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不同加筋方式对紫色土壤抗剪强度的影响

2019-12-09 01:59:47 安徽农学通报 2019年21期

朱娅秋 赵畅

摘 要:以紫色土壤为对象,利用三轴仪开展埂坎重塑土剪切试验,采用天然竹材为试验加筋材料,研究不同加筋方式下紫色土壤抗剪强度的影响。结果表明:(1)使用竹筋材料时,不同加筋方式均提高了紫色土壤的抗剪强度;(2)不同加筋方式对2个抗剪强度指标的影响不一样:黏聚力受到加筋方式的影响较为明显,而内摩擦角几乎没有变化;(3)试验中5种加筋类型下,土壤加筋效果不同,分别为圆圈混合型>圆圈平铺型>竹筋竖直型>竹筋混合型>竹筋平铺型,即圆圈混合型加筋效果最好,所有加筋试样的应力—应变形态在4种围压下均为硬化型。

关键词:紫色土;抗剪强度;加筋方式;三轴试验

中图分类号 S157文献标识码 A文章编号 1007-7731(2019)21-0106-04

紫色土主要分布于四川、重庆、云南、贵州等省市,以四川盆地最为集中,面积最大。重庆地区地处四川盆地边缘,坡耕地分布较为广泛。坡耕地地块分界线可控制土壤侵蚀,减少水土流失,维护土壤稳定性,因此,土体抗剪强度作为土壤水土保持性能的重要指标,研究紫色土壤的抗剪强度影响因素有着重要的现实意义。研究表明,不同的土体,不同的加筋材料、布筋位置和层数均会对加筋效果产生显著影响[1]。通过控制含水率和干密度,在经过掺杂纤维材料[2]或者打包带材料[3]在试样土中进行剪切试验研究得出,加入纤维可提高土体抗剪强度,不同的加筋材料结构和数量会对抗剪强度指标c和φ值产生不同影响,加筋层数的增加与加筋土的抗剪强度呈正相关非线性关系。利用三轴压缩试验得知布筋位置会对加筋土的黏聚力产生了较大的影响,不同形状的筋带对加筋土抗剪强度影响大小不一。竹材料加筋方式可以提高土体的整体性[4],且不同尺寸的竹材料加筋土对抗剪强度影响效果有所不同[5]。加筋材料、加筋长度、加筋位置、加筋率等都会对土体抗剪强度产生一定的影响。

因天然竹材自身的特性且分布广泛,方便施工,适合土工应用[6]。同时,加筋土补强机理通过极限平衡和状态理论的准黏聚力和摩擦加筋原理可描述[7-8],基于摩擦加筋原理,便可用弯曲机理和交织机理解释竹条加筋的补强机理[9],即竹签作为加筋材料具有科学性。本研究利用三轴剪切试验,以紫色土壤为对象,利用竹材作为加筋材料,分析不同加筋方式对埂坎土壤抗剪性能的影响,得出埂坎抗剪性能最佳的加筋方式。

1 材料与方法

1.1 试验材料 试验所用紫色土壤取自重庆市忠县境内,根据三轴试验要求,通过2mm筛后封闭储存于样品袋内。试验用加筋竹材料采自重庆师范大学校园。试验采用全自动三轴仪(TSZ-1)。试验设备要求土样直径39.1mm,试样截面积12cm2,高度80mm。制备样土工具有:样土模具,盛土容器,喷壶,小刀,保鲜膜,搅拌棒。

1.2 试验方法

1.2.1 材料处理 本试验共计设置6组,同一组4个,故进行24个三轴剪切试验。设置一个参照组,不添加竹筋,即为素土型;其余为5个不同的竹子加筋方式,分别是竹筋平铺型,竹筋混合型,竹筋竖直型,圆圈平铺型,圆圈混合型。试验土方面,据野外研究得出,将样品土壤最佳含水率控制在21%左右,试验土壤干密度定为1.6g/cm3,三轴试验仪器规格要求计算得出每组称取试样土于容器中,使用小喷壶均匀喷洒到土壤间,立即用保鲜膜封闭,等待24h后浸润搅拌均匀后可使用模具进行制样。加筋材料方面,将选取的天然竹材处理为直径2mm大小均匀的条状竹材,根据加筋方式的需要再将竹条分批为两类,一类是将其剪切为2cm长度的短小筋条;另一类是将长度6~8cm的竹条绕转为直径为1cm的圆圈状竹筋。根据研究得知,竹条加筋质量百分比为0.8%时,紫色土抗剪强度最佳,故每组试验均称取固定量竹子加筋材料。

