黃麻纖維加筋崩崗巖土的無側限抗壓強度研究*

楊彩迪 衛 杰 張曉明,2? 黃新梁 周春輝 牛玉華

（1 華中農業大學資源與環境學院，武漢 430070）

（2 農業部長江中下游耕地保育重點實驗室，武漢 430070）

纖維加筋是一種新型的土體改良技術，主要是指按照一定比例將纖維絲或纖維網均勻摻入土體中以提高土體的力學性能［1］，近年來吸引了國內外許多學者的興趣，并開展了大量的研究。張小平和施斌［2］通過加筋膨脹土的試驗研究表明黏聚力和內摩擦角隨纖維含量的增加先增大后減小。劉興東等［3］通過研究墻面纖維砂漿抹灰對砌體抗剪強度的影響得出，摻入合適數量纖維的砂漿抹面能顯著提高砌體通縫抗剪強度，砂漿中纖維的摻入可有效延緩砌體表面裂縫的形成并改善剪切破壞的巖性。梁永哲等［4］的研究表明，外摻植物纖維可顯著提高凍融作用下植被混凝土的抗剪強度。施利國等［5］通過對聚丙烯纖維加筋灰土的三軸強度特性研究表明，聚丙烯纖維加筋灰土的峰值偏應力和抗剪強度均較普通灰土有不同幅度的提高。吳燕開等［6］得出劍麻纖維在黏性土中含量為0.4%時，黏聚力可提高61%，且隨纖維含量的增加，內摩擦角會有所增加。同時Adili 等［7］得出紙莎草纖維在含量為10%時，也能夠極大地提高砂質粉土的內聚力和內摩擦角。Weerasinghe和Hyde［8］通過在無黏性土中隨機滲入聚酯纖維，其抗剪強度和殘余剪切強度均能提高；在含黏土的均質密實砂中滲入隨機分布的聚丙烯纖維，其內摩擦角和黏聚力也均提高。Yetimoglu和Salbas［9］研究表明，聚丙烯纖維加筋可以增大砂土的殘余抗剪強度。Harianto等［10］研究表明纖維的拉筋作用可以降低壓實試樣的體積收縮應變和表面裂隙數量。同時Miller和Rifai［11］得出聚丙烯纖維在壓實黏土襯墊材料中的摻量達到0.8%時，能減少約90%的裂隙。以上學者研究了不同土體與聚丙烯纖維、聚酯纖維等組成筋土復合體的力學特性關系。但是目前國內外學者利用黃麻纖維加筋崩崗巖土的無側限抗壓強度研究卻鮮有報道。

崩崗是指山坡土體或巖石風化殼在水力和重力作用下分解、崩塌和堆積的侵蝕現象，是水土流失的一種特殊形式，尤以花崗巖風化殼形成的崩崗最為發育，危害程度大且難于治理［12］。崩崗侵蝕損毀和淤埋農田，淤塞河庫渠道，破壞水利設施，加劇干旱和洪澇災害，造成區域生態環境惡化［13-14］。因此，考慮通過黃麻纖維加筋崩崗巖土以應對上述問題。由于黃麻纖維具有廉價、吸濕性能好、散水快、可再生、可生物降解、綠色環保等優勢［15］，使其成為代替化學纖維的良好生物材料。同時將可溶性淀粉制成淀粉糊，利用其良好的凝膠、吸附和封閉性能［16］，在一定程度上可增強黃麻纖維的固土力學性質。

本文通過對黃麻纖維加筋崩崗巖土的無側限抗壓強度試驗研究，從而定量評價黃麻纖維加筋崩崗巖土不同形式下的固土效應，為崩崗不同層次土體的針對性治理提供了一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于湖北省東南部的咸寧市通城縣，湘、鄂、贛3省交界處，該區崩崗侵蝕數量為1 102處，接近湖北崩崗總數1/2，且崩崗剖面發生層次完整，因此在通城地區開展崩崗研究工作具有很強的代表性。全縣四季分明，屬亞熱帶季風氣候，光照適中，氣候溫和。年平均氣溫16.7℃，年平均降雨量1 513 mm，無霜期260d，多年平均徑流深795 mm。取樣地位于通城縣五里鎮五里社區(116°46′26″E，29°12′39″N)，屬于崩壁仍處在侵蝕后退中的活動型崩崗，海拔高度為142 m，土壤類型為棕紅壤，結構松散，主要植被有鐵芒萁、馬尾松等，覆蓋度為45%。

