秸秆是中国重要的农作物副产品之一,每年产量高达9亿t左右,约占全球秸秆资源总量的五分之一。每年至少存在30%的秸秆被焚烧或任其腐烂
[1-2],这不仅增加碳、氮、硫等元素的排放导致空气污染,还造成了资源浪费和经济损失
[3]。因此如何对秸秆资源进行合理利用是一个值得研究的课题。
当前,将秸秆等天然植物纤维应用于土木工程行业的研究已有一定进展。李丽华等
[3]研究了稻秸秆加筋土的无侧限抗压强度、水稳定性和植生性能。结果表明,随秸秆加入以及掺量增加,加筋土抗压强度呈现先增加再减小的变化趋势,最佳掺量为0.3%;加筋土崩解速率、崩解量减小,崩解时间变长,水稳性显著提高;加筋土植物发芽率、生长高度和覆盖率也均显著提高。Qu等
[4]开展了掺入麦秸秆纤维上海黏性土的直剪试验,结果表明加筋土的抗剪强度随纤维长度、加筋率的增大而增大,竖向应力较大时具有更显著的加筋作用,且存在最优加筋率和最优纤维长度。Jiang等
[5]通过固结不排水三轴压缩试验,研究了随机分布的椰壳纤维对不同纤维含量的红黏土偏应力和抗剪强度指标的影响,发现红黏土的黏聚力随着纤维掺量的增加先增大后减小,内摩擦角随纤维含量的增加变化不大,最佳掺量为0.3%。刘俊霞等
[6]将黄麻和秸秆改性后的黄麻纤维掺入生土材料中,发现当掺入含量为0.8%~1.2%的生土材料后耐水性和力学性能均得到显著提高。范军等
[7]将小麦秸秆制作成块放入纤维混凝土空心砌块得到秸秆混凝土砌块,并开展了强度试验和保温性能试验,发现纤维混凝土的受力特性得到了显著改善,且传热系数较纤维混凝土砌块下降了31.2%。曾哲等
[8]通过SEM(scanning electron microscope)观察了掺入0.2%油菜秸秆纤维的混凝土,发现纤维与混凝土接触密实,纤维填充了混凝土内部有害孔隙,无纤维结团现象,纤维上水泥浆体均匀分布,表现出良好的黏结力。牛雷等
[9]将玉米秸秆纤维掺入黄土中,通过无侧限抗压实验证实玉米秸秆纤维与玄武岩纤维加筋水泥土规律相似,试样强度均呈现先增大后减小的特点。Chen等
[10]通过静冲击载荷试验和SEM分析,发现玻璃纤维与玄武岩纤维均可以增强花岗岩残积土的力学性能,但在最佳掺量和最佳长度下,玻璃纤维的增强性能优于玄武岩纤维。
可知,秸秆纤维已经被证实能够有效改善土木工程材料的力学性能,但同时也应注意到,秸秆的来源具有广泛性,有水稻
[3-4]、小麦
[7]、油菜
[8]、棉花
[11]、玉米
[9-12]等,不同秸秆来源特征差异显著;被加筋的土木工程材料也包括混凝土、生态基材混合物、土体等,尤其是土体,已被用于开展试验研究的土体种类有黏性土
[4]、吹填土
[11]、粉土
[12]、盐渍土
[13]、风积沙土
[14]、黄绵土
[15]等。不同材料掺入不同类型的秸秆纤维,其配比和效果往往具有个性,都需开展针对性的研究。花岗岩残积土在中国东南部沿海地区(如广东、福建等地)分布广泛
[16],因其黏聚力低,遇水易软化、崩解的特性,工程建设中形成的裸露花岗岩残积土边坡在连续强降雨下极易产生崩岗侵蚀,造成大量水土流失,甚至引发滑坡和泥石流等自然灾害
[17]。为此,现开展水稻秸秆纤维改良花岗岩残积土的试验研究,开展不同纤维长度以及掺量下加筋花岗岩残积土的直剪试验,研究其抗剪强度、黏聚力和内摩擦角的变化规律,以期为秸秆纤维改良残积土在实际工程中的应用提供依据。
1 试验设计
1.1 试验材料
试验用土取自广州市白云区仲恺农业工程学院白云小区实验楼01栋附近山坡,取土时先利用挖掘机刨去表层土,然后使用取土器在山坡5个不同位置取地表以下30 cm深度处的天然土。现场测定花岗岩残积土天然含水率和天然密度,并取平均值作为室内重塑试样制备的相应控制标准。根据《土工试验方法标准》测定试验土样的粒度分布和基本物理力学指标,分别如
表1和
表2所示,其中力学指标由小尺寸原状样直剪试验获得(非饱和)。
