麥秸稈的筋土摩擦性能及加筋作用

魏麗，柴壽喜，蔡宏洲，鄭嬌嬌，姜宇波

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

當(dāng)土的強(qiáng)度較低時，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。實驗證實，對麥秸稈進(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[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，筋土界面粘聚力和界面摩擦力限制了土顆粒的滑動，此時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，在彎曲纖維的凹側(cè)產(chǎn)生對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，纖維交織點處的土顆粒產(chǎn)生位移趨勢，臨近的纖維就會阻止這種位移，形成對土的立體約束作用[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)的直剪實驗和拉拔實驗進(jìn)行測試[13-14]。為此,專門設(shè)計了麥秸稈拉拔摩擦實驗的試樣制備裝置與測試裝置，以測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，才能反映出拉拔力與筋土位錯的變化過程。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驗，分析各因素對筋土摩擦強(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)限抗壓實驗和三軸壓縮實驗，以此評價麥秸稈加筋對土的抗壓、抗剪和抗變形性能的影響。

1 實驗設(shè)備與試樣制備

1.1 實驗設(shè)備

1.1.1 拉拔彎折實驗機(jī) 全自動多量程拉拔彎折實驗機(jī)，型號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。拉拔彎折實驗機(jī)及拉拔試樣安裝見圖1。

拉拔速率為2 mm/min，計算機(jī)采集拉拔力與拉拔位移。實驗過程中，上部夾具不動，下部夾具勻速下降。麥秸稈拉拔力驟減時，實驗結(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)置一個圓孔，直徑為10 mm，制樣和脫模時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 實驗材料

選擇粗細(xì)均勻、內(nèi)徑為4 mm的無莖節(jié)麥秸稈，風(fēng)干后截成實驗所需的長度。

實驗所用的氯鹽漬土取自天津濱海新區(qū)，含鹽量2.65%，塑性指數(shù)11.2，為粉質(zhì)粘土。重型擊實實驗獲得最優(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 拉拔實驗試樣的制備

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 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選擇壓實度95%、93%和90%，對應(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，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，浸潤一晝夜;

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

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，并測量麥秸稈的埋置深度。上下同時緩慢擠壓兩個壓柱，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%；抗壓試樣加筋長度10 mm，三軸壓縮試樣加筋長度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個干密度6個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，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%。因為筋土摩擦強(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，界面的自由水增多，有利于麥秸稈表面的潤滑作用，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，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%。因為干密度大的試樣在制樣時需要較大的壓實功，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，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個干密度3個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。主要因為：埋置深度越大，其表面受到的壓力越大，將麥秸稈拔出或拔斷所需的力越大，筋土摩擦作用有所增強(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，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則較為平緩。借助SPSS軟件，通過多元線性回歸分析，計算3個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)的絕對值越大、顯著性越接近于0，對筋土摩擦強(qiáng)度的影響程度就越大。因此，3個因素對筋土摩擦強(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，觀測的散點基本上都分布在對角線周邊，說明觀測的殘差累計概率符合正態(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,麥秸稈所受的荷載小于筋土摩擦力，拉伸荷載以應(yīng)變能的形式存儲在麥秸稈的自由長度段內(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，拉拔力迅速減小。在隨后拉拔過程中，筋土界面作用以滑動摩擦力為主，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)律相對應(yīng)。

圖8～圖10還顯示，麥秸稈被拉動后，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，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驗中呈現(xiàn)較大破壞應(yīng)變的實驗結(jié)果相吻合。

3 麥秸稈加筋土的加筋效果評價

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，麥秸稈呈直線狀時的筋土摩擦強(qiáng)度可通過拉拔摩擦實驗測試，而麥秸稈彎曲時對土顆粒產(chǎn)生下壓力和摩擦力，目前的實驗手段很難測出。

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)，評價麥秸稈加筋對土的強(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，對內(nèi)摩擦角的影響相對較小。石灰固化土為脆性土，達(dá)到峰值偏應(yīng)力時所對應(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，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較小。固化土破壞時，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，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)與三軸壓縮實驗的峰值偏應(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個因素對筋土摩擦強(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??；隨后筋土位移繼續(xù)增加，此時,筋土界面的作用力以滑動摩擦力為主，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。