低成本土壤混合物抗压强度分析

肖 江，张思达，郝强强，彭 浩，李倩楠

(1.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；2.教育部西部矿井开采及灾害防治重点试验室，陕西 西安 710054)

0 引言

在我国，土制品于4000年前就已出现，并且应用广泛，主要用于建造城墙、房屋、护栏、家具等[1]。由于单纯黄土建筑强度较低，制约其发展，如何有效提高黄土建筑强度已成为现阶段需克服的主要难题[2-4]。国外学者在顺应生态发展的前提下，就如何有效利用低成本黄土建筑代替不必要的资源浪费开展了相关研究[5]；重视黄土的土壤成分以及实践中的夯实过程，并提高质量检测标准达到提高建筑整体强度的要求[6]。国内的研究主要集中在土壤与添加剂的合理配比、裂缝控制和施工质量等方面[7-10]，而在土壤中添加其他支撑材料以提高强度的研究较少。为此，在黄土试件中添加竹杆、编织袋碎屑等材料，分析其力学性能并得到影响不同介质材料强度的关键因素，以期为今后提高黄土强度的研究提供参考。

1 试验样品

1.1 试验原料选择

土壤是建筑物的主要支撑材料，其物理特征直接影响建筑物的强度。原生土壤粒径大小不同，粒径过大促进裂隙发育，粒径过小影响土壤粘结性。本试验所用的土壤选自陕西某地，用5 mm孔径铁网筛除粒径较大的土壤及杂物，将筛除杂物后的土壤样品置于试验室并测定其物理特性，测试结果见表1。土壤中添加适量石灰可改善土壤粘结力，经搅拌、压实后得到稳定混凝土；将等长(10 cm)、粗细均匀(d=4 mm)的竹杆外表面打磨粗糙，在土壤试件中作为支撑材料；选用工业编织袋，搅拌成2 cm长碎屑。

表1 土壤材料基本物理特性

1.2 土壤试件制作

试件分组：由于试件的大小直接影响材料力学强度，为使试验更具有代表性，选用10 cm×10 cm×10 cm长度的土壤试件，将土壤与石灰按照5∶1比例搅拌均匀。分4组试件，第1组土壤试件不加结构材料，为单一土壤混合物试块。第2组试件将竹杆内置于土壤试件中，考虑到不同介质之间粘结力的问题，首先将等长的竹杆固定在模具内，后将混合均匀的土壤混合物置于模型内，覆盖竹杆并充填压实。第3组将编织袋碎屑加入到土壤混合物中搅拌均匀。第4组将单一成分土壤混合物充入编织袋，并固定在土壤模型内充填压实。每组做3个试件，对试件进行编号，具体试件分组及组成材料见表2。

表2 试件分组与组成材料

试件制作过程：在温度(20±2)℃、湿度(80±5)%条件下，依次放置在阴凉干燥处养护30 d，达到预定龄期，试件制作过程如图1所示。

图1 土壤试件制作过程

2 试验过程及结果分析

2.1 试验设计

该试验采用电液伺服压力试验机，由于手工制作试件表面不平，试验时上下表面用细砂找平，依次按编号加压试件，加载速率为0.5 mm/min。试验开始时，压力机稳定加压，试件处于弹性破坏阶段。加载3 min后，外表面出现细微裂隙，压力曲线增长率减小，此时处于塑性破坏阶段。继续加压，裂隙纵向延伸，当加载5 min后，个别试件裂隙长度达5 cm，试件强度降低，试验机压力示数小幅下降并逐渐趋于平稳，此时出现的极值为试件的极限抗压强度。加载到15 min左右时，试件破坏严重，均出现表面土坯剥落现象，个别试件存在裂隙贯穿整个试件，试件抗压强度趋向于0。

2.2 结果分析

试验结果：在控制材料成本前提下，探究不同组成材料对试件强度的影响。试验中尽量提高竹杆表面粗糙程度，避免杆件结构破坏时与土壤试件分离造成二次破坏，影响试验结果。参照相关标准[11-12]，对不同添加材料试件进行抗压试验，结果见表3。

