加筋率對稻秸稈加筋土開裂特性的試驗研究

王桂堯，沙琳川，曹文貴，張永杰，唐前松

(1. 長沙理工大學土木與建筑學院，湖南 長沙 410114；2.湖南大學巖土工程研究所， 湖南 長沙 410082；3.湖南省高速公路管理局，湖南 長沙 410008)

加筋率對稻秸稈加筋土開裂特性的試驗研究

王桂堯1，沙琳川1，曹文貴2，張永杰1，唐前松3

(1. 長沙理工大學土木與建筑學院，湖南 長沙 410114；2.湖南大學巖土工程研究所， 湖南 長沙 410082；3.湖南省高速公路管理局，湖南 長沙 410008)

針對花崗巖殘積土邊坡生態(tài)防護采用的稻秸稈加筋土，通過室溫與模擬日照條件下的加筋土開裂試驗研究稻秸稈加筋率對土體開裂性能的影響規(guī)律，結果表明：室溫條件下稻秸稈加筋率為0.3%，0.4%和0.5%的試樣均未發(fā)生開裂；模擬日照條件下加筋土試樣開裂過程按裂縫寬度發(fā)展速度可分為緩慢發(fā)展Ⅰ、快速發(fā)展Ⅱ、緩慢發(fā)展Ⅲ和穩(wěn)定發(fā)展Ⅳ4個階段，快速發(fā)展階段加筋率0%，0.4%，0.5%的試樣均完成70%以上的裂縫開裂寬度，加筋土樣含水率呈現(xiàn)出快—慢—快—慢的變化過程，而裂縫寬度呈現(xiàn)快—慢—穩(wěn)定的變化過程，稻秸稈對試樣具有保濕作用，但加筋率過多會導致土樣中的空隙增大，為水分蒸發(fā)提供通道；稻秸稈加筋土開裂的界限加筋率應為0.3%，其結果可為稻秸稈加筋土生態(tài)防護設計提供借鑒。

稻秸稈加筋土；開裂試驗；加筋率；含水率；裂縫寬度

南方地區(qū)雨季存在極端、長時間持續(xù)強降雨，對開挖后未及時防護或防護效果不理想的花崗巖殘積土邊坡會產生較大影響，使坡面容易形成沖溝或表層滑動、坍塌，為減少植被成型前降雨對坡面或客土噴播層的沖刷程度，有必要增強邊坡生態(tài)防護措施的抗沖刷性能，提高邊坡生態(tài)防護效果。為此不同學者提出了不同的邊坡生態(tài)防護方法，如：短管式防護、竹片式防護[1]、CF網防護[2～4]和草繩網護坡[5]等，為有效增強客土噴播層的抗沖刷性能，同時兼顧經濟、環(huán)保，可采用植物秸稈加筋土與客土噴播相結合的方法對開挖后的邊坡進行生態(tài)防護，以防止強降雨對坡面沖刷而影響生態(tài)防護效果。

對于加筋土，工程上常用于改良土體性質，商擁輝等[6]采用高強玻纖格柵加固季節(jié)性低溫區(qū)高速鐵路的軟基，并證明其優(yōu)越性，賀煒等[7]采用土工格柵防治路基下部巖溶塌陷，陳輪等[8]、唐朝生等[9]采用聚丙乙烯纖維作為加筋材料以提高土體的抗裂性能，但上述加筋材料為高分子化合物，用于邊坡防護對生態(tài)環(huán)境不利，有必要研究植物纖維加筋土。璩繼立等[10]提出采用棕櫚加筋作為加固上海黏土的一種有效方法，錢葉林等[11]采用黃麻纖維對膨脹土進行加筋處理，魏麗等[12]、柴壽喜等[13]采用麥秸稈改良濱海鹽漬土，并探討了麥秸稈的布筋位置與截面形狀對土體強度的影響規(guī)律，石茜[14]通過試驗得出稻秸稈對鹽漬土的加筋效果優(yōu)于麥秸稈的加筋效果，盧浩[15]采用麥秸稈與土混合所形成的草泥防護層進行邊坡生態(tài)防護。結合南方地區(qū)大面積種植水稻的情況，一些學者提出采用稻秸稈加筋土進行南方花崗巖殘積土邊坡生態(tài)防護，但稻秸稈加筋土受含水量的影響會產生開裂，裂縫的產生不但影響加筋土強度與穩(wěn)定性[16]，而且還影響加筋土的滲透性與水力學特性[17～18]，將極大削弱邊坡生態(tài)防護效果。因此，將稻秸稈加筋土應用于實際工程前應系統(tǒng)研究其不同工況下的抗裂性能。本文通過室溫與模擬日照條件下的加筋土開裂試驗，深入研究稻秸稈加筋率對土體開裂性能的影響規(guī)律以及其與土體的相互作用，以期為工程設計提供參考。