1.2.2 样品制作方法 试验样品土制作分5层击实操作,统一采用击实锤将每层击实到相同高度,从而控制试样土的击实度。每组试验中,样土和竹筋质量相等,加筋位置,竹筋放置方式以及竹筋形态有所不同。其中,竹筋平铺型是指将固定量的加筋竹条材料分为4份,在将土样分层击实的时候,刨毛处理完毕就以水平均匀放置的方式加入一份竹筋于土样容器中;竹筋混合型是指将定量的竹条材料先与紫色土壤样土在试验盆中搅拌均匀,后采用分层击实地方式制定试样;竹筋竖直型是指该固定量下的竹条材料分为4份后,在分层击实制作样土时,以竖立垂直的方式插入刨毛土壤中,制备出样土;圆圈平铺型是指将固定量的圆圈状竹筋均分为4份后,以横向平铺的方式加入样土中,进行分层击实制样;圆圈混合型是指将固定量的圆圈竹筋与定量埂坎试样土搅拌混合,通过分层击实的方式加入模具进行制样。图1a~f为本次5组试验竹筋材料于圆柱体土壤模型中的放置情况横截面图。

1.2.3 样品测量 采用不固结不排水法(UU)进行三轴剪切试验,测定每组试样土壤主应力差随轴向应力增加而不断改变的过程。依据《土工试验方法标准》(GB/T50123-1999),在轴向应变设定为20%时,土样应力—应变曲线无峰值,则取轴向应变为15%时对应的剪切峰值作为土样抗剪强度。每1组试样类型分别采用100kPa、200kPa、300kPa和400kPa进行测定,剪切应变速率为0.8mm/min。试验数据采集通过试验仪器配套的土工试验自动采集,系统处理后输出到电脑终端。

1.3 数据分析方法 利用5种加筋方式下土壤的极限主应力差对比素土型主应力差,得到各個对比增量百分比数值;分别用应力-应变曲线表示5组试样的应变情况,参照素土型进行对比分析各个类型的抗剪强度以及应力—应变形态。

2 结果与分析

2.1 不同加筋方式对紫色土壤抗剪强度的影响 如图2所示,加筋土壤黏聚力均高于素土,同等条件下,素土的黏聚力为61.05kPa。5种加筋方式下的土壤黏聚力从小到大依次为:竹筋平铺(66.42kPa)、竹筋混合(72.07kPa)、竹筋竖直(81.48kPa)、圆圈平铺(91.5kPa)、圆圈混合(105.44kPa)。其中,圆圈混合型黏聚力最大,是素土的1.73倍。对于抗剪强度指标内摩擦角,不同加筋方式下变化影响较小,变化范围小,无明显规律,由左到右依次是:竹筋平铺(16.19°)、竹筋混合(16.66°)、竹筋竖直(16.4°)、圆圈平铺(15.08°)、圆圈混合(14.96°)。素土的内摩擦角是14.15°,加入竹条的埂坎土壤的内摩擦角较素土均有略微增加。不同加筋方式下的竹材加筋埂坎土壤黏聚力和内摩擦角相对于素土均有所提高,但黏聚力增长较大,内摩擦角增加较小。且由于不同加筋方式下竹材弯曲程度以及混合布筋形式不同,导致产生了不同的加筋抗剪强度效果。

2.2 不同加筋方式对紫色土壤极限主应力差的影响 如表1所示,相同围压下的极限主应力加筋土均大于素土;在5组加筋试验中,极限主应力差的增量呈现逐渐增加的趋势,且将增量相比较而言,竹筋平铺型<竹筋混合型<竹筋竖直型<圆圈平铺型<圆圈混合型。在圆圈混合型加筋下,极限主应力差增量提升最大,即该类型加筋土抗剪强度达到最大值。在同一加筋方式下,随着围压的增加,土壤极限主应力差逐渐增加,但是与素土的相对增量值呈现出递减的趋势。本次试验中,最小增量值为围压下的竹筋平铺型,增量相对素土达到12.62%;最大增量值为围压下的圆圈混合型,增量相对素土达54.98%,两者相差42.36%,即不同围压、不同加筋方式下,竹筋土壤极限主应力差差距很大,加筋效果具有显著的差别。

2.3 不同加筋方式的紫色土壤应力-应变特征 图3a~3f为不同加筋方式下的紫色土壤在4种围压下的应力—应变关系曲线。从图3a可知,素土型在围压100kPa、200kPa、300kPa、400kPa下,主应力差呈现上升的趋势,直至破坏,故素土应力—应变形态为硬化型。图3b为竹筋平铺型在围压100kPa时,主应力差随轴向应变的增加逐渐缓和,直至破坏,应力—应变形态为弱硬化型;在围压300kPa和400kPa時,竹筋平铺型主应力差随轴向应变增加而增加,曲线呈现硬化型;在围压200kPa下,关系曲线中有明显的峰值点,即抗剪强度达到峰值后逐渐降低然后趋于平稳,呈现弱硬化型。图3c竹筋混合型在围压100kPa时,应力—应变曲线中有明显的峰值点,主应力差随轴向应变提升到峰值点后,逐渐趋于平缓状态,呈软化型。在围压200kPa、300kPa和400kPa时,主应力差随轴向应变的增加而不断增大,直至破坏,该应力—应变形态为硬化型。图3d竹筋竖直型在围压100kPa时,主应力差提升到一定水平后,逐渐趋于平稳,呈弱硬化型。在围压200kPa时,主应力差逐渐提升,后增长速度减慢,直至破坏,呈现弱硬化型。在围压300kPa和400kPa时,主应力差随轴向应变平滑上升直到破坏,呈硬化型。图3e圆圈平铺型在围压100kPa时,应力—应变曲线中有明显的峰值点,主应力差提升到峰值点后,趋于平缓状态,曲线呈弱硬化型。在围压200kPa、300kPa和400kPa时,主应力差呈上升趋势至破坏,该应力—应变形态为硬化型。图3f圆圈混合型在围压100kPa、200kPa、300kPa和400kPa时,主应力差上升至峰值点后,趋于平稳状态,且主应力差峰值随围压的增加亦逐渐加大,此类型加筋土应力—应变形态呈硬化型。

