韓 雷，田振華，左蓓蓓

(黑龍江省水利科學(xué)研究院，150080，哈爾濱)

植被護坡的穩(wěn)定性研究由來已久，很多學(xué)者從植物根系增加土體抗剪強度的角度出發(fā)，研究了多種草本植物根系土體的穩(wěn)定特性，但影響天然草皮穩(wěn)定的因素很多，諸如土壤類型、植物種類、密度、齡期、草根的分布等。因此，本文從標(biāo)準(zhǔn)化研究的角度出發(fā)，基于植物根系可增加土壤抗剪強度的理論，認為不同根土復(fù)合體的抗剪強度不同，其抗水流沖刷的能力亦不同；創(chuàng)新性地將柔性加筋材料與土體摻混，研究了柔性纖維加筋土的抗剪特性，其研究思路符合標(biāo)準(zhǔn)化研究方向，對下一步加筋土的抗水流沖刷試驗提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，其成果亦對工程設(shè)計有一定的參考價值。

黏性土具有一定的抗壓抗剪強度，但其抗拉強度很低，在土中摻入或鋪設(shè)一定的加筋材料，加筋材料通過摩擦力將自身的抗拉強度與土體的抗壓強度結(jié)合起來，從而加強了土體的穩(wěn)定性和強度。

目前應(yīng)用于工程中的加筋材料，大都為人工合成的各種類型的聚合物產(chǎn)品，比如化纖、塑料、合成橡膠、玻璃纖維等。由于各種加筋材料已廣泛應(yīng)用于砂土、黏性土、碎石土、軟土、石灰、粉煤灰等各個領(lǐng)域，取得了明顯的工程、經(jīng)濟效益，因此對加筋土性質(zhì)的研究也越來越深入。張孟喜等研究了鍍鋅鐵皮和有機玻璃加筋材料下加筋土的強度特性。介玉新等對聚丙烯纖維加筋黏性土的離心模型試驗得出，纖維加筋增加在拉應(yīng)力作用下土的塑性和韌性，提高邊坡的穩(wěn)定性，改變其受力破壞模式。張小江等研究了聚丙烯纖維加筋黏性土抵抗靜荷載作用下土體發(fā)生張拉裂縫的功能。楊果林等重點研究了加筋土工程中4種典型筋材——土工格柵、土工帶、土工網(wǎng)和土工布的拉拔試驗、循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變試驗、長期加載蠕變試驗，得出了4種典型筋材的工程特性指標(biāo)。因此,對纖維加筋土特性的研究越來越受到重視,各研究成果對工程措施提供了有力的科學(xué)依據(jù)。本文從柔性加筋土的黏聚力與內(nèi)摩擦角隨筋材比的變化趨勢角度，探討了東北黑土添加柔性材料后抗剪特性的變化趨勢，其試驗結(jié)果對工程實踐有一定的指導(dǎo)意義。

一、試驗方法

1.試驗材料

土樣采用黑龍江省水利科學(xué)研究院試驗研究基地東北黑土,按《土工試驗規(guī)程》（SL 237—1999）的要求采集與制備土樣，測定其物理性質(zhì)指標(biāo)，結(jié)果見表1和表2。

本實驗主要選用兩種加筋材料，一種是ABS塑料，另一種是聚丙烯單絲纖維，其具體參數(shù)詳見表3。ABS塑料纖維采用普通床刷為原料，根據(jù)試樣環(huán)刀所需尺寸人工裁剪。聚丙烯單絲纖維是一種以聚丙烯為主要原料、以獨特生產(chǎn)工藝制造而成的高強度束狀單絲纖維。加入混凝土或砂漿中可有效控制混凝土（砂漿）的塑性收縮、干縮、溫度變化等因素引起的微裂縫，防止及抑制裂縫的形成及發(fā)展，大大改善混凝土的阻裂抗?jié)B性能、抗沖擊及抗震能力，可廣泛應(yīng)用于水利工程等領(lǐng)域。

