加筋纖維類型及用量對(duì)薄層土壤抗剪強(qiáng)度的影響

劉 威,孫海龍,李紹才,龍 鳳,王云翔

(1.四川大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,四川成都 610064;2.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都 610064;3.四川大學(xué)水利水電學(xué)院,四川成都 610064)

加筋纖維類型及用量對(duì)薄層土壤抗剪強(qiáng)度的影響

劉 威1,孫海龍2,李紹才1,龍 鳳1,王云翔3

(1.四川大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,四川成都 610064;2.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都 610064;3.四川大學(xué)水利水電學(xué)院,四川成都 610064)

土壤加筋;纖維;飽和含水率;抗剪強(qiáng)度;黏聚力;內(nèi)摩擦角

加筋處理能夠增加薄層土壤的抗剪強(qiáng)度,為了確定加筋材料合理的種類與用量,選取幾種常用的有機(jī)、無機(jī)纖維材料作為試驗(yàn)材料,通過直剪試驗(yàn),從土壤飽和含水率與抗剪強(qiáng)度兩方面進(jìn)行分析比較,研究了加筋處理后薄層土壤的抗剪特性。結(jié)果表明:在各用量條件下,椰絲加筋處理的土壤黏聚力最大,水稻秸稈絲加筋處理次之,聚丙烯纖維與玻璃纖維加筋處理的效果最差,但所有處理的黏聚力均高于素土;隨著土壤纖維加筋量的增加,土壤的黏聚力與內(nèi)摩擦角也逐漸增加;綜合考慮土壤飽和含水率、材料來源與經(jīng)濟(jì)成本,水稻秸稈絲加筋處理能夠達(dá)到較好的土壤抗剪效果。

在我國巖石邊坡植被護(hù)坡工程建設(shè)中,一般采用常規(guī)土工材料如土工網(wǎng)、土工格柵和鐵絲網(wǎng)等對(duì)邊坡薄層土壤進(jìn)行抗侵蝕處理,以增加坡面土體穩(wěn)定性。對(duì)于采用噴射工藝的巖石邊坡植被護(hù)坡工程而言,薄層土壤加筋具有抗侵蝕、提高抗剪強(qiáng)度、增加擾動(dòng)土體穩(wěn)定性等作用[1],并且與常規(guī)土工材料護(hù)坡技術(shù)相比擁有成本低、施工工序簡單等優(yōu)勢。目前,我國關(guān)于加筋纖維的研究主要集中在混凝土、瀝青路面的加筋纖維應(yīng)用上,針對(duì)薄層擾動(dòng)土壤加筋的研究比較少[2]。因此,本研究在前人成果的基礎(chǔ)上討論纖維材料種類與用量對(duì)人工改良土壤抗剪強(qiáng)度的影響,以期為擾動(dòng)土體的穩(wěn)定保持、生態(tài)恢復(fù)提供技術(shù)保障,為工程應(yīng)用提供理論支持[3-4]。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2011年3月在四川省彭州市升平鎮(zhèn)進(jìn)行。本著試驗(yàn)材料就地選取的原則,在保證各個(gè)處理試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確、綜合考慮各種常見類型土壤抗剪性質(zhì)[5]的基礎(chǔ)上,選取試驗(yàn)地點(diǎn)當(dāng)?shù)氐纳叭劳磷鳛樵囼?yàn)材料。試驗(yàn)選取的纖維材料共有4種,基本參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)纖維材料基本參數(shù)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與處理

試驗(yàn)主要研究加筋纖維種類及用量對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)中選擇的加筋纖維種類和編號(hào)分別為玻璃纖維(B1)、聚丙烯纖維(J1)、椰絲(Y1)、水稻秸稈絲(S1),加筋纖維用量和編號(hào)分別為 765.04 m/試件(SF1)、1 530.08 m/試件(SF2)、2 295.12 m/試件(SF3),為全試驗(yàn)設(shè)計(jì),共12個(gè)處理。每處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)試件,每試件試驗(yàn)1次,共36次試驗(yàn),與未采用加筋處理的素土(CK)做對(duì)照。試件為長方體木質(zhì)結(jié)構(gòu),底面為正方形,內(nèi)部底邊長0.35 m,高0.05 m。試驗(yàn)時(shí),先在試件內(nèi)部鋪設(shè)規(guī)格0.35 m×0.35 m、16目的玻璃纖維網(wǎng),再根據(jù)試驗(yàn)需要填筑厚0.05 m、素土容重1 200 kg/m3的加筋土壤。

