降低上海軟粘土變形效應(yīng)的加筋試驗(yàn)研究

璩繼立，劉寶石，李陳財(cái)

（上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093）

上海地區(qū)淺部分布著厚度較大的軟粘土層[1]，飽和軟弱[2,3]，其工程地質(zhì)特性決定了未經(jīng)固化處理無法滿足工程建設(shè)的強(qiáng)度和變形要求[4]。因此，考慮用植物纖維來加筋上海粘土，以提高土體強(qiáng)度和抗變形性能。

室內(nèi)試驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)，在土中摻加一定數(shù)量的纖維，可以提高土的強(qiáng)度[5]。Park等將合成纖維應(yīng)用于路基填料中，確認(rèn)纖維加筋對路堤土的抗壓強(qiáng)度有明顯的提高作用[6]；Prabakar通過抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)，證實(shí)在不同加筋長度和不同加筋率條件下，劍麻纖維加筋土存在一個(gè)最大強(qiáng)度值[7]；楊繼位等人對麥秸稈加筋濱海鹽漬土進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度和Taguchi正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，確定了麥秸稈的適宜加筋條件[8]；石茜等人的研究結(jié)果表明，稻草適宜做加筋材料使用，可以提高土的強(qiáng)度和整體性[9]。

本文通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究棕櫚和麥秸稈對上海地區(qū)粘土的適宜加筋條件，以期得到它們對加筋土抗壓強(qiáng)度影響的變化規(guī)律，并對二者的加筋效果和作用機(jī)理做比較分析。

1 試驗(yàn)儀器、材料及試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)儀器

采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的PY-3型應(yīng)變控制式無限壓縮儀測試抗壓強(qiáng)度，儀器的主要技術(shù)指標(biāo)為：位移測量范圍0～30mm，測力計(jì)量力范圍0～600N，升降速率2.3～2.7mm/min，外形尺寸235×150×476mm。

1.2 試驗(yàn)材料

使用上海地區(qū)粘土，經(jīng)測定其最優(yōu)含水率為20.3%，最大干密度為1.67g/cm3。將土經(jīng)烘干、碾碎，過2mm篩之后備用。

兩種筋材均取自上海崇明島，棕櫚剪成纖維狀，麥秸稈剪成四分之一圓管狀，如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)用棕櫚纖維和麥秸稈Fig.1 Palm fi ber and wheat straw used in test

1.3 試驗(yàn)方案

選用的加筋材料以加筋長度和質(zhì)量加筋率為抗壓強(qiáng)度影響因素。棕櫚纖維的加筋長度，因材料本身的特點(diǎn)，選用三個(gè)長度區(qū)間：5～10mm、10～15mm、20～25mm，加筋率為0.1%～1.8%；四分之一狀麥秸稈的加筋長度為5mm、10mm、15mm、25mm，加筋率為0.1%～0.6%。按含水率21%、密度2.0g/cm3制備試樣，試樣直徑為39.1mm，高度為80mm，試驗(yàn)中每組制備6個(gè)試樣。

將備用的土、筋材加水均勻拌和后裝入塑料袋，放入密閉的玻璃容器中悶一晝夜。試樣制備完成后，在相同條件下對兩種加筋土試樣進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)并記錄數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 棕櫚加筋土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，隨著加筋率的增加，棕櫚加筋土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在15%的應(yīng)變內(nèi)很難達(dá)到極限強(qiáng)度值，故取應(yīng)變?yōu)?5%時(shí)的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度作為不同質(zhì)量加筋率加筋土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值。圖2為棕櫚的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。

圖2 棕櫚加筋土的抗壓強(qiáng)度隨加筋率與加筋長度變化Fig.2 Compressive strength of the soil reinforced with palm and reinforced ratio(L)& reinforcement length(R)

圖2表明，棕櫚加筋土隨質(zhì)量加筋率的增加，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度先增強(qiáng)，特別是加筋率超過0.2%以后增強(qiáng)效果明顯，之后強(qiáng)度變化不再明顯，基本保持不變或略有降低，拐點(diǎn)位置大約在1.0%加筋率處。因此，在該試驗(yàn)條件和試件尺寸下，可以初選1.0%作為棕櫚加筋土的適宜加筋率。與素土相比，棕櫚加筋土的抗壓強(qiáng)度提高了大約0.9～1.8倍。

從圖中可以看出棕櫚加筋土的抗壓強(qiáng)度隨加筋長度的變化規(guī)律?？傮w上講，適宜的加筋長度區(qū)間在10～20mm之間。考慮到纖維狀棕櫚的特點(diǎn)和工程應(yīng)用中加筋土的攪拌，可以選擇平均長度為15mm的棕櫚纖維作為適宜加筋長度。