试验所用秸秆纤维来源于南方地区水稻秸秆。先使用粉碎机将水稻秸秆粉碎,而后去除明显大于目标长度的纤维,再过1 mm筛网筛除秸秆粉末后得到最终的秸秆纤维试样。现设定3个纤维目标长度定值和一种目标区间,分别为10、20、30、20~50 mm(
图1)。由于纤维加工很难保证长度的均匀性,故试验前尚需对纤维长度进行随机抽样检测,以确定是否满足预设值。抽样检测每次取总质量的0.05%,针对每个样品抽取十次。对于目标长度为10 mm的纤维样本,其在目标长度±3 mm内的纤维质量占比达到94.65%,认为符合设定目标长度要求。目标区间为20~50 mm纤维样本,其区间内的纤维质量占比约为90%,符合正态分布规律,也认为基本满足要求。
1.2 试验工况
试验试样有两种尺寸,小尺寸(
ϕ61.8 mm×20 mm)试样进行进饱和固结快剪试验;考虑到小尺寸直剪试验土料需过2 mm筛,但根据粒径分布可知,该土样5~2 mm的土颗粒占比近30%,因而小尺寸直剪试验结果有可能不能真实反映土样的实际特性,故另进行大尺寸直剪试验(300 mm×300 mm×200 mm)。为模拟边坡浅层土的水土环境和受力特点,大尺寸直剪试验类型为低应力状态下的非饱和土固结快剪试验。两类试验的工况参数如
表3所示,每个工况进行3次平行试验,当3个试验结果的变异系数大于10%时,则去掉偏离大的值,取剩余两个结果的平均值,变异系数小于10%,则取3个结果的平均值。
1.3 试样制备
将花岗岩残积土料风干、碾碎,而后小尺寸试样过2 mm筛,大尺寸试样过5 mm筛;根据试验工况计算制备小、大尺寸纤维土试样所需花岗岩残积土的质量、需加水的质量以及秸秆纤维质量;制备小尺寸试样时先将花岗岩残积土、水、秸秆纤维混合均匀后焖料24 h。将制备好的土料倒入环刀压样器,千斤顶压实后按4个试样一组用叠式饱和器固定,随后放入全自动真空饱和缸进行抽真空饱和,饱和完成后浸润24 h,得到小尺寸试样。制备大尺寸试样时先在平整光滑的地面上铺一层不透水薄膜,整平后将土壤剪切仪放置在不透水膜上保持两者紧密贴合;将制备好的土料分三层压实填筑,层间刮毛以减小试样的分层性,而后静置24 h得到大尺寸试样。
1.4 试验方法
试验分固结和剪切两个阶段。固结阶段,将制备好的小、大试样分别放入Z-J型应变控制四联直剪仪与WD-20KA(J)大型土壤剪切仪内,随后施加竖向应力,当固结垂直变形分别达到每1 h不大于0.005 mm以及0.03 mm时认为固结变形稳定。在剪切阶段,小尺寸直剪试验的剪切速度设置为0.8 mm/min,当测力计百分表读数不变或后退时时停止,记下破坏值;若无峰值,则剪切至剪切位移达6 mm时停止。大尺寸直剪试验剪切以每分钟试样边长1.2%~1.8%的剪切速率摇动手动油泵进行,使试样在5~10 min内剪切破坏,破坏定义为剪切应力的读数达到稳定或显著下降,若未出现该现象则剪切至变形量达到60 mm或达到试样边长的1/10为止。
2 小尺寸试样试验结果与分析
2.1 纤维长度和掺量对抗剪强度的影响
不同纤维长度(1、2、3 cm)下试样抗剪强度随纤维掺量变化曲线如
图2所示。总体上,在不同竖向应力下,试样抗剪强度都随秸秆纤维掺量的增加而增大,且纤维长度越长,抗剪强度一般也越高。当竖向应力为50 kPa时,秸秆纤维掺量由0增加到5%,抗剪强度由9.8 kPa增大到平均约15.4 kPa,增大比例约为57%,抗剪强度与竖向应力比值的平均值则由约0.20增大到0.31。同等情况下,当竖向应力分别为100、200、400 kPa时,抗剪强度增大比例分别约为20%、16%和8%,抗剪强度与竖向应力比值平均值则分别由0.22、0.21和0.19增大到分别为0.26、0.24和0.21。上述规律说明纤维的掺入在低应力水平下能较大幅度提升试样的抗剪强度,但随着竖向应力的增大,其效果是逐渐减小的,抗剪强度与竖向应力的比值则趋于0.2。
2.2 纤维指标对强度指标的影响
试样黏聚力和内摩擦角受纤维掺量变化影响如
