熊壽德，段青松，劉武江，張 川，張立蕓

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，云南 昆明650201；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，云南 昆明650201；3.云南地質(zhì)工程勘查設(shè)計研究院，云南 昆明650041；4.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)國土資源科學(xué)技術(shù)工程研究中心，云南 昆明650201)

0 引言

紅黏土是云南省主要土壤類型之一，在云南省境內(nèi)廣泛分布[1]。典型的季風(fēng)氣候?qū)е略颇鲜?nèi)夏季降雨頻繁，高含水率使紅黏土的容重和飽和度增加、抗剪強(qiáng)度降低，導(dǎo)致邊坡水土流失嚴(yán)重，極易發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象[2-4]。同時，紅黏土邊坡大多是坡面陡峭、土層薄弱、結(jié)構(gòu)松散的高傾角邊坡，不具備良好的植被生長條件，其生態(tài)治理成為一大難題[5-6]。研究表明，向土中加入纖維有利于改善土壤結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性[7]。

孫皓等[8]對碳纖維加筋土、玻璃纖維加筋土和聚丙烯纖維加筋土進(jìn)行直剪試驗和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗，得出表面粗糙程度越高的纖維與土顆粒之間的摩擦作用越強(qiáng)，咬合力越大，內(nèi)摩擦角越大。GARG Ankit等[9]指出，在相同的土壤參數(shù)條件下，天然纖維比合成纖維對土壤的加固效果更顯著。劉陽[10]在研究麥秸稈纖維時指出，纖維促使土體的破壞形態(tài)由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄云茐摹IU Jianlong等[11]采用棉纖維研究時，發(fā)現(xiàn)纖維與土壤顆粒之間的相互作用模式是接觸、彎曲和交織，這3種作用增強(qiáng)了纖維與土顆粒間的界面剪應(yīng)力，纖維的拉應(yīng)力限制土顆粒的運動，從而提高了土的抗剪強(qiáng)度。而其他學(xué)者的研究又提出了不同的觀點，纖維對固土作用產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)。LIU Chao等[12]用棉花秸稈纖維對凍融土力學(xué)研究時，發(fā)現(xiàn)纖維使凍融土的抗剪強(qiáng)度降低。QU Jili等[13]對棕櫚纖維與石灰混合土研究發(fā)現(xiàn)，棕櫚纖維對內(nèi)摩擦角增加的作用有限。郭盼盼[14]從微觀機(jī)理角度研究發(fā)現(xiàn)，纖維含量和纖維長度在提高土體抗剪強(qiáng)度特性方面具有最優(yōu)值，過高纖維含量和過長纖維會導(dǎo)致纖維間的扭結(jié)和纏繞，會在一定程度上抑制甚至降低纖維的加筋增強(qiáng)效應(yīng)。而胡達(dá)等[15]指出，當(dāng)纖維含量過高時，纖維之間的重疊作用反而會破壞土粒間的黏結(jié)作用，進(jìn)而降低土體的抗剪強(qiáng)度。

纖維加筋土不僅受加筋率的影響，受土體含水率的影響也較大。沙琳川等[16]采用施工用土研究時指出，不同加筋率的稻秸稈加筋土黏聚力與內(nèi)摩擦角均隨含水率的增加而快速減小，兩者與含水率的擬合曲線相關(guān)性很高。黃曉如等[17]也采用施工用土研究時指出，隨著含水率的增加，土樣抗壓強(qiáng)度先增加后降低，在最優(yōu)含水率時達(dá)到最大值，棕櫚纖維加筋土與素土差異明顯。

