(jīng)白蟻取食后，一般靠近竹青部位仍留存，仍能保持一定的強(qiáng)度。竹材經(jīng)腐朽后，力學(xué)強(qiáng)度喪失，稍經(jīng)用力即折斷。竹材腐朽后，其材質(zhì)變脆，硬度減小不大，在未完全損毀前較難判斷。野外埋地試樣為50 cm長(zhǎng)的原竹，3個(gè)月觀察1次。從試驗(yàn)結(jié)果看，竹材腐朽后，其斷面為褐色，竹材的竹青部分較耐腐，從外表較難看出其腐朽。白蟻的危害通常是竹黃部分被蛀空，而竹青仍完好。試驗(yàn)以超過(guò)60%的竹材損毀時(shí)間作為竹材的天然耐久平均月數(shù)。直徑大的竹材天然耐久性平均月數(shù)應(yīng)會(huì)增加。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。6種竹材的天然耐久平均月數(shù)都在24個(gè)月以?xún)?nèi)，以毛竹的天然耐久月數(shù)最長(zhǎng)，達(dá)到24個(gè)月。

6種竹材的天然耐久平均月數(shù)[5]表1

從表1可以看出，這6種竹天然耐久平均月數(shù)從9個(gè)月～24個(gè)月不等，毛竹耐久性最好。若基坑工期較長(zhǎng)，可選擇毛竹、大泰竹、車(chē)筒竹這些竹類(lèi)；若是工期短的小型工程，這六種竹材都可以選用。

3 竹材力學(xué)性能

竹材力學(xué)性能與竹類(lèi)、竹齡、含水量、地區(qū)等多因素密切相關(guān)。竹材試驗(yàn)測(cè)試，依照《竹材物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)方法》(GBT 15780－1995)等相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。以下根據(jù)竹材種類(lèi)的不同，分別介紹。

3.1 楠竹

試樣采用四川5年生楠竹，經(jīng)過(guò)天然風(fēng)干，含水率為5.8%～8.0%，密度為0.78 g/cm～0.83 g/cm，內(nèi)徑為50 mm～67 mm，外徑為58 mm～78 mm，壁厚為8 mm～11 mm。試驗(yàn)結(jié)果[6]:①經(jīng)過(guò)天然風(fēng)干竹塊抗壓強(qiáng)度為87 MPa～122 MPa，3年生楠竹塊順紋抗壓強(qiáng)度達(dá)119 MPa，比5年竹齡楠竹大；②楠竹條拉伸試驗(yàn)中，天然含水率時(shí)，抗拉強(qiáng)度平均值為308.30 MPa，而對(duì)于帶有竹節(jié)抗拉試件，平均抗拉強(qiáng)度為151.13 MPa；③楠竹順紋抗壓強(qiáng)度平均值為98.30 MPa，約為橫紋抗壓強(qiáng)度的3.0倍，徑向抗壓強(qiáng)度的1.5倍；④楠竹的拉伸強(qiáng)度是順紋抗壓強(qiáng)度的3倍多，達(dá)到308.30 MPa左右，但若試件中含有竹節(jié)，其強(qiáng)度將降低一半；⑤楠竹條抗彎與其抗拉過(guò)程具有相似性，對(duì)于帶有竹節(jié)試件，抗彎強(qiáng)度較抗拉強(qiáng)度低約40%，為90.7 MPa；⑥竹材強(qiáng)度隨含水量的增加有下降的趨勢(shì)，竹節(jié)對(duì)承載力有一定的影響。

不同地區(qū)同種竹類(lèi)，竹材順紋抗拉極限強(qiáng)度存在一定差異。例如[7]，湖北楠竹145.2 MPa，四川楠竹216 MPa；浙江毛竹184.2 MPa，前蘇聯(lián)毛竹153 MPa。

根據(jù)以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)，楠竹的抗拉強(qiáng)度可取值154.13 MPa，抗彎強(qiáng)度90.7 MPa。從《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010－2002)知，普通鋼筋HPB235抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fy＝210 MPa，直徑在16 mm～40 mm的Q235鋼筋抗拉、抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為205 MPa。由此可以看出，楠竹和普通鋼筋它們抗拉強(qiáng)度差異并不是太大，這就是竹材被稱(chēng)為“植物鋼筋”的原因。一根外直徑70 mm、壁厚10 mm的楠竹，經(jīng)天然風(fēng)干后，經(jīng)計(jì)算它可承受極限拉力T＝290 kN，極限彎矩M＝5.56 kN·m。從強(qiáng)度上看，楠竹稍作加工處理之后，可承受較大軸向拉力和一定的彎矩，在基坑支護(hù)中用作土釘或抗滑樁等。