1.3 試驗(yàn)測定內(nèi)容

試驗(yàn)時(shí),首先將包含有配合均勻物料的試件放置于降雨室中,在36.5 mm/h雨強(qiáng)下人工模擬降雨2 h,再將試件置于避光通風(fēng)的倉庫中固結(jié)12 h;然后用標(biāo)準(zhǔn)直剪環(huán)刀在試件中隨機(jī)選取5個(gè)樣區(qū)取樣,將待檢樣品浸入水中,吸水12 h,根據(jù)以往試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn),在此條件下12 h的吸水時(shí)間可以保證土壤達(dá)到水分飽和狀態(tài);最后采用直剪儀對(duì)樣品進(jìn)行直剪操作,測定剪應(yīng)力與飽和含水率。

1.4 試驗(yàn)測定方法

(1)土壤飽和含水率測定。根據(jù)《森林土壤含水量的測定》[6]提供的方法,采用烘干法進(jìn)行測定,計(jì)算公式為

式中:m為烘干土質(zhì)量,g;m2為濕土質(zhì)量,g。

(2)內(nèi)摩擦角與抗剪強(qiáng)度測定。根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》[7],使用SDJ-II型電動(dòng)三速等應(yīng)變直剪儀進(jìn)行試驗(yàn),計(jì)算公式為

式中:τ為剪應(yīng)力,kPa;C為測力計(jì)率定系數(shù),N/0.01 mm;R為測力計(jì)讀數(shù),0.01 mm;A0為試樣底面積,cm2。

2 結(jié)果與分析

2.1 加筋纖維類型與用量對(duì)土壤飽和含水率的影響

飽和含水率是一個(gè)重要的土壤物理性質(zhì)指標(biāo),是分析土壤保水和抗侵蝕性能的重要參數(shù)。在土體穩(wěn)定性的相關(guān)研究中,飽和含水率是一項(xiàng)重要的研究內(nèi)容,對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度有著直接的影響。由于不同的加筋處理會(huì)在一定程度上改變?cè)嚇拥娘柡秃?從而間接影響各處理試件的抗剪強(qiáng)度,所以本研究所采用的直接剪切試驗(yàn)要測定薄層土壤樣品在飽和含水率下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。根據(jù)土壤直接剪切試驗(yàn)的操作規(guī)程,處理的含水率試驗(yàn)均為5個(gè)重復(fù),從每處理的第一個(gè)試件中采集的5個(gè)樣品作為飽和含水率測定的樣品。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制不同加筋纖維類型與用量的土壤飽和含水率變化圖,見圖1。由圖1知:①玻璃纖維與聚丙烯纖維均為無機(jī)實(shí)心材料,基本不具備吸水能力,因此與 CK相比,B1、J1處理的土壤飽和含水率較低,并且加筋量越大飽和含水率越低。由于J1線密度低,在土壤中的質(zhì)量百分比低于B1,所以J1處理的土壤飽和含水率要稍高于B1。②不同纖維用量條件下,Y1與S1處理的土壤飽和含水率基本都大于CK,這是由于水稻秸稈絲與椰絲這兩種纖維材料本身具有一定的吸水能力。尤其是水稻秸稈絲,能夠吸收自身重量3倍的水,所以S1處理的土壤飽和含水率隨著纖維用量的增加而增加明顯。椰絲的吸水速度與吸水量低于水稻秸稈絲,所以在高加筋量的情況下,Y1處理的土壤飽和含水率低于S1。③Y1處理在SF3纖維用量情況下飽和含水率稍低于CK,這是因?yàn)樵诟呒咏盍織l件下12 h的吸水時(shí)間并不能滿足椰絲的吸水需求,導(dǎo)致飽和含水率較 Y1處理的SF1、SF2和CK處理的SF3低。