綜上，不同的天然纖維對土體的穩(wěn)定作用是不相同的，且受土壤含水率變動的影響較大。農(nóng)業(yè)邊坡紅壤有其區(qū)別于其他土壤的特點，目前研究不同加筋率及不同含水率對纖維紅壤土穩(wěn)定性的影響研究較少。本研究以木纖維作為加筋材料，研究加筋率和含水率對木纖維紅黏土力學(xué)特性和最小邊坡安全系數(shù)的影響，以期為云南山區(qū)農(nóng)業(yè)邊坡的水土流失治理提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗用土為西南地區(qū)典型的紅黏土，取自云南省昆明市云南農(nóng)業(yè)大學(xué)后山試驗基地，地理坐標(biāo)為102°44′57″E，25°7′44″N，海拔1 930 m，屬亞熱帶高原山地季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫15 ℃，年降雨量900～1 000 mm，年蒸發(fā)量1 856 mm。依據(jù)GB/T 50123—1999《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》測定試驗基礎(chǔ)土樣的物理特性指標(biāo)，如表1所示[18]。土壤類型為山原紅壤，質(zhì)地為黏土，機(jī)械組成中<0.01 mm的黏粒占54.61%，0.01～1.00 mm的黏粒占45.39%。

表1 土樣基本物理特性Tab.1 Basic physical properties of soil samples

木纖維是一種天然植物纖維，具有不規(guī)則的扇形結(jié)構(gòu)和超強(qiáng)的親水性能，吸濕速度快，吸濕量大。木纖維是一種天然高分子聚合物，其三維立體結(jié)構(gòu)中存在大量孔隙，密度小，表面積較大。木纖維能有效增強(qiáng)表面附著力和強(qiáng)度，因此被廣泛用于混凝土和石膏制品。

本試驗選用寧國市東南木纖維科技有限公司所生產(chǎn)的木纖維(圖1)，有機(jī)含量99%，灰分含量8%，pH值為6，纖維長度3～10 mm，橫截面直徑0.45 mm，平均抗拉強(qiáng)度8.62 MPa，比表面積6.597 cm2/g，吸濕性較強(qiáng)。

圖1 木纖維Fig.1 Wood fiber

1.2 試樣制備

試驗設(shè)置0(素土)、0.5%、2.5%和5.0%共4個加筋率，其中以素土為對照，共4個處理，每個處理重復(fù)20次，共制樣80個。按干密度1 g/cm3進(jìn)行制樣，將木纖維和紅黏土均勻混合，再加入拌合水?dāng)嚢杈鶆蛑钡侥纠w維都被土顆粒包裹，裝入保鮮袋密封置于保濕缸中靜置24 h，使土體中水分均勻分布。由于木纖維具有較高的吸水性，含水率過低難以進(jìn)行下一步的制樣，需要提高拌合水的比例，上述4個處理的拌合水比例(制樣含水率)依次為38%、40%、45%和53%。

稱取適量的拌合土料，加入制樣器中(d=102 mm，h=40 mm)，利用擊實桿擊實，采用螺旋式千斤頂緩慢地將環(huán)刀(d=61.8 mm，h=20 mm)壓入試樣約30 mm，即環(huán)刀頂?shù)酌婢粲?0 mm，以便后期切削時能最大程度地保證試樣的完整性。壓入速率不宜過大，≤0.3 mm/s。不同加筋率的木纖維紅黏土試樣到此完成。之后，以自然風(fēng)干的方式，通過控制風(fēng)干時長來將不同處理試樣制成5個不同含水率水平，如表2所示。

表2 風(fēng)干法控制土樣含水率Tab.2 Controlling soil moisture content by sun drying method 單位：%

1.3 試驗方法

1.3.1 木纖維紅黏土直剪試驗

直剪試驗采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀進(jìn)行，剪切速率4 r/min。為了得到完整的抗剪強(qiáng)度曲線，每組試樣分別在4級垂直壓力下進(jìn)行，分別為50、100、150和200 kPa，并嚴(yán)格按照規(guī)范GB/T 50123—1999《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定進(jìn)行快剪試驗[18]。土樣抗剪強(qiáng)度采用庫侖公式進(jìn)行計算[19]。

τ=σ·tanφ+c

(1)

