王 沛，柴壽喜，仲曉梅，楊寶珠

(天津城市建設(shè)學(xué)院地質(zhì)與測(cè)繪學(xué)院，天津 300384)

1 研究背景

在濱海氯鹽漬土的含水率發(fā)生變化時(shí)，易出現(xiàn)鹽脹、溶陷或吸濕所引起的低強(qiáng)度和大變形問(wèn)題［1］。對(duì)鹽漬土進(jìn)行固化或加筋處理，可使其滿足填筑土的力學(xué)性能要求［2］。

天然植物纖維與合成纖維均可用作加筋材料，纖維加筋使加筋土形成了相對(duì)各向均質(zhì)的筋土復(fù)合體，使土的強(qiáng)度和抗變形能力提高［3－5］。麥秸稈為天然纖維材料，自身具有一定的拉力和延伸率，考慮將其防腐處理后作加筋材料使用。以麥秸稈和石灰對(duì)鹽漬土加筋固化處理，屬于物理作用與化學(xué)反應(yīng)相結(jié)合的改性與補(bǔ)強(qiáng)方法，可提高鹽漬土的強(qiáng)度和抗變形能力［6］。

以麥秸稈作加筋，應(yīng)考慮其防腐問(wèn)題，以保證加筋土的耐久性［7］。對(duì)麥秸稈作封閉處理，隔斷與水的接觸。選擇的防腐材料為液體狀的高分子材料－改性的聚乙烯醇(簡(jiǎn)稱SH膠)，由工業(yè)廢棄物合成獲得，價(jià)格低廉，其分子量20 000以上，固含量6%。經(jīng)喂養(yǎng)小白鼠試驗(yàn)證實(shí)，改性的聚乙烯醇無(wú)毒無(wú)污染。考慮到麥秸稈的加筋率較小，同時(shí)防腐后麥秸稈的質(zhì)量增加率(吸膠)也較低，因此可不考慮高分子材料的降解問(wèn)題。

按一定的時(shí)間間隔浸泡麥秸稈，最長(zhǎng)達(dá)12周。完成了天然和防腐處理后麥秸稈的掃描電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)膠液滲透到麥秸稈的內(nèi)部孔隙中，并吸附在表面上，形成隔水薄膜;吸水性能、極限拉力和極限延伸率測(cè)試結(jié)果證實(shí)防腐后麥秸稈的吸水率較天然麥秸稈降低很多，表明其防腐效果較好，同時(shí)還增強(qiáng)了麥秸稈的抗拉性能［8］。

麥秸稈加筋土的填筑必然涉及土的碾壓性能、承載力和抗變形性能等［9］，這些可通過(guò)加筋土的輕型擊實(shí)試驗(yàn)及擊實(shí)加筋土的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)進(jìn)行研究。

2 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)條件

2.1 試驗(yàn)材料

鹽漬土的含鹽量2.64%，塑性指數(shù)15.8。剝掉表皮的圓管狀麥秸稈的直徑約4mm。

鑒于麥秸稈在土中易彎折或形成貫通性的薄弱面，加筋長(zhǎng)度以不超過(guò)擊實(shí)筒的半徑為宜。據(jù)此確定:加筋長(zhǎng)度為20，30，40mm，質(zhì)量加筋率為0.2%，0.25%，0.3%。

2.2 試驗(yàn)條件

輕型擊實(shí)儀的擊實(shí)筒直徑102mm、高116mm。

將濕土裝入塑料袋浸潤(rùn)1 d。試驗(yàn)時(shí)，將土料和麥秸稈拌和在一起，分3次將混合料放入擊實(shí)桶，每層錘擊25擊，以菱形交叉的形式刮毛層面。試驗(yàn)結(jié)束后，靜力將其推出。測(cè)試土的含水率和干密度。隨后，以每1組輕型擊實(shí)試驗(yàn)的5個(gè)加筋土樣進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，記錄應(yīng)力和變形讀數(shù)。

使用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的CBR試驗(yàn)儀進(jìn)行加筋土的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)速率1mm/min［10］。

