麥秸稈加筋土的輕型擊實試驗與擊實土的抗壓性能

王 沛，柴壽喜，仲曉梅，楊寶珠

(天津城市建設學院地質與測繪學院，天津 300384)

1 研究背景

在濱海氯鹽漬土的含水率發生變化時，易出現鹽脹、溶陷或吸濕所引起的低強度和大變形問題［1］。對鹽漬土進行固化或加筋處理，可使其滿足填筑土的力學性能要求［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各向均質的筋土復合體，使土的強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。以麥秸稈和石灰對鹽漬土加筋固化處理，屬于物理作用與化學反應相結合的改性與補強方法，可提高鹽漬土的強度和抗變形能力［6］。

以麥秸稈作加筋，應考慮其防腐問題，以保證加筋土的耐久性［7］。對麥秸稈作封閉處理，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(簡稱SH膠)，由工業廢棄物合成獲得，價格低廉，其分子量20 000以上，固含量6%。經喂養小白鼠試驗證實，改性的聚乙烯醇無毒無污染。考慮到麥秸稈的加筋率較小，同時防腐后麥秸稈的質量增加率(吸膠)也較低，因此可不考慮高分子材料的降解問題。

按一定的時間間隔浸泡麥秸稈，最長達12周。完成了天然和防腐處理后麥秸稈的掃描電鏡觀察，發現膠液滲透到麥秸稈的內部孔隙中，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試結果證實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，同時還增強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］，這些可通過加筋土的輕型擊實試驗及擊實加筋土的抗壓強度試驗進行研究。

2 試驗材料與試驗條件

2.1 試驗材料

鹽漬土的含鹽量2.64%，塑性指數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，加筋長度以不超過擊實筒的半徑為宜。據此確定:加筋長度為20，30，40mm，質量加筋率為0.2%，0.25%，0.3%。

2.2 試驗條件

輕型擊實儀的擊實筒直徑102mm、高116mm。

將濕土裝入塑料袋浸潤1 d。試驗時，將土料和麥秸稈拌和在一起，分3次將混合料放入擊實桶，每層錘擊25擊，以菱形交叉的形式刮毛層面。試驗結束后，靜力將其推出。測試土的含水率和干密度。隨后，以每1組輕型擊實試驗的5個加筋土樣進行抗壓強度試驗，記錄應力和變形讀數。

使用南京土壤儀器廠生產的CBR試驗儀進行加筋土的抗壓強度試驗，試驗速率1mm/min［10］。

3 輕型擊實性能及其變化規律

3.1 鹽漬土和麥秸稈加筋土的輕型擊實試驗

2種土的輕型擊實曲線見圖1和圖2。

圖1 鹽漬土和3種加筋長度加筋土的擊實曲線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種加筋長度的加筋土和3種加筋率的加筋土的輕型擊實曲線的變化趨勢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 超過最優含水率，3種加筋土的干密度均快速降低，含水率對加筋土的擊實性能影響明顯;③隨加筋長度和加筋率的增加，最大干密度逐漸減小。

3.2 輕型擊實性能隨加筋長度和加筋率變化

加筋土的最大干密度和最優含水率隨加筋長度和加筋率的變化見圖3和圖4。

因為防腐處理后麥秸稈的吸水率很低，對土顆粒的濕潤程度影響不大，所以，加筋長度和加筋率對加筋土的最優含水率幾乎沒有影響。

在限定的體積內，麥秸稈占據了原本屬于土顆粒的空間。與土顆粒相比，麥秸稈的質量較輕，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”，消耗著擊實功。因此，隨加筋長度的增加，加筋土的最大干密度下降。

圖3 最大干密度和最優含水率隨加筋長度的變化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 擊實功對加筋土擊實性能的影響

鹽漬土、各種加筋土的重型擊實試驗與輕型擊實試驗的結果對比見圖5。

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

重型擊實加筋土和輕型擊實加筋土的最大干密度隨加筋率的變化曲線平行，說明2種擊實功對加筋土的最大干密度的影響規律是一致的。

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;擊實功越大，土被擠密的程度就越高。因此，重型擊實加筋土的最大干密度大于輕型擊實加筋土最大干密度。

4 加筋土的無側限抗壓強度變化

擊實加筋土的無側限抗壓強度隨加筋長度、加筋率和含水率變化見圖6至圖8。

圖5 鹽漬土和加筋土的輕型擊實和重型擊實結果Fig.5 Results of light compaction test and heavy compaction test for saline soil and reinforced soil

