璩繼立，劉寶石，李陳財

（上海理工大學環(huán)境與建筑學院，上海 200093）

上海地區(qū)淺部分布著厚度較大的軟粘土層[1]，飽和軟弱[2,3]，其工程地質特性決定了未經(jīng)固化處理無法滿足工程建設的強度和變形要求[4]。因此，考慮用植物纖維來加筋上海粘土，以提高土體強度和抗變形性能。

室內試驗已經(jīng)證實，在土中摻加一定數(shù)量的纖維，可以提高土的強度[5]。Park等將合成纖維應用于路基填料中，確認纖維加筋對路堤土的抗壓強度有明顯的提高作用[6]；Prabakar通過抗壓強度試驗和直剪試驗，證實在不同加筋長度和不同加筋率條件下，劍麻纖維加筋土存在一個最大強度值[7]；楊繼位等人對麥秸稈加筋濱海鹽漬土進行了抗壓強度和Taguchi正交試驗設計優(yōu)化方法，確定了麥秸稈的適宜加筋條件[8]；石茜等人的研究結果表明，稻草適宜做加筋材料使用，可以提高土的強度和整體性[9]。

本文通過無側限抗壓強度試驗，研究棕櫚和麥秸稈對上海地區(qū)粘土的適宜加筋條件，以期得到它們對加筋土抗壓強度影響的變化規(guī)律，并對二者的加筋效果和作用機理做比較分析。

1 試驗儀器、材料及試驗方案

1.1 試驗儀器

采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的PY-3型應變控制式無限壓縮儀測試抗壓強度，儀器的主要技術指標為：位移測量范圍0～30mm，測力計量力范圍0～600N，升降速率2.3～2.7mm/min，外形尺寸235×150×476mm。

1.2 試驗材料

使用上海地區(qū)粘土，經(jīng)測定其最優(yōu)含水率為20.3%，最大干密度為1.67g/cm3。將土經(jīng)烘干、碾碎，過2mm篩之后備用。

兩種筋材均取自上海崇明島，棕櫚剪成纖維狀，麥秸稈剪成四分之一圓管狀，如圖1所示。

圖1 試驗用棕櫚纖維和麥秸稈Fig.1 Palm fi ber and wheat straw used in test

1.3 試驗方案

選用的加筋材料以加筋長度和質量加筋率為抗壓強度影響因素。棕櫚纖維的加筋長度，因材料本身的特點，選用三個長度區(qū)間：5～10mm、10～15mm、20～25mm，加筋率為0.1%～1.8%；四分之一狀麥秸稈的加筋長度為5mm、10mm、15mm、25mm，加筋率為0.1%～0.6%。按含水率21%、密度2.0g/cm3制備試樣，試樣直徑為39.1mm，高度為80mm，試驗中每組制備6個試樣。

將備用的土、筋材加水均勻拌和后裝入塑料袋，放入密閉的玻璃容器中悶一晝夜。試樣制備完成后，在相同條件下對兩種加筋土試樣進行無側限抗壓強度試驗并記錄數(shù)據(jù)。

2 試驗結果

2.1 棕櫚加筋土的無側限抗壓強度

試驗中發(fā)現(xiàn)，隨著加筋率的增加，棕櫚加筋土的無側限抗壓強度在15%的應變內很難達到極限強度值，故取應變?yōu)?5%時的無側限抗壓強度作為不同質量加筋率加筋土的無側限抗壓強度值。圖2為棕櫚的無側限抗壓強度試驗結果。

圖2 棕櫚加筋土的抗壓強度隨加筋率與加筋長度變化Fig.2 Compressive strength of the soil reinforced with palm and reinforced ratio(L)& reinforcement length(R)

圖2表明，棕櫚加筋土隨質量加筋率的增加，無側限抗壓強度先增強，特別是加筋率超過0.2%以后增強效果明顯，之后強度變化不再明顯，基本保持不變或略有降低，拐點位置大約在1.0%加筋率處。因此，在該試驗條件和試件尺寸下，可以初選1.0%作為棕櫚加筋土的適宜加筋率。與素土相比，棕櫚加筋土的抗壓強度提高了大約0.9～1.8倍。