图3所示。不同纤维长度下,纤维掺量对两个指标影响的规律一致。黏聚力随纤维掺量的增加而增大,内摩擦角的大小则几乎不受其影响。当秸秆掺量从0增加到5%,黏聚力值由2.2 kPa增大平均值约7.2 kPa,内摩擦较则仅有10.6°变化到平均约10.8°。试样黏聚力和内摩擦角受纤维长度变化影响如
图4所示。不同纤维掺量下,纤维长度对两个指标影响的规律也几乎一致。黏聚力随纤维掺量的增加而增大,内摩擦角的大小则几乎不受其影响。纤维长度相同时,纤维掺量越高,黏聚力值越大。当秸秆长度从1 cm增加到3 cm,黏聚力值由3.7 kPa增大平均值约5.5 kPa。但不同纤维长度对黏聚力的影响规律并无明显差异,但纤维掺量超过4%后,其增长速率似有放缓迹象。
综合分析,秸秆纤维是一种具有较好的抗拉性能的柔性材料,其提高花岗岩残积土抗剪强度的机制主要是靠其与土颗粒间的摩擦,间接对土颗粒的位移变形起到了一个约束作用,从而增强其抵抗变形的能力,因其本身不能承受剪切作用,故其作用基本通过提高黏聚力体现出来。秸秆纤维根据其在土体中的空间分布形态大致可分为充分加筋、部分加筋以及无效加筋纤维三类,如
图5所示。其中充分加筋纤维是指秸秆纤维贯穿剪切面且纤维整体与剪切面夹角大于60°的纤维,部分加筋纤维是指贯穿剪切面且纤维整体与剪切面夹角在10°~60°的纤维,无效加筋纤维是指未穿过剪切面或穿过剪切面但其与剪切面的夹角小于10°的纤维。当秸秆纤维掺量增大,充分加筋纤维与部分加筋纤维增大,网状结构逐渐致密,起到约束作用的纤维量增加。但由于秸秆纤维密度小、体积大,当纤维掺量继续增加到一定值后,纤维与土的接触面积减少,与自身的接触面积增大,无效加筋纤维易团聚,造成土体内部空隙增大,削弱充分加筋纤维与部分加筋纤维的加筋效果,如
图6所示。此外,当剪切位移超过1 cm后,小尺寸试样几乎都已破坏,表明纤维在其长度范围内对土颗粒的约束效应已充分发挥,单纯增大纤维掺量来提高土体力学指标的效果已不再显著。
3 大尺寸试样试验结果与分析
大尺寸直剪试验类型为低应力状态下的非饱和土固结快剪试验。大尺寸秸秆纤维加筋花岗岩残积土如
图7所示。
3.1 不同竖向应力下应力应变曲线变化规律
相同秸秆纤维掺量,不同竖向应力(5、10、15、20 kPa)下剪应力-剪切位移试验结果曲线如
图8所示。不同工况下的曲线形态均表现为硬化型,即在试验范围内,剪应力随剪切位移的增加一直增大;同时还表现出两阶段特征,大致以1 mm剪切位移为界,曲线分为初始的快速增长段和后续的缓速增长段。秸秆纤维掺量相同时,各竖向应力下的剪应力值只有在剪切位移足够大后才有较显著差异,当剪切位移小于10 mm时,则相差不大。当秸秆纤维掺量为0.5%,10 mm剪切位移下对应20 kPa竖向应力的剪应力仅比5 kPa时的值高约11%,而当剪切位移达到30 mm时,则高出达43%。掺量为1.5%时,两个比例分别为2.6%和36%,说明该土样在小压力范围内的抗剪强度差异并不大。
3.2 不同纤维掺量下应力应变曲线变化规律
相同竖向应力,不同纤维掺量(0、0.5%、1.0%、1.5%)下剪应力-剪切位移的代表性试验结果曲线如
图9所示。对应相同的剪切位移,试样的剪应力均随秸秆纤维掺量的增加而增大。当竖向应力为10 kPa、剪切位移10 mm时,对应纤维掺量0、0.5%、1.0%、1.5%的剪应力值分别为12.6、22.8、24.8、27.7 kPa。纤维掺量从0到0.5%,剪应力值增大了约81%,而提高到1.5%后,则增大了约120%。对应竖向应力为15 kPa时,上述两个增大比例分别约为44%和89.8%;对应竖向应力为20 kPa时,则分别约为47.8%和83.2%。这说明少量的纤维掺入即能较大幅度提高土体的抗剪能力,且竖向应力越小效果越明显。不同竖向应力下,当纤维掺量从0.5%提高到1.5%后,剪应力增大比例均约为40%,较为稳定。
3.3 抗剪强度指标与秸秆纤维掺量关系
如