2.試樣制備

配合土樣，將含水率為20%的土樣與加筋材料，按照事先設(shè)定的比例均勻摻混，將土樣與加筋材料夯實，并置于水中浸泡24 h。土樣配合完成之后，按預(yù)先設(shè)定的密度，將加筋土樣分成等重的4份，分別夯入內(nèi)壁涂一薄層機油的環(huán)刀，試樣制備應(yīng)迅速，將制備完成的試樣，上下層各貼一薄層濾紙，并加透水石隔開，在真空儀中抽真空1 h，然后加水飽和24 h后，上直剪儀。每組試驗取4個試樣，在4種不同垂直壓力下進行剪切試驗。飽和完成的土樣采用精度為0.1 g的天平分別稱重，并由環(huán)刀體積計算出試樣的平均飽和密度。

3.試驗儀器與試驗方法

直剪試驗采用南京水利電力儀表廠生產(chǎn)的直剪儀。對于每一個環(huán)刀試樣，對上下剪切盒插入固定銷。再將帶有試樣的環(huán)刀刃口向上（試樣上下兩面均貼有濾紙），對準(zhǔn)剪切盒口，在試樣上面放透水石，再將試樣緩慢推入剪切盒內(nèi)，并移去環(huán)刀。轉(zhuǎn)動手輪，使上盒前端鋼珠剛好與測力計接觸，調(diào)整測力計讀數(shù)為零。順次加上加壓蓋板、鋼珠、加壓框架，安裝垂直位移計，測記起始讀數(shù)。

表1 土的顆粒組成

表2 土的物理性質(zhì)指標(biāo)

表3 加筋材料性能參數(shù)

表4 加筋材料土筋質(zhì)量配合比

每一組筋土配比下，均制作4個完全相同配比的試樣，分別加載50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa 的 豎向荷載，同時加水飽和試樣，待水平表讀數(shù)穩(wěn)定后（大概6～8h后）,表明試樣已完全飽和固結(jié)。立即拔去固定銷，調(diào)整測力計后，接通電源，開動秒表，當(dāng)測力計的讀數(shù)不變或出現(xiàn)后退（此過程大概持續(xù)6 mins），表示試樣己被剪壞，一般應(yīng)剪切至剪切變形達4 mm為止，如測力計讀數(shù)隨剪切變形繼續(xù)加大，則剪切變形應(yīng)達6 mm為止。剪切結(jié)束后應(yīng)立即吸去剪切盒內(nèi)積水，退去剪切力和垂直壓力，移去加壓框架，取出試樣，按上述步驟連續(xù)剪完不同垂直壓力下的其他3個試樣。

二、試驗結(jié)果分析

試驗采用了ABS塑料纖維及聚丙烯纖維兩種加筋材料，土樣與兩種加筋材料的質(zhì)量配合比見表4所示。

1.ABS加筋土體的抗剪特性

試驗得出，所選裸土飽和密度為1.86 g/cm3，采取同樣的快剪試驗下的抗剪強度指標(biāo)，黏聚力為31 kPa，內(nèi)摩擦角為11.25°，為與加筋土抗剪強度指標(biāo)的對比。

按照表4中的土筋配比，分別得出了兩種加筋材料不同配比下的加筋土體抗剪強度隨土筋比的變化曲線，如圖1所示。同時分析了兩種加筋材料不同配比下加筋土體的內(nèi)摩擦角隨土筋比的變化曲線，如圖2所示。

從圖1可以看出，對于試驗中所選的土樣以及ABS塑料纖維與聚丙烯纖維兩種加筋材料而言，圖中加入某一含量的筋材后，其黏聚力均發(fā)生了變化，但與裸土相比，其黏聚力均有所減??；這與草根加筋土增大了土體的抗剪強度這一結(jié)論相悖，究其原因，是由于本實驗所選用的加筋材料與土體的結(jié)合形式與真實的天然根土結(jié)合體在物理模型上有很大的不同，單束細絲狀纖維的加入改變了土體原有的物理結(jié)構(gòu)，破壞了土體原有的小土顆粒間的黏聚力。從圖1可以看出，隨著土筋比的增大，兩種加筋土的黏聚力值均先快速增大至某一峰值后，轉(zhuǎn)而逐漸變小趨于平緩，總體呈現(xiàn)開口向下的拋物線狀。其峰值土筋比大概在100～150之間，這一數(shù)值范圍可為加筋土配比的工程實踐提供參考。含筋量的變化對黏聚力的影響趨勢是很明顯的，因此在試樣中選擇合適的土筋比，找到峰值抗剪強度值尤為重要。如果所加入的筋材過少，則得不到理想的土體抗剪強度值；過多，則既得不到所需的抗剪強度，對筋材而言也是一種浪費。