1 試驗設計

為了獲得稻秸稈加筋土防護層的最優(yōu)稻秸稈摻和比例和最優(yōu)的含水率，本文進行了室溫條件下的干燥開裂試驗和模擬日照條件下的開裂試驗。

1.1試驗材料

本次試驗土取自長沙市天心區(qū)某施工地點，其基本物理性質如表1所示。

表1 試驗土樣的基本參數(shù)

試驗所用的稻秸稈為農田中收割去除根部和外殼的稻秸稈，按稻秸稈的直徑不同將其分為4個等級：粗稈、中粗稈、中細稈、細稈，其中粗稈的直徑范圍為4.3～5.8 mm、中粗稈3.4～4.2 mm、中細稈2.2～3.3 mm和細稈1.4～2.1 mm(圖1)。稻秸桿在制取時同時去掉稻秸稈頂部與莖葉后，再按每段3 cm截取稻秸稈，最后將獲得稻秸稈混合均勻，并放入干燥處。隨機抽取混合后的稻秸稈20 g，將稻秸稈按上述分類挑選出來，其中粗稈質量為5.68 g約占總質量28.4%、中粗稈質量為4.86 g約占總質量的24.3%、中細稈質量為3 g約占總質量的15.0%和細稈質量約為6.46 g約占總質量的32.3%。開裂試驗中所用稻秸稈是按此比例分布進行制備。

圖1 試驗稻秸稈示意圖Fig.1 Schematic diagram of the rice straw

1.2開裂試驗方案

試驗所用試樣的具體制備操作步驟如下：

①將制作試樣所需土和稻秸稈的2倍材料用量等分為9份。

②將1份干燥的土與稻秸稈倒入拌土槽中，拌合均勻后再加特定含水率所需水進行攪拌，拌合至無結塊時，再將下一份土與稻秸稈加入拌土槽中進行攪拌，重復操作直至9份土與稻秸稈均拌合完成。

③將按上述步驟拌合好的土樣，用塑料布密封后，再用不透光的雨布進行覆蓋，悶樣24 h后開始試驗。

稻秸稈加筋土開裂試驗測量方法如下：

①干燥過程中實時觀察試樣，并每隔3 h對試樣拍照1次，試驗觀測時間為每天早晨6點至晚上6點。

②試驗采用塞尺對裂縫寬度進行測量，并對裂縫測試位置進行標記，確保每次測量均為同一位置。

③若試樣裂縫開裂至試驗盒底部則停止測量，視為破壞；當裂縫寬度大于10 mm且48 h無變化則認為試驗完成。

2 開裂試驗結果

2.1室溫條件下干燥開裂試驗

根據李陳才等[19]的研究成果，分別取稻秸稈的質量加筋率(稻秸稈質量/干土質量)為0%，0.1%，0.2%，0.3%，0.4%和0.5%進行試驗，同時結合邊坡生態(tài)防護客土噴播施工工藝特點，稻秸稈的長度取3 cm。試驗裝置采用42 cm×35 cm×10 cm的泡沫盒，將試樣放置于頂部有太陽板的實驗棚下，進行無雨水與太陽暴曬條件下的加筋土自然開裂模擬試驗。試樣每隔3 h觀察1次，當出現(xiàn)裂縫時增加觀測頻率，主要記錄試樣的開裂時間、裂縫寬度以及觀測時的溫度。試驗共進行了3次。

