張瑞敏，王曉燕，柴壽喜

(1. 天津城市建設(shè)學(xué)院 天津市軟土特性與工程環(huán)境重點試驗室，天津 300384；2. 中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司 勘察院，天津 300222)

濱海鹽漬土是含有一定數(shù)量的氯鹽且具有鹽脹、溶陷、腐蝕和吸濕軟化等不良性質(zhì)的特殊土，須經(jīng)改性或固化處理后才能用于建設(shè)工程[1]，通常采用水泥、石灰等無機(jī)材料固化濱海鹽漬土[2]，另外摻加纖維材料，如合成纖維、劍麻等，以提高土的強(qiáng)度，并改善土的抗拉性能[3-4].

室內(nèi)試驗證實，在土中摻加一定數(shù)量的纖維，可提高土的強(qiáng)度.魏麗和李敏等人[5-6]探討了麥秸稈的防腐方法，對麥秸稈的力學(xué)性能及微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，對比了防腐處理麥秸稈的質(zhì)量增加率、吸水率、極限拉力和極限延伸率，證實用SH膠浸泡麥秸稈不僅能起到防腐作用，還可提高麥秸稈的力學(xué)性能.石茜等人[7]得出結(jié)論：防腐處理增強(qiáng)了稻草纖維間的聯(lián)結(jié)，提高了稻草的抗拉性能.研究結(jié)果表明，稻草和麥秸稈是具有一定拉伸性能的天然纖維材料，適宜作加筋材料使用；在濱海鹽漬土中分別加入稻草和麥秸稈，可提高土的強(qiáng)度和整體性.

1958年，J.E.Barret[8]在美國佛羅里達(dá)州開始利用合成纖維織物作為海岸塊石護(hù)坡的墊層，一般認(rèn)為這是加筋材料使用的開端；20世紀(jì) 60年代初，法國工程師Henri Vidal[9]提出了加筋土理論；Park等[10]將合成纖維應(yīng)用于路基填料中，通過抗壓強(qiáng)度試驗，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.麥秸稈作加筋材料時，其抗拉性能不同于鋼帶一類的剛性材料，也不同于土工布和土工格柵一類的柔性材料，與合成纖維材料相比，在強(qiáng)度和抗變形能力等方面也存在差異[11-12].

本文通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗，研究稻草和麥秸稈適宜的加筋長度和質(zhì)量加筋率對加筋土抗壓強(qiáng)度的影響及其變化規(guī)律；分析適宜加筋形狀對加筋土抗壓強(qiáng)度的影響；使用SH膠浸泡稻草和麥秸稈，測試天然和經(jīng)防腐處理后的加筋土抗壓強(qiáng)度.為下一步研究稻草加筋土和麥秸稈加筋土的抗剪強(qiáng)度性能提供試驗參考.

1 試驗材料與試驗方案

1.1 試驗設(shè)備與材料

1.1.1 試驗設(shè)備

采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的 CBR-1 型承載比試驗儀測試抗壓強(qiáng)度，選用規(guī)格 10 kN的測力環(huán)，應(yīng)變速率為1 mm/min.

1.1.2 試驗材料

濱海鹽漬土塑性指數(shù)為 15.8，為粉質(zhì)黏土，將土烘干、碾碎，過2 mm篩之后備用.

稻草和麥秸稈為人工收割，分成圓管狀、二分之一狀、四分之一狀，截成長度10 mm和15 mm的段.

SH膠為水溶性液體高分子材料，分子量在20000以上，成分為改性的聚乙烯醇.

1.2 試驗方案

選擇稻草和麥秸稈作為加筋材料，以加筋長度、質(zhì)量加筋率(筋材質(zhì)量與干土質(zhì)量的比值)、筋材形狀、防腐處理(浸泡SH膠)為影響因素，測試稻草加筋土和麥秸稈加筋土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度.

前期研究得出了稻草的適宜加筋條件：加筋長度為15 mm，質(zhì)量加筋率為0.20%，筋材形狀為二分之一狀.楊繼位等人[13]通過抗壓強(qiáng)度試驗和Taguchi正交試驗設(shè)計優(yōu)化方法，確定麥秸稈的適宜加筋條件為：加筋長度為 10 mm，質(zhì)量加筋率為 0.25%，筋材形狀為四分之一狀.

以相同條件比較兩種加筋土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，據(jù)此選定：加筋長度為10 mm和15 mm；質(zhì)量加筋率為 0.20%和 0.25%；筋材形狀為圓管狀、二分之一狀、四分之一狀.