图10所示为根据大直径直剪试验结果提取的秸秆纤维加筋花岗岩残积土抗剪强度指标随纤维掺量的变化曲线。可以看出,和小试样结果类似,纤维掺量对提高土体黏聚力值的效果显著,但对内摩擦角几乎没有影响。当纤维掺量从0增加到1.5%,黏聚力值由11.7 kPa增大为24.8 kPa,增大了约112%,但增长速率则是先快后缓,掺量到0.5%时该值就已经增大了80.7%。对比饱和小尺寸试样的结果,非饱和大尺寸试样的力学指标明显要大。未掺入秸秆纤维时,前者黏聚力和内摩擦角分别是2.2 kPa和10.6°,后者则分别为11.7 kPa和28.5°,分别是前者的5.3和2.7倍;小尺寸样纤维长度3 cm、掺量为1%时,黏聚力和内摩擦角分别是4.0 kPa和10.6°,大尺寸样1.5%掺量时,两者分别为22.8 kPa和30.7°,分别是前者的5.7和2.9倍,这主要是受含水量和粗颗粒含量影响的原因。
4 讨论
为进一步研究秸秆纤维对花岗岩残积土的性能影响,下面进行稻秸秆纤维加筋不同类型土体和不同纤维加筋花岗岩残积土的试验数据对比,如
表4所示。由于本文试验小尺寸试样不能反映原状土的真实级配,故对比只选取大尺寸试验结果进行。抗剪强度指标随纤维掺量的变化如
图11所示。当采用稻秸秆纤维加筋不同类型土体时(盐渍土
[18]、粉质黏土
[19]、本文花岗岩残积土),内摩擦角均随纤维掺量的增加先增大而后趋缓或略有减小,但总体上变化幅度不大。黏聚力随纤维掺量的变化规律则有显著差异,前两者均呈现明显的峰值特征,先大幅增大,超过最佳掺量值后又大幅降低。但本文试验的加筋花岗岩残积土,黏聚力则呈现先增大后趋缓的规律。分析表明:当加入水稻秸秆纤维后,由于纤维与土颗粒间的摩擦要强于土颗粒之间的,故内摩擦角得以增大。但当纤维掺量增大到一定程度后,纤维在土体内部出现团聚,呈束状分布,不能再保证纤维与土颗粒进行有效接触,摩擦将有部分发生在纤维之间,而非纤维与土颗粒之间,故导致内摩擦角不增反降
[20-21]。但由于纤维与土之间和土颗粒之间的摩擦性能相差并不十分显著,故纤维加筋土内摩擦角总体上变化不大。再者,由于纤维可在土体中形成三维网状结构,阻碍破坏面的形成。故掺入少量纤维时,三者黏聚力均得到增加。但纤维掺量过大时,前两者由于纤维的交织和聚集作用,纤维与土颗粒不能够充分接触,因此部分纤维不能发挥作用,在一定程度上会削弱其他纤维对土体黏聚力的提升效果,使加筋土的黏聚力降低
[19,21]。但本文中稻秸秆纤维尺寸较短,纤维团聚的影响小于纤维掺入对土体锚固的影响,故黏聚力增长随纤维掺量增加趋于平缓。当不同纤维加筋花岗岩残积土时(玄武岩纤维
[22]、本文中稻秸秆纤维),本文中稻秸秆纤维加筋花岗岩残积土和王志兵等
[22]试验中玄武岩纤维加筋花岗岩残积土得到的试样内摩擦角规律相同,均随着纤维掺量的增加而增大后略有减小。但王志兵等
[22]试验中得到的试样其黏聚力相对于本文试验中变化存在差异,前者呈现先增大至峰值后趋于下降的规律,主要原因也是由于纤维掺量过高导致纤维产生团聚现象。
5 结论
基于大、小尺寸直剪试验开展了稻秸秆纤维加筋花岗岩残积土强度特性研究,通过改变稻秸秆纤维长度与掺量等因素,研究在不同尺寸下稻秸秆纤维加筋花岗岩的抗剪强度、内摩擦角和黏聚力的变化规律得出以下结论。
(1)在不同竖向应力作用下,采用不同长度级配不完整且尺寸小于2 mm的土颗粒的小尺寸饱和稻秸秆纤维加筋花岗岩残积土试样其抗剪强度随着稻秸秆纤维掺量的增加而增大,纤维长度越长抗剪强度越高,竖向应力越小增大越显著。
(2)不同纤维长度下,纤维掺量对两个强度指标影响的规律一致。黏聚力随纤维掺量的增加而增大,内摩擦角的大小则几乎不受其影响。而在不同纤维掺量下,纤维长度对两个指标影响的规律也几乎一致。纤维长度相同时,纤维掺量越高,黏聚力值越大。但纤维掺量过大时会出现无效加筋纤维团聚导致抗剪强度降低。
(3)级配完整土颗粒的大尺寸非饱和与级配不完整且颗粒尺寸小于2 mm的土颗粒的小尺寸饱和稻秸秆纤维加筋花岗岩残积土试样其抗剪强度指标随纤维掺量变化规律相似,但同等情况下,前者的强度指标值要明显大于后者。
PDF
(9318KB)