2015年3月25日至4月18日的開裂試驗結果如圖2所示，由此可知：隨稻秸稈加筋率的減小，主裂縫越來越寬，次生裂縫的條數(shù)也越來越多，次生裂縫與主裂縫相交并近似呈90°夾角；稻秸稈加筋率為0.3%，0.4%和0.5%時，土樣表面除邊界處出現(xiàn)裂縫外，試樣中部并無明顯裂縫，表現(xiàn)出良好的抗裂性。該試驗結果與文[8]具有一定的相似性，即隨聚丙乙烯纖維加筋率的增加試樣開裂角不再以90°為主，并在加筋率高于0.15%時加筋土樣表面的裂隙很少，表現(xiàn)出較好的整體性。

圖2 不同加筋率的加筋土表面干縮裂縫(第26 d)Fig.2 Dry shrinkage crack of reinforced soil with different reinforcement ratio(26 d)

為定量描述稻秸稈加筋對粘性土干縮裂縫的抑制效果，本文引入裂縫寬度減少率(Pb)的概念，Pb定義如下：

式中：P——無稻秸稈土樣的最大裂縫寬度；

Pd——稻秸稈加筋土的最大裂縫寬度。

根據試驗測試結果可知：加筋率為0%的試樣最終裂縫寬度為16.0 mm，0.1%的試樣最終裂縫寬度為14.5 mm，0.2%的試樣最終裂縫寬度為11.0 mm，0.3%，0.4%和0.5%的試樣除在邊界周圍有細小裂縫外，試樣中部并無明顯裂縫。結果表明隨稻秸稈加筋率的增加土樣裂縫寬度隨之減小，而當?shù)窘斩捈咏盥蔬_到一定比例后，土體與稻秸稈形成一個整體，能有效抵抗裂縫的發(fā)展。將3次試驗結果按式(1)進行數(shù)據擬合，可得稻秸稈加筋率與裂縫減少率呈二次函數(shù)增長關系(圖3)，裂縫減少率隨稻秸稈加筋率的增加而增加，當?shù)窘斩捈咏盥蔬_到0.30%時，裂縫減少率為100%，為0.10%稻秸稈加筋率時的10倍，充分說明稻秸稈加筋對抑制土體干縮開裂的良好效果。

圖3 加筋率與裂縫減少率的關系Fig.3 Relationship between the reinforcement ratio and crack reduction

2.2模擬日照條件下干燥開裂試驗

室溫條件下加筋土樣干燥開裂試驗結果表明，稻秸稈加筋率大于0.3%時加筋土樣無裂縫產生，但試驗是在無太陽暴曬的條件下進行的，為進一步獲得更接近工程實際條件的稻秸稈加筋率，有必要進一步開展模擬日照條件下的干燥開裂試驗。選取0%，0.3%，0.4%和0.5%的加筋率進行模擬日照條件下的開裂試驗，以此確定此種條件下的最優(yōu)抗裂效果的稻秸稈加筋率。試驗主要通過自制恒溫室控制溫度模擬太陽暴曬效果(圖4、圖5)，長沙地區(qū)7，8月份的日平均氣溫為34 ℃左右，故試驗溫度控制在37 ℃±2 ℃，濕度為50%±3%。