從圖中可以看出棕櫚加筋土的抗壓強度隨加筋長度的變化規(guī)律?？傮w上講，適宜的加筋長度區(qū)間在10～20mm之間?？紤]到纖維狀棕櫚的特點和工程應用中加筋土的攪拌，可以選擇平均長度為15mm的棕櫚纖維作為適宜加筋長度。

2.2 麥秸稈加筋土的無側限抗壓強度

麥秸稈加筋土的無側限抗壓強度試驗結果如圖3所示。

由圖可知，麥秸稈加筋土的抗壓強度隨質量加筋率總體上呈拋物線趨勢變化，故存在適宜加筋率，適宜加筋率大約在0.3%～0.4%之間。其中5mm長度的加筋土變化趨勢不明顯，強度增幅較小或有所降低。與素土相比，在該試驗條件和試件尺寸下，麥秸稈加筋土的抗壓強度提高了大約0.8～1.2倍。

圖中給出的是相同加筋率條件下，加筋土的抗壓強度隨加筋長度的變化趨勢，同樣趨近于拋物線型，適宜加筋長度大約為15mm。

圖3 麥秸稈加筋土的抗壓強度隨加筋率與加筋長度變化Fig.3 Compressive strength of the soil reinforced with wheat straw and reinforced ratio(L)& reinforcement length(R)

3 分析比較

3.1 加筋機理分析

棕櫚與麥秸稈加筋土的加筋效果的不同，存在多種可能的原因，下面首先從加筋機理進行分析。

棕櫚與麥秸稈均為天然植物纖維，但由于二者的物理力學性能的不同導致加筋機理有所差異。

實驗研究表明，加筋土與未加筋土的強度曲線可近似視為平行，土的內摩擦角在加筋前后基本保持不變，但加筋土的粘聚力有所提高，也就是說，加入的筋材與土的結合提高了土的粘聚力，這種加筋機理被稱為準粘聚力原理[10]。可以推斷，麥秸稈和棕櫚都在一定程度上改變了土的粘聚力，改變的程度與加筋量和加筋長度有關，而棕櫚對粘聚力的提高比麥秸稈高。

加筋土是由土與筋材組成的復合體，二者共同受力、協(xié)調變形。荷載作用下，加筋土整體發(fā)生變形，由于土與筋材的彈性模量不同，二者之間會有相互錯動趨勢產(chǎn)生摩擦力，故可通過筋材的抗拉強度提高加筋土的強度和抗變形能力，這種加筋機理被稱作摩擦加筋機理[11]。加入的棕櫚為絲狀體，與片狀的麥秸稈相比，單個體積小，比表面積大，被土包裹得更加緊密，與土的接觸面積更大，因此棕櫚與土產(chǎn)生的摩擦力較麥秸稈更大，對土的強度和抗變形能力提高更明顯。

棕櫚與麥秸稈都具有上述兩種加筋機理，只是作用強度不同。除此以外，由于棕櫚纖維本身的特點，它在土中的幾何形態(tài)呈彎曲狀，幾乎沒有直線段，在外力作用下，其彎曲的凹側面會對土產(chǎn)生壓力和摩擦力；而當加筋量達到一定時，棕櫚絲會交織成網(wǎng)狀，且中間還有土體貫穿，這樣就會阻止土的橫向位移，在空間層面上提高土的強度和抗變形能力，這種作用機理稱為交織與彎曲機理[12]。麥秸稈由于自身的硬度和長度限制很難起到這種加筋作用，這也成為二者強度明顯差異的主要原因。

3.2 變形特性分析

下面以具有代表性的0.4%加筋率、15mm長度的麥秸稈加筋土與0.4%加筋率、20～25mm加筋長度的棕櫚加筋土的應力應變關系為例進行分析比較。應力—應變關系如圖4所示。

圖4 麥秸稈與棕櫚加筋土的應力—應變曲線Fig.4 Stress-strain curves of the soils reinforced with palm and with wheat straw