2.2 麥秸稈加筋土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

麥秸稈加筋土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

由圖可知，麥秸稈加筋土的抗壓強(qiáng)度隨質(zhì)量加筋率總體上呈拋物線趨勢變化，故存在適宜加筋率，適宜加筋率大約在0.3%～0.4%之間。其中5mm長度的加筋土變化趨勢不明顯，強(qiáng)度增幅較小或有所降低。與素土相比，在該試驗(yàn)條件和試件尺寸下，麥秸稈加筋土的抗壓強(qiáng)度提高了大約0.8～1.2倍。

圖中給出的是相同加筋率條件下，加筋土的抗壓強(qiáng)度隨加筋長度的變化趨勢，同樣趨近于拋物線型，適宜加筋長度大約為15mm。

圖3 麥秸稈加筋土的抗壓強(qiáng)度隨加筋率與加筋長度變化Fig.3 Compressive strength of the soil reinforced with wheat straw and reinforced ratio(L)& reinforcement length(R)

3 分析比較

3.1 加筋機(jī)理分析

棕櫚與麥秸稈加筋土的加筋效果的不同，存在多種可能的原因，下面首先從加筋機(jī)理進(jìn)行分析。

棕櫚與麥秸稈均為天然植物纖維，但由于二者的物理力學(xué)性能的不同導(dǎo)致加筋機(jī)理有所差異。

實(shí)驗(yàn)研究表明，加筋土與未加筋土的強(qiáng)度曲線可近似視為平行，土的內(nèi)摩擦角在加筋前后基本保持不變，但加筋土的粘聚力有所提高，也就是說，加入的筋材與土的結(jié)合提高了土的粘聚力，這種加筋機(jī)理被稱為準(zhǔn)粘聚力原理[10]?？梢酝茢?，麥秸稈和棕櫚都在一定程度上改變了土的粘聚力，改變的程度與加筋量和加筋長度有關(guān)，而棕櫚對粘聚力的提高比麥秸稈高。

加筋土是由土與筋材組成的復(fù)合體，二者共同受力、協(xié)調(diào)變形。荷載作用下，加筋土整體發(fā)生變形，由于土與筋材的彈性模量不同，二者之間會有相互錯(cuò)動趨勢產(chǎn)生摩擦力，故可通過筋材的抗拉強(qiáng)度提高加筋土的強(qiáng)度和抗變形能力，這種加筋機(jī)理被稱作摩擦加筋機(jī)理[11]。加入的棕櫚為絲狀體，與片狀的麥秸稈相比，單個(gè)體積小，比表面積大，被土包裹得更加緊密，與土的接觸面積更大，因此棕櫚與土產(chǎn)生的摩擦力較麥秸稈更大，對土的強(qiáng)度和抗變形能力提高更明顯。

棕櫚與麥秸稈都具有上述兩種加筋機(jī)理，只是作用強(qiáng)度不同。除此以外，由于棕櫚纖維本身的特點(diǎn)，它在土中的幾何形態(tài)呈彎曲狀，幾乎沒有直線段，在外力作用下，其彎曲的凹側(cè)面會對土產(chǎn)生壓力和摩擦力；而當(dāng)加筋量達(dá)到一定時(shí)，棕櫚絲會交織成網(wǎng)狀，且中間還有土體貫穿，這樣就會阻止土的橫向位移，在空間層面上提高土的強(qiáng)度和抗變形能力，這種作用機(jī)理稱為交織與彎曲機(jī)理[12]。麥秸稈由于自身的硬度和長度限制很難起到這種加筋作用，這也成為二者強(qiáng)度明顯差異的主要原因。

3.2 變形特性分析

下面以具有代表性的0.4%加筋率、15mm長度的麥秸稈加筋土與0.4%加筋率、20～25mm加筋長度的棕櫚加筋土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為例進(jìn)行分析比較。應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系如圖4所示。

圖4 麥秸稈與棕櫚加筋土的應(yīng)力—應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curves of the soils reinforced with palm and with wheat straw