濱海地區(qū)的高地下水位和毛細(xì)水的強(qiáng)烈上升將導(dǎo)致鹽漬土潮濕，稻草和麥秸稈在潮濕環(huán)境中易腐爛，故在用于加筋之前，需對稻草及麥秸稈浸泡 SH膠，作防腐處理.因此，將稻草和麥秸稈的防腐處理也作為一個影響因素考慮.

2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果

2.1 加筋長度

選取圓管狀稻草和麥秸稈，制備適宜質(zhì)量加筋率，不同加筋長度的加筋土樣，其抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果如圖1所示.

圖1 加筋土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨加筋長度的變化

由圖1可知，不同加筋長度的稻草和麥秸稈加筋土抗壓強(qiáng)度的變化趨勢不同，稻草加筋土抗壓強(qiáng)度先增加，后逐漸降低，有明顯的峰值點.麥秸稈加筋土的抗壓強(qiáng)度先緩慢增加，后緩慢降低，無明顯的峰值點.這是因為：加筋長度過小時，土中的裂紋容易繞開筋材繼續(xù)發(fā)展，不能起到很好的加筋作用.加筋長度過長時，會在土體內(nèi)部形成薄弱面，也將抵消加筋對強(qiáng)度的增強(qiáng)效果.

對于稻草加筋土，在加筋長度 15 mm，質(zhì)量加筋率為0.20%時，稻草加筋土的抗壓強(qiáng)度處于最高位置，相對于加筋長度為10 mm時增加了16.1%.

對于質(zhì)量加筋率為 0.25%的麥秸稈加筋土，當(dāng)加筋長度從10 mm增加到15 mm時，其抗壓強(qiáng)度僅降低了4.3%，因此，10 mm或15 mm均可作為麥秸稈的適宜加筋長度.

2.2 質(zhì)量加筋率

選取圓管狀稻草和麥秸稈，制備適宜加筋長度不同質(zhì)量加筋率的加筋土樣，其抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果如圖2所示.

圖2 加筋土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨加筋率的變化

由圖2可見，在0.15%的質(zhì)量加筋率時，麥秸稈加筋土的抗壓強(qiáng)度高于稻草加筋土，但隨著質(zhì)量加筋率的增加，稻草加筋土抗壓強(qiáng)度呈拋物線趨勢變化，而麥秸稈加筋土抗壓強(qiáng)度則平緩增加，增加幅度較小.

這是因為：加入筋材，增大了土的孔隙度，過大的孔隙度將抵消加筋對強(qiáng)度的增強(qiáng)效果；過多的加筋材料容易在土中重疊，減弱了土顆粒間的聯(lián)結(jié)，使其抗壓強(qiáng)度降低.

在質(zhì)量加筋率為 0.20%時，稻草加筋土的抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值，而在0.25%時，又降低了6.3%.麥秸稈在加筋率為0.25%處，加筋土的抗壓強(qiáng)度最大，至0.20%處又減少了3.2%，可見，麥秸稈的適宜加筋率為0.20%或0.25%.

對比圖1和圖2可知，稻草加筋土的適宜加筋長度為15 mm，質(zhì)量加筋率為0.20%.麥秸稈的適宜加筋長度為 10 mm 或 15 mm，質(zhì)量加筋率為 0.20%或0.25%.

土顆粒與筋材的良好摩擦性能，使土的強(qiáng)度提高[14].麥秸稈表面含有蠟質(zhì)，表面光滑，而稻草的表面比麥秸稈粗糙，兩者與土顆粒間的摩擦系數(shù)不同，由此導(dǎo)致其適宜加筋條件的不同.

2.3 筋材形狀

將稻草和麥秸稈分成圓管狀、二分之一狀和四分之一狀，制備加筋土樣.其抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果如圖 3所示.

圖3 不同筋材形狀加筋土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

由圖3可知，對于稻草，二分之一狀加筋土與圓管狀加筋土相比，加筋土的抗壓強(qiáng)度增加了6.7%.對麥秸稈而言，二分之一狀加筋土與圓管狀加筋土相比，加筋土的抗壓強(qiáng)度增加了4.8%，四分之一狀加筋土與二分之一狀加筋土相比，加筋土的抗壓強(qiáng)度增加了7.1%.

筋材形狀造成土的抗壓強(qiáng)度不同的原因是，與圓管狀相比，二分之一狀的稻草和麥秸稈的內(nèi)外表面均與土接觸，與土顆粒的有效接觸面積增大了一倍，即摩擦力增加了；與二分之一狀相比，四分之一狀的筋材個數(shù)增加了一倍，這使得筋材發(fā)生交織成網(wǎng)的幾率大為增加.兩種原因?qū)е录咏钔恋目箟簭?qiáng)度增大，殘余強(qiáng)度也較大.

