油菜籽殼加筋黃土劈裂抗拉特性

張心語,雷勝友

(長安大學(xué)公路學(xué)院，西安 710064)

土體的傳統(tǒng)改良加固方法為向土中摻入水泥、煤灰、石灰等材料，使土的力學(xué)性能得到改善。然而，上述加固材料的生產(chǎn)成本高，使改良成本顯著增加。同時，在施工過程中因人為或其他因素導(dǎo)致改良材料的泄露會對周圍土壤造成污染，嚴(yán)重影響周圍居民的生活和威脅周圍動植物的生存。因此，尋找新的土體改良材料迫在眉睫。

原生態(tài)加筋材料因其經(jīng)濟環(huán)保的特點近來受到廣泛關(guān)注。郝建斌等[1]采用麥秸稈作為加筋材料，提高了黏性土體的抗剪強度，并通過電子計算機斷層掃描(computed tomography，CT)掃描圖像驗證了麥秸稈加筋土的抗裂性能。Ghavami等[2]通過對3種不同土體進行壓縮試驗，認(rèn)為劍麻纖維、椰殼纖維等天然纖維可以作為提高土體強度的加固材料。杜鵬[3]研究了稻草形狀對加筋鹽漬土的無側(cè)限抗壓強度的影響，結(jié)果表明0.2%稻草的加筋效果最明顯。Adili等[4]對不同紙莎草纖維含量的土體試樣進行了直剪、固結(jié)試驗，認(rèn)為10%的百分比添加下，土體抗剪強度得到顯著改善。李麗華等[5]研究了廢舊輪胎和建筑垃圾可有效減小地基沉降；鄒強等[6]驗證了松針加固黃土的可能性；蘇帥等[7]對棕絲纖維黃土進行了抗拉試驗，認(rèn)為棕絲的加入可以顯著提高黃土抗拉強度；唐皓等[8]通過棕絲纖維土的微觀結(jié)構(gòu)分析，認(rèn)為纖維在土中形成的“雀巢式”網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)大大增強了土體黏聚力。

現(xiàn)選取原生態(tài)材料油菜籽殼作為加筋材料，其具有輕質(zhì)、表面粗糙，取材方便等特點，采用巴西劈裂試驗測定加筋土的抗拉強度，探究油菜籽殼摻量、油菜籽殼長度、壓實度對油菜籽殼加筋黃土抗拉強度的影響規(guī)律及其機理，采用響應(yīng)面法分析各因素間的協(xié)同作用，建立油菜籽殼加筋黃土抗拉強度的數(shù)學(xué)模型并進行模型驗證，為黃土的環(huán)保改良技術(shù)提供借鑒。

1 試驗方法

1.1 土體與加筋材料

試驗用土為黃土，取自陜西咸陽地區(qū)，依照《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40—2007)測定土的相對密度、含水率等基本物理指標(biāo)(表1)。采用的油菜籽殼為農(nóng)作物廢料，測定其天然含水率為1.35%～4.33%，單根直徑為1.00～3.33 mm。

表1 試驗土的基本物理指標(biāo)Table 1 Basic physical index of experimental soil

1.2 試驗方案

劈裂抗拉強度試驗控制3個油菜籽殼長度L(1、2、3 cm)、3個油菜籽殼摻量J(0.15%、0.25%、0.35%)以及3個壓實度K(0.92、0.95、0.98)，采用單因素變量法研究3個因素對油菜籽殼加筋黃土劈裂抗拉強度、應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響。

1.3 試樣制備及測定方法

將黃土靜置風(fēng)干，用木槌碾碎后過10目篩。將裁剪至一定長度的油菜籽殼摻入黃土中，加入純凈水配制成最優(yōu)含水率(18.10%)狀態(tài)并充分?jǐn)嚢杈鶆?，燜料24 h后制樣。圓柱試樣尺寸為Φ39.1 mm，高為80 mm，采用擊樣法制樣，制樣時統(tǒng)一錘擊數(shù)和擊實功能[9-10]。試樣制成后采用密封保鮮膜密封待用，防止水分流失導(dǎo)致含水率發(fā)生變化。

