棕丝改良黏性土抗开裂抗冲刷特性试验研究_赵宁宁.pdf

第41卷 第4期2023年4月河 南 科 学HENAN SCIENCEVol.41 No.4Apr.2023收稿日期：2022-09-28基金项目：国家自然科学基金项目（41877212）；横向课题边坡厚层基材改良与植被生态防护关键技术研究（822030516）作者简介：赵宁宁（1990-），男，工程师，主要研究方向为道路边坡治理文章编号：1004-3918（2023）04-0476-10棕丝改良黏性土抗开裂抗冲刷特性试验研究赵宁宁1，何承宗2，冯玉晗2，马柯2，李明阳2，齐梦瑶2（1.浙江华东工程咨询有限公司，杭州310000；2.河海大学，南京211100）摘要：通过一系列试验研究了棕丝改良黏性土的抗开裂特性和抗冲刷特性，并分析了棕丝含量对黏性土的改良效果.试验结果表明：棕丝是一种柔性纤维材料，将其加入黏性土中可有效减少土体中宽大裂隙的产生，但加入的棕丝纤维含量过多时，纤维易发生重叠，影响棕丝纤维与土颗粒之间的有效接触，降低土颗粒之间的相互作用力，使得土体产生加筋效应，表面出现细小裂纹；将棕丝纤维加入黏性土中后，棕丝纤维可均匀分散在土体中，纤维与纤维相互交织形成立体的空间结构，并与土颗粒形成团聚体，从而可提高土体的抗冲刷特性，但加入的棕丝纤维含量过多时，加筋效应产生的小裂隙反而给雨水入渗提供了引流通道，使得土体间的孔隙增加，土体的抗冲刷特性反之下降；当棕丝掺量为0.4%时，棕丝改良黏性土的抗开裂性能最优；当棕丝掺量为0.6%时，棕丝改良黏性土的抗冲刷性能最优.关键词：黏性土；棕丝；开裂试验；冲刷试验；机理分析中图分类号：TU 43文献标识码：AAnti-cracking and Anti-scouring Characteristics of Clayey SoilImproved by Palm SilkZHAO Ningning1，HE Chengzong2，FENG Yuhan2，MA Ke2，LI Mingyang2，QI Mengyao2（1.Zhejiang Huadong Engineering Consulting Co.Ltd.，Hangzhou 310000，China；2.Hohai University，Nanjing 211100，China）Abstract：The cracking resistance and scouring resistance of clayey soil improved by palm silk were studiedthrough a series of tests，and the improvement effect of palm silk content on the clayey soil was analyzed.The testresults show that palm silk is a kind of flexible fiber material，which can effectively reduce the generation of widecracks in the clayey soil improved by palm soil.However，when the content of palm silk fiber is too much，the fibersare easy to overlap，which can affect the effective contact between the palm silk fibers and the soil particles，andreduce the interaction between the soil particles，resulting in the reinforcement effect of the soil and small cracks onthe soil surface.After adding palm silk fiber into the clayey soil，palm silk fiber can disperse evenly in soil mass.Fibers interweave with each other to form three-dimensional spatial structure，and form aggregates with soil particles，so as to improve the anti-scouring characteristics of soil mass.However，when the content of palm silk fiber is toomuch，small cracks caused by reinforcement effect can provide drainage channels for rainwater infiltration，whichincreases the porosity of soil mass and reduces the anti-scouring property of soil mass.When the content of palmsilk is 0.4%，the anti-cracking performance of clayey soil improved by palm silk is the best.When the content ofpalm silk is 0.6%，the anti-scouring property of clayey soil improved by palm silk is the best.Key words：cohesive soil；palm silk；cracking test；scouring test；mechanism analysis随着我国综合国力的持续提升，各类工程建设活动正在大力推进，不少工程问题也随之暴露出来，例如工程建设带来的边坡稳定性问题以及生态环保问题1-2.