麦秸秆加筋土的轻型击实试验与击实土的抗压性能

王 沛，柴寿喜，仲晓梅，杨宝珠

(天津城市建设学院地质与测绘学院，天津 300384)

1 研究背景

在滨海氯盐渍土的含水率发生变化时，易出现盐胀、溶陷或吸湿所引起的低强度和大变形问题［1］。对盐渍土进行固化或加筋处理，可使其满足填筑土的力学性能要求［2］。

天然植物纤维与合成纤维均可用作加筋材料，纤维加筋使加筋土形成了相对各向均质的筋土复合体，使土的强度和抗变形能力提高［3－5］。麦秸秆为天然纤维材料，自身具有一定的拉力和延伸率，考虑将其防腐处理后作加筋材料使用。以麦秸秆和石灰对盐渍土加筋固化处理，属于物理作用与化学反应相结合的改性与补强方法，可提高盐渍土的强度和抗变形能力［6］。

以麦秸秆作加筋，应考虑其防腐问题，以保证加筋土的耐久性［7］。对麦秸秆作封闭处理，隔断与水的接触。选择的防腐材料为液体状的高分子材料－改性的聚乙烯醇(简称SH胶)，由工业废弃物合成获得，价格低廉，其分子量20 000以上，固含量6%。经喂养小白鼠试验证实，改性的聚乙烯醇无毒无污染。考虑到麦秸秆的加筋率较小，同时防腐后麦秸秆的质量增加率(吸胶)也较低，因此可不考虑高分子材料的降解问题。

按一定的时间间隔浸泡麦秸秆，最长达12周。完成了天然和防腐处理后麦秸秆的扫描电镜观察，发现胶液渗透到麦秸秆的内部孔隙中，并吸附在表面上，形成隔水薄膜;吸水性能、极限拉力和极限延伸率测试结果证实防腐后麦秸秆的吸水率较天然麦秸秆降低很多，表明其防腐效果较好，同时还增强了麦秸秆的抗拉性能［8］。

麦秸秆加筋土的填筑必然涉及土的碾压性能、承载力和抗变形性能等［9］，这些可通过加筋土的轻型击实试验及击实加筋土的抗压强度试验进行研究。

2 试验材料与试验条件

2.1 试验材料

盐渍土的含盐量2.64%，塑性指数15.8。剥掉表皮的圆管状麦秸秆的直径约4mm。

鉴于麦秸秆在土中易弯折或形成贯通性的薄弱面，加筋长度以不超过击实筒的半径为宜。据此确定:加筋长度为20，30，40mm，质量加筋率为0.2%，0.25%，0.3%。

2.2 试验条件

轻型击实仪的击实筒直径102mm、高116mm。

将湿土装入塑料袋浸润1 d。试验时，将土料和麦秸秆拌和在一起，分3次将混合料放入击实桶，每层锤击25击，以菱形交叉的形式刮毛层面。试验结束后，静力将其推出。测试土的含水率和干密度。随后，以每1组轻型击实试验的5个加筋土样进行抗压强度试验，记录应力和变形读数。

使用南京土壤仪器厂生产的CBR试验仪进行加筋土的抗压强度试验，试验速率1mm/min［10］。

3 轻型击实性能及其变化规律

3.1 盐渍土和麦秸秆加筋土的轻型击实试验

2种土的轻型击实曲线见图1和图2。

图1 盐渍土和3种加筋长度加筋土的击实曲线Fig.1 Light-compaction curves of saline soil and 3 reinforced soils with different wheat straw lengths

图2 盐渍土和3种加筋率加筋土的轻型击实曲线Fig.2 Light-compaction curves of saline soil and 3 reinforced soils with different reinforcement ratios

图1和图2显示:①3种加筋长度的加筋土和3种加筋率的加筋土的轻型击实曲线的变化趋势与盐渍土的基本一致。这表明，与盐渍土一样，加筋土也具有良好的碾压性能;② 超过最优含水率，3种加筋土的干密度均快速降低，含水率对加筋土的击实性能影响明显;③随加筋长度和加筋率的增加，最大干密度逐渐减小。