表3 土壤混合材料抗压试验结果

竹杆对试件的影响分析：第1组试验中，单一成分土壤试件抗压强度较高，平均抗压强度达到1.290 MPa，对比第2组试验，加入竹杆后，其破坏分为黄土-竹杆共同支护、黄土-竹杆分离支护、黄土支护3个阶段。在该组试验中，第1阶段黄土竹杆共同作用下试件抗压强度较高，当加载强度超过其极限抗压强度达到1.052 MPa时，试件变形较大，主要因为黄土与竹杆的受力超过极限粘结强度而分离，竹杆的原始空隙与破坏裂隙贯通，使其整体强度下降，下降速度较第1组试验快，存在竹杆对黄土试块二次破坏，该破坏主要发生在第2阶段。当试件进入第3阶段后，其抗压强度逐渐降低，竹杆失效，部分竹杆发生折断现象，试件抗压强度主要由黄土块提供，此时试件抗压强度为破坏后黄土块的残余抗压强度0.5 MPa。整体来看，在试块内加入竹杆后，由于竹杆的二次破坏使其平均抗压强度减小，为1.031 MPa。破坏过程如图2～5所示。

图2 竹杆-土壤分离

图3 竹杆变形折断

编织袋碎屑对试件的影响分析：第3组试验中，向土壤试件中加入编织袋碎屑，加载至2 min左右出现裂隙，继续加压至4 min时，达到极限抗压强度，为2.729 MPa，此时试件表面裂隙发育贯通，平均抗压强度为2.489 MPa，如图5所示。该强度较前2组高，且抗压时间长，支撑效果较好，主要因为编织袋与土壤粘结性较好，添加编织袋碎屑后，试件在破坏过程中内部裂隙的发育受到碎屑约束，其整体强度明显提高，相对于单一黄土试块的抗压强度提高了1.199 MPa。

图4 试件加载破坏过程

图5 第2、3组试件荷载-位移曲线

编织袋对试件的影响分析：第4组试验试件为单一土壤混合物，并在其外部包裹一层编织袋。与第1组试验进行对照，加压后发现该组试件的抗压强度与第1组试件相近，加压至5 min时，达到极限抗压强度1.278 MPa，如图6所示；继续加压，其抗压强度逐渐下降，下降速度较第3组慢，到9 min以后其抗压强度保持在1 MPa左右，为残余强度。与第1组试验对照，在外层包裹的编织袋后主要在加压后期发挥作用，为破坏后松散土块提供整体约束作用，增加了材料内部物质之间的粘结强度，可提高试件30%残余强度，延长试件支撑时间。

图6 第1、4组试件荷载-位移曲线

综合分析：试验结果表明，土壤中的添加物要与土壤充分粘结，粘结效果越好则试件强度越高，若粘结效果不好不仅不能发挥作用，而且会降低试件强度。在土壤中加入竹杆，由于竹杆与土壤粘结力有限，当加载强度超过粘结强度后，竹杆与土块分离，只存在残余摩擦，继续加载后，试件整体性越来越差，竹杆周围残余空隙与发育的裂隙贯通，存在竹杆对试件的二次破坏，使试件抗压强度下降较快。在土壤中加入编织袋碎屑后，由于碎屑是柔性材料并且表面粗糙，与土壤的粘结性较竹杆好，在加载过程中能约束试件内裂隙发育，还能提高试件强度并延长试件抗压时间。

3 结论

(1)黄土-竹杆混合材料极限抗压强度比单一黄土混合物强度低，主要由于2种介质粘结性较低，当加载强度超过粘结强度后，竹杆周围残余空隙与发育的裂隙贯通，降低了试件性能，不能长期提供有效支撑。

(2)黄土-编织袋碎屑混合物中，编织袋是柔性材料并且表面粗糙，2种介质粘结性较竹杆好，加载过程中碎屑能限制裂隙发育，所以试件极限抗压强度比单一土壤试件高1.199 MPa。

(3)柔性材料编织袋包裹后的试件提供约束力，增强内部材料摩擦力，提高残余强度，黄土块试验添加编织袋外套使其残余强度增高了30%。

(4)在探究不同介质的混合材料强度时，应优先考虑2种材料之间相互关系，粘结性越好，则材料强度越高，粘结性较差时，影响材料整体性能。