3 輕型擊實(shí)性能及其變化規(guī)律

3.1 鹽漬土和麥秸稈加筋土的輕型擊實(shí)試驗(yàn)

2種土的輕型擊實(shí)曲線見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 鹽漬土和3種加筋長(zhǎng)度加筋土的擊實(shí)曲線Fig.1 Light-compaction curves of saline soil and 3 reinforced soils with different wheat straw lengths

圖2 鹽漬土和3種加筋率加筋土的輕型擊實(shí)曲線Fig.2 Light-compaction curves of saline soil and 3 reinforced soils with different reinforcement ratios

圖1和圖2顯示:①3種加筋長(zhǎng)度的加筋土和3種加筋率的加筋土的輕型擊實(shí)曲線的變化趨勢(shì)與鹽漬土的基本一致。這表明，與鹽漬土一樣，加筋土也具有良好的碾壓性能;② 超過(guò)最優(yōu)含水率，3種加筋土的干密度均快速降低，含水率對(duì)加筋土的擊實(shí)性能影響明顯;③隨加筋長(zhǎng)度和加筋率的增加，最大干密度逐漸減小。

3.2 輕型擊實(shí)性能隨加筋長(zhǎng)度和加筋率變化

加筋土的最大干密度和最優(yōu)含水率隨加筋長(zhǎng)度和加筋率的變化見(jiàn)圖3和圖4。

因?yàn)榉栏幚砗篼溄斩挼奈屎艿?，?duì)土顆粒的濕潤(rùn)程度影響不大，所以，加筋長(zhǎng)度和加筋率對(duì)加筋土的最優(yōu)含水率幾乎沒(méi)有影響。

在限定的體積內(nèi)，麥秸稈占據(jù)了原本屬于土顆粒的空間。與土顆粒相比，麥秸稈的質(zhì)量較輕，這使得土的干密度變小。因此，隨加筋率的增加，土的最大干密度下降。

較長(zhǎng)的麥秸稈在土中彎折及部分麥秸稈間的重疊，形成了“微彈簧”，消耗著擊實(shí)功。因此，隨加筋長(zhǎng)度的增加，加筋土的最大干密度下降。

圖3 最大干密度和最優(yōu)含水率隨加筋長(zhǎng)度的變化Fig.3 Maximum dry density and optimum water content vs.reinforcement length of wheat straw

圖4 最大干密度和最優(yōu)含水率隨加筋率的變化Fig.4 Maximum dry density and optimum water content vs.reinforcement ratio

3.3 擊實(shí)功對(duì)加筋土擊實(shí)性能的影響

鹽漬土、各種加筋土的重型擊實(shí)試驗(yàn)與輕型擊實(shí)試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖5。

含水率相同時(shí)，土顆粒的濕潤(rùn)程度一致。麥秸稈的吸水率和摻加量很小，對(duì)土顆粒的表面性能和結(jié)合水膜幾乎無(wú)影響。因此，在重型擊實(shí)功和輕型擊實(shí)功下，鹽漬土和麥秸稈加筋土的最優(yōu)含水率近乎相等。

重型擊實(shí)加筋土和輕型擊實(shí)加筋土的最大干密度隨加筋率的變化曲線平行，說(shuō)明2種擊實(shí)功對(duì)加筋土的最大干密度的影響規(guī)律是一致的。

鹽漬土的最大干密度大，加筋土的最大干密度小;摻入的麥秸稈越多，最大干密度就越小;擊實(shí)功越大，土被擠密的程度就越高。因此，重型擊實(shí)加筋土的最大干密度大于輕型擊實(shí)加筋土最大干密度。

4 加筋土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化

擊實(shí)加筋土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨加筋長(zhǎng)度、加筋率和含水率變化見(jiàn)圖6至圖8。

圖5 鹽漬土和加筋土的輕型擊實(shí)和重型擊實(shí)結(jié)果Fig.5 Results of light compaction test and heavy compaction test for saline soil and reinforced soil