1.2 樣品采集與分析

2014年8月20日在通城縣五里社區選擇一處典型瓢型崩崗，崩崗面積為126 m2，侵蝕溝1條，溝口寬2.9 m，溝道長17 m，崩壁高9 m。將侵蝕區崩壁處的新鮮土壤按顏色特征(從紅至白)由上至下按不同深度(0.17、0.49、3.5、3.9 m)分為淋溶層A、黏化層Bt、淀積層B、母質層C。用環刀(20 cm2×5 cm)在4層土壤中部分別取原狀土，將采樣后的環刀試件迅速放入塑封袋內密封保存，并在4層土壤最典型的中部分別采取代表性土壤約1 kg，放在搪 用。對其理化性質分別采用以下方法測定：烘干法測定土壤質量含水量，環刀法測定土壤容重，吸管法測定土壤顆粒組成，重復3次。試驗中使用的黃麻纖維為江西思創麻業有限公司生產的黃麻土工布，制成纖維狀備用，直徑為1.5 cm。淀粉取自市場上購買的優質淀粉，使用時加水（淀粉︰水＝1︰3）在電爐上加熱，并順一個方向攪拌，直至變成透明糊狀的淀粉糊備用。

1.3 試驗設計

考慮黃麻纖維數量和分布方式2個因素，設計兩因素隨機區組試驗，各因素考慮3個水平，即纖維數量：1根、3根、5根；纖維分布方式：水平分布、垂直分布和復合分布。分別對崩崗四層土體進行9種組合的無側限抗壓強度試驗（表1），篩選出4層土體各自的最優加筋條件。

表1 兩因素隨機區組設計試驗Table 1 Two factor randomized block design of the tests

在此基礎上對最優加筋條件的黃麻纖維進行淀粉處理，設計不同的養護時間：0、3、5、7 d（表2），按時測定筋土復合體的無側限抗壓強度。測定無側限抗壓強度使用YYW-2型應變控制式無側限壓力儀（南京土壤儀器有限公司生產），儀器的主要指標為：量力環系數0.24 kN mm-1，速率2.4 mm min-1，最大測力0.6 kN。

表2 最優加筋條件下淀粉處理黃麻纖維養護試驗設計Table 2 Designing of the tests of starch treatment and curing for optimal effect of jute fiber reinforcement

1.4 試樣制備與計算

采用三軸儀飽和器（Φ39.1 mm×80 mm）按設計質量含水量200 g kg-1、容重1.35 g cm-3（此值為野外實地調查較常見的含水量和密度）制備重塑土試樣，計算得到每個試樣需干土129.6g，蒸餾水25.92 ml。將所取土樣平鋪于不吸水的盤內，用噴霧設備噴灑量取的蒸餾水，充分攪拌，用保鮮袋密封并置于保濕缸內24 h備用，使土體中水分均勻分布。

由于受試樣規格的限制，控制水平纖維2股，長度為3.5 cm，分別放置在距離土柱兩端2 cm的位置；垂直纖維1股，長度為7 cm，放置在土柱中間；復合纖維為1股，長度為7 cm的垂直纖維和2股長度為3.5 cm的水平纖維的組合（試驗中每股分別為黃麻纖維數量的3個水平：1根、3根、5根)。水平分布時，試樣共分4層裝置，每層土體質量為總質量的1／4，在第一層和第三層擊實完畢后分別放置1股長3.5 cm的黃麻纖維；垂直分布時，試樣分5層裝置，其中前3層土樣裝置和水平分布時相同，為保證7 cm的垂直纖維處于整個試樣(高8 cm)的中部，將第四層土樣分成3／4份和1／4份分別夯實，裝完3／4份后使用略小于纖維直徑的鐵絲在試樣中部打孔，放置垂直纖維并壓實剩余的1／4份土樣；復合分布時，試樣分為5層土樣，綜合水平分布和垂直分布的制備方式進行（纖維分布具體分布情況見圖1）。裝樣時將土樣充分攪拌后倒入制樣器并錘擊，使土粒相對密實；每裝完一層先用直尺測量其高度，并用錘擊實來保證每層高度達到設計高度，將每層表面打毛直至最后一層，保證土樣為一個均勻整體。淀粉處理纖維后的試樣制備時，將最優加筋條件下的黃麻纖維放入淀粉糊中使其充分浸潤，隨后立即取出，在養護缸內分別放置0、3、5、7 d后，按照以上制樣的方法進行制備，制好的試樣采用YYW-2型應變控制式無側限壓力儀測定其無側限抗壓強度。