從圖4中可以明顯看出兩種加筋土應力應變曲線的差別。當軸向應變較小時，二者的應力都隨應變的增加明顯增大，并且在10%的應變內，二者應力增加的速度基本相當；當軸向應力超過各自的峰值后，棕櫚仍具有較高的殘余強度，相反麥秸稈在峰值后應力會很快進入下降段。上述情況表明，在無側限抗壓強度試驗中，麥秸稈加筋土的應力應變特性表現(xiàn)為應變軟化型，棕櫚加筋土的應力應變特性表現(xiàn)為應變硬化型[13]。原因是棕櫚纖維的空間交織作用相當于給試件施加了很大的圍壓，并且圍壓隨豎向應變的增加而不斷增強。此外，從試件的整個破壞過程看，即使發(fā)生較大的豎向應變，棕櫚試件依然能夠保持較好的整體性，不會出現(xiàn)整體破壞現(xiàn)象。

可見，棕櫚加筋土的應變硬化特性以及良好的整體性，可以有效改善上海粘土的抗變形性能，對控制和減小地基土的變形具有重要的工程意義。

3.3 加筋土抗壓強度變化規(guī)律分析

圖2中棕櫚加筋土抗壓強度變化規(guī)律的原因是，隨著筋材的增加，土與筋材的接觸面積也隨之增大，土的粘聚力不斷增強，使加筋土的強度在開始階段不斷提高；當加筋材料過多時，土與土、土與筋材之間的聯(lián)結作用會不斷減弱，極易在土中形成薄弱面，特別是棕櫚較長時，由于分布不均，在土中產(chǎn)生局部缺陷的幾率更高，這可以解釋為何圖2中筋材較長的試件在0.6%加筋率后強度會有所降低。當加筋率達到一定值后，棕櫚的空間交織補強機理將會發(fā)揮作用，為試件提供相當于圍壓的約束力，從而彌補由于局部缺陷所帶來的強度損失，使強度重新增加或基本保持不變。

棕櫚加筋土強度隨長度的變化規(guī)律可以用彎曲與交織加筋機理進行解釋，一定的加筋長度可以有效的發(fā)揮筋材交織與彎曲加筋作用，但過長后則會對土的整體性產(chǎn)生難以彌補的缺陷，并且不利于加筋土的攪拌，使筋材在土中無法均勻分布。

圖3中麥秸稈加筋土上升段的加筋強度變化原理與棕櫚基本一致，之所以出現(xiàn)下降段是因為隨著麥秸稈的增加不僅減弱了土顆粒的聯(lián)結，反過來也減弱了土對單個麥秸稈的包裹，加上麥秸稈片體積較大，大量麥秸稈的聚集會在土中產(chǎn)生很多缺陷和薄弱面，而且麥秸稈的空間交織與彎曲加筋作用又很小，因此導致了圖4中下降段的發(fā)生。

麥秸稈強度隨加筋長度的變化是因為筋材長度過小時，土中的裂紋容易繞開筋材繼續(xù)發(fā)展，不能很好地發(fā)揮筋材的摩擦加筋作用[8]。過長的筋材則更容易在土體內部形成薄弱面，破壞土的整體性，因此會抵消筋材本身對土體強度的增強效果[14]。

4 結論

通過棕櫚和麥秸稈加筋上海地區(qū)粘土的無側限抗壓強度試驗可以得出以下結論：

（1）試驗證實棕櫚與麥秸稈均能改善土的抗壓強度和抗變形性能，并且棕櫚加筋土的抗壓強度與抗變形能力均高于麥秸稈加筋土。

（2）對上海地區(qū)的粘土初選出棕櫚纖維的適宜加筋率為1.0%，適宜加筋長度的平均值為15mm；四分之一圓管狀麥秸稈的適宜加筋率為0.3%～0.4%，適宜加筋長度為15mm。

（3）棕櫚加筋土的應力應變關系曲線表現(xiàn)為應變強化型，殘余應力較大，很難出現(xiàn)下降段，破壞時試件的整體性依然很好；麥秸稈的應力應變關系曲線為應變軟化型，應力峰值過后，隨著應變的增加，應力消散得很快。

以上試驗結論是在特定土質、含水率和試件尺寸下得出的，因此受到試件尺寸效應等因素的影響，不能代表各自加筋土的最優(yōu)加筋率和加筋長度，只是一個初選結果。

References)

[1]李曉. 上海地區(qū)晚新生代地層劃分與沉積環(huán)境演化[J]. 上海地質,2009,30(1):1-7.