圖6 輕型擊實(shí)加筋土抗壓強(qiáng)度隨加筋長(zhǎng)度的變化Fig.6 Compressive strength of lightly compacted reinforced soil vs.wheat straw length

圖7 輕型擊實(shí)加筋土的抗壓強(qiáng)度隨加筋率變化Fig.7 Compressive strength of lightly compacted reinforced soil vs.reinforcement ratio

圖6至圖8顯示:①30mm加筋長(zhǎng)度的加筋土和0.25%加筋率加筋土的抗壓強(qiáng)度最高，可將30mm和0.25%視為直徑102mm試樣的適宜加筋長(zhǎng)度和加筋率;② 超過(guò)適宜的加筋長(zhǎng)度和加筋率，加筋土的抗壓強(qiáng)度又轉(zhuǎn)為下降;③ 低于最優(yōu)含水率，隨加筋長(zhǎng)度和加筋率的增加，加筋土的抗壓強(qiáng)度逐漸增大;超過(guò)最優(yōu)含水率，加筋土的抗壓強(qiáng)度變化相對(duì)較小。

圖8 輕型擊實(shí)加筋土的抗壓強(qiáng)度隨含水率變化Fig.8 Compressive strength of lightly compacted reinforced soil vs.water content of soil

麥秸稈與土產(chǎn)生的筋土摩擦作用和麥秸稈的空間網(wǎng)絡(luò)約束作用限制了土的變形，因此，加筋使土的抗壓強(qiáng)度提高。

5 加筋土應(yīng)力應(yīng)變的影響因素

5.1 加筋長(zhǎng)度

加筋長(zhǎng)度對(duì)加筋土的軸向應(yīng)力應(yīng)變性能的影響見(jiàn)圖9。

與鹽漬土和40mm和20mm加筋長(zhǎng)度加筋土的軸向應(yīng)力峰值相比，30mm加筋長(zhǎng)度加筋土的軸向應(yīng)力峰值最大。從土的抗變形能力角度評(píng)價(jià)，30mm為適宜的加筋長(zhǎng)度。

隨加筋長(zhǎng)度的增加，加筋土的應(yīng)力應(yīng)變曲線的形式幾乎不變，但含水率對(duì)其影響較大。軸向應(yīng)變較小時(shí)，所有的軸向應(yīng)力應(yīng)變曲線較為靠近;隨軸向應(yīng)變的增加，曲線的間距增大。這表明，只有加筋土產(chǎn)生一定的軸向應(yīng)變，筋土間出現(xiàn)位移趨勢(shì)，麥秸稈的加筋作用才能發(fā)揮出來(lái)，此時(shí)，各種加筋條件的加筋效果也才能區(qū)別開來(lái)。原因?yàn)?，由于土顆粒的擠壓程度和制樣方式不同，土中的麥秸稈與土顆粒并沒(méi)有處于最緊密的接觸狀態(tài)，加筋土產(chǎn)生一定的應(yīng)變后，土顆粒與麥秸稈的位移趨勢(shì)逐漸顯露出來(lái)，反映加筋作用開始發(fā)揮。

5.2 加筋率

加筋率對(duì)加筋土的軸向應(yīng)力應(yīng)變性能的影響見(jiàn)圖10。

0.25%加筋率加筋土的應(yīng)力應(yīng)變性能優(yōu)于0.2%和0.3%加筋率加筋土的，可將0.25%視為適宜的加筋率。相同含水率下，加筋率對(duì)加筋土的應(yīng)力應(yīng)變曲線的形式?jīng)]有影響，加筋率對(duì)加筋土的應(yīng)力應(yīng)變性能的影響弱于含水率對(duì)它的影響。

5.3 含水率

選擇鹽漬土和3種加筋長(zhǎng)度0.25%加筋率的加筋土的應(yīng)力應(yīng)變曲線，分析含水率對(duì)鹽漬土和各種加筋土的應(yīng)力應(yīng)變性能的影響。見(jiàn)圖11。

