低成本土壤混合物抗壓強度分析

肖 江，張思達，郝強強，彭 浩，李倩楠

(1.西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054；2.教育部西部礦井開采及災害防治重點試驗室，陜西 西安 710054)

0 引言

在我國，土制品于4000年前就已出現，并且應用廣泛，主要用于建造城墻、房屋、護欄、家具等[1]。由于單純黃土建筑強度較低，制約其發展，如何有效提高黃土建筑強度已成為現階段需克服的主要難題[2-4]。國外學者在順應生態發展的前提下，就如何有效利用低成本黃土建筑代替不必要的資源浪費開展了相關研究[5]；重視黃土的土壤成分以及實踐中的夯實過程，并提高質量檢測標準達到提高建筑整體強度的要求[6]。國內的研究主要集中在土壤與添加劑的合理配比、裂縫控制和施工質量等方面[7-10]，而在土壤中添加其他支撐材料以提高強度的研究較少。為此，在黃土試件中添加竹桿、編織袋碎屑等材料，分析其力學性能并得到影響不同介質材料強度的關鍵因素，以期為今后提高黃土強度的研究提供參考。

1 試驗樣品

1.1 試驗原料選擇

土壤是建筑物的主要支撐材料，其物理特征直接影響建筑物的強度。原生土壤粒徑大小不同，粒徑過大促進裂隙發育，粒徑過小影響土壤粘結性。本試驗所用的土壤選自陜西某地，用5 mm孔徑鐵網篩除粒徑較大的土壤及雜物，將篩除雜物后的土壤樣品置于試驗室并測定其物理特性，測試結果見表1。土壤中添加適量石灰可改善土壤粘結力，經攪拌、壓實后得到穩定混凝土；將等長(10 cm)、粗細均勻(d=4 mm)的竹桿外表面打磨粗糙，在土壤試件中作為支撐材料；選用工業編織袋，攪拌成2 cm長碎屑。

表1 土壤材料基本物理特性

1.2 土壤試件制作

試件分組：由于試件的大小直接影響材料力學強度，為使試驗更具有代表性，選用10 cm×10 cm×10 cm長度的土壤試件，將土壤與石灰按照5∶1比例攪拌均勻。分4組試件，第1組土壤試件不加結構材料，為單一土壤混合物試塊。第2組試件將竹桿內置于土壤試件中，考慮到不同介質之間粘結力的問題，首先將等長的竹桿固定在模具內，后將混合均勻的土壤混合物置于模型內，覆蓋竹桿并充填壓實。第3組將編織袋碎屑加入到土壤混合物中攪拌均勻。第4組將單一成分土壤混合物充入編織袋，并固定在土壤模型內充填壓實。每組做3個試件，對試件進行編號，具體試件分組及組成材料見表2。

表2 試件分組與組成材料

試件制作過程：在溫度(20±2)℃、濕度(80±5)%條件下，依次放置在陰涼干燥處養護30 d，達到預定齡期，試件制作過程如圖1所示。

圖1 土壤試件制作過程

2 試驗過程及結果分析

2.1 試驗設計

該試驗采用電液伺服壓力試驗機，由于手工制作試件表面不平，試驗時上下表面用細砂找平，依次按編號加壓試件，加載速率為0.5 mm/min。試驗開始時，壓力機穩定加壓，試件處于彈性破壞階段。加載3 min后，外表面出現細微裂隙，壓力曲線增長率減小，此時處于塑性破壞階段。繼續加壓，裂隙縱向延伸，當加載5 min后，個別試件裂隙長度達5 cm，試件強度降低，試驗機壓力示數小幅下降并逐漸趨于平穩，此時出現的極值為試件的極限抗壓強度。加載到15 min左右時，試件破壞嚴重，均出現表面土坯剝落現象，個別試件存在裂隙貫穿整個試件，試件抗壓強度趨向于0。

2.2 結果分析

試驗結果：在控制材料成本前提下，探究不同組成材料對試件強度的影響。試驗中盡量提高竹桿表面粗糙程度，避免桿件結構破壞時與土壤試件分離造成二次破壞，影響試驗結果。參照相關標準[11-12]，對不同添加材料試件進行抗壓試驗，結果見表3。

