加筋率和含水率對木纖維紅黏土邊坡穩定性的影響

熊壽德，段青松，劉武江，張 川，張立蕓

(1.云南農業大學資源環境學院，云南 昆明650201；2.云南農業大學機電工程學院，云南 昆明650201；3.云南地質工程勘查設計研究院，云南 昆明650041；4.云南農業大學國土資源科學技術工程研究中心，云南 昆明650201)

0 引言

紅黏土是云南省主要土壤類型之一，在云南省境內廣泛分布[1]。典型的季風氣候導致云南省內夏季降雨頻繁，高含水率使紅黏土的容重和飽和度增加、抗剪強度降低，導致邊坡水土流失嚴重，極易發生失穩現象[2-4]。同時，紅黏土邊坡大多是坡面陡峭、土層薄弱、結構松散的高傾角邊坡，不具備良好的植被生長條件，其生態治理成為一大難題[5-6]。研究表明，向土中加入纖維有利于改善土壤結構和增強邊坡穩定性[7]。

孫皓等[8]對碳纖維加筋土、玻璃纖維加筋土和聚丙烯纖維加筋土進行直剪試驗和無側限抗壓強度試驗，得出表面粗糙程度越高的纖維與土顆粒之間的摩擦作用越強，咬合力越大，內摩擦角越大。GARG Ankit等[9]指出，在相同的土壤參數條件下，天然纖維比合成纖維對土壤的加固效果更顯著。劉陽[10]在研究麥秸稈纖維時指出，纖維促使土體的破壞形態由脆性破壞轉變為塑性破壞。LIU Jianlong等[11]采用棉纖維研究時，發現纖維與土壤顆粒之間的相互作用模式是接觸、彎曲和交織，這3種作用增強了纖維與土顆粒間的界面剪應力，纖維的拉應力限制土顆粒的運動，從而提高了土的抗剪強度。而其他學者的研究又提出了不同的觀點，纖維對固土作用產生負效應。LIU Chao等[12]用棉花秸稈纖維對凍融土力學研究時，發現纖維使凍融土的抗剪強度降低。QU Jili等[13]對棕櫚纖維與石灰混合土研究發現，棕櫚纖維對內摩擦角增加的作用有限。郭盼盼[14]從微觀機理角度研究發現，纖維含量和纖維長度在提高土體抗剪強度特性方面具有最優值，過高纖維含量和過長纖維會導致纖維間的扭結和纏繞，會在一定程度上抑制甚至降低纖維的加筋增強效應。而胡達等[15]指出，當纖維含量過高時，纖維之間的重疊作用反而會破壞土粒間的黏結作用，進而降低土體的抗剪強度。

纖維加筋土不僅受加筋率的影響，受土體含水率的影響也較大。沙琳川等[16]采用施工用土研究時指出，不同加筋率的稻秸稈加筋土黏聚力與內摩擦角均隨含水率的增加而快速減小，兩者與含水率的擬合曲線相關性很高。黃曉如等[17]也采用施工用土研究時指出，隨著含水率的增加，土樣抗壓強度先增加后降低，在最優含水率時達到最大值，棕櫚纖維加筋土與素土差異明顯。

綜上，不同的天然纖維對土體的穩定作用是不相同的，且受土壤含水率變動的影響較大。農業邊坡紅壤有其區別于其他土壤的特點，目前研究不同加筋率及不同含水率對纖維紅壤土穩定性的影響研究較少。本研究以木纖維作為加筋材料，研究加筋率和含水率對木纖維紅黏土力學特性和最小邊坡安全系數的影響，以期為云南山區農業邊坡的水土流失治理提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗用土為西南地區典型的紅黏土，取自云南省昆明市云南農業大學后山試驗基地，地理坐標為102°44′57″E，25°7′44″N，海拔1 930 m，屬亞熱帶高原山地季風氣候區，年平均氣溫15 ℃，年降雨量900～1 000 mm，年蒸發量1 856 mm。依據GB/T 50123—1999《土工試驗方法標準》測定試驗基礎土樣的物理特性指標，如表1所示[18]。土壤類型為山原紅壤，質地為黏土，機械組成中<0.01 mm的黏粒占54.61%，0.01～1.00 mm的黏粒占45.39%。

表1 土樣基本物理特性Tab.1 Basic physical properties of soil samples

木纖維是一種天然植物纖維，具有不規則的扇形結構和超強的親水性能，吸濕速度快，吸濕量大。木纖維是一種天然高分子聚合物，其三維立體結構中存在大量孔隙，密度小，表面積較大。木纖維能有效增強表面附著力和強度，因此被廣泛用于混凝土和石膏制品。