3.2 大木竹

試樣采用浙江省平陽(yáng)縣南湖鄉(xiāng)3年生大木竹樣，平均直徑77.7 mm，含水率9%～15%。試驗(yàn)中，以材性?xún)?yōu)良的毛竹為參比竹材。試驗(yàn)結(jié)果[8]:①在縱向各部位順紋抗拉強(qiáng)度的均值為238 MPa，略大于參比竹種5年生毛竹的相應(yīng)值232.1 MPa。5年生雷竹和紅殼竹的順紋抗拉強(qiáng)度值分別為178.7 MPa、231.9 MPa；②順紋抗壓強(qiáng)度為75.1 MPa，略小于參比竹種毛竹的相應(yīng)值77.8 MPa；③大木竹竹材的順紋抗剪強(qiáng)度為11.9 MPa，比參比竹種毛竹的強(qiáng)度16.6 MPa低；④大木竹竹材的抗彎強(qiáng)度為139.0 MPa，比毛竹材169.1 MPa要低；從抗彎彈性模量上看，大木竹竹材的抗彎彈性模量為12.6 GPa，大于毛竹材11.7 GPa。

3.3 苦竹

試樣選用浙江省余杭中泰鄉(xiāng)采集苦竹28株，按竹竿生長(zhǎng)年齡(1年～5年)分別采集，采樣株生長(zhǎng)正常，胸徑差異不大，平均值41.1 mm。隨著竹齡的增加，順紋抗拉強(qiáng)度在132 MPa～234 MPa之間變化，抗彎強(qiáng)度也發(fā)生一定的變化，試驗(yàn)結(jié)果如圖1～圖3所示[9]。

圖1～圖3表明[9]，苦竹竹材力學(xué)性質(zhì)隨著竹齡的增大而增大，徑向、弦向和體積干縮系數(shù)隨竿齡增加逐漸減少。從1年～2年、2年～3年期間，各項(xiàng)物理力學(xué)性質(zhì)的變化幅度較大，以后幾年的變化幅度較小，3年～5年趨于穩(wěn)定。綜合分析，選用竹齡為3年的苦竹作為建筑材料較合適。

圖1 順紋抗壓強(qiáng)度隨竿齡的變化趨勢(shì)

圖2 順紋抗拉強(qiáng)度隨竿齡的變化趨勢(shì)

圖3 弦向抗彎強(qiáng)度隨竿齡的變化趨勢(shì)

以上試驗(yàn)結(jié)果表明:①竹材強(qiáng)度與竹密度相關(guān)。竹材密度、纖維強(qiáng)度越大，則承載能力也越強(qiáng)；②含水量較大的竹件柔性比天然含水率有所提高，但承載力有所降低；③竹子生長(zhǎng)達(dá)到一定竹齡后，其竹材的物理力學(xué)性質(zhì)差異在不斷減少，例如，3年或4年不等(與竹類(lèi)相關(guān))，力學(xué)性質(zhì)趨向穩(wěn)定。竹齡太大(例如，大于5年)，纖維老化，韌性差，脆性太大，承載力反而減少；④同種竹材，不同地區(qū)，其強(qiáng)度不同；⑤竹材可承受較大的拉力、一定的剪力和彎矩。竹材的抗拉強(qiáng)度幾乎與普通鋼筋接近。

4 土釘墻支護(hù)中的竹材

竹材費(fèi)用相對(duì)低廉，同樣長(zhǎng)度的毛竹價(jià)格僅為鋼材價(jià)格的1/10～1/8[10]。竹材抗拉強(qiáng)度高，在兩年內(nèi)力學(xué)性能相對(duì)穩(wěn)定，適用于建筑基坑臨時(shí)性支護(hù)結(jié)構(gòu)。采用竹材替代鋼材土釘，竹竿土釘兩年之后就腐朽變質(zhì)了，不占用相鄰地下空間。竹材作為抗滑排樁，可有效控制基坑側(cè)壁及底部軟土因基坑開(kāi)挖引起的變形。通過(guò)竹竿芯孔進(jìn)行花管注漿，還可在排樁底部形成一道加竹筋的水泥土墻，既可防滲，又可以發(fā)揮擋土作用。