圖6 輕型擊實加筋土抗壓強度隨加筋長度的變化Fig.6 Compressive strength of lightly compacted reinforced soil vs.wheat straw length

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

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

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

麥秸稈與土產生的筋土摩擦作用和麥秸稈的空間網絡約束作用限制了土的變形，因此，加筋使土的抗壓強度提高。

5 加筋土應力應變的影響因素

5.1 加筋長度

加筋長度對加筋土的軸向應力應變性能的影響見圖9。

與鹽漬土和40mm和20mm加筋長度加筋土的軸向應力峰值相比，30mm加筋長度加筋土的軸向應力峰值最大。從土的抗變形能力角度評價，30mm為適宜的加筋長度。

隨加筋長度的增加，加筋土的應力應變曲線的形式幾乎不變，但含水率對其影響較大。軸向應變較小時，所有的軸向應力應變曲線較為靠近;隨軸向應變的增加，曲線的間距增大。這表明，只有加筋土產生一定的軸向應變，筋土間出現位移趨勢，麥秸稈的加筋作用才能發揮出來，此時，各種加筋條件的加筋效果也才能區別開來。原因為，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有處于最緊密的接觸狀態，加筋土產生一定的應變后，土顆粒與麥秸稈的位移趨勢逐漸顯露出來，反映加筋作用開始發揮。

5.2 加筋率

加筋率對加筋土的軸向應力應變性能的影響見圖10。

0.25%加筋率加筋土的應力應變性能優于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，加筋率對加筋土的應力應變曲線的形式沒有影響，加筋率對加筋土的應力應變性能的影響弱于含水率對它的影響。

5.3 含水率

選擇鹽漬土和3種加筋長度0.25%加筋率的加筋土的應力應變曲線，分析含水率對鹽漬土和各種加筋土的應力應變性能的影響。見圖11。

土的含水率對應力應變性能的影響較為明顯，加筋土的應力應變曲線形態與鹽漬土的基本一致。將圖11(b)，(c)，(d)與圖11(a)對比，觀察到:應力達到峰值后，14%和17%含水率鹽漬土的應力快速下降，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揮;20%，22%和24%含水率的鹽漬土和加筋土的應力應變曲線的形態相近，加筋作用對其影響不明顯，此時，含水率的影響占據了主導。

圖9 鹽漬土和不同加筋長度加筋土的應力應變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力應變Fig.10 Vertical stress-strain curves of reinforced soil with different reinforcement ratios

低含水率時，應力應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，應力應變曲線存在明顯峰值，破壞時的應變較小，曲線為應變軟化型。高含水率時，應力應變曲線較為平緩，無峰值，為應變硬化型，加筋土呈典型的塑性破壞。

加筋土的應力應變曲線由應變軟化型轉變為應變硬化型的含水率界線為最優含水率。

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程度和結合水膜的厚度，以及自由水的多少，同時也就決定了土可以被擠密的程度，即擊實性能［12］。

低含水率時，土中的自由水很少，土顆粒的結合水膜也較薄，土顆粒間聯結緊密，加筋土的抗壓強度較高。隨含水率增加，土顆粒被充分濕潤，結合水膜的厚度增大，并出現少量的自由水，使顆粒間聯結力減弱，導致加筋土的抗壓強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力應變Fig.11 Stress-strain curves of saline soil and reinforced soil with different water contents

6 結語

(1)加筋土與鹽漬土的輕型擊實曲線的形態基本一致，2種土的擊實性能相似，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，但最優含水率變化不大。隨加筋長度和加筋率的增加，麥秸稈加筋土的最大干密度均下降，最優含水率幾乎不變。

(3)加筋麥秸稈提高了土的強度和抗變形能力。由輕型擊實加筋土的抗壓強度實驗結果確定:直徑102mm試樣的適宜加筋長度和適宜加筋率為30mm和0.25%。

(4)加筋長度和加筋率對加筋土的應力應變曲線的形式影響不大。含水率對加筋土的應力應變性能影響明顯，加筋土的應力應變曲線由應變軟化型轉變為應變硬化型的含水率界線值為土的最優含水率。

(5)只有加筋土產生一定的軸向應變，筋土間出現位移趨勢，麥秸稈的加筋作用才能充分發揮出來，各種加筋條件的加筋效果也才能區別開來。

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