含水率對木纖維加筋土抗剪強(qiáng)度的影響

徐福增，穆 璇,楊 松

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，云南 昆明 650201)

1 概述

邊坡是人類工程活動中最基本的地質(zhì)環(huán)境之一，也是工程建設(shè)最常見的工程形式。邊坡在自然與人為因素作用下的破壞形式主要表現(xiàn)為滑坡、滑塌、崩塌和剝落[1]，邊坡的穩(wěn)定性受多種因素的影響[2]，邊坡失穩(wěn)會嚴(yán)重危及到國家財產(chǎn)和人們的安全。

紅黏土作為一種典型特殊土，主要分布在廣西、貴州、云南、廣東以及湖南等省[3-4]。紅黏土具有高含水率、高塑性、低壓縮性等特點(diǎn)，工程性質(zhì)較為復(fù)雜。對于不同土抗剪強(qiáng)度影響因素的研究國內(nèi)外已經(jīng)有了不少研究成果[5-9]。紅黏土的強(qiáng)度會因含水率的增大而顯著降低，工程力學(xué)性質(zhì)變差，紅黏土失水皺縮，表面會出現(xiàn)裂隙，對邊坡的穩(wěn)定有不利影響。

纖維增強(qiáng)土是指在土壤中摻入一定量的纖維和土壤充分混合并形成的一種復(fù)合土[10]。纖維具有良好的分散性和一定的韌性[11]，纖維摻入土體中與土體混合后會形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可以提高土體的強(qiáng)度、抗雨水沖刷性能，使得儲水保溫效果更加良好，將它與土、種子拌合后進(jìn)行邊坡種植，不僅可以防止水土流失、根系固土，還可以起到綠化的作用。

本文旨在研究含水率對木纖維加筋土的強(qiáng)度特性影響，研究結(jié)果為巖土工程高邊坡相關(guān)設(shè)計提供參考。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

試驗所用紅黏土取自云南省昆明市盤龍區(qū)某施工場地，紅黏土呈紅褐色，根據(jù)土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50123—2019)，對所用紅黏土進(jìn)行相關(guān)試驗，求得土的基本物理指標(biāo)如表1所示。試驗選用木質(zhì)纖維為加筋材料，木纖維如圖1所示。

表1 紅黏土基本物理指標(biāo)

圖1 木纖維示意

2.2 試驗方法

試驗所用土風(fēng)干、碾碎后過2 mm篩備用，采用1.0 g/cm3的干密度制備不同含水量不同纖維含量的復(fù)合土樣，纖維含量按干質(zhì)量比分別為0、2.5%、5%，將配好的纖維與土樣拌合均勻，放置一晝夜，然后取出備用，不同纖維摻量下制備5組試樣，每組試樣個數(shù)不少于4個，總共不少于60個試樣。直剪試驗所用的環(huán)刀高為2 cm、直徑為6.18 cm，試樣制備好后，在室外進(jìn)行風(fēng)干，然后在室內(nèi)進(jìn)行快剪試驗，垂直壓力分別為50、100、150、200 kPa，以0.8 mm/min的速率剪切[12]。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1含水率與抗剪強(qiáng)度

從圖2～4中可以看出：含水率逐漸增大，抗剪強(qiáng)度逐漸減??；同一含水率下，隨著垂直壓力的增大抗剪強(qiáng)度也是增大的；同一級壓力下，加筋土抗剪強(qiáng)度要比素土的抗剪強(qiáng)度大；且5%纖維含量的抗剪強(qiáng)度要大于2.5%纖維含量的抗剪強(qiáng)度；含水量越低，抗剪強(qiáng)度越大，含水量越高，抗剪強(qiáng)度越?。粓D2中纖維摻量為0時，最大的抗剪強(qiáng)度為317.34 kPa，此時的含水率為5.98%，最小的抗剪強(qiáng)度為40.45 kPa，此時的含水率為33.6%；圖3中纖維摻量為2.5%時，最大的抗剪強(qiáng)度為407.8 kPa，此時的含水率為5.63%，最小的抗剪強(qiáng)度為41.03 kPa，此時的含水率為34.22%；圖4中纖維摻量為5%，最大的抗剪強(qiáng)度為617.24 kPa，此時的含水率為5.13%，最小的抗剪強(qiáng)度為64.06 kPa，此時的含水率為34.29%。由于含水量差異不大，以(壓力以50 kPa、200 kPa)為例：當(dāng)壓力為200 kPa時，2.5%纖維含量的土壤抗剪強(qiáng)度較素土提高了28.51%；5%纖維摻量的加筋土抗剪強(qiáng)度較素土提高了94.50%；當(dāng)壓力為50 kPa時，2.5%纖維摻量的加筋土抗剪強(qiáng)度較素土提高了1.43%；5%纖維含量增強(qiáng)土壤抗剪強(qiáng)度較素土提高了58.37%，因此，纖維對紅土強(qiáng)度提高了很多。