Li X. Stratigraphic subdivisions and sedimentary environmental evolutions of the late Cenozoic sequences in Shanghai region[J].Shanghai Geology,2009,30(1):1-7.

[2]Gong S L, Li C, Yang S L. The microscopic characteristics of Shanghai soft clay and its effect on soil body deformation and land subsidence[J]. Environmental Geology, 2009,56(6):1051-1056.

[3]高彥斌,李赫,張阿晉. 結構性對上海軟土次壓縮特性的影響[J].上海國土資源,2011,32(4):73-77.

Gao Y B, Li H, Zhang A J. Ιnf l uence of soil structure on secondary compression behavior of Shanghai soft clay[J]. Shanghai Land &Resources,2011,32(4):73-77.

[4]璩繼立,峁會勇. 盾構施工地面長期沉降的神經(jīng)網(wǎng)絡預測[J]. 上海地質,2004,25(3):42-46.

Qu J L, Mao H Y. Artif i cial neural network prediction of surface long-term settlement induced by shield construction [J]. Shanghai Geology,2004,25(3):42-46.

[5]張瑞敏,王曉燕,柴壽喜. 稻草加筋土和麥秸稈加筋土的無側限抗壓強度比較[J]. 天津城市建設學院學報,2011,17(4):232-235.

Zhang R M, Wang X Y, Chai S X. Unconfined compressive strength comparison between saline soils reinforced with rice straw and with wheat straw[J]. Journal of Tianjin Institute of Urban Construction,2011,17(4):232-235.

[6]Park T, Tan S A. Enhanced performance of reinforced soil walls by the inclusion of short fi ber[J]. Geotextiles and Geomembranes,2005,23(4):348-361.

[7]Prabakar J, Sridhar R S. Effect of random inclusion of sisal fi bre on strength behavior of soil[J]. Construction and Building Materials,2002,16(2):123-131.

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

Yang J W, Chai S X, Wang X Y, et al. Suitable reinforcement conditions on the basis of compressive strength of reinforced saline soils with wheat straw[J]. Rock and Soil Mechanics,2010,32(10):3260-3264.

[9]石茜. 稻草加筋濱海鹽漬土的強度與變形特性[D]. 蘭州大學博士學位論文,2011.

Shi Q. Strength and deformation characteristics of reinforced saline soil with rice straw[D]. PhD thesis, Lanzhou University,2011.

[10]歐陽仲春. 現(xiàn)代土工加筋技術[M]. 北京:人民交通出版社,1991.

Ouyang Z C. Modern geotechnical reinforcement technology[M].Beijing: China Communications Press,1991.

[11]何光春. 加筋土工程設計與施工[M]. 北京:人民交通出版社,2000.

He G C. Engineering Design and Construction for Reinforced Soil[M]. Beijing: China Communications Press,2000.

[12]張艷美,張旭東,張鴻儒. 土工合成纖維土補強機理試驗研究及工程應用[J]. 巖土力學,2005,26(8):1323-1326.

Zhang Y M, Zhang X D, Zhang H R. Test research of geotechnique textile soil reinforcement mechanism and engineering application[J]. Rock and Soil Mechanics,2005,26(8):1323-1326.

[13]李敏,柴壽喜,杜紅普,等. 麥秸稈加筋土的理布筋位置和抗剪強度模型[J]. 巖石力學與工程學報,2010,29(S2):3923-3929.

Li M, Chai S X, Du H P, et al. Reasonable reinforcement position and shear strength model of reinforced saline soil with wheat straw and lime[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2010,29(S2):3923-3929.

[14]李敏,柴壽喜,魏麗. 麥秸稈的力學性能及加筋濱海鹽漬土的抗壓強度研究[J]. 工程地質學報,2009,17(4):545-549.

Li M, Chai S X, Wei L. Mechanical properties of wheat straw and strength of its reinforced inshore saline soil[J]. Journal of Engineering Geology,2009,17(4):545-549.