木屑混合粘土动强度试验研究

白德贵

(重庆市勘测院，重庆 400020)

木材是古老而永恒的建筑材料。尤其是在中国的古建筑史中，古代木构建筑尤为出彩。木材的优良特性促使木材在我国的建筑历史上创造不朽功绩，木材一直是我国古建筑中的重要材料[1]，但几千年对木材的运用，也使得木材作为建筑材料的优缺点暴露无遗。它的优缺点如下:施工简易，工期短，冬暖夏凉，抗震性能优良，质轻，强度大，弹性和韧性比较好，抗冲击性强，导热性小，易于加工，外观好，耐久性好(在干燥条件下)。但木材也有构造不均、各向异性、使用中易受环境影响、腐朽及虫蛀，收缩，变形，开裂，易燃等缺点。正是由于木材的缺点跟优点一样的突出，在现代建筑的发展中，木材作为传统的主流建筑材料逐渐被钢材与混凝土所取代。虽然在现在的建筑中，钢筋混凝土钢架结构为主要的建筑类型，但木材作为一种古老和永恒的建筑材料，在建筑工程中应用依旧十分广泛，如桁架、梁、柱、门窗、地板、护壁、顶棚、模板、脚手架等。作为环保的装饰建材，木材更是发挥不可磨灭的作用。但是人们对木屑的处理方法一般是直接当作建筑垃圾处理掉，这无疑造成了巨大的浪费和环保质疑。周志强在制砖原料粘土中添加木屑来对砖进行改良[2]，姚启均介绍了一种木屑混凝土的制作方法[3]，并在1997年介绍了一种通过添加木屑来增强多孔粘土砖强度的方法[4]。本人对木屑混合粘土的抗剪强度作了深入的研究[5]，结果表明木屑混合粘土能够显著影响粘土本身的强度特性。本文将木屑与粘土混合制成木屑混合粘土，进行了木屑混合粘土的动强度试验研究。

1 试验内容

本次试验分析了木屑混合粘土的动强度特性，研究了粘土结构性对动强度特性的影响，并重点考虑初始固结压力和木屑含量对木屑混合粘土动强度的影响，具体试验工况如表1所示。试验土样取自重庆某工程场地，取土深度约20 m。土样物理指标如表2所示。具体试验方法是，利用两头击实法[6]制成39.1 mm(直径)×80 mm(高度)的试样，联合采用真空抽气和反压法对其进行饱和，保证B值达到0.95以上，打开动三轴仪的排水阀，在预定围压下进行固结，至土样固结稳定;关闭排水阀，对土样施加正弦荷载，直至达到终止条件，试验停止，试验终止条件为土样双幅轴向应变达到5%。按照动强度试验的要求，每一组试验进行3个～4个动应力。

2 试验结果

2.1 最大动剪切模量Gmax

在循环三轴试验中，我们取每次循环试验的第一周作为研究对象来分析其最大动剪切模量Gmax的特性。

表1 试验工况

表2 粘土物理指标

本次试验中通过三轴试验采集到的数据为轴向应力，轴向应变，因此需要通过一系列的转换来得到最大动剪切模量Gmax。

动弹性模量E定义为:

其中，σdmax，σdmin分别为同一次循环荷载中最大轴向动应力和最小轴向动应力;εdmax，εdmax分别为同一次循环荷载中最大轴向动应变和最小轴向动应变。

进一步我们可以通过式(2)得到最大动剪切模量Gmax:

其中，μ为动泊松比。在这次试验中μ取0.4。

动弹性模量计算示意图见图1。

图1 动弹性模量计算示意图

图2给出了不同工况下软粘土的最大动剪切模量特性，从图2中我们可以得到如下结论:

1)围压对最大动剪切模量有着显著的影响，最大动剪切模量随着围压的增大而逐渐增大，且二者的关系接近线性增大的关系;比较原状土和重塑土可以发现，在同样的围压下原状土的最大动剪切模量明显大于重塑土的动剪切模量，这表明软粘土的结构性对其动强度有着显著的影响;

2)木屑含量对软粘土的动强度特性有明显影响，而不同木屑含量对软粘土动强度特性的影响显著不同。从图2中可以发现木屑含量对软粘土的最大动剪切模量的影响呈现出下凹的抛物线的形状，这说明存在一个木屑含量的临界值，当木屑含量小于临界值的时候，随着木屑含量的增大，软粘土的最大动剪切模量也随之增大，当木屑含量大于临界值的时候，随着木屑含量的降低，软粘土的最大动剪切模量却随之降低。

