麦秸秆加筋上海粘土强度特性的试验研究

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3.0 牛悦 2024-11-11 4 4 909.39KB 65 页 15积分

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摘要

上海地区的地基土属于典型的长江三角洲沉积粘土，有含水率高、孔隙比大、

结构性强、渗透性小等特点，力学性能较为复杂，尤其是地下工程涉及到隧道、

基坑等工程的设计及施工都需考虑土体强度和变形特征规律。因此，研究这类土

的物理性质及开发、改善、加强这类土的新方法，具有重要的理论及工程应用价

值。麦秸秆作为一种天然纤维材料，具有无污染、改善土质强度的优点。研究掺

加麦秸秆的加筋土的工程特性，在拓宽加筋材料，提高土体稳定性等方面具有重

要意义。

本文通过对麦秸秆加筋土进行常规固结试验和三轴固结不排水（CU）压缩试

验，得出一些基本规律，论文主要研究内容及成果如下：

1、完成了不同加筋率的麦秸秆加筋土在筋材形状为圆管状情况下的常规固结

试验。结果表明，随着麦秸秆纤维含量的增加，先期固结压力减小，压缩系数减

小，通过与三轴压缩试验结果的综合分析，进一步解释加筋机理。

2、依据大量国内外学者对植物纤维加筋土的试验研究，尤其是麦秸秆加筋土

的试验成果分析发现，纤维长度及含量对土体强度和变形影响显著，由此制定出

较合理的三轴压缩试验方案。从试验结果得出，加筋长度为10mm 的圆管状麦秸

秆加筋土的最优加筋率为 0.2~0.3%。在提高土体强度和抗变形能力的同时，麦秸

秆纤维在降低强度损失，增加试样破坏的韧性，延缓破坏方面都起到了良好的作

用。

3、考虑到麦秸秆这一天然纤维材料各向异性的特征，为更细致的研究此类加

筋土的特性，另以材料形状作为变量，将圆管状麦秸秆竖向劈裂为四分之一圆弧

状，做对比试验。试验结果表明，将劈裂的麦秸秆与上海典型粉质粘土均匀拌合，

使原本存在各向异性的麦秸秆与粘土构成总体上各向均质的加筋土，解决了相较

于圆管状麦秸秆与填土之间结合面薄弱的问题，提高土体抗剪强度，得出最优加

筋率也为0.2~0.3%。

4、通过对比试验得出最优变量的同时，也验证了麦秸秆作为一种天然纤维材

料优良的加筋效果。对加筋机理进行分析，完善麦秸秆加筋理论，为进一步研究

麦秸秆加筋土的力学强度特性和施工工艺提供了理论支持。

关键词：麦秸秆加筋土三轴压缩试验固结试验抗剪强度

内摩擦角

ABSTRACT

Soil in Shanghai area is typical sedimentary clay in Changjiang delta, it is

characterized by rich water content, high void ratio, good structural strength, and low

permeability. The mechanical properties is complex, The underground engineering

relates to tunnel, foundation pit engineering design and construction, needs to consider

the strength and deformation characteristics of the soil. Therefore, study of the physical

properties of the soil, improve and develop a new method to strengthen this kind of soil

has an important theoretical and engineering value. Wheat straws as a kind of natural

fiber materials have advantages of no pollution, to improve soil strength. Study the

engineering properties of mixed wheat straw fiber reinforced soil has the vital

significance in broadening the reinforced material and improving the stability of the soil.

Series tests of one dimensional consolidation and triaxial (CU) were conducted on

samples of unreinforced and reinforced Shanghai clayey soil with different percentages

of randomly distributed wheat straw fibers. Have gotten some basic rules .The main

contents and results are:

1. Though the conventional consolidation test, different reinforcement ratio of

wheat straw reinforced soil with the shape of round tubular reinforcement, The results

shown the reconsolidation pressure decreased and the coefficient of swelling and

compression generally increased while increasing the fiber content till an optimum

content value index.