土的含水率對(duì)應(yīng)力應(yīng)變性能的影響較為明顯，加筋土的應(yīng)力應(yīng)變曲線形態(tài)與鹽漬土的基本一致。將圖11(b)，(c)，(d)與圖11(a)對(duì)比，觀察到:應(yīng)力達(dá)到峰值后，14%和17%含水率鹽漬土的應(yīng)力快速下降，而相同含水率加筋土的則下降緩慢，麥秸稈的加筋效果得到了充分發(fā)揮;20%，22%和24%含水率的鹽漬土和加筋土的應(yīng)力應(yīng)變曲線的形態(tài)相近，加筋作用對(duì)其影響不明顯，此時(shí)，含水率的影響占據(jù)了主導(dǎo)。

圖9 鹽漬土和不同加筋長(zhǎng)度加筋土的應(yīng)力應(yīng)變Fig.9 Vertical stress-strain curves of saline soil and reinforced soil with different wheat straw lengths

圖10 不同加筋率的加筋土的軸向應(yīng)力應(yīng)變Fig.10 Vertical stress-strain curves of reinforced soil with different reinforcement ratios

低含水率時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變曲線的上升段的斜率較大，加筋土顯示出一定的彈性性能，應(yīng)力應(yīng)變曲線存在明顯峰值，破壞時(shí)的應(yīng)變較小，曲線為應(yīng)變軟化型。高含水率時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變曲線較為平緩，無(wú)峰值，為應(yīng)變硬化型，加筋土呈典型的塑性破壞。

加筋土的應(yīng)力應(yīng)變曲線由應(yīng)變軟化型轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變硬化型的含水率界線為最優(yōu)含水率。

土的成分和粒徑確定以后，水的多少就決定了土顆粒的濕潤(rùn)程度和結(jié)合水膜的厚度，以及自由水的多少，同時(shí)也就決定了土可以被擠密的程度，即擊實(shí)性能［12］。

低含水率時(shí)，土中的自由水很少，土顆粒的結(jié)合水膜也較薄，土顆粒間聯(lián)結(jié)緊密，加筋土的抗壓強(qiáng)度較高。隨含水率增加，土顆粒被充分濕潤(rùn)，結(jié)合水膜的厚度增大，并出現(xiàn)少量的自由水，使顆粒間聯(lián)結(jié)力減弱，導(dǎo)致加筋土的抗壓強(qiáng)度和抗變形能力降低。

圖11 不同含水率的鹽漬土和加筋土的應(yīng)力應(yīng)變Fig.11 Stress-strain curves of saline soil and reinforced soil with different water contents

6 結(jié)語(yǔ)

(1)加筋土與鹽漬土的輕型擊實(shí)曲線的形態(tài)基本一致，2種土的擊實(shí)性能相似，表明麥秸稈加筋土也具有良好的碾壓性能，從施工角度講，適宜作為填筑土料。

(2)與鹽漬土相比，加筋麥秸稈使土的最大干密度有所降低，但最優(yōu)含水率變化不大。隨加筋長(zhǎng)度和加筋率的增加，麥秸稈加筋土的最大干密度均下降，最優(yōu)含水率幾乎不變。

(3)加筋麥秸稈提高了土的強(qiáng)度和抗變形能力。由輕型擊實(shí)加筋土的抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定:直徑102mm試樣的適宜加筋長(zhǎng)度和適宜加筋率為30mm和0.25%。

(4)加筋長(zhǎng)度和加筋率對(duì)加筋土的應(yīng)力應(yīng)變曲線的形式影響不大。含水率對(duì)加筋土的應(yīng)力應(yīng)變性能影響明顯，加筋土的應(yīng)力應(yīng)變曲線由應(yīng)變軟化型轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變硬化型的含水率界線值為土的最優(yōu)含水率。

(5)只有加筋土產(chǎn)生一定的軸向應(yīng)變，筋土間出現(xiàn)位移趨勢(shì)，麥秸稈的加筋作用才能充分發(fā)揮出來(lái)，各種加筋條件的加筋效果也才能區(qū)別開來(lái)。

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