采用巴西劈裂試驗測定黃土的抗拉強度，試驗儀器南京土壤廠生產(chǎn)的PY-3型應(yīng)變控制式無側(cè)限壓縮儀。為進行抗拉強度測試，對此儀器進行了改造，在壓縮儀上下平臺各加入1個帶有墊條的微幅度弧形板。抗拉強度σt按照式(1)[11-12]計算，公式為

(1)

式(1)中：P為荷載，N；L為試樣長度，mm；d為試樣直徑，mm。

每組試驗進行2組平行試驗以消除偶然誤差和系統(tǒng)誤差對試驗結(jié)果的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 油菜籽殼摻量的影響

壓實度0.92、油菜籽殼長度為1 cm時，不同油菜籽殼摻量下的加筋黃土抗拉強度影響規(guī)與劈入深度關(guān)系曲線如圖1所示。油菜籽殼加筋黃土拉應(yīng)力與劈入深度曲線呈應(yīng)變軟化特點，變化規(guī)律與素土基本保持一致，試驗前期拉應(yīng)力隨劈入深度呈線性增長，拉應(yīng)力達到峰值點后急劇下降，試件發(fā)生脆性破壞。油菜籽殼摻量對抗拉強度與劈入深度峰值影響如圖2所示。素土試樣發(fā)生斷裂破壞小于30 s，墊條劈入深度臨界值為0.524 mm，油菜籽殼摻量為0.15%時，加筋土試樣的破壞的時間約為30 s，對應(yīng)的墊條劈入深度臨界值為0.530 mm。隨著油菜籽殼摻量增加到0.35%，試樣破壞時間增加到40 s，對應(yīng)墊條劈入深度增加到0.670 mm，增幅為11.45%～27.86%。表明油菜籽殼的摻入有效提高了黃土的極限抗拉強度與殘余應(yīng)力，隨摻量增大，增強效果越好。

圖1 油菜籽殼摻量對加筋黃土抗拉強度-劈入深度曲線的影響Fig.1 Effect of rapeseed shell content on tensile strength-cutting depth curve of reinforced loess

加筋土的抗拉強度主要由三部分構(gòu)成：土顆粒間的作用力、油菜籽殼-土顆粒間作用力以及油菜籽殼本身的抗拔力。素土試樣劈裂時表面產(chǎn)生微裂縫，主要靠土顆粒間的作用力發(fā)揮作用，應(yīng)力達到峰值后土顆粒間的作用力達到臨界值，裂縫迅速發(fā)展，土顆粒結(jié)構(gòu)遭到破壞，發(fā)生明顯的脆性斷裂。油菜籽殼加筋土在劈裂過程中，當(dāng)土顆粒間的作用力達到峰值消失后，試件薄弱處的微裂縫繼續(xù)開展，此時油菜籽殼與土顆粒間的摩阻力、油菜籽殼本身的抗拔力開始發(fā)揮作用，由于油菜籽殼的變形模量遠大于土的變形模量，油菜籽殼與土顆粒產(chǎn)生相對滑動，彎曲段內(nèi)側(cè)會對土顆粒產(chǎn)生壓力和摩擦力來阻止土顆粒的移動，當(dāng)油菜籽殼被拔出時達到拉應(yīng)力峰值，從而提高了加筋黃土抵抗外荷載的能力。

2.2 油菜籽殼長度的影響

壓實度0.95、油菜籽殼摻量0.15%時，繪制不同油菜籽殼長度對加筋黃土抗拉強度影響規(guī)與劈入深度關(guān)系曲線如圖3所示。油菜籽殼長度對抗拉強度與劈入深度峰值的影響如圖4所示。從圖3和圖4可以發(fā)現(xiàn)，不同油菜籽殼長度的加筋黃土拉應(yīng)力與劈入深度變化趨勢基本一致，在初始階段拉應(yīng)力呈線性增長，達到峰值點后應(yīng)力迅速下降。隨著油菜籽殼長度的增加，加筋黃土的劈裂抗拉強度、峰值劈入深度與殘余強度均提高，在油菜籽殼長度為3 cm時加筋土體破壞后不再發(fā)生斷裂現(xiàn)象。保持壓實度為0.95時，素土試樣在30 s內(nèi)發(fā)生斷裂破壞，墊條劈入深度臨界值為0.530 mm，油菜籽殼摻量為0.15%時，加筋土試樣自試驗開始到破壞的時間為35 s，對應(yīng)的墊條劈入深度臨界值為0.589 mm，隨著油菜籽殼摻量增加到0.35%時，試樣破壞時間增加到50 s，對應(yīng)墊條劈入深度增加到0.845 mm，增幅為11.13%～54.43%。