4.1 竹竿土釘

竹竿土釘宜為通長(zhǎng)，盡量減少接頭。若需面層側(cè)壁排水，可把竹竿節(jié)中內(nèi)隔片打通，作為排水通道。土釘長(zhǎng)度、空間布置，由土釘墻穩(wěn)定計(jì)算確定，安全系數(shù)在1.5～2.0之間。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)[2]，軟土地區(qū)，SH×SV＝0.7 m2～1.0 m2，土釘位置越往下，土釘長(zhǎng)度越長(zhǎng)；粘土、粉土等土層，SH×SV＝1.5 m2～2.0 m2，土釘位置越往下，長(zhǎng)度越短，但一般最短的不小于5 m。軟土地區(qū)設(shè)計(jì)剖面圖如圖4所示[11]。對(duì)于淤泥層，用洛陽(yáng)鏟成孔一半深后將竹竿土釘置于一半，然后把另一半壓入側(cè)壁土層。水泥注入量為25 kg/m[11]。開(kāi)挖到竣工期間，基坑周邊最大水平位移300 mm，基坑處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 毛竹土釘墻剖面

4.2 竹材抗滑樁

基坑開(kāi)挖深度4.8 m，上部土層是厚約3 m雜填土和粘土，下部是流塑狀淤泥質(zhì)粘土，厚2.1 m～16 m。兩排大頭直徑110 mm的毛竹樁相互搭接(樁長(zhǎng)大于等于5 m，排距1 300 mm(或1 800 mm)，間距500 mm)，形成一道厚2 000 mm的擋土墻[4](如圖5所示)。開(kāi)挖期間，基坑周邊水平位移監(jiān)測(cè)的最大水平位移發(fā)生在地表附近，為22 mm，土釘墻施工完畢后，水平位移基本保持不變?；右恢碧幱诜€(wěn)定狀態(tài)。

圖5 毛竹雙排微型樁復(fù)合土釘墻

5 結(jié) 論

竹材是天然可再生資源，成熟期短。作為建筑材料，竹材力學(xué)性能比鋼材稍差，但價(jià)格低很多。用竹材替代鋼材，至少有三個(gè)優(yōu)點(diǎn):①傳統(tǒng)土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)中，一般用螺紋鋼筋、鋼管等作為土釘，有時(shí)土釘超越建筑紅線(xiàn)進(jìn)入鄰近地界長(zhǎng)達(dá)幾米甚至二十多米，由于鋼材無(wú)法在短期內(nèi)腐朽，長(zhǎng)期占用了大量的地下空間。采用竹材土釘，超過(guò)一定時(shí)間，例如，兩年，它就會(huì)自行腐蝕降解，逐漸失去強(qiáng)度。竹材土釘腐爛后，不污染環(huán)境，也不占用地下空間；②鋼材在制造過(guò)程中，將產(chǎn)生大量溫室氣體，污染環(huán)境，消耗大量能源。用竹材替代鋼材，降低了工程造價(jià)，符合我國(guó)節(jié)能減排的基本國(guó)策，實(shí)現(xiàn)了節(jié)地、節(jié)能、節(jié)水、節(jié)材；③竹材低廉，可降低工程投資。在軟土地區(qū)，竹材土釘支護(hù)，基坑最大位移大多在20 cm以?xún)?nèi)，可確保基坑施工和使用期間基坑穩(wěn)定和安全[2]。竹材既可用于軟土，也可用于一般粘性土地區(qū)。基坑大多為臨時(shí)性工程，竹材在一年左右時(shí)間內(nèi)其力學(xué)性質(zhì)可基本保持穩(wěn)定，滿(mǎn)足基坑工程的要求。竹材可承受較大的拉力、一定的剪力和彎矩，可滿(mǎn)足基坑支護(hù)要求。

[1] 劉道平.中國(guó)竹業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及展望.科學(xué)中國(guó)網(wǎng)(科學(xué)中國(guó)人)，2005(10):66～70

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Bamboo Properties and its Applications in Soil Nailing Walls

Yang YuWen
(Wuhan Geotechnical Engineering and Surveying Institute，Wuhan 430022，China)

According to the testing results，this paper summarizes the durability and mechanical properties of part of bamboos in China.Two case histories of composite soil nailing walls are presented.Bamboo instead of steel is suitable to be applied in temporary deep excavations.As new construction material，bamboo will reduce greenhouse gases and help to protect environment.Bamboo is expected to have an extensive application in the future.

Bamboo；mechanical property；soil nailing walls

1672－8262(2010)03－170－04

TU47

A

2011—04—26

楊育文(1963—)，男，正高職高級(jí)工程師，博士，從事基坑工程、地基數(shù)值分析、智能系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)。