圖4 恒溫室示意圖Fig.4 Schematic diagram of a constant temperature room

圖5 恒溫室實物圖Fig.5 Physical diagram of the thermostatic chamber

每種加筋率均制備2個平行試樣，1個用于測量裂縫，1個用于測量含水率。試驗采取模擬太陽暴曬12 h，然后自然存放12 h，以此循環(huán)試驗；每隔3 h測量試樣的含水率；試樣尺寸、厚度與室溫干燥開裂試驗的試樣相同。當試樣裂縫寬度超過10 mm或在加熱條件下6 h不在發(fā)生改變時停止試驗。

不同稻秸稈加筋率試樣含水率隨時間的變化關系如圖6所示，由此可知4種加筋率的試樣均由30%±1%的含水率狀態(tài)開始干燥，隨時間的增加，含水率不斷減小。若干燥的第一個白天12 h為階段Ⅰ，次后每24 h分為一個階段，即Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，經計算可知不同階段試樣含水率降低速率隨時間增加而不斷降低(圖7)，加筋率為0%與0.5%的試樣含水率降低較快；當加筋率為0%時，試樣缺少稻秸稈的保水功能，所以在相同試驗條件下試樣的含水率下降較快；當加筋率為0.5%時，雖然稻秸稈具有保水功能，但土樣中的大量稻秸稈使試樣的空隙增加(圖8)，為水分蒸發(fā)提供了良好的通道。因此，加筋率0.5%試樣的含水率降低速率同樣較快；稻秸稈加筋率為0.3%和0.4%時，稻秸稈既能起到保濕作用，又不會造成土中空隙過大，故含水率降低速率相對較慢。

圖6 不同稻秸稈加筋率試樣含水率的時間變化Fig.6 Variation in moisture content of the samples with different proportions of rice straw with time

圖7 不同稻秸稈加筋率試樣含水率各階段速率變化Fig.7 Variation in water content rate of the samples in each stage of with different mixing proportion of rice straw

圖8 不同稻秸稈加筋率的試樣剖面圖Fig.8 Profile of the samples with different rice straw reinforcement ratios

3種加筋率試樣的裂縫寬度隨時間的變化關系曲線如圖所示，由此可知加筋率為0%，0.4%，0.5%的試樣出現(xiàn)裂縫的時間分別為12 h，27 h和24 h。綜合試樣含水率變化過程與裂縫發(fā)展特點，將裂縫發(fā)展速度大致分為4個階段，即緩慢發(fā)展階段I、快速發(fā)展階段II、緩慢發(fā)展階段III和穩(wěn)定發(fā)展階段IV。裂縫寬度發(fā)展速度v：0.05 mm/h≤v≤0.25 mm/h為緩慢發(fā)展階段，v>0.25 mm/h為快速發(fā)展階段，v<0.05 mm/h為穩(wěn)定發(fā)展階段。通過計算可知加筋率0%，0.4%和0.5%的試樣在快速發(fā)展階段裂縫分別完成了整個裂縫發(fā)育的78%，76%和71%；快速發(fā)展階段加筋率0%的試樣裂縫寬度的增長速率為0.433 mm/min，分別是0.4%和0.5%試樣的1.486和1.368倍。從裂縫最終寬度來看，稻秸稈加筋率0.3%的試樣沒有出現(xiàn)裂縫(圖11)，加筋率0.4%，0.5%和0%的試樣最終裂縫寬度分別為4.5，8.5和16 mm。綜合上述分析可知，稻秸稈加筋率0.3%的試樣為模擬日照條件下抗裂性能最優(yōu)的稻秸稈加筋率。

圖9 不同稻秸稈加筋率試樣裂縫寬度的時間變化Fig.9 Variation in crack width of the specimen with different mixing proportion of rice straw with time

圖10 不同稻秸稈加筋率試樣裂縫寬度速率變化Fig.10 Variation in crack width of the specimen with different mixing proportion of rice straw vs speed

圖11 模擬日照條件下加筋土表面干縮裂縫(84 h)Fig.11 Surface shrinkage crack of the reinforced soil under the simulated sunlight (final sample after 84 h)