式中τ——土體抗剪強(qiáng)度，kPa

σ——試樣承受的垂直壓力，kPa

φ——內(nèi)摩擦角，(°)

c——黏聚力，kPa

1.3.2 木纖維紅黏土邊坡穩(wěn)定性分析

Geostudio軟件是巖土工程實踐中專門進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析的專業(yè)化軟件[20]。軟件中的Morgenstern-rice(摩根斯頓-普萊斯)法在任意形狀可能滑動面安全系數(shù)的計算具有精確性、嚴(yán)密性和收斂性較好的特點，因此本文的模擬采用該方法進(jìn)行紅黏土邊坡穩(wěn)定性的計算分析。Morgenstern-rice法根據(jù)邊坡模型條塊的力與力矩平衡條件，得到一組含有安全系數(shù)和比例系數(shù)2個未知數(shù)的二元平衡方程組，該方程組具有高度非線性，求解過程比較復(fù)雜。

在模型模擬中，設(shè)定模型的其他參數(shù)為同一組數(shù)值，設(shè)置坡頂寬10 m，坡底寬20 m，坡高10 m，坡比2∶1的模型，在模擬時只改變各試驗組在不同含水率情況下的內(nèi)摩擦角與黏聚力，通過軟件計算同一邊坡在不同情況下的最危險滑移面對應(yīng)的最小安全系數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

采用Excel 2010軟件對測定數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，使用Origin 2017繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 抗剪強(qiáng)度

不同含水率的木纖維加筋紅黏土的抗剪強(qiáng)度如圖2所示。

圖2 不同加筋土的抗剪強(qiáng)度Fig.2 Shear strength of different reinforced soils

在含水率為6.29%、14.01%和20.79%時，4個處理的抗剪強(qiáng)度均依次為5.0%>2.5%>0.5%>素土，加筋率越高，抗剪強(qiáng)度越大。當(dāng)含水率為28.00%時，素土、0.5%、2.5%這3個處理的抗剪強(qiáng)度比較接近，5.0%木纖維最低。當(dāng)含水率為35.10%時，4個處理的抗剪強(qiáng)度均依次為素土>0.5%>2.5%>5.0%，加筋率越高，抗剪強(qiáng)度越小。

木纖維紅黏土在含水率<28.00%時，木纖維的摻入有利于增強(qiáng)抗剪強(qiáng)度，且加筋率越高越好；在含水率>28.00%時，木纖維對增強(qiáng)抗剪強(qiáng)度的作用不大，且加筋率越高，土體越不穩(wěn)定。

2.2 內(nèi)摩擦角和黏聚力

不同含水率的加筋紅黏土的內(nèi)摩擦角和黏聚力如圖3所示。

圖3 不同含水率下加筋土的內(nèi)摩擦角和黏聚力Fig.3 Internal friction angle and cohesion of reinforced soil under different moisture content

木纖維紅黏土的內(nèi)摩擦角低于素土，且加筋率越高，內(nèi)摩擦角越小。隨著含水率的升高，素土的內(nèi)摩擦角在總體上呈緩慢下降的趨勢，其余3個處理呈先增后降的趨勢，加筋率越大，增降幅度越明顯，在15%含水率左右，3個木纖維處理的內(nèi)摩擦角出現(xiàn)峰值。

木纖維紅黏土的加筋率越大，黏聚力越大，木纖維有利于提高土體的黏聚力。但隨著含水率升高，4個處理的黏聚力逐漸降低，當(dāng)含水率>25%后，4個處理的黏聚力趨近一致。

加筋率越高，土體內(nèi)摩擦角越小，黏聚力越大。木纖維主要以提高黏聚力來增強(qiáng)土體穩(wěn)定性。含水率越高，木纖維紅黏土的內(nèi)摩擦角和黏聚力均降低，且降幅明顯。

2.3 邊坡穩(wěn)定性

將4個處理不同含水率的內(nèi)摩擦角與黏聚力帶入模型軟件，計算土體的邊坡最小安全系數(shù)，結(jié)果如圖4所示。

圖4 加筋土最小安全系數(shù)Fig.4 Minimum safety factor of reinforced soil

4個處理的邊坡最小安全系數(shù)隨含水率升高均呈下降趨勢，3個木纖維處理降幅大小為5.0%>2.5%>0.5%，素土和0.5%處理比較一致。

在含水率<25%時，木纖維有利于提高邊坡最小安全系數(shù)，且加筋率越高，最小安全系數(shù)越大。含水率>25%后，3個木纖維處理的邊坡最小安全系數(shù)低于素土，且加筋率越高，邊坡最小安全系數(shù)越低。