圖3 油菜籽殼長度對加筋黃土抗拉強度-劈入深度的影響Fig.3 Effect of rapeseed shell length on tensile strength-splitting depth of reinforced loess

圖4 油菜籽殼長度對劈裂抗拉強度和峰值劈入深度的影響Fig.4 Effect of rapeseed shell length on splitting tensile strength and peak cutting depth

當(dāng)油菜籽殼長度較短時比表面積小，油菜籽殼之間有效搭接面積較小，土顆粒間的引力消失后，主要靠油菜籽殼與土顆粒界面的摩阻力以及油菜籽殼本身的抗拔力發(fā)揮作用。隨著油菜籽殼長度的增加，油菜籽殼與土顆粒的接觸面積增大，界面間相互作用隨之增加，此外，土中隨機分布的油菜籽殼能夠相互搭接形成“交織點”[13-14]，受到土顆粒的作用力而處于受拉狀態(tài)的部分油菜籽殼會使交織點產(chǎn)生位移趨勢，從而影響交織點周圍其他油菜籽殼的狀態(tài)形成三維約束空間，土顆粒受到整個油菜籽殼網(wǎng)格的空間約束，起到限制土體位移、增強土體抗裂能力的作用，使加筋黃土裂而不斷。

2.3 壓實度的影響

油菜籽殼長度為1 cm時不同壓實度對加筋黃土抗拉強度影響如圖5所示，可以發(fā)現(xiàn)壓實度為影響加筋黃土抗拉強度的重要因素。加筋黃土的劈裂抗拉強度隨著壓實度的增加而增大。以摻量0.35%為例，壓實度0.92時復(fù)合土體抗拉強度為13.08 kPa，當(dāng)壓實度增加到0.95和0.98時，對應(yīng)的抗拉強度為17.25 kPa和20.37 kPa，增幅分別為31.88%和55.73%。這是由于壓實度小時，土體孔隙比較大，土顆粒之間較松散，油菜籽殼與土顆粒間的聯(lián)結(jié)不緊密，此時土顆粒與土顆粒間的引力以及土顆粒與油菜籽殼間的界面摩阻力較小，加筋黃土抗拉強度低。隨著壓實度的增加，土顆粒間的間距減小，孔隙比減小，土體變得密實，土顆粒與油菜籽殼接觸面積增大，油菜籽殼-土界面摩阻力與油菜籽殼纖維的抗拔能力均能更大程度發(fā)揮作用，從而加筋黃土抗拉強度得以有效提高。

圖5 壓實度對加筋黃土抗拉強度的影響Fig.5 Effect of compaction degree on tensile strength of reinforced loess

2.4 油菜籽殼摻量與長度協(xié)同作用

考慮的3個影響土體抗拉強度的因素(油菜籽殼摻量A、油菜籽殼長度B、壓實度C)中，油菜籽殼摻量和長度均為與加筋材料有關(guān)的變量，為了探究油菜籽殼摻量與長度的協(xié)同作用，采用響應(yīng)面法對協(xié)同作用規(guī)律進行方差分析，確定協(xié)同作用的影響規(guī)律，分析時采用考慮協(xié)同作用的二階模型。

考慮到油菜籽殼長度與摻量可能并不是影響加筋黃土抗拉強度的單獨因素，建立兩者交互作用對抗拉強度影響的響應(yīng)面與等高線圖如圖6所示。方差分析結(jié)果如表2所示，其中F值反映了各因素對油菜籽殼加筋黃土抗拉強度影響的主次關(guān)系，結(jié)果表明FA>FC>FB，說明影響依次為油菜籽殼摻量、壓實度、油菜籽殼長度，且3類因素對加筋黃土抗拉強度的影響均顯著。油菜籽殼摻量和長度的交互項AB的P<0.05，說明上述兩個因素的協(xié)同作用顯著。