表3 土壤混合材料抗壓試驗結果

竹桿對試件的影響分析：第1組試驗中，單一成分土壤試件抗壓強度較高，平均抗壓強度達到1.290 MPa，對比第2組試驗，加入竹桿后，其破壞分為黃土-竹桿共同支護、黃土-竹桿分離支護、黃土支護3個階段。在該組試驗中，第1階段黃土竹桿共同作用下試件抗壓強度較高，當加載強度超過其極限抗壓強度達到1.052 MPa時，試件變形較大，主要因為黃土與竹桿的受力超過極限粘結強度而分離，竹桿的原始空隙與破壞裂隙貫通，使其整體強度下降，下降速度較第1組試驗快，存在竹桿對黃土試塊二次破壞，該破壞主要發生在第2階段。當試件進入第3階段后，其抗壓強度逐漸降低，竹桿失效，部分竹桿發生折斷現象，試件抗壓強度主要由黃土塊提供，此時試件抗壓強度為破壞后黃土塊的殘余抗壓強度0.5 MPa。整體來看，在試塊內加入竹桿后，由于竹桿的二次破壞使其平均抗壓強度減小，為1.031 MPa。破壞過程如圖2～5所示。

圖2 竹桿-土壤分離

圖3 竹桿變形折斷

編織袋碎屑對試件的影響分析：第3組試驗中，向土壤試件中加入編織袋碎屑，加載至2 min左右出現裂隙，繼續加壓至4 min時，達到極限抗壓強度，為2.729 MPa，此時試件表面裂隙發育貫通，平均抗壓強度為2.489 MPa，如圖5所示。該強度較前2組高，且抗壓時間長，支撐效果較好，主要因為編織袋與土壤粘結性較好，添加編織袋碎屑后，試件在破壞過程中內部裂隙的發育受到碎屑約束，其整體強度明顯提高，相對于單一黃土試塊的抗壓強度提高了1.199 MPa。

圖4 試件加載破壞過程

圖5 第2、3組試件荷載-位移曲線

編織袋對試件的影響分析：第4組試驗試件為單一土壤混合物，并在其外部包裹一層編織袋。與第1組試驗進行對照，加壓后發現該組試件的抗壓強度與第1組試件相近，加壓至5 min時，達到極限抗壓強度1.278 MPa，如圖6所示；繼續加壓，其抗壓強度逐漸下降，下降速度較第3組慢，到9 min以后其抗壓強度保持在1 MPa左右，為殘余強度。與第1組試驗對照，在外層包裹的編織袋后主要在加壓后期發揮作用，為破壞后松散土塊提供整體約束作用，增加了材料內部物質之間的粘結強度，可提高試件30%殘余強度，延長試件支撐時間。

圖6 第1、4組試件荷載-位移曲線

綜合分析：試驗結果表明，土壤中的添加物要與土壤充分粘結，粘結效果越好則試件強度越高，若粘結效果不好不僅不能發揮作用，而且會降低試件強度。在土壤中加入竹桿，由于竹桿與土壤粘結力有限，當加載強度超過粘結強度后，竹桿與土塊分離，只存在殘余摩擦，繼續加載后，試件整體性越來越差，竹桿周圍殘余空隙與發育的裂隙貫通，存在竹桿對試件的二次破壞，使試件抗壓強度下降較快。在土壤中加入編織袋碎屑后，由于碎屑是柔性材料并且表面粗糙，與土壤的粘結性較竹桿好，在加載過程中能約束試件內裂隙發育，還能提高試件強度并延長試件抗壓時間。

3 結論

(1)黃土-竹桿混合材料極限抗壓強度比單一黃土混合物強度低，主要由于2種介質粘結性較低，當加載強度超過粘結強度后，竹桿周圍殘余空隙與發育的裂隙貫通，降低了試件性能，不能長期提供有效支撐。

(2)黃土-編織袋碎屑混合物中，編織袋是柔性材料并且表面粗糙，2種介質粘結性較竹桿好，加載過程中碎屑能限制裂隙發育，所以試件極限抗壓強度比單一土壤試件高1.199 MPa。

(3)柔性材料編織袋包裹后的試件提供約束力，增強內部材料摩擦力，提高殘余強度，黃土塊試驗添加編織袋外套使其殘余強度增高了30%。

(4)在探究不同介質的混合材料強度時，應優先考慮2種材料之間相互關系，粘結性越好，則材料強度越高，粘結性較差時，影響材料整體性能。