2.4 防腐處理

使用SH膠浸泡稻草和麥秸稈，對其進(jìn)行防腐處理，加筋土的抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果如圖4所示.

圖4 防腐處理加筋土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

由圖4可見，防腐稻草加筋土的抗壓強(qiáng)度比天然稻草加筋土的增加了5.6%，防腐麥秸稈加筋土的抗壓強(qiáng)度比天然的增加了 13.7%.天然稻草和防腐稻草加筋土的抗壓強(qiáng)度都高于天然麥秸稈和防腐麥秸稈加筋土的抗壓強(qiáng)度.工程應(yīng)用時，宜優(yōu)先考慮防腐稻草做加筋材料.

浸SH膠防腐后，麥秸稈和稻草的極限拉力和極限延伸率大為提高，吸水性能下降[5-7]，能很好地適應(yīng)并協(xié)調(diào)土的變形，提高了加筋土的抗壓強(qiáng)度.

3 結(jié) 論

通過加筋土的抗壓強(qiáng)度對比，證實稻草加筋土的抗壓強(qiáng)度高于麥秸稈加筋土，同時還得出：

(1) 稻草的適宜加筋長度為15 mm，質(zhì)量加筋率為0.20%；麥秸稈的適宜加筋長度為10 mm或15 mm，質(zhì)量加筋率為0.20%或0.25%；

(2) 就筋材形狀而言，二分之一狀優(yōu)于圓管狀，四分之一狀優(yōu)于二分之一狀；

(3) 浸泡在 SH膠中，對麥秸稈和稻草作防腐處理，這使得加筋土的抗壓強(qiáng)度均有不同程度的提高.考慮到加筋土的耐久性問題，在將稻草和麥秸稈用于加筋之前，需對其進(jìn)行防腐處理.

［1］柴壽喜，王 沛，韓文峰，等. 高分子材料固化濱海鹽漬土的強(qiáng)度與微結(jié)構(gòu)研究[J]. 巖土力學(xué)，2007，28(6)：1067-1072.

［2］覃銀輝，何 瑋，柴壽喜，等. 濱海鹽漬土固化后物理力學(xué)性能試驗研究[J]. 西安建筑科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2007，39(3)：408-413.

［3］張艷美，張旭東，張鴻儒. 土工合成纖維土補強(qiáng)機(jī)理試驗研究及工程應(yīng)用[J]. 巖土力學(xué)，2005，26(8)：1323-1326.

［4］PRABAKAR J，SRIDHAR R S. Effect of random inclusion of sisal fibre on strength behavior of soil [J]. Construction and Building Materials，2002，16(2)：123-131.

［5］魏 麗，柴壽喜，蔡宏洲. 麥秸稈防腐評價及加筋濱海鹽漬土的補強(qiáng)機(jī)制[J]. 工程勘察，2009(1)：5-7.

［6］李 敏，柴壽喜，魏 麗. 麥秸稈的力學(xué)性能及加筋濱海鹽漬土的抗壓強(qiáng)度研究[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報，2009，17(4)：545-549.

［7］石 茜，柴壽喜，李 敏，等. 潮濕環(huán)境中稻草的防腐效果及極限拉伸性能[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報：地球科學(xué)版，2011，41(1)：200-206.

［8］BARRETT R J. Use of plastic filters in coastal structures[C]// International Symposium on Application of Geo Synthetic Technology. Jakarta：Proc 10th Int Conf on Coastal Engineering，1996：1048-1067.

［9］SCHLOSSER F，LONG N T. Recent results in French research on reinforced soil [J]. Journal of the Construction Division ASCE，1974，100(C03)：223-237.

［10］PARK T，TAN S A. Enhanced performance of reinforced soil walls by the inclusion of short fiber [J]. Geo Textiles and Geo Membranes，2005，23(4)：348-361.

［11］魏紅衛(wèi)，喻澤紅，鄒銀生. 土工合成材料加筋土抗剪作用的試驗研究[J]. 水利學(xué)報，2005，36(5)：555-562.

［12］蔡 奕，施 斌，高 瑋，等. 纖維石灰土工程性質(zhì)的試驗研究[J]. 巖土工程學(xué)報，2006，28(10)：1283-1287.

［13］楊繼位，柴壽喜，王曉燕，等. 以抗壓強(qiáng)度確定麥秸稈加筋鹽漬土的加筋條件[J]. 巖土力學(xué)，2010，32(10)：3260-3264.

［14］余 沛，柴壽喜，王曉燕，等. 麥秸稈加筋濱海鹽漬土的加筋效應(yīng)及工程應(yīng)用問題[J]. 天津城市建設(shè)學(xué)院學(xué)報，2010，16(3)：161-166.