3.2 轻型击实性能随加筋长度和加筋率变化

加筋土的最大干密度和最优含水率随加筋长度和加筋率的变化见图3和图4。

因为防腐处理后麦秸秆的吸水率很低，对土颗粒的湿润程度影响不大，所以，加筋长度和加筋率对加筋土的最优含水率几乎没有影响。

在限定的体积内，麦秸秆占据了原本属于土颗粒的空间。与土颗粒相比，麦秸秆的质量较轻，这使得土的干密度变小。因此，随加筋率的增加，土的最大干密度下降。

较长的麦秸秆在土中弯折及部分麦秸秆间的重叠，形成了“微弹簧”，消耗着击实功。因此，随加筋长度的增加，加筋土的最大干密度下降。

图3 最大干密度和最优含水率随加筋长度的变化Fig.3 Maximum dry density and optimum water content vs.reinforcement length of wheat straw

图4 最大干密度和最优含水率随加筋率的变化Fig.4 Maximum dry density and optimum water content vs.reinforcement ratio

3.3 击实功对加筋土击实性能的影响

盐渍土、各种加筋土的重型击实试验与轻型击实试验的结果对比见图5。

含水率相同时，土颗粒的湿润程度一致。麦秸秆的吸水率和掺加量很小，对土颗粒的表面性能和结合水膜几乎无影响。因此，在重型击实功和轻型击实功下，盐渍土和麦秸秆加筋土的最优含水率近乎相等。

重型击实加筋土和轻型击实加筋土的最大干密度随加筋率的变化曲线平行，说明2种击实功对加筋土的最大干密度的影响规律是一致的。

盐渍土的最大干密度大，加筋土的最大干密度小;掺入的麦秸秆越多，最大干密度就越小;击实功越大，土被挤密的程度就越高。因此，重型击实加筋土的最大干密度大于轻型击实加筋土最大干密度。

4 加筋土的无侧限抗压强度变化

击实加筋土的无侧限抗压强度随加筋长度、加筋率和含水率变化见图6至图8。

图5 盐渍土和加筋土的轻型击实和重型击实结果Fig.5 Results of light compaction test and heavy compaction test for saline soil and reinforced soil

图6 轻型击实加筋土抗压强度随加筋长度的变化Fig.6 Compressive strength of lightly compacted reinforced soil vs.wheat straw length

图7 轻型击实加筋土的抗压强度随加筋率变化Fig.7 Compressive strength of lightly compacted reinforced soil vs.reinforcement ratio

图6至图8显示:①30mm加筋长度的加筋土和0.25%加筋率加筋土的抗压强度最高，可将30mm和0.25%视为直径102mm试样的适宜加筋长度和加筋率;② 超过适宜的加筋长度和加筋率，加筋土的抗压强度又转为下降;③ 低于最优含水率，随加筋长度和加筋率的增加，加筋土的抗压强度逐渐增大;超过最优含水率，加筋土的抗压强度变化相对较小。

图8 轻型击实加筋土的抗压强度随含水率变化Fig.8 Compressive strength of lightly compacted reinforced soil vs.water content of soil

麦秸秆与土产生的筋土摩擦作用和麦秸秆的空间网络约束作用限制了土的变形，因此，加筋使土的抗压强度提高。

5 加筋土应力应变的影响因素

5.1 加筋长度

加筋长度对加筋土的轴向应力应变性能的影响见图9。

与盐渍土和40mm和20mm加筋长度加筋土的轴向应力峰值相比，30mm加筋长度加筋土的轴向应力峰值最大。从土的抗变形能力角度评价，30mm为适宜的加筋长度。

随加筋长度的增加，加筋土的应力应变曲线的形式几乎不变，但含水率对其影响较大。轴向应变较小时，所有的轴向应力应变曲线较为靠近;随轴向应变的增加，曲线的间距增大。这表明，只有加筋土产生一定的轴向应变，筋土间出现位移趋势，麦秸秆的加筋作用才能发挥出来，此时，各种加筋条件的加筋效果也才能区别开来。原因为，由于土颗粒的挤压程度和制样方式不同，土中的麦秸秆与土颗粒并没有处于最紧密的接触状态，加筋土产生一定的应变后，土颗粒与麦秸秆的位移趋势逐渐显露出来，反映加筋作用开始发挥。

