楊育文

(武漢市勘測設(shè)計研究院，湖北武漢 430022)

竹材性能和在土釘墻支護中的應(yīng)用

楊育文?

(武漢市勘測設(shè)計研究院，湖北武漢 430022)

根據(jù)室內(nèi)外試驗結(jié)果，總結(jié)了我國部分竹材的耐久性和力學(xué)性能，介紹了竹材復(fù)合土釘墻支護實例，論證了竹材替代鋼材在臨時性基坑工程中應(yīng)用的可行性。竹材作為一種建筑材料在工程中的應(yīng)用，可減少溫室氣體排放，保護環(huán)境，應(yīng)用前景廣闊。

竹材；力學(xué)性能；土釘墻

1 前 言

我國是世界上最主要的產(chǎn)竹國，有500余種，其中有一些是我國特有竹種。1999年至2003年第六次全國森林資源清查結(jié)果顯示，全國竹林面積484萬公頃，其中毛竹面積達(dá)337萬公頃[1]。我國竹子主要分布在福建、江西、浙江、湖南、廣東、四川、廣西、安徽、湖北、重慶10個省(區(qū)、市)，其竹林面積占全國的93.8%，其中福建、江西、浙江三個省竹林面積占全國的一半[1]。竹業(yè)在我國已形成了一個新興產(chǎn)業(yè)，年產(chǎn)竹材近4億根，在建筑、造紙、輕工、食品、家具、包裝、運輸?shù)刃袠I(yè)中廣泛應(yīng)用。竹子從出筍到成材生長期短，大多3年～5年就可以成材砍伐。生長期過長，材質(zhì)老化，竹子強度反而降低。竹材抗拉強度高，素有“植物鋼筋”之稱，在20世紀(jì)50年代～60年代，它大量用于建筑等各個領(lǐng)域。竹材是綠色、環(huán)保、可再生、價格低廉的建筑材料。

天然竹子抗拉強度高，也有一定的抗彎和抗剪能力，在短期內(nèi)力學(xué)性質(zhì)可基本保持穩(wěn)定，具有耐久性，可用于擋土墻結(jié)構(gòu)中，是一種天然的土釘和抗滑樁，可替代鋼筋或鋼管等鋼材和木材，用于基坑支護等。將竹材用于基坑和滑坡治理等工程，已取得一些成功經(jīng)驗[2～4]。絕大多數(shù)建筑基坑幾個月或一年左右就能竣工，很少超過兩年的，基坑支護屬臨時性工程。大多數(shù)竹類，兩年內(nèi)竹材力學(xué)性質(zhì)可保持基本穩(wěn)定，符合基坑支護要求。本文總結(jié)了我國部分竹材的耐久性和強度性能，介紹了竹材在基坑支護結(jié)構(gòu)中可以發(fā)揮的一些作用。

2 竹材的耐久性

天然竹子的含糖量高，含水量也高，易受菌蟲的危害，使其發(fā)霉、變色、強度減弱。一般情況下，天然竹子稍作加工處理之后，就用于實際工程中，有的暴露于空氣中日曬雨淋，有的埋入地下受地下水、生物和化學(xué)物質(zhì)的腐蝕。因此，竹材容易發(fā)生變質(zhì)。作為建筑材料，竹材的耐久性是人們關(guān)心最基本的問題之一。以下介紹六種竹材室內(nèi)外試驗結(jié)果[5]。

2.1 室內(nèi)耐腐性試驗

不同竹材的結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分不同，天然耐腐性差異很大。竹材對不同腐朽菌的耐腐性也不一樣。試塊為3年生竹材，無明顯發(fā)霉、變色和腐朽，大小為20 mm×20 mm×10 mm(或壁厚)，保留竹青，試驗菌種選為彩絨革蓋菌和密粘褶菌[5]。試驗中，試樣表面長滿白色菌絲，變得松軟，但仍保持試塊的基本形狀，試塊的顏色變化不大，稍經(jīng)用力即呈纖維狀剝離。毛竹、大泰竹、車筒竹試材硬度降低不明顯。試驗結(jié)果表明，毛竹和大泰竹竹材屬于耐腐等級，馬來甜龍竹、撐篙竹、車筒竹、麻竹竹材屬于稍耐腐等級[5]。