3 讨论

3.1 加筋方式对紫色土壤抗剪强度的作用 5种不同加筋方式下的土壤对比素土型试验土,其黏聚力和内摩擦角均得到了不同程度的增加,其中,黏聚力增幅较大,增幅最高的是圆圈混合型,相对于素土增加44.39kPa;内摩擦角变化无明显规律,且变化微小。因土壤的内摩擦角大小与埂坎土壤本身的颗粒组成,颗粒大小,密实度等因素有关,因此加入竹筋材料并没有对紫色土壤内摩擦角产生较大改变,即不同加筋方式对土壤的内摩擦角影响较小。对黏聚力而言,在三轴剪切试验中,因试样的主应力会随着轴向应变的增大而不断发生改变,土体原有的排列结构改变,土壤颗粒发生移动,加入竹筋材料后,竹筋与土壤之间相互作用,竹筋的抗拉性能和土壤的抗压性能使得竹筋承担了一部分剪切力,竹筋可阻碍土壤颗粒的移动,即加竹筋后的土壤抗剪强度提升。

对于本次试验当中5组不同加筋方式对土体抗剪强度而言,按由小到大的顺序分析可知,竹筋平铺黏聚力提升最小,逐渐增大依次排序是竹筋混合,竹筋竖直,圆圈平铺,另提升最大的是圆圈混合。竹筋平铺型是将2mm短小竹条水平方向均匀放置在土体内,竹筋放置方向与轴向应变压力垂直,受到所受轴向压力不断增加时,竹筋所受变形少,与土体的接触摩擦面积少,能为土体承受的部分压力最少;竹筋混合型是短小竹条与土体均匀混合状态,竹筋与土体之间存在各个不同大小的角度,即当受到围压时,竹筋将承受来自各个方向的压力,竹筋可为土体承担的压力较大;竹筋竖直型是将短小竹条按竖直方向均匀插入土体内,竹筋放置方向与轴向应变压力平行,受到轴向应变压力增加时,竹筋所受变形大,与土体的摩擦面积增大,为土体承受的压力值大;圆圈平铺型是大小不同(直径均小于15mm)的圆圈状竹条按水平方向均匀放置在土体内,因圆圈状竹条比普通短小竹条抗拉性能更优,受到挤压后与土体摩擦面积大,故该加筋方式能为土体承受的压力很大,圆圈混合型受到挤压后,圆圈状竹筋与土体接触摩擦面积更大,故使得圆圈混合型是黏聚力增长最多的加筋方式。

3.2 紫色土壤应力-应变特征 根据三轴试验结果可知,素土型试样的应力—应变形态在4种围压下均为硬化型;5组加筋方式在不同围压下对应的轴向应变—应力曲线特征有所不同,仅圆圈混合型在4种围压状态下的应力—应变特征均有一定的峰值抗剪强度,呈现弱硬化型;其余4种加筋类型在4种围压下形态有所不同。因圆圈混合型加筋土是将圆圈状竹筋条均匀混入埂坎土壤中,首先,圆圈状竹条对比普通短小竹条会更加具有韧性,就其加筋材料而言,圆圈状增强了竹筋的抗拉性能;其次,采用均匀混合埂坎土壤的方式,使得土体内部竹筋与土壤接触摩擦面积更大,进而黏聚力增加,土体抗剪强度得到提升。由竹材加筋土的补强机理可知,圆圈混合型加筋土不仅是因为竹筋与土壤相互间的摩擦阻力或咬合力增强了黏聚力,且圆圈混合型容易在围压状态下产生挤压,形成竹材加筋网,能够对土体空间产生约束作用,属于体积补强,而圆圈混合型加筋方式的抗剪强度效果最佳。

4 结论

(1)竹筋具有抗拉性能,是作为天然加筋材料的良好材料。不同加筋方式均提高了紫色土壤抗剪强度。

(2)不同加筋方式下,紫色土壤的加筋效果不同,对应抗剪强度也不同,其中加筋方式对2个抗剪强度指标的影响也不一样:黏聚力受到加筋方式影响较为明显,而内摩擦角几乎没有变化。

(3)控制其他变量,对比本试验5种不同的加筋方式得知抗剪强度也不同:圆圈混合型>圆圈平铺型>竹筋竖直型>竹筋混合型>竹筋平铺型,即得圆圈混合型加筋效果最好,其应力—应变形态为在4种围压下均为硬化型。

参考文献

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[9]张艳美,张旭东,张鸿儒.土工合成纤维土补强机理试验研究及工程应用[J].岩土力学,2005,26(8):1323-1326.

(责编:张宏民)

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