在進行測定之前，對每個樣品分別用游標卡尺進行上、中、下三個部位直徑的測定，以便通過求均值計算校正后試樣面積Aa，并通過校正減小制樣過程中的誤差，保證試驗結果的準確性。試驗結果的計算公式及過程如下：

式中，ε1為軸向應變(%)，Δh為軸向變形(mm)，h0為試樣的初始高度(mm)。

式中，Aa為校正后試樣面積(cm2)，A0為試樣初始面積(cm2)。

式中，σ為軸向應力(kPa)，C為測力計率定系數(0.24 kN mm-1)，R為測力計讀數(0.01 mm)，10為單位換算因數。

本次試驗未加筋土試樣12個（4層土×3次重復），纖維加筋土試樣108個（4層土體×9種組合×3次重復）；淀粉處理纖維試樣48個（4層土×3個養護時間×3次重復)，共計試樣168個。

2 結果與討論

2.1 崩崗不同層次土壤基本理化性質

圖1 無側限抗壓強度試驗黃麻纖維分布方式Fig. 1 Distribution of jute fiber in unconfined compressive strength test

從表3可以看出，崩崗4層土體的基本理化性質存在一定的規律性和特殊性。顆粒組成方面，從表格水平方向的每層土體來看，淋溶層A的黏粒、粉粒、砂粒3種顆粒的含量最為均一；黏化層Bt的黏粒含量較高，約為砂粒含量的2倍；淀積層B和母質層C的砂粒含量較高，分別約為粉粒含量的2倍和黏粒含量的2倍。從垂直方向來看，黏化層Bt至母質層C這三層土體的顆粒組成具有明顯的規律性，黏粒含量逐步減小，砂粒含量逐步增大，粉粒含量先增大后減小；淋溶層A由于植物根系、土壤動物、微生物等的存在，其土體結構表現出特有的均一性。對于含水量和土壤容重，砂粒含量較高的淀積層B和母質層C均高于淋溶層A和黏化層Bt，淀積層B和母質層C的砂粒含量高使二者的土體結構非常松散，再加上雨季地表徑流的入滲或者直接暴露于地表受到沖刷，在重力和水力雙重作用下極易發生崩崗崩壁土體的崩塌，使崩崗發育大大加快。由此看出，在垂直方向上崩崗4層土體的顆粒組成變化與崩崗侵蝕的形成有著密切的關系，研究崩崗4層土體的分層治理具有很大的現實意義［17］。

表3 崩崗不同層次土壤基本理化性質Table 3 Basic physic-chemical properties of the soil relative to layer of the collapsing hill

2.2 崩崗4層土體不同加筋方式的無側限抗壓強度

通過對崩崗4層土體進行兩因素三水平9種組合的無側限抗壓強度試驗，得出4層土體不同處理方式下試樣的無側限抗壓強度。從圖2可以看出，四層土體的無側限抗壓強度大致呈現以下規律：淋溶層A＞黏化層Bt＞淀積層B＞母質層C。4層土體的最優加筋條件分別為（1）淋溶層A：A1B2，纖維數量1根，分布方式為垂直放置；（2）黏化層Bt：A2B3，纖維數量3根，分布方式為復合放置；（3）淀積層B：A1B1，纖維數量為1根，分布方式為水平放置；（4）母質層C：A3B1，纖維數量為5根，分布方式為水平放置。

對于淋溶層A和淀積層B，最優纖維數量為1根，黃麻纖維數量越多，反而降低了纖維本身對土體強度的增強效果，原因是這兩層土體的黏粒、粉粒、砂粒三者的含量最為接近，黏結性也相對較高，過多的黃麻纖維反而占據了土樣的大部分面積，容易在土體內部形成薄弱區，降低了土壤顆粒之間的黏結，損壞了土壤的整體性，抵消黃麻纖維加筋對強度的增強效果；而較細的黃麻纖維可與土壤顆粒形成接觸摩擦力，在一定程度上提高了土體的抗壓強度［18］。對于黏化層Bt，最優纖維數量為3根，原因是這層土體黏粒含量最高，砂粒含量最低，黃麻纖維數量過少時，土體中的裂隙會繞過纖維繼續發展，因此不能發揮纖維的加固作用，無法提高加筋土的抗壓強度；數量過多時，同淋溶層A和淀積層B一樣，會因為占據過多的土樣面積而形成薄弱點，降低土體的抗壓強度。對于母質層C，最優纖維數量為5根，原因是這層土體的黏粒含量最低，砂粒含量最高，土體的黏聚力很小，黃麻纖維數量過多，所占體積越大，增大纖維的錨固力，從而提高土體的抗壓強度。

