含水率對木纖維加筋土抗剪強度的影響

徐福增，穆 璇,楊 松

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，云南 昆明 650201)

1 概述

邊坡是人類工程活動中最基本的地質(zhì)環(huán)境之一，也是工程建設(shè)最常見的工程形式。邊坡在自然與人為因素作用下的破壞形式主要表現(xiàn)為滑坡、滑塌、崩塌和剝落[1]，邊坡的穩(wěn)定性受多種因素的影響[2]，邊坡失穩(wěn)會嚴(yán)重危及到國家財產(chǎn)和人們的安全。

紅黏土作為一種典型特殊土，主要分布在廣西、貴州、云南、廣東以及湖南等省[3-4]。紅黏土具有高含水率、高塑性、低壓縮性等特點，工程性質(zhì)較為復(fù)雜。對于不同土抗剪強度影響因素的研究國內(nèi)外已經(jīng)有了不少研究成果[5-9]。紅黏土的強度會因含水率的增大而顯著降低，工程力學(xué)性質(zhì)變差，紅黏土失水皺縮，表面會出現(xiàn)裂隙，對邊坡的穩(wěn)定有不利影響。

纖維增強土是指在土壤中摻入一定量的纖維和土壤充分混合并形成的一種復(fù)合土[10]。纖維具有良好的分散性和一定的韌性[11]，纖維摻入土體中與土體混合后會形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可以提高土體的強度、抗雨水沖刷性能，使得儲水保溫效果更加良好，將它與土、種子拌合后進行邊坡種植，不僅可以防止水土流失、根系固土，還可以起到綠化的作用。

本文旨在研究含水率對木纖維加筋土的強度特性影響，研究結(jié)果為巖土工程高邊坡相關(guān)設(shè)計提供參考。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

試驗所用紅黏土取自云南省昆明市盤龍區(qū)某施工場地，紅黏土呈紅褐色，根據(jù)土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50123—2019)，對所用紅黏土進行相關(guān)試驗，求得土的基本物理指標(biāo)如表1所示。試驗選用木質(zhì)纖維為加筋材料，木纖維如圖1所示。

表1 紅黏土基本物理指標(biāo)

圖1 木纖維示意

2.2 試驗方法

試驗所用土風(fēng)干、碾碎后過2 mm篩備用，采用1.0 g/cm3的干密度制備不同含水量不同纖維含量的復(fù)合土樣，纖維含量按干質(zhì)量比分別為0、2.5%、5%，將配好的纖維與土樣拌合均勻，放置一晝夜，然后取出備用，不同纖維摻量下制備5組試樣，每組試樣個數(shù)不少于4個，總共不少于60個試樣。直剪試驗所用的環(huán)刀高為2 cm、直徑為6.18 cm，試樣制備好后，在室外進行風(fēng)干，然后在室內(nèi)進行快剪試驗，垂直壓力分別為50、100、150、200 kPa，以0.8 mm/min的速率剪切[12]。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1含水率與抗剪強度

從圖2～4中可以看出：含水率逐漸增大，抗剪強度逐漸減小；同一含水率下，隨著垂直壓力的增大抗剪強度也是增大的；同一級壓力下，加筋土抗剪強度要比素土的抗剪強度大；且5%纖維含量的抗剪強度要大于2.5%纖維含量的抗剪強度；含水量越低，抗剪強度越大，含水量越高，抗剪強度越小；圖2中纖維摻量為0時，最大的抗剪強度為317.34 kPa，此時的含水率為5.98%，最小的抗剪強度為40.45 kPa，此時的含水率為33.6%；圖3中纖維摻量為2.5%時，最大的抗剪強度為407.8 kPa，此時的含水率為5.63%，最小的抗剪強度為41.03 kPa，此時的含水率為34.22%；圖4中纖維摻量為5%，最大的抗剪強度為617.24 kPa，此時的含水率為5.13%，最小的抗剪強度為64.06 kPa，此時的含水率為34.29%。由于含水量差異不大，以(壓力以50 kPa、200 kPa)為例：當(dāng)壓力為200 kPa時，2.5%纖維含量的土壤抗剪強度較素土提高了28.51%；5%纖維摻量的加筋土抗剪強度較素土提高了94.50%；當(dāng)壓力為50 kPa時，2.5%纖維摻量的加筋土抗剪強度較素土提高了1.43%；5%纖維含量增強土壤抗剪強度較素土提高了58.37%，因此，纖維對紅土強度提高了很多。

3.2 含水率與抗剪強度參數(shù)

通過直剪試驗測得不同含水率下抗剪強度與垂直壓力，然后以抗剪強度為縱坐標(biāo)，垂直壓力為橫坐標(biāo)，畫出抗剪強度與垂直壓力關(guān)系曲線，在根據(jù)庫侖定律求得不同含水率下加筋土的內(nèi)摩擦角與含水率，結(jié)果如表2所示。

圖2 無纖維摻量素土含水率與抗剪強度關(guān)系曲線示意

圖3 2.5%纖維摻量加筋土含水率與抗剪強度關(guān)系曲線示意

圖4 5%纖維摻量加筋土含水率與抗剪強度關(guān)系曲線示意

通過表2顯示：當(dāng)纖維摻量為0時，內(nèi)摩擦角和粘聚力隨著含水量的增加而逐漸減小；纖維摻量為2.5%時，隨著含水量的增大粘聚力是一直減小的，而內(nèi)摩擦角則是先降低再升高再降低，纖維摻量為5%時，粘聚力隨著含水量的增加而降低，而內(nèi)摩擦角則是先降低后升高在降低；還可以得出：當(dāng)含水量接近風(fēng)干含水量6%時，2.5%纖維摻量增強土壤的粘聚力較素土提高了144.24%，5%纖維摻量加筋土的粘聚力較素土提高了264.67%，當(dāng)含水量接近最優(yōu)含水量32.5%，2.5%纖維含量增強土壤粘聚力較素土提高了55.9%，5%纖維含量加筋土粘聚力較素土提高了297.7%。由此可以看出：與摩擦角相比，纖維對粘聚力有很大的提高，纖維增強土壤的粘聚力比素土粘聚力都高，5%纖維摻量的粘聚力最高，產(chǎn)生這種結(jié)果是因為纖維有很好的分散性，隨著纖維的增加加筋土比表面積增大可以很好的填補土壤中的孔隙，土壤更加緊湊，因而粘聚力更高。

表2 不同含水率下加筋土的內(nèi)摩擦角和粘聚力

3.3 垂直壓力和抗剪強度

從圖5、圖6中可以看出：隨垂直壓力增大抗剪強度也是增加的；素土的抗剪強度小于纖維增強土的抗剪強度；5%纖維含量加筋土的抗剪強度大于2.5%纖維含量增強土的抗剪強度，且5%纖維含量加筋土抗剪強度最大。這是因為隨著纖維含量的增多，纖維與土壤形成的交錯點越來越多，三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)越來越密集，使得土體的抗剪強度更大。

圖5 抗剪強度與垂直壓力關(guān)系曲線示意

圖6 抗剪強度與垂直壓力關(guān)系曲線示意

4 結(jié)語

通過對不同含水率下不同摻量的木質(zhì)纖維加筋土進行室內(nèi)直剪試驗可以得到以下結(jié)論：

1) 摻入木質(zhì)纖維對土體的抗剪強度有較大提升，因此摻入木纖維增強土體的強度是可行的。

2) 在含水量接近風(fēng)干含水量6%時，加筋土的抗剪強度最大。

3) 含水率為5.13%時，粘聚力達到了最大，此時纖維含量是5%。