黏性土边坡在我国分布广泛，因其土体颗粒较细，颗粒之间孔隙较多等特点，在实际工程建设中易发生不良地质灾害和地质问题，影响工程建设安全.采用传统的加固技术（如混凝土锚杆支护3、框架梁防护4等）对边坡进行加固在一定程度上可防止表土流失，但其绿化效果和生态环境效应较差，与“创新、协调、绿色、开放、共享”的发展理念相悖，因此选用环保型材料对边坡土体进行加固越来越受到人们的青睐.环保型的土体加固方式主要包括物理加固和化学加固.物理加固通常使用纤维加筋，主要是将纤维与土颗粒充分混合，使得纤维在土体中均匀分布并交结成网状结构，通过对土颗粒产生网兜和摩擦作用来增加土体的整体性5-7.土体加筋技术发展历史悠久，我国早在汉唐时期就有将树枝、木条等用于城墙的修筑和佛塔的搭建等8.目前用于纤维加筋的纤维主要有草根9、剑麻10-11、麦秸秆12等天然纤维和聚丙烯13-14、玻璃15、尼龙16等人工合成纤维.何钰龙17采用短切聚乙烯纤维加固粉质黏土，并通过试验研究了不同条件下纤维加固粉质黏土的抗剪强度.刘建龙18通过试验分析了不同纤维含量、不同纤维分布方式以及加入的纤维形态不同对黏性土力学性质的影响，并探究了纤维在土体中的作用机理.周世宗19用聚丙烯纤维加筋复合水泥改良淤泥，并探究了不同因素对聚丙烯纤维水泥土强度特性和变形特性的影响.张洪东等20通过试验分析了不同干密度和不同加筋率对棕榈纤维加筋土强度特性的影响.Prabakar和Sridhar21研究了不同含量和不同长度的剑麻纤维对纤维加筋土强度特性的影响.Tang等22对不同纤维掺量、不同含水率和干密度下的纤维加筋土的抗拉强度进行了研究.Liu等23通过一系列试验研究了饱和棉纤维加筋土的不固结不排水抗剪强度和变形特性.Soltani等24分析了纤维类型和纤维含量对纤维加筋膨胀土膨胀压缩特性的影响.国内外众多学者的研究证明，纤维作为一种环保加筋材料可有效应用于土体的改良，且纤维种类是影响纤维加筋土性质的一个重要因素.棕丝纤维是一种呈网状结构的天然植物纤维，由棕榈树干外层叶鞘形成，具有良好的防腐蚀性和耐腐性，因此在各个领域得到广泛应用，特别是作为环保型材料用于工程建设领域25-26.但通过总结已有的研究发现，目前国内关于用植物纤维特别是棕丝纤维改良黏性土的研究尚少，因此棕丝改良黏性土的特性及其改良机理值得进一步探究和讨论.本研究通过室内开裂试验及冲刷试验探究了不同棕丝掺量的棕丝改良黏性土的抗开裂特性和抗冲刷特性，可为黏性土相关的工程建设及生态防灾提供一定的理论参考.1试验材料试验所用的黏性土取自南京市江宁区，其物理力学性质如表1所示.从现场取回土样后，首先将其放入烘箱中进行高温烘干，然后将其取出冷却至室温后放进碎土机中粉碎，粉碎后过2 mm的筛，过筛后的黏性土土样如图1所示.试验选用的棕丝（图2）是未经过化学处理的天然棕丝，产自广西，呈浅棕色，进行试验前需先将棕丝加工裁剪至约2 cm长备用.表1黏性土的物理力学性质Tab.1Physical and mechanical properties of clayey soil指标数值土粒比重2.71含水率/%20.68最大干密度/（gcm-3）1.68液限/%40.1塑限/%17.3塑性指数22.8图2棕丝Fig.2Palm silk图1过筛后的黏性土Fig.1Cohesive soil after sifting引用格式：赵宁宁，何承宗，冯玉晗，等.棕丝改良黏性土抗开裂抗冲刷特性试验研究 J.河南科学，2023，41（4）：476-485.-477第41卷 第4期河 南 科 学2023年4月2试验方案2.1开裂试验为了探究不同棕丝掺量的棕丝改良黏性土的抗开裂特性，分别对不同棕丝掺量的棕丝改良黏性土试样进行干燥试验，并对试样的水分蒸发速率和裂隙发育特征进行研究分析.2.1.1试验装置试验考虑试样的厚度等土体因素，制作16 cm16 cm3 cm的塑料方盒若干，采用精度为0.01 g的电子天平对试样各个时刻的质量进行称量并记录，以分析蒸发过程中土体的水分蒸发情况.2.1.2试样制备棕丝掺量（棕丝纤维质量与黏性土质量的百分比）分别为0.2%、0.4%、0.6%和0.8%的棕丝改良黏性土试样的具体制备过程如下：首先称取不同质量的棕丝，将其分别加入一定质量的黏性土土样中并充分混合；然后将水倒入其中并充分搅拌，直至土样和水混合成均匀的饱和泥浆（图3）；最后将饱和泥浆置于16 cm16 cm3 cm的塑料方盒中，并用保鲜膜进行密封，静置24 h后即可制备成厚度为3 cm的不同综丝掺量的棕丝改良黏性土试样.同时设置不加棕丝（即棕丝掺量为0）的素土试样为对照.2.1.3试验过程静置24 h后，取下塑料方盒容器盖，让试样表面暴露于空气中，进行失水干燥，在失水干燥过程中，利用电子天平定时对试样质量进行称量并记录.根据试验过程中记录的数据绘制试样的蒸发速率曲线，并对试样的含水率和蒸发速率变化情况进行分析，蒸发速率的计算公式如公式（1）所示.Re=mj-mit，（1）式中：Re表示蒸发速率，g/h；mj是 j 时刻的试样质量，g；mi是i 时刻的试样质量，g；t是 i 时刻与 j 时刻之间的间隔时间，min.2.2冲刷试验采用冲刷试验模型（图4）对完成干燥开裂试验后的试样进行模拟降雨冲刷试验，以研究棕丝改良黏性土抵抗流水冲蚀的能力以及棕丝对黏性土抗冲刷性能的影响.冲刷试验模型设置的斜坡坡度为30，冲刷水流量为0.3 L/min，冲刷时间为20 min.试验过程中每隔1 min记录1次冲刷量，同时收集并记录每分钟冲下来的黏性土质量.3试验结果及分析3.1开裂试验结果分析不同棕丝掺量的试样含水率随蒸发时间的变化曲线如图5（a）所示，随着棕丝掺量的增加，曲线逐渐向右移，说明试样从开始干燥失水至干燥稳定所需时间延长.分析原因可能是，天然棕丝具有一定的