2.2 現(xiàn)場試驗

在野外，竹材損毀的原因包括腐朽和白蟻取食。竹材經(jīng)白蟻取食后，一般靠近竹青部位仍留存，仍能保持一定的強度。竹材經(jīng)腐朽后，力學(xué)強度喪失，稍經(jīng)用力即折斷。竹材腐朽后，其材質(zhì)變脆，硬度減小不大，在未完全損毀前較難判斷。野外埋地試樣為50 cm長的原竹，3個月觀察1次。從試驗結(jié)果看，竹材腐朽后，其斷面為褐色，竹材的竹青部分較耐腐，從外表較難看出其腐朽。白蟻的危害通常是竹黃部分被蛀空，而竹青仍完好。試驗以超過60%的竹材損毀時間作為竹材的天然耐久平均月數(shù)。直徑大的竹材天然耐久性平均月數(shù)應(yīng)會增加。試驗結(jié)果如表1所示。6種竹材的天然耐久平均月數(shù)都在24個月以內(nèi)，以毛竹的天然耐久月數(shù)最長，達(dá)到24個月。

6種竹材的天然耐久平均月數(shù)[5]表1

從表1可以看出，這6種竹天然耐久平均月數(shù)從9個月～24個月不等，毛竹耐久性最好。若基坑工期較長，可選擇毛竹、大泰竹、車筒竹這些竹類；若是工期短的小型工程，這六種竹材都可以選用。

3 竹材力學(xué)性能

竹材力學(xué)性能與竹類、竹齡、含水量、地區(qū)等多因素密切相關(guān)。竹材試驗測試，依照《竹材物理力學(xué)性質(zhì)試驗方法》(GBT 15780－1995)等相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。以下根據(jù)竹材種類的不同，分別介紹。

3.1 楠竹

試樣采用四川5年生楠竹，經(jīng)過天然風(fēng)干，含水率為5.8%～8.0%，密度為0.78 g/cm～0.83 g/cm，內(nèi)徑為50 mm～67 mm，外徑為58 mm～78 mm，壁厚為8 mm～11 mm。試驗結(jié)果[6]:①經(jīng)過天然風(fēng)干竹塊抗壓強度為87 MPa～122 MPa，3年生楠竹塊順紋抗壓強度達(dá)119 MPa，比5年竹齡楠竹大；②楠竹條拉伸試驗中，天然含水率時，抗拉強度平均值為308.30 MPa，而對于帶有竹節(jié)抗拉試件，平均抗拉強度為151.13 MPa；③楠竹順紋抗壓強度平均值為98.30 MPa，約為橫紋抗壓強度的3.0倍，徑向抗壓強度的1.5倍；④楠竹的拉伸強度是順紋抗壓強度的3倍多，達(dá)到308.30 MPa左右，但若試件中含有竹節(jié)，其強度將降低一半；⑤楠竹條抗彎與其抗拉過程具有相似性，對于帶有竹節(jié)試件，抗彎強度較抗拉強度低約40%，為90.7 MPa；⑥竹材強度隨含水量的增加有下降的趨勢，竹節(jié)對承載力有一定的影響。

不同地區(qū)同種竹類，竹材順紋抗拉極限強度存在一定差異。例如[7]，湖北楠竹145.2 MPa，四川楠竹216 MPa；浙江毛竹184.2 MPa，前蘇聯(lián)毛竹153 MPa。

根據(jù)以上試驗數(shù)據(jù)，楠竹的抗拉強度可取值154.13 MPa，抗彎強度90.7 MPa。從《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50010－2002)知，普通鋼筋HPB235抗拉強度設(shè)計值fy＝210 MPa，直徑在16 mm～40 mm的Q235鋼筋抗拉、抗彎強度設(shè)計值為205 MPa。由此可以看出，楠竹和普通鋼筋它們抗拉強度差異并不是太大，這就是竹材被稱為“植物鋼筋”的原因。一根外直徑70 mm、壁厚10 mm的楠竹，經(jīng)天然風(fēng)干后，經(jīng)計算它可承受極限拉力T＝290 kN，極限彎矩M＝5.56 kN·m。從強度上看，楠竹稍作加工處理之后，可承受較大軸向拉力和一定的彎矩，在基坑支護中用作土釘或抗滑樁等。

3.2 大木竹

試樣采用浙江省平陽縣南湖鄉(xiāng)3年生大木竹樣，平均直徑77.7 mm，含水率9%～15%。試驗中，以材性優(yōu)良的毛竹為參比竹材。試驗結(jié)果[8]:①在縱向各部位順紋抗拉強度的均值為238 MPa，略大于參比竹種5年生毛竹的相應(yīng)值232.1 MPa。5年生雷竹和紅殼竹的順紋抗拉強度值分別為178.7 MPa、231.9 MPa；②順紋抗壓強度為75.1 MPa，略小于參比竹種毛竹的相應(yīng)值77.8 MPa；③大木竹竹材的順紋抗剪強度為11.9 MPa，比參比竹種毛竹的強度16.6 MPa低；④大木竹竹材的抗彎強度為139.0 MPa，比毛竹材169.1 MPa要低；從抗彎彈性模量上看，大木竹竹材的抗彎彈性模量為12.6 GPa，大于毛竹材11.7 GPa。