表2 響應(yīng)面方差分析結(jié)果Table 2 Results of response surface variance analysis

油菜籽殼摻量與長度的交互作用關(guān)系如圖6、圖7所示。圖6顯示了油菜籽殼不同摻量的平均抗拉強度以及油菜籽殼長度，兩條曲線不平行說明了油菜籽殼摻量與長度之間存在交互作用，加筋黃土抗拉強度與油菜籽殼摻量之間的關(guān)系依賴于油菜籽殼的長度。從圖7可以看出，A、B交互時，油菜籽殼摻量曲面變化幅度高于油菜籽殼長度，即考慮二者交互作用時，加筋黃土抗拉強度隨油菜籽殼摻量的變化幅度更大。在油菜籽殼為1 cm時，抗拉強度隨摻量的變化較小，當(dāng)油菜籽殼摻量達到3 cm時，抗拉強度隨油菜籽殼摻量的變化幅度達到最大，說明在油菜籽殼長度較長時，油菜籽殼摻量的影響更大。在油菜籽殼摻量較小時，隨油菜籽殼長度的增加，抗拉強度變化很小，如圖7(a)所示，說明油菜籽殼摻量低的情況下油菜籽殼長度對加筋黃土抗拉強度影響小。圖7(b)、圖7(c)比圖7(a)中的等高線更密集，說明隨著壓實度的增加，土體后期抗拉強度增長更快，油菜籽殼長度與摻量的交互作用對其貢獻增大。

圖6 油菜籽殼摻量與長度交互作用圖Fig.6 Graph of interaction between rapeseed shell content and length

圖7 油菜籽殼摻量與長度交互作用響應(yīng)曲面圖Fig.7 Response surface diagram of interaction between rapeseed shell content and length

2.5 油菜籽殼加筋黃土抗拉強度回歸模型

由回歸分析得到的二次曲面回歸模型方程為

Y=-975.184 27-62.647 22J+0.548 89L+

1 998.816 36K+5.150 00JL+

117.500 00JK+1.194 44LK-44.555 56J2-

0.085 556L2-1 020.987 65K2

(2)

式(2)中：Y為抗拉強度，kPa。

圖8顯示散點基本呈直線分布，認(rèn)為殘差服從正態(tài)分布，表2顯示模型P<0.000 1，擬合優(yōu)度R2=0.983 5，認(rèn)為該回歸模型十分顯著，有足夠的精度和可靠性。

圖8 殘差正態(tài)概率圖Fig.8 Residual normal probability graph

為檢驗回歸模型的準(zhǔn)確性，分別設(shè)置壓實度0.95，油菜籽殼長度1.5 cm，油菜籽殼摻量0.15%和壓實度0.92，油菜籽殼長度2.5 cm，油菜籽殼摻量0.2%的兩組對照試驗，試驗結(jié)果如表3所示。

從表3可以看出試樣1的抗拉強度預(yù)測值與實際值誤差為4.89%，試樣2的抗拉強度預(yù)測值與實際值誤差為6.58%，結(jié)果表明兩組對照試驗誤差在接受范圍內(nèi)，認(rèn)為該回歸模型滿足工程需求。

表3 試驗值與預(yù)測值比較Table 3 Comparison of experimental and predicted values

3 結(jié)論

(1)油菜籽殼加筋黃土拉應(yīng)力與劈入深度曲線呈應(yīng)變軟化型，在土中摻入油菜籽殼可以有效地提高黃土的抗拉強度，改善黃土抗裂能力。

(2)油菜籽殼摻量、油菜籽殼長度、壓實度3個因素對加筋土抗拉強度影響的主次順序依次為油菜籽殼摻量、壓實度、油菜籽殼長度，且油菜籽殼的摻量與長度之間存在協(xié)同作用。

(3)建立了加筋黃土的抗拉強度與油菜籽殼長度、摻量以及壓實度的數(shù)學(xué)回歸模型并對模型進行了驗證，結(jié)果表明所建立模型可靠，滿足工程需求。