為了進一步分析稻秸稈在土中的加筋作用，開裂試驗完成后沿試樣開裂的主裂縫方向將試樣剖開，以稻秸稈加筋率為0.4%的試樣為例(圖12)，可知裂縫所處剖面稻秸稈分布不均勻，稻秸稈在局部集中，進而土樣中存在較多的空隙通道，試驗過程中使試樣中的水分更容易蒸發(fā)，這正是此處首先產生裂縫的原因；未開裂處試樣剖面的稻秸稈分布較均勻，減少了稻秸稈存在過多時可能出現(xiàn)的應力集中現(xiàn)象，同時該剖面土樣密實且空隙通道較少，減少了土樣中水分蒸發(fā)量。此外，稻秸稈加筋率增加時更容易在試樣中形成稻秸稈局部集中，進而使加筋率高的試樣更容易開裂。

圖12 0.4%試樣開裂圖與稻秸稈剖面圖Fig.12 Diagram showing 0.4% sample cracking and cross section of the rice straw

2.3裂縫與含水率變化關系

土中水分蒸發(fā)的快慢對土的開裂有控制性作用，水分變化會引起土中吸力大小的變化，從而控制土體開裂。隨含水率的不斷下降，試樣開始出現(xiàn)裂縫且寬度不斷發(fā)展，以加筋率0.4%的試樣為例(圖13、圖14)，將試樣裂縫寬度按發(fā)展速度分為4個階段，試樣在緩慢發(fā)展階段I裂縫尚未產生，但含水率降低的較大(6.07%)，約為總變化量的26.7%，說明裂縫產生首先需要含水量的減??；快速發(fā)展階段II裂縫寬度從日照開始增加了3.5 mm，約占總開裂寬度的77.8%，但含水率在該階段變化不大，下降了4.9%，約占含水率總變化量的21.4%；經過快速發(fā)展階段II后，裂縫發(fā)展速度變慢，進入緩慢發(fā)展階段III，試樣含水率下降速度并未發(fā)生較大變化；當含水率降至11.4%，試樣裂縫發(fā)展趨于穩(wěn)定，當含水率進一步下降至8.21%時試樣裂縫發(fā)展基本停止，此時試樣表面呈現(xiàn)出干硬外殼。

圖13 加筋率0.4%試樣裂縫寬度及含水率隨時間變化關系Fig.13 Relationship between the fracture width and the water content of the sample with blending ratio of 0.4% with time

圖14 加筋率0.4%試樣不同含水率下裂縫寬度Fig.14 Diagram showing the sample crack width structure with the blending ratio of 0.4% under different water content注：圖片的物理尺寸為42 cm×35 cm，比例尺為1∶10

試樣干燥過程中含水率變化量呈現(xiàn)出先快后慢的階梯式變化過程，主要是由于模擬日照條件下白天溫度在37 ℃左右維持12 h，試樣含水率下降迅速，晚上關閉加熱裝置后，溫度降低至室溫24 ℃左右，含水率變化較小，故Ⅱ～Ⅳ階段含水率變化量呈階梯式變化，且各階段含水率變量呈現(xiàn)先減小后增大、最后穩(wěn)定的過程，含水率變化量為Ⅰ階段6.07%、Ⅱ階段5.93%、Ⅲ階段6.84%、Ⅳ階段3.92%，主要因為開始時試樣含水率較高，水分較容易蒸發(fā)，隨著試驗的繼續(xù)土中水分繼續(xù)減少，但裂縫的產生加快了水分蒸發(fā)，最后裂縫發(fā)展與水分蒸發(fā)達到平衡，裂縫寬度趨于穩(wěn)定，含水率變化量減小，故模擬日照條件下稻秸稈加筋土樣含水率呈現(xiàn)出快—慢—快—慢的變化過程，而裂縫寬度呈現(xiàn)快—慢—穩(wěn)定的變化過程。