3.3 苦竹

試樣選用浙江省余杭中泰鄉(xiāng)采集苦竹28株，按竹竿生長年齡(1年～5年)分別采集，采樣株生長正常，胸徑差異不大，平均值41.1 mm。隨著竹齡的增加，順紋抗拉強度在132 MPa～234 MPa之間變化，抗彎強度也發(fā)生一定的變化，試驗結(jié)果如圖1～圖3所示[9]。

圖1～圖3表明[9]，苦竹竹材力學(xué)性質(zhì)隨著竹齡的增大而增大，徑向、弦向和體積干縮系數(shù)隨竿齡增加逐漸減少。從1年～2年、2年～3年期間，各項物理力學(xué)性質(zhì)的變化幅度較大，以后幾年的變化幅度較小，3年～5年趨于穩(wěn)定。綜合分析，選用竹齡為3年的苦竹作為建筑材料較合適。

圖1 順紋抗壓強度隨竿齡的變化趨勢

圖2 順紋抗拉強度隨竿齡的變化趨勢

圖3 弦向抗彎強度隨竿齡的變化趨勢

以上試驗結(jié)果表明:①竹材強度與竹密度相關(guān)。竹材密度、纖維強度越大，則承載能力也越強；②含水量較大的竹件柔性比天然含水率有所提高，但承載力有所降低；③竹子生長達(dá)到一定竹齡后，其竹材的物理力學(xué)性質(zhì)差異在不斷減少，例如，3年或4年不等(與竹類相關(guān))，力學(xué)性質(zhì)趨向穩(wěn)定。竹齡太大(例如，大于5年)，纖維老化，韌性差，脆性太大，承載力反而減少；④同種竹材，不同地區(qū)，其強度不同；⑤竹材可承受較大的拉力、一定的剪力和彎矩。竹材的抗拉強度幾乎與普通鋼筋接近。

4 土釘墻支護中的竹材

竹材費用相對低廉，同樣長度的毛竹價格僅為鋼材價格的1/10～1/8[10]。竹材抗拉強度高，在兩年內(nèi)力學(xué)性能相對穩(wěn)定，適用于建筑基坑臨時性支護結(jié)構(gòu)。采用竹材替代鋼材土釘，竹竿土釘兩年之后就腐朽變質(zhì)了，不占用相鄰地下空間。竹材作為抗滑排樁，可有效控制基坑側(cè)壁及底部軟土因基坑開挖引起的變形。通過竹竿芯孔進(jìn)行花管注漿，還可在排樁底部形成一道加竹筋的水泥土墻，既可防滲，又可以發(fā)揮擋土作用。

4.1 竹竿土釘

竹竿土釘宜為通長，盡量減少接頭。若需面層側(cè)壁排水，可把竹竿節(jié)中內(nèi)隔片打通，作為排水通道。土釘長度、空間布置，由土釘墻穩(wěn)定計算確定，安全系數(shù)在1.5～2.0之間。根據(jù)經(jīng)驗[2]，軟土地區(qū)，SH×SV＝0.7 m2～1.0 m2，土釘位置越往下，土釘長度越長；粘土、粉土等土層，SH×SV＝1.5 m2～2.0 m2，土釘位置越往下，長度越短，但一般最短的不小于5 m。軟土地區(qū)設(shè)計剖面圖如圖4所示[11]。對于淤泥層，用洛陽鏟成孔一半深后將竹竿土釘置于一半，然后把另一半壓入側(cè)壁土層。水泥注入量為25 kg/m[11]。開挖到竣工期間，基坑周邊最大水平位移300 mm，基坑處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 毛竹土釘墻剖面

4.2 竹材抗滑樁

基坑開挖深度4.8 m，上部土層是厚約3 m雜填土和粘土，下部是流塑狀淤泥質(zhì)粘土，厚2.1 m～16 m。兩排大頭直徑110 mm的毛竹樁相互搭接(樁長大于等于5 m，排距1 300 mm(或1 800 mm)，間距500 mm)，形成一道厚2 000 mm的擋土墻[4](如圖5所示)。開挖期間，基坑周邊水平位移監(jiān)測的最大水平位移發(fā)生在地表附近，為22 mm，土釘墻施工完畢后，水平位移基本保持不變?；右恢碧幱诜€(wěn)定狀態(tài)。