從圖4中可以明顯看出兩種加筋土應(yīng)力應(yīng)變曲線的差別。當(dāng)軸向應(yīng)變較小時(shí)，二者的應(yīng)力都隨應(yīng)變的增加明顯增大，并且在10%的應(yīng)變內(nèi)，二者應(yīng)力增加的速度基本相當(dāng)；當(dāng)軸向應(yīng)力超過各自的峰值后，棕櫚仍具有較高的殘余強(qiáng)度，相反麥秸稈在峰值后應(yīng)力會很快進(jìn)入下降段。上述情況表明，在無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中，麥秸稈加筋土的應(yīng)力應(yīng)變特性表現(xiàn)為應(yīng)變軟化型，棕櫚加筋土的應(yīng)力應(yīng)變特性表現(xiàn)為應(yīng)變硬化型[13]。原因是棕櫚纖維的空間交織作用相當(dāng)于給試件施加了很大的圍壓，并且圍壓隨豎向應(yīng)變的增加而不斷增強(qiáng)。此外，從試件的整個(gè)破壞過程看，即使發(fā)生較大的豎向應(yīng)變，棕櫚試件依然能夠保持較好的整體性，不會出現(xiàn)整體破壞現(xiàn)象。

可見，棕櫚加筋土的應(yīng)變硬化特性以及良好的整體性，可以有效改善上海粘土的抗變形性能，對控制和減小地基土的變形具有重要的工程意義。

3.3 加筋土抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律分析

圖2中棕櫚加筋土抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律的原因是，隨著筋材的增加，土與筋材的接觸面積也隨之增大，土的粘聚力不斷增強(qiáng)，使加筋土的強(qiáng)度在開始階段不斷提高；當(dāng)加筋材料過多時(shí)，土與土、土與筋材之間的聯(lián)結(jié)作用會不斷減弱，極易在土中形成薄弱面，特別是棕櫚較長時(shí)，由于分布不均，在土中產(chǎn)生局部缺陷的幾率更高，這可以解釋為何圖2中筋材較長的試件在0.6%加筋率后強(qiáng)度會有所降低。當(dāng)加筋率達(dá)到一定值后，棕櫚的空間交織補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理將會發(fā)揮作用，為試件提供相當(dāng)于圍壓的約束力，從而彌補(bǔ)由于局部缺陷所帶來的強(qiáng)度損失，使強(qiáng)度重新增加或基本保持不變。

棕櫚加筋土強(qiáng)度隨長度的變化規(guī)律可以用彎曲與交織加筋機(jī)理進(jìn)行解釋，一定的加筋長度可以有效的發(fā)揮筋材交織與彎曲加筋作用，但過長后則會對土的整體性產(chǎn)生難以彌補(bǔ)的缺陷，并且不利于加筋土的攪拌，使筋材在土中無法均勻分布。

圖3中麥秸稈加筋土上升段的加筋強(qiáng)度變化原理與棕櫚基本一致，之所以出現(xiàn)下降段是因?yàn)殡S著麥秸稈的增加不僅減弱了土顆粒的聯(lián)結(jié)，反過來也減弱了土對單個(gè)麥秸稈的包裹，加上麥秸稈片體積較大，大量麥秸稈的聚集會在土中產(chǎn)生很多缺陷和薄弱面，而且麥秸稈的空間交織與彎曲加筋作用又很小，因此導(dǎo)致了圖4中下降段的發(fā)生。

麥秸稈強(qiáng)度隨加筋長度的變化是因?yàn)榻畈拈L度過小時(shí)，土中的裂紋容易繞開筋材繼續(xù)發(fā)展，不能很好地發(fā)揮筋材的摩擦加筋作用[8]。過長的筋材則更容易在土體內(nèi)部形成薄弱面，破壞土的整體性，因此會抵消筋材本身對土體強(qiáng)度的增強(qiáng)效果[14]。

4 結(jié)論

通過棕櫚和麥秸稈加筋上海地區(qū)粘土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)可以得出以下結(jié)論：

（1）試驗(yàn)證實(shí)棕櫚與麥秸稈均能改善土的抗壓強(qiáng)度和抗變形性能，并且棕櫚加筋土的抗壓強(qiáng)度與抗變形能力均高于麥秸稈加筋土。

（2）對上海地區(qū)的粘土初選出棕櫚纖維的適宜加筋率為1.0%，適宜加筋長度的平均值為15mm；四分之一圓管狀麥秸稈的適宜加筋率為0.3%～0.4%，適宜加筋長度為15mm。

（3）棕櫚加筋土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線表現(xiàn)為應(yīng)變強(qiáng)化型，殘余應(yīng)力較大，很難出現(xiàn)下降段，破壞時(shí)試件的整體性依然很好；麥秸稈的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線為應(yīng)變軟化型，應(yīng)力峰值過后，隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力消散得很快。

以上試驗(yàn)結(jié)論是在特定土質(zhì)、含水率和試件尺寸下得出的，因此受到試件尺寸效應(yīng)等因素的影響，不能代表各自加筋土的最優(yōu)加筋率和加筋長度，只是一個(gè)初選結(jié)果。

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