图2 不同工况下最大剪切模量特性

2.2 动强度特性

图3给出了工况2-1条件下的典型试验曲线，从图中我们可以看出，在整个试验过程中，应力与应变的发展时程与砂性土的试验结果基本一致，基本可以分为两个阶段:第一阶段，应力维持在较高的水平，而应变没有较大的发展;第二阶段，随着应力的急剧衰减，应变逐渐增大直至破坏。

图3 典型试验曲线

图4 部分工况破坏振次与动应力关系曲线

图4给出了三种不同围压下原状土与重塑土的破坏振次与施加动应力的关系曲线，从中可以发现:1)有效固结围压对粘度的动强度有着显著的影响，随着围压的增大，试样破坏需要的振次相同的情况下所需要施加的动应力就越大，而且原状样，重塑样等所有的工况土样都有如此类似的规律性;2)比较重塑土与原状土的动强度曲线可以发现，在相同的围压条件下，相同的破坏振次，重塑土所需要施加的动应力越低，说明重塑土的动强度低于原状土，表明粘土的结构性对其动强度特性有着明显的影响;同时我们可以看到，随着有效固结压力的增大，二者的差异性越来越不明显，这表明固结压力的增大可以减小由于粘土扰动而造成其动强度的损失，可以指导我们在对扰动土样进行室内试验的研究。

图5 木屑含量对软粘土动强度的影响

图5给出了在围压100 kPa条件下木屑含量对软粘土动强度特性的影响结果，从图中可以看出，木屑含量对软粘土的动强度特性有着较为显著和复杂的影响效果:木屑含量从0%增加到3%，软粘土的动强度有着相当明显的增大;木屑含量从3%增加到10%，软粘土的动强度有着一定程度的增大;木屑含量从10%增大到15%，软粘土的动强度却有着明显的降低。这种试验结果与上文的结果以及对软粘土静强度的研究有着一致的结论。

造成木屑含量对软粘土最大动剪切模量以及动强度如此复杂的影响效果，主要原因是木屑和软粘土混合后其相互作用机理比较复杂。单独的木屑作为典型的纤维材料，其强度特性主要是由木纤维的强度所决定的，而软粘土的强度特性主要是其粘粒之间的粘聚力所决定的。但是将二者混合在一起，其混合物的强度特性必然受到两者共同作用的影响。在木屑混合粘土中，木屑主要起到骨架的作用，而软粘土起到粘结的作用，通过上文的分析，当木屑含量小于某一临界值时，木屑作为骨架作用可以明显增强软粘土的动强度，而超过这一临界值时，木屑对软粘土动强度的增强逐渐减弱，这是因为当木屑含量过大时，相应的粘土含量过低，粘土的粘聚力甚至没有能力将木屑与软粘土组成一个有机的整体，这种情况下木屑混合粘土的动强度势必要降低。因此要想木屑混合粘土的强度达到最优，必须将木屑的骨架作用与粘土的粘结作用能够有效的组合在一起。

3 结语

设计并完成了木屑混合粘土的动三轴试验，研究了原状土，重塑土及不同含量木屑混合粘土的动强度特性，得到下面几点结论:1)软粘土的动强度受到其结构性的显著影响;2)木屑含量对软粘土的动强度的影响呈现出两面性，木屑含量低于10%时，木屑的骨架作用对软粘土的动强度有明显的增强，且含量越高，增强作用越明显，当木屑含量高于10%时，过高的木屑含量导致木屑混合粘土的粘结作用不足，从而降低了软粘土的动强度。

[1] 黎 姣.木材在中国当代建筑中的应用[D].上海:同济大学，2008.

[2] 周志强.粘土木屑轻砖[J].中国建材，1960(6):31.

[3] 姚启均.用亚麻杆碎屑制作木屑混凝土[J].砖瓦世界，1989(12):3.

[4] 姚启均.提高多孔粘土砖强度的方法[J].建材工业信息，1997(2):2.

[5] 白德贵.木屑混合粘土抗剪强度试验研究[J].山西建筑，2014，40(3):101-102.

[6] 郑剑锋，马 巍，赵淑萍，等.重塑土室内制样技术对比研究[J].冰川冻土，2008，30(3):494-500.