5.2 加筋率

加筋率对加筋土的轴向应力应变性能的影响见图10。

0.25%加筋率加筋土的应力应变性能优于0.2%和0.3%加筋率加筋土的，可将0.25%视为适宜的加筋率。相同含水率下，加筋率对加筋土的应力应变曲线的形式没有影响，加筋率对加筋土的应力应变性能的影响弱于含水率对它的影响。

5.3 含水率

选择盐渍土和3种加筋长度0.25%加筋率的加筋土的应力应变曲线，分析含水率对盐渍土和各种加筋土的应力应变性能的影响。见图11。

土的含水率对应力应变性能的影响较为明显，加筋土的应力应变曲线形态与盐渍土的基本一致。将图11(b)，(c)，(d)与图11(a)对比，观察到:应力达到峰值后，14%和17%含水率盐渍土的应力快速下降，而相同含水率加筋土的则下降缓慢，麦秸秆的加筋效果得到了充分发挥;20%，22%和24%含水率的盐渍土和加筋土的应力应变曲线的形态相近，加筋作用对其影响不明显，此时，含水率的影响占据了主导。

图9 盐渍土和不同加筋长度加筋土的应力应变Fig.9 Vertical stress-strain curves of saline soil and reinforced soil with different wheat straw lengths

图10 不同加筋率的加筋土的轴向应力应变Fig.10 Vertical stress-strain curves of reinforced soil with different reinforcement ratios

低含水率时，应力应变曲线的上升段的斜率较大，加筋土显示出一定的弹性性能，应力应变曲线存在明显峰值，破坏时的应变较小，曲线为应变软化型。高含水率时，应力应变曲线较为平缓，无峰值，为应变硬化型，加筋土呈典型的塑性破坏。

加筋土的应力应变曲线由应变软化型转变为应变硬化型的含水率界线为最优含水率。

土的成分和粒径确定以后，水的多少就决定了土颗粒的湿润程度和结合水膜的厚度，以及自由水的多少，同时也就决定了土可以被挤密的程度，即击实性能［12］。

低含水率时，土中的自由水很少，土颗粒的结合水膜也较薄，土颗粒间联结紧密，加筋土的抗压强度较高。随含水率增加，土颗粒被充分湿润，结合水膜的厚度增大，并出现少量的自由水，使颗粒间联结力减弱，导致加筋土的抗压强度和抗变形能力降低。

图11 不同含水率的盐渍土和加筋土的应力应变Fig.11 Stress-strain curves of saline soil and reinforced soil with different water contents

6 结语

(1)加筋土与盐渍土的轻型击实曲线的形态基本一致，2种土的击实性能相似，表明麦秸秆加筋土也具有良好的碾压性能，从施工角度讲，适宜作为填筑土料。

(2)与盐渍土相比，加筋麦秸秆使土的最大干密度有所降低，但最优含水率变化不大。随加筋长度和加筋率的增加，麦秸秆加筋土的最大干密度均下降，最优含水率几乎不变。

(3)加筋麦秸秆提高了土的强度和抗变形能力。由轻型击实加筋土的抗压强度实验结果确定:直径102mm试样的适宜加筋长度和适宜加筋率为30mm和0.25%。

(4)加筋长度和加筋率对加筋土的应力应变曲线的形式影响不大。含水率对加筋土的应力应变性能影响明显，加筋土的应力应变曲线由应变软化型转变为应变硬化型的含水率界线值为土的最优含水率。

(5)只有加筋土产生一定的轴向应变，筋土间出现位移趋势，麦秸秆的加筋作用才能充分发挥出来，各种加筋条件的加筋效果也才能区别开来。

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