圖5 毛竹雙排微型樁復(fù)合土釘墻

5 結(jié) 論

竹材是天然可再生資源，成熟期短。作為建筑材料，竹材力學(xué)性能比鋼材稍差，但價格低很多。用竹材替代鋼材，至少有三個優(yōu)點:①傳統(tǒng)土釘墻支護結(jié)構(gòu)中，一般用螺紋鋼筋、鋼管等作為土釘，有時土釘超越建筑紅線進(jìn)入鄰近地界長達(dá)幾米甚至二十多米，由于鋼材無法在短期內(nèi)腐朽，長期占用了大量的地下空間。采用竹材土釘，超過一定時間，例如，兩年，它就會自行腐蝕降解，逐漸失去強度。竹材土釘腐爛后，不污染環(huán)境，也不占用地下空間；②鋼材在制造過程中，將產(chǎn)生大量溫室氣體，污染環(huán)境，消耗大量能源。用竹材替代鋼材，降低了工程造價，符合我國節(jié)能減排的基本國策，實現(xiàn)了節(jié)地、節(jié)能、節(jié)水、節(jié)材；③竹材低廉，可降低工程投資。在軟土地區(qū)，竹材土釘支護，基坑最大位移大多在20 cm以內(nèi)，可確?；邮┕ず褪褂闷陂g基坑穩(wěn)定和安全[2]。竹材既可用于軟土，也可用于一般粘性土地區(qū)?；哟蠖酁榕R時性工程，竹材在一年左右時間內(nèi)其力學(xué)性質(zhì)可基本保持穩(wěn)定，滿足基坑工程的要求。竹材可承受較大的拉力、一定的剪力和彎矩，可滿足基坑支護要求。

[1] 劉道平.中國竹業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及展望.科學(xué)中國網(wǎng)(科學(xué)中國人)，2005(10):66～70

[2] 鄭桂心.毛竹土釘支護的工程實踐.巖土工程界，11 (12):67～69

[3] 潘健，張乃記.竹筋香根草土坡加固技術(shù)治理粘性土坡滑坡.汕頭大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2006，21(3):70～75

[4] 陳旭偉，繆曙光，嚴(yán)平等.雙排毛竹樁復(fù)合土釘墻在軟土基坑圍護中的應(yīng)用.浙江建筑，2005，22(2):29～30

[5] 劉磊，廖紅霞，蘇海濤等.毛竹等6種竹材的天然耐久性試驗.廣東林業(yè)科技，2005，21(2):6～8

[6] 王曉東，張虎元，呂擎峰等.楠竹加筋復(fù)合錨桿管材力學(xué)性能試驗研究.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28(s1):2941～2946

[7] 陳家冬，別小勇，吳亮等.竹筋噴錨支護技術(shù)及工程應(yīng)用.常州工學(xué)院學(xué)報，2008，21(s1):70～75

[8] 蘇文會，顧小平，馬靈飛等.大木竹竹材力學(xué)性質(zhì)的研究.林業(yè)科學(xué)研究，2006，19(5):621～624

[9] 俞友明，方偉，林新春等.苦竹竹材物理力學(xué)性質(zhì)的研究.西南林學(xué)院學(xué)報，2005，25(3):64～67

[10] 成紅之，李方明，陳茵.竹筋土釘墻在軟土地區(qū)基坑支護中的應(yīng)用.中國科技財富，2009(8):69

[11] 鄭桂心.毛竹土釘在超軟土基坑支護中的應(yīng)用.地下空間與工程學(xué)報，5(6):1217～1219

Bamboo Properties and its Applications in Soil Nailing Walls

Yang YuWen
(Wuhan Geotechnical Engineering and Surveying Institute，Wuhan 430022，China)

According to the testing results，this paper summarizes the durability and mechanical properties of part of bamboos in China.Two case histories of composite soil nailing walls are presented.Bamboo instead of steel is suitable to be applied in temporary deep excavations.As new construction material，bamboo will reduce greenhouse gases and help to protect environment.Bamboo is expected to have an extensive application in the future.

Bamboo；mechanical property；soil nailing walls

1672－8262(2010)03－170－04

TU47

A

2011—04—26

楊育文(1963—)，男，正高職高級工程師，博士，從事基坑工程、地基數(shù)值分析、智能系統(tǒng)研究與開發(fā)。