圖1 不同加筋纖維類型與用量的土壤飽和含水率變化

2.2 加筋纖維類型對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度的影響

根據(jù)庫侖定律,抗剪強(qiáng)度由黏聚力和內(nèi)摩擦力組成[8]。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制不同加筋纖維類型對(duì)土壤黏聚力影響對(duì)比圖,見圖2。由圖2知,在SF1、SF2、SF3三種加筋纖維用量條件下,各處理的土壤黏聚力均大于CK,并且差異達(dá)到顯著性水平(P＜0.05),說明在試驗(yàn)條件下與對(duì)照相比這4種纖維材料的加筋處理均能達(dá)到較好的抗剪效果。在同樣纖維長度條件下,水稻秸稈絲經(jīng)過揉絲機(jī)破碎處理,拉伸強(qiáng)度較低,而椰絲較水稻秸稈絲拉伸強(qiáng)度高,表面粗糙,因此Y1＞S1;聚丙烯纖維比玻璃纖維更加柔軟,在土壤中呈現(xiàn)彎曲卷繞形態(tài),而玻璃纖維韌性大,在土壤中交錯(cuò)排布,因此 J1＞B1。綜上,不同加筋纖維類型處理土壤黏聚力大小排序?yàn)閅1＞S1＞J1＞B1＞CK。

圖3為加筋纖維類型對(duì)內(nèi)摩擦角的影響。由圖3可知,在SF1用量下,4種纖維加筋土(B1、J1、Y1、S1)的內(nèi)摩擦角較素土的增加率分別為11.37%、9.00%、13.53%、11.92%;在SF2用量下,增加率分別為17.93%、9.83%、17.56%、25.80%;在SF3用量下,增加率分別為18.69%、21.57%、28.30%、58.10%。由此可見,在各種用量條件下纖維加筋土的內(nèi)摩擦角均大于對(duì)照,而內(nèi)摩擦角增大有助于增加纖維與土壤之間的黏聚力。

2.3 加筋纖維用量對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度的影響

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制不同纖維用量對(duì)土壤黏聚力影響的對(duì)比圖,見圖 4。由圖 4知,B1、J1、Y1、S1 處理在 SF1、SF2、SF3纖維用量下的土壤黏聚力均大于CK,并且隨著纖維用量的增加,各處理的土壤黏聚力逐漸增加,各處理間以及各處理和CK間的差異均達(dá)到顯著性水平(P＜0.05)。這說明在試驗(yàn)條件下與對(duì)照相比,不同纖維加筋量處理均能增強(qiáng)土壤黏聚力,對(duì)同種纖維材料而言,纖維加筋量的增加導(dǎo)致了纖維與土壤顆粒間的總摩擦力增加,也就增加了土壤的黏聚力。

圖5為加筋纖維用量對(duì)內(nèi)摩擦角的影響。由圖5知,加筋纖維用量不同,加筋土壤內(nèi)摩擦角就不相同,并且隨著用量的增加,各處理的內(nèi)摩擦角增加率也不相同。玻璃纖維加筋土在高加筋量的情況下內(nèi)摩擦角增加率較低,說明玻璃纖維較其他纖維更容易形成軟弱滑動(dòng)面。這一現(xiàn)象可能與玻璃纖維質(zhì)地堅(jiān)硬、光滑、粗糙度較小導(dǎo)致與土壤的黏結(jié)力小于其他纖維有關(guān),此結(jié)論還有待于進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。

3 結(jié) 語

土壤加筋處理對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度的影響較大,加筋纖維有效加大了土壤顆粒之間的黏聚力與內(nèi)摩擦角。試驗(yàn)研究表明:長度為0.01 m的玻璃纖維、聚丙烯纖維、水稻秸稈絲與椰絲均能有效提高薄層土壤的抗剪強(qiáng)度,且用量越大效果越明顯;水稻秸稈絲與椰絲的加筋效果好于玻璃纖維與聚丙烯纖維,水稻秸稈絲與椰絲加筋處理的土壤飽和含水率也要高于玻璃纖維與聚丙烯纖維處理。因此,在利用天然植物纖維對(duì)邊坡薄層土壤進(jìn)行加筋處理、實(shí)施邊坡防護(hù)時(shí),要根據(jù)實(shí)際需要選擇加筋纖維用量,以達(dá)到最佳的水土保持效果。

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S157.2

A

1000-0941(2011)10-0058-03

國家科技支撐計(jì)劃課題(2011BAK12B04)

劉威(1986—),男,四川成都市人,碩士研究生,主要從事生態(tài)工程方面的研究。

2011-06-15

(責(zé)任編輯 李楊楊)