本試驗選用寧國市東南木纖維科技有限公司所生產的木纖維(圖1)，有機含量99%，灰分含量8%，pH值為6，纖維長度3～10 mm，橫截面直徑0.45 mm，平均抗拉強度8.62 MPa，比表面積6.597 cm2/g，吸濕性較強。

圖1 木纖維Fig.1 Wood fiber

1.2 試樣制備

試驗設置0(素土)、0.5%、2.5%和5.0%共4個加筋率，其中以素土為對照，共4個處理，每個處理重復20次，共制樣80個。按干密度1 g/cm3進行制樣，將木纖維和紅黏土均勻混合，再加入拌合水攪拌均勻直到木纖維都被土顆粒包裹，裝入保鮮袋密封置于保濕缸中靜置24 h，使土體中水分均勻分布。由于木纖維具有較高的吸水性，含水率過低難以進行下一步的制樣，需要提高拌合水的比例，上述4個處理的拌合水比例(制樣含水率)依次為38%、40%、45%和53%。

稱取適量的拌合土料，加入制樣器中(d=102 mm，h=40 mm)，利用擊實桿擊實，采用螺旋式千斤頂緩慢地將環刀(d=61.8 mm，h=20 mm)壓入試樣約30 mm，即環刀頂底面均留余10 mm，以便后期切削時能最大程度地保證試樣的完整性。壓入速率不宜過大，≤0.3 mm/s。不同加筋率的木纖維紅黏土試樣到此完成。之后，以自然風干的方式，通過控制風干時長來將不同處理試樣制成5個不同含水率水平，如表2所示。

表2 風干法控制土樣含水率Tab.2 Controlling soil moisture content by sun drying method 單位：%

1.3 試驗方法

1.3.1 木纖維紅黏土直剪試驗

直剪試驗采用南京土壤儀器廠生產的ZJ型應變控制式直剪儀進行，剪切速率4 r/min。為了得到完整的抗剪強度曲線，每組試樣分別在4級垂直壓力下進行，分別為50、100、150和200 kPa，并嚴格按照規范GB/T 50123—1999《土工試驗方法標準》的規定進行快剪試驗[18]。土樣抗剪強度采用庫侖公式進行計算[19]。

τ=σ·tanφ+c

(1)

式中τ——土體抗剪強度，kPa

σ——試樣承受的垂直壓力，kPa

φ——內摩擦角，(°)

c——黏聚力，kPa

1.3.2 木纖維紅黏土邊坡穩定性分析

Geostudio軟件是巖土工程實踐中專門進行邊坡穩定性分析的專業化軟件[20]。軟件中的Morgenstern-rice(摩根斯頓-普萊斯)法在任意形狀可能滑動面安全系數的計算具有精確性、嚴密性和收斂性較好的特點，因此本文的模擬采用該方法進行紅黏土邊坡穩定性的計算分析。Morgenstern-rice法根據邊坡模型條塊的力與力矩平衡條件，得到一組含有安全系數和比例系數2個未知數的二元平衡方程組，該方程組具有高度非線性，求解過程比較復雜。

在模型模擬中，設定模型的其他參數為同一組數值，設置坡頂寬10 m，坡底寬20 m，坡高10 m，坡比2∶1的模型，在模擬時只改變各試驗組在不同含水率情況下的內摩擦角與黏聚力，通過軟件計算同一邊坡在不同情況下的最危險滑移面對應的最小安全系數。

1.4 數據處理與統計分析

采用Excel 2010軟件對測定數據進行處理分析，使用Origin 2017繪制圖表。

2 結果與分析

2.1 抗剪強度

不同含水率的木纖維加筋紅黏土的抗剪強度如圖2所示。

圖2 不同加筋土的抗剪強度Fig.2 Shear strength of different reinforced soils

在含水率為6.29%、14.01%和20.79%時，4個處理的抗剪強度均依次為5.0%>2.5%>0.5%>素土，加筋率越高，抗剪強度越大。當含水率為28.00%時，素土、0.5%、2.5%這3個處理的抗剪強度比較接近，5.0%木纖維最低。當含水率為35.10%時，4個處理的抗剪強度均依次為素土>0.5%>2.5%>5.0%，加筋率越高，抗剪強度越小。

木纖維紅黏土在含水率<28.00%時，木纖維的摻入有利于增強抗剪強度，且加筋率越高越好；在含水率>28.00%時，木纖維對增強抗剪強度的作用不大，且加筋率越高，土體越不穩定。

2.2 內摩擦角和黏聚力

不同含水率的加筋紅黏土的內摩擦角和黏聚力如圖3所示。

圖3 不同含水率下加筋土的內摩擦角和黏聚力Fig.3 Internal friction angle and cohesion of reinforced soil under different moisture content