淋溶層A最適纖維分布方式為垂直，原因是該層土體黏粒、粉粒、砂粒含量相對均勻，且制備的土樣中可以看到細小根系等侵入體，這些因素均會導致土體的理化性質與其他三層相比發生明顯地變化，復合纖維的存在增加了土體裂隙出現的可能，水平纖維也具有一定的固土作用，但效果不如垂直分布明顯。黏化層Bt最適纖維分布方式為復合，原因是該層土體黏粒含量最高，孔隙連通性較差，土粒之間黏著性較好，在適宜的數量下，水平和垂直纖維相互交織呈網狀，增加了纖維和土體之間的接觸面積，能最大程度增強土體的抗壓強度。淀積層B和母質層C最適纖維分布方式為水平，原因是這兩層土體的砂粒含量顯著較高，孔隙連通性較好，土粒之間黏著性較差，當施加軸向應力時，垂直分布的纖維反而產生了一種“劈力”效果，在無側限情況下，加速了土體的劈裂，使土體的抗壓強度減小，穩定性下降［19］。

2.3 未加筋與最優加筋條件下試樣的無側限抗壓強度

從圖3可以看出，4層土體最優加筋條件下加筋土的無側限抗壓強度均大于未加筋土樣的無側限抗壓強度。淋溶層A、黏化層Bt、淀積層B、母質層C分別提高了7.97%、19.24%、15.35%、42.88%，這說明一定的纖維數量和分布方式對于維持崩崗土體的穩定性具有一定的作用。原因是加入黃麻纖維后，增大了土體和纖維的接觸面積，土體的黏聚力增強，在一定的纖維數量和分布方式下，黃麻纖維的存在能夠給土樣施加很大的圍壓約束力，從而抵消土樣局部缺陷所造成的強度損失，使抗壓強度重新增加或保持不變。對比這四層土體，淋溶層A和黏化層Bt的無側限抗壓強度高于淀積層B和母質層C。這是因為淋溶層A和黏化層Bt的顆粒組成中，黏粒含量較高，因此黏聚力也較強，更加有利于發揮筋土復合體的加筋固土作用；相反淀積層B和母質層C的黏粒含量低，土粒之間由于缺乏膠結而使抗壓強度降低，因此淀積層B和母質層C一旦暴露，在重力和水力的雙重作用下極易加速崩崗崩壁土體的崩塌。這些現象的出現與土壤有機質含量、風化程度、試樣制備的微小差異也有一定的關系。如淋溶層A黏粒含量雖低于黏化層Bt，但是其無側限抗壓強度最高，這與表土層富含有機質以及植物根系的存在有密切關系。

2.4 黃麻纖維不同養護時間和未處理的應力-應變關系曲線

圖3 未加筋與最優加筋土試樣的無側限抗壓強度對比圖Fig. 3 Comparison between unreinforced soil and optimally reinforced soils in unconfined compressive strength

從圖4可以看出，未經淀粉防腐處理和處理后經過不同養護時間的崩崗4層筋土復合體在應力-應變關系曲線上呈現出一定的相似性和差異性。當軸向應變為0～3%時，軸向應力隨著應變的增大呈線性增大，且速率較其他階段較大。應變增大至約3%，軸向應力達到最大值，隨后軸向應力隨著應變的增大逐漸減小，在此過程中，4層土體的軸向應力均經歷了三個變化階段：（1）快速減小階段。此階段主要集中在應變為3%～5%，即軸向應力達到峰值之后，這是因為軸向應力達到最大值后，繼續對試樣增加外部負荷會使其產生很大的形變和裂隙，破壞土壤顆粒間的聯結，減弱試樣對土壤顆粒的側向約束力。（2）減速減小階段。此階段主要集中在應變為5%～10%，在經歷快速減小階段后，繼續施加軸向壓力試樣將不會產生較大裂隙，因此軸向應力不會發生很大的變化。（3）穩定減小階段。此階段主要集中在10%以上，與第二階段無明顯的界限，不同土體出現穩定減小的時段具有差異性。如黏化層Bt在軸向應變達到10%以上時，其軸向應變仍有明顯的衰減，這與黏化層Bt黏粒含量最高、砂粒含量最小的顆粒組成特性有著密切的關系。