3 討論

3.1 纖維加筋率對土體穩(wěn)定性的影響

本研究發(fā)現(xiàn)，木纖維加筋率越高，土體內(nèi)摩擦角越小，黏聚力越大。木纖維主要以提高黏聚力來增強(qiáng)土體穩(wěn)定。胡達(dá)等[15]對纖維素纖維研究時，設(shè)置加筋率為0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%和1.2%，研究表明當(dāng)加筋率<6%時，土體的抗剪強(qiáng)度隨纖維素纖維量的增加而增加，加筋率>6%時，土體的抗剪強(qiáng)度則隨著纖維量的增加而減小，說明纖維加筋率存在一個最優(yōu)值。可能是由于不同種類的纖維材質(zhì)特性不一，本研究暫未出現(xiàn)最優(yōu)值。宋金巖等[21]研究了玻璃纖維對加筋土抗剪強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)玻璃纖維能夠顯著加強(qiáng)土體的抗剪強(qiáng)度，特別是對黏聚力指標(biāo)的增強(qiáng)，但對內(nèi)摩擦角指標(biāo)的影響不大。本研究同樣發(fā)現(xiàn)，木纖維對提高黏聚力有顯著作用，這可能是纖維在土體中主要以交織、包裹的作用對土體產(chǎn)生的影響；而木纖維會降低土體內(nèi)摩擦角，這可能是木纖維表面粗糙度較低，與土粒的接觸、咬合作用相對土粒之間要小得多，這也說明纖維改良土壤除了考慮加筋率還需要結(jié)合纖維的特有性質(zhì)進(jìn)行研究分析[8]。

3.2 含水率對土體穩(wěn)定性的影響

本研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)含水率較低時，木纖維對土體的抗剪強(qiáng)度、黏聚力和邊坡最小安全系數(shù)均有增強(qiáng)效果，但是當(dāng)含水率較高時，木纖維會導(dǎo)致土體的抗剪強(qiáng)度、黏聚力和邊坡最小安全系數(shù)降低，甚至木纖維的加筋率越大，土體的穩(wěn)定性越差。沙琳川等[16，22]用加水法和烘干法制樣進(jìn)行秸稈加筋土的抗剪強(qiáng)度試驗得出，土體抗剪強(qiáng)度、黏聚力、內(nèi)摩擦角受含水率的影響均有臨界值，約為19%，也就是說含水率超過19%時，隨著含水率的增加，木纖維的加筋率越大，土體的抗剪強(qiáng)度、黏聚力和內(nèi)摩擦角越小。本研究中的臨界含水率約為25%，與上述研究有較大差異，這可能是與試驗用土的土質(zhì)有關(guān)。沙琳川等[22]采用長沙市某施工場地的土壤，土壤最優(yōu)含水率為14.8%、最大干密度1.85 g/cm3、塑限15.1%，相比本研究采用的紅黏土來看，最優(yōu)含水率較低，土壤顆粒更細(xì)小，團(tuán)聚作用下降，塑限較小。這說明土質(zhì)的差異也對纖維的改良作用產(chǎn)生影響，不同地區(qū)需對應(yīng)分析。

4 結(jié)論

采用木纖維作加筋材料，制備不同含水率的木纖維紅黏土，進(jìn)行直剪試驗和邊坡模擬，得出結(jié)論如下。

(1)加筋率越高，土體內(nèi)摩擦角越小，黏聚力越大。木纖維主要以提高黏聚力來增強(qiáng)土體穩(wěn)定。

(2)木纖維紅黏土在含水率<25%時，木纖維能增強(qiáng)抗剪強(qiáng)度，提高邊坡最小安全系數(shù)，且加筋率越高，抗剪強(qiáng)度和最小安全系數(shù)最大，邊坡穩(wěn)定性越好。