木纖維紅黏土的內摩擦角低于素土，且加筋率越高，內摩擦角越小。隨著含水率的升高，素土的內摩擦角在總體上呈緩慢下降的趨勢，其余3個處理呈先增后降的趨勢，加筋率越大，增降幅度越明顯，在15%含水率左右，3個木纖維處理的內摩擦角出現峰值。

木纖維紅黏土的加筋率越大，黏聚力越大，木纖維有利于提高土體的黏聚力。但隨著含水率升高，4個處理的黏聚力逐漸降低，當含水率>25%后，4個處理的黏聚力趨近一致。

加筋率越高，土體內摩擦角越小，黏聚力越大。木纖維主要以提高黏聚力來增強土體穩定性。含水率越高，木纖維紅黏土的內摩擦角和黏聚力均降低，且降幅明顯。

2.3 邊坡穩定性

將4個處理不同含水率的內摩擦角與黏聚力帶入模型軟件，計算土體的邊坡最小安全系數，結果如圖4所示。

圖4 加筋土最小安全系數Fig.4 Minimum safety factor of reinforced soil

4個處理的邊坡最小安全系數隨含水率升高均呈下降趨勢，3個木纖維處理降幅大小為5.0%>2.5%>0.5%，素土和0.5%處理比較一致。

在含水率<25%時，木纖維有利于提高邊坡最小安全系數，且加筋率越高，最小安全系數越大。含水率>25%后，3個木纖維處理的邊坡最小安全系數低于素土，且加筋率越高，邊坡最小安全系數越低。

3 討論

3.1 纖維加筋率對土體穩定性的影響

本研究發現，木纖維加筋率越高，土體內摩擦角越小，黏聚力越大。木纖維主要以提高黏聚力來增強土體穩定。胡達等[15]對纖維素纖維研究時，設置加筋率為0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%和1.2%，研究表明當加筋率<6%時，土體的抗剪強度隨纖維素纖維量的增加而增加，加筋率>6%時，土體的抗剪強度則隨著纖維量的增加而減小，說明纖維加筋率存在一個最優值。可能是由于不同種類的纖維材質特性不一，本研究暫未出現最優值。宋金巖等[21]研究了玻璃纖維對加筋土抗剪強度的影響，發現玻璃纖維能夠顯著加強土體的抗剪強度，特別是對黏聚力指標的增強，但對內摩擦角指標的影響不大。本研究同樣發現，木纖維對提高黏聚力有顯著作用，這可能是纖維在土體中主要以交織、包裹的作用對土體產生的影響；而木纖維會降低土體內摩擦角，這可能是木纖維表面粗糙度較低，與土粒的接觸、咬合作用相對土粒之間要小得多，這也說明纖維改良土壤除了考慮加筋率還需要結合纖維的特有性質進行研究分析[8]。

3.2 含水率對土體穩定性的影響

本研究發現，當含水率較低時，木纖維對土體的抗剪強度、黏聚力和邊坡最小安全系數均有增強效果，但是當含水率較高時，木纖維會導致土體的抗剪強度、黏聚力和邊坡最小安全系數降低，甚至木纖維的加筋率越大，土體的穩定性越差。沙琳川等[16，22]用加水法和烘干法制樣進行秸稈加筋土的抗剪強度試驗得出，土體抗剪強度、黏聚力、內摩擦角受含水率的影響均有臨界值，約為19%，也就是說含水率超過19%時，隨著含水率的增加，木纖維的加筋率越大，土體的抗剪強度、黏聚力和內摩擦角越小。本研究中的臨界含水率約為25%，與上述研究有較大差異，這可能是與試驗用土的土質有關。沙琳川等[22]采用長沙市某施工場地的土壤，土壤最優含水率為14.8%、最大干密度1.85 g/cm3、塑限15.1%，相比本研究采用的紅黏土來看，最優含水率較低，土壤顆粒更細小，團聚作用下降，塑限較小。這說明土質的差異也對纖維的改良作用產生影響，不同地區需對應分析。

4 結論

采用木纖維作加筋材料，制備不同含水率的木纖維紅黏土，進行直剪試驗和邊坡模擬，得出結論如下。

(1)加筋率越高，土體內摩擦角越小，黏聚力越大。木纖維主要以提高黏聚力來增強土體穩定。

(2)木纖維紅黏土在含水率<25%時，木纖維能增強抗剪強度，提高邊坡最小安全系數，且加筋率越高，抗剪強度和最小安全系數最大，邊坡穩定性越好。