2.5 黃麻纖維不同養護時間無側限抗壓強度的變化規律

經過淀粉處理纖維養護不同時間后，筋土復合體的無側限抗壓強度與養護時間達到顯著相關（圖5）。淋溶層A的無側限抗壓強度隨著養護天數的增加不斷提高，在養護5d和7d后，無側限抗壓強度分別提高0.91%和14.45%，養護7d后抗壓強度達到養護時間的最大值；黏化層Bt的無側限抗壓強度也隨著養護天數的增加不斷提高，在養護5d和7d后，無側限抗壓強度分別提高4.45%和15.07%，養護7d后達到養護時間的最大值；淀積層B在養護5d后無側限抗壓強度提高8.90%；母質層C在養護3d后無側限抗壓強度提高8.07%。

之所以出現上述結果，與不同層次土體的結構組成、最優加筋條件、不同養護時間黃麻纖維的性質變化、不同養護時間黃麻纖維與土體的接觸機理有關。對于淋溶層A和黏化層Bt，最優加筋條件分別為垂直放置和復合放置，隨著養護時間的增加，淀粉對黃麻纖維的凝固力加強，筋土復合體中纖維抵抗縱向壓力的能力不斷提高，因此無側限抗壓強度會隨著養護天數的增加而提高，在養護7d后分別達到最大值；在顆粒組成上，這兩層土體的黏粒含量均較高，經過淀粉處理的纖維可與土體形成較大的接觸摩擦力，從而增大筋土復合體的抗壓能力，由于黏化層Bt的黏粒含量高于淋溶層A，所以其最優處理下的無側限抗壓強度提高百分比更高。對于淀積層B和母質層C，二者最優加筋條件均為水平放置，黏粒含量低而砂粒含量相對較高，當養護時間過短時，黃麻纖維經淀粉處理后軟化，纖維表面難以與土體充分膠合，從而降低了二者之間的黏聚力，使土樣在施加壓力時更容易遭到破壞，降低其整體結構的穩定性；當養護時間過長時，經淀粉處理的纖維過度凝固，同樣會減小與土體的黏聚力，抗壓強度有所降低；在處理適當的時間后，纖維與土體的膠合力達到最大，因此分別在養護5d、3d后無側限抗壓強度達到最大。

四層土體的抗壓強度分別在養護時間7、7、5、3d后達到最大，分別提高了14.45%、15.07%、8.90%、8.07%。由此可見，經淀粉處理養護一定時間后的纖維對于加固崩崗不同層次土體具有顯著的效果，同時又有各自特點，這也進一步驗證了崩崗預防和治理中分層修復的新思路。

3 結 論

圖4 最優加筋條件下四層土體淀粉處理和未處理的應力-應變曲線Fig. 4 Stress-strain curves of the four optimally reinforced soil layers as affected by starch treatment

圖5 最優加筋條件下淀粉養護筋材不同時間無側限抗壓強度Fig. 5 Unconfined compressive strength of the starch-amended and jute fiber fortified soil relative to curing time

通過對崩崗4層土體進行黃麻纖維數量和分布方式2因素3水平的無側限抗壓強度試驗，得出4層土體的最優加筋條件分別為淋溶層A：A1B2，纖維數量1根，分布方式為垂直放置；黏化層Bt：A2B3，纖維數量3根，分布方式為復合放置；淀積層B：A1B1，纖維數量為1根，分布方式為水平放置；母質層C：A3B1，纖維數量為5根，分布方式為水平放置。4層土體最優加筋條件下纖維加筋土的無側限抗壓強度均大于未加筋土樣的無側限抗壓強度。經過淀粉處理后筋土復合體的無側限抗壓強度發生了變化。4層土體的抗壓強度分別在養護時間的7、7、5、3d后達到最大，分別提高了14.45%、15.07%、8.90%、8.07%。此結果進一步表明崩崗預防和治理中分層修復的重要性。