3.2 含水率與抗剪強(qiáng)度參數(shù)

通過直剪試驗測得不同含水率下抗剪強(qiáng)度與垂直壓力，然后以抗剪強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，垂直壓力為橫坐標(biāo)，畫出抗剪強(qiáng)度與垂直壓力關(guān)系曲線，在根據(jù)庫侖定律求得不同含水率下加筋土的內(nèi)摩擦角與含水率，結(jié)果如表2所示。

圖2 無纖維摻量素土含水率與抗剪強(qiáng)度關(guān)系曲線示意

圖3 2.5%纖維摻量加筋土含水率與抗剪強(qiáng)度關(guān)系曲線示意

圖4 5%纖維摻量加筋土含水率與抗剪強(qiáng)度關(guān)系曲線示意

通過表2顯示：當(dāng)纖維摻量為0時，內(nèi)摩擦角和粘聚力隨著含水量的增加而逐漸減??；纖維摻量為2.5%時，隨著含水量的增大粘聚力是一直減小的，而內(nèi)摩擦角則是先降低再升高再降低，纖維摻量為5%時，粘聚力隨著含水量的增加而降低，而內(nèi)摩擦角則是先降低后升高在降低；還可以得出：當(dāng)含水量接近風(fēng)干含水量6%時，2.5%纖維摻量增強(qiáng)土壤的粘聚力較素土提高了144.24%，5%纖維摻量加筋土的粘聚力較素土提高了264.67%，當(dāng)含水量接近最優(yōu)含水量32.5%，2.5%纖維含量增強(qiáng)土壤粘聚力較素土提高了55.9%，5%纖維含量加筋土粘聚力較素土提高了297.7%。由此可以看出：與摩擦角相比，纖維對粘聚力有很大的提高，纖維增強(qiáng)土壤的粘聚力比素土粘聚力都高，5%纖維摻量的粘聚力最高，產(chǎn)生這種結(jié)果是因為纖維有很好的分散性，隨著纖維的增加加筋土比表面積增大可以很好的填補(bǔ)土壤中的孔隙，土壤更加緊湊，因而粘聚力更高。

表2 不同含水率下加筋土的內(nèi)摩擦角和粘聚力

3.3 垂直壓力和抗剪強(qiáng)度

從圖5、圖6中可以看出：隨垂直壓力增大抗剪強(qiáng)度也是增加的；素土的抗剪強(qiáng)度小于纖維增強(qiáng)土的抗剪強(qiáng)度；5%纖維含量加筋土的抗剪強(qiáng)度大于2.5%纖維含量增強(qiáng)土的抗剪強(qiáng)度，且5%纖維含量加筋土抗剪強(qiáng)度最大。這是因為隨著纖維含量的增多，纖維與土壤形成的交錯點(diǎn)越來越多，三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)越來越密集，使得土體的抗剪強(qiáng)度更大。

圖5 抗剪強(qiáng)度與垂直壓力關(guān)系曲線示意

圖6 抗剪強(qiáng)度與垂直壓力關(guān)系曲線示意

4 結(jié)語

通過對不同含水率下不同摻量的木質(zhì)纖維加筋土進(jìn)行室內(nèi)直剪試驗可以得到以下結(jié)論：

1) 摻入木質(zhì)纖維對土體的抗剪強(qiáng)度有較大提升，因此摻入木纖維增強(qiáng)土體的強(qiáng)度是可行的。

2) 在含水量接近風(fēng)干含水量6%時，加筋土的抗剪強(qiáng)度最大。

3) 含水率為5.13%時，粘聚力達(dá)到了最大，此時纖維含量是5%。