2.4討論

通過試驗可知0.3%為稻秸稈質量加筋率的最優(yōu)加筋率，該結論是在加筋試樣厚5 cm、長42 cm、寬35 cm、稻秸稈長3 cm的基礎上通過室溫與模擬日照試驗獲得的最優(yōu)加筋率，但從已有試驗數(shù)據可知改變試驗環(huán)境會對稻秸稈加筋土抗開裂性能產生一定影響，后續(xù)仍需要進一步研究其它因素對稻秸稈加筋土開裂性能的影響規(guī)律，并開展相應的野外試驗以及降雨沖刷與日照的耦合試驗，以便獲得更符合工程實際的設計參數(shù)，但本文試驗結果為后續(xù)研究奠定了基礎，有利于后續(xù)試驗的開展，本項目組也正在開展后續(xù)試驗。

3 結論

(1)稻秸稈加筋可以有效減少土體裂縫的產生，加筋率0.3%為2種試驗條件下稻秸稈加筋土的最優(yōu)加筋率，其抗裂性能最優(yōu)。

(2)模擬日照條件下裂縫發(fā)展可分為緩慢發(fā)展I、快速發(fā)展II、緩慢發(fā)展III和穩(wěn)定發(fā)展IV共4個階段，快速發(fā)展階段加筋率0%，0.4%，0.5%的試樣均完成70%以上的裂縫開裂寬度。

(3)模擬日照條件下稻秸稈加筋土樣含水率呈現(xiàn)出快—慢—快—慢的變化過程，而裂縫寬度呈現(xiàn)快—慢—穩(wěn)定的變化過程；稻秸稈對試樣具有保濕作用，但加筋率過多會導致土樣中的空隙增大，為水分蒸發(fā)提供通道。

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責任編輯：張明霞

Anexperimentstudyofcrackingpropertiesofricestrawreinforcedsoilwithdifferentratios

WANG Guiyao1, SHA Linchuan1, CAO Wengui2, ZHANG Yongjie1, TANG Qiansong3

(1.SchoolofCivilandArchitectureEngineering，ChangshaUniversityofScience&Technology，Changsha,Hunan410114，China；2.InstituteofGeotechnicalEngineering,HunanUniversity,Changsha,Hunan410082,China；3.HighwayAdministrationofHunanProvince，Changsha，Hunan410008,China)

In order to reduce the effect of dry cracking on the protective effect of rice straw in ecological protection of granite residual soil slope, the effect of rice straw reinforcement rate on soil cracking behavior and the interaction between rice straw and soil are examined by the cracking test of reinforced soil under the simulated temperature and simulated sunshine conditions. The results show that the samples with the straw reinforcement rates of 0.3%, 0.4% and 0.5% at room temperature do not crack at room temperature. According to the width of the crack growth rate, the cracking process of reinforced soil samples under simulated sunshine conditions can be divided into 4 stages: slow development Ⅰ, rapid development Ⅱ, slow development Ⅲ and stable development Ⅳ. Rice straw reinforced has a moisturizing effect on the samples. But too much blending ratio will lead to the gap in soil to increase, which provides a convenient channel for water to escape into the atmosphere. In this paper, the limit reinforcement ratio of the rice straw reinforced soil cracking should be 0.3% ～ 0.4%, and the results provide reference for the protection of the ecological design of rice straw reinforced soil.

reinforced soil with rice straw stalk; crack width; water content; reinforcement ratio; cracking experiment

TU411.91

A

1000-3665(2017)05-0052-07

沙琳川(1993-)，男，碩士研究生，研究方向為道路巖土工程。E-mail：617240444@qq.com

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.05.09

2017-03-06;

2017-04-06

國家自然科學基金項目資助(51178063,51578082)；湖南省交通科技計劃項目資助(201514)；湖南省研究生創(chuàng)新項目資助(CX2015B354)；廣西交通科學研究院科技項目資助(KJ2014-014)

王桂堯(1963-)，男，博士，教授，從事道路巖土工程研究。E-mail：wanggy@163.com