表5 天然草皮土力學(xué)參數(shù)

圖1 黏聚力-土筋比變化曲線

由圖2可以看出，本文試驗中所選擇試樣及加筋材料，對加筋土體內(nèi)摩擦角的影響尤為明顯。土體中不論加入本試驗中ABS塑料纖維還是聚丙烯單絲纖維，其內(nèi)摩擦角均產(chǎn)生了不同程度的增大。土體中加入筋材后，其內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)先迅速減小轉(zhuǎn)而繼續(xù)增大后，趨于某一恒定值，總體呈現(xiàn)開口向下的拋物線狀。這一變化趨勢，與黏聚力的變化趨勢恰恰相反。盡管筋材的加入對加筋土體黏聚力產(chǎn)生了削弱影響，但有效地增大了加筋土體的內(nèi)摩擦角。土筋比在100～150之間時，出現(xiàn)了內(nèi)摩擦角的最小值，而此時兩種加筋材料下的土體卻均出現(xiàn)了黏聚力的最大值。筋材的加入，宏觀上增大了土顆粒之間的摩擦，約束了相鄰?fù)令w粒之間的相對移動，微觀上則表現(xiàn)出內(nèi)摩擦角的增大。

圖2 內(nèi)摩擦角-土筋比變化曲線

2.多年生早熟禾天然草皮的抗剪特性

為了對比裸土、柔性加筋土、天然草皮三者的抗剪特性，選取了早熟禾作為典型植物種類，采用同樣的試驗方法，得出了早熟禾天然草皮的抗剪特性。所選早熟禾天然草皮的土力學(xué)參數(shù)見表5。

試驗得出了早熟禾天然草皮在滿足表5所示的土力學(xué)參數(shù)下的抗剪強度指標(biāo)，黏聚力為68.5 kPa，內(nèi)摩擦角為9.57°。

綜上，本試驗可以得出以下試驗結(jié)果，多年生早熟禾天然草皮的抗剪特性最強，其黏聚力可達到68.5 kPa；而相應(yīng)裸土的黏聚力僅為31 kPa；而柔性材料加筋土的黏聚力值普遍低于裸土的值，因此就黏聚力大小而言，多年生早熟禾大于裸土大于柔性加筋材料。由此得出，天然草本植物根系的存在大大增加了原有土體的抗剪強度，甚至可使原土體的抗剪強度增加一倍；而人工配比柔性加筋材料的加入，降低了原有土體的黏聚力值，而使得內(nèi)摩擦角有了較大增加。

三、結(jié) 語

通過直剪試驗對比分析了天然草皮、裸土、ABS塑料纖維和聚丙烯單絲纖維兩種加筋土的抗剪特性指標(biāo)，得出：

①多年生早熟禾天然草皮的黏聚力最大，內(nèi)摩擦角最?。?/p>

②土體中加筋可改變原有土體的物理力學(xué)指標(biāo)；

③加筋土體的抗剪強度變化與加筋材料的物理力學(xué)性質(zhì)關(guān)系很大；

④土體中加入不同含量的筋材后，其黏聚力、內(nèi)摩擦角均呈現(xiàn)規(guī)律性變化；

⑤土體加筋后，在某一土筋比區(qū)間范圍內(nèi)，存在最大黏聚力與最小內(nèi)摩擦角。

[1]劉懷星.植被護坡加固機理試驗研究[D].湖南大學(xué)，2006.

[2]張孟喜，張賢波，段晶晶.H-V加筋黏性土的強度和變形特性[J].巖土力學(xué)，2009（6）.

[3]介玉新，李廣信.纖維加筋黏性土邊坡的模型試驗和計算分析[J].清華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），1999（11）.

[4]張小江，周克驥，周景星.纖維加筋土的動力特性試驗研究[J].巖土工程學(xué)報，1998（5）.

[5]楊果林，王永和.加筋土筋材工程特性試驗研究[J].中國公路學(xué)報，2001（7）.

[6]南京水利科學(xué)研究院.土工試驗規(guī)程(SL 237—1999)[S].1999.

[7]荊林立.纖維加筋土的強度特性及在填方路堤中的應(yīng)用研究[D].重慶交通大學(xué)，2009.