2. Basis on a large number of plant fiber reinforced soil tests study by scholars

domestic and international, especially by the analysis of wheat straw reinforced soil

tests. Results showing that the fiber length and content produce the effect on strength

and deformation of soil obviously. Thus made a more reasonable scheme of triaxial

compression test proposal, the experiment results show that reinforcement length of

10mm tubular wheat straw reinforced soil optimal reinforcement ratio is 0.2 - 0.3%. It’s

can improve soil strength and deformation resistance, meanwhile, the wheat straw fiber

also effect to reduce the loss of strength, increase the specimen fracture toughness, and

stay of the destruction.

3. Considered the wheat straw is a kind of natural fiber materials with the

anisotropic characteristics, and in order to study the reinforced soil characteristics more

detailed. Another series of contrast test with the material shape as variables of the

tubular wheat straw vertical split into 1/4 circular arc were conducted. The experimental

results showing though the mixed the split of the wheat straw and Shanghai clayey soil

uniformity , the wheat straw with the characteristics of anisotropic together with the soil

became general isotropic homogeneous. Compared with the material shape of the

tubular, it reduced the weak joint issues between wheat straw and soil. And increased

the shear strength of reinforced, and made the optimum rate as 0.2-0.3%.

4. Through the contrast tests got the optimal variables, it’s also verified the wheat

straw as a kind of natural fiber materials has a reinforcement characteristic. At the same

time, analyze the reinforcement mechanism, to improve the wheat straw reinforced

theory, provided theoretical support for further study of wheat straw reinforced soil

mechanical strength characteristics and construction technology.

Key word: Wheat straw reinforced soil，Triaxial compression tests，

Consolidation test Shear strength，Angle of internal friction

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论......................................................1

1.1 引言...........................................................1

1.2 研究的目的和意义...............................................2

1.2.1 研究目的...................................................2

1.2.2 研究意义...................................................2

1.3 加筋技术的研究概况.............................................2

1.3.1 加筋技术的定义及起源 .......................................2

1.3.2 加筋土技术的研究现状.......................................4

1.3.3 植物纤维加筋土的研究 .......................................5

1.4 问题的提出及研究内容 ...........................................6

1.5 本章小结.......................................................8

第二章加筋土作用的理论研究及加筋强度模型分析......................9

2.1 加筋土作用的理论研究 ...........................................9

2.1.1 摩擦加筋理论 ...............................................9

2.1.2 准(拟）粘聚力理论 .........................................10

2.2 加筋强度模型分析..............................................13

2.3 本章小结......................................................16

第三章麦秸秆加筋土试样的制备与试验方案............................17

3.1 试验仪器 ......................................................17

3.2 试验材料 ......................................................19

3.2.1 试验用土的物理力学性质指标 ................................19

3.2.2 试验用麦秸秆 ..............................................22

3.3 试验方案及方法 ................................................23

3.3.1 麦秸秆加筋率、加筋长度、形状的选择 ........................23

3.3.2 麦秸秆加筋土样的制备......................................24

3.3.2 试验步骤 ..................................................24

3.4 本章小结......................................................26

第四章未加筋土与圆管状麦秸秆加筋土的三轴试验对比..................27

4.1 未加筋土与加筋土的固结试验结果分析............................27

4.2 未加筋土的强度试验分析........................................28

4.2.1 应力-应变关系曲线 .........................................28

4.2.2 孔隙水压力变化规律........................................29

4.2.3 有效应力路径的变化规律....................................31

4.2.4 试样破坏模式..............................................32

4.3 圆管状麦秸秆加筋土强度试验分析................................32

4.3.1 应力-应变关系.............................................32

4.3.2 峰值主应力差及剪切强度比Rf的变化..........................38

4.3.3 孔压-应变关系.............................................39

4.3.4 破坏形态..................................................42

4.3.5 内摩擦角变化..............................................42

4.3.6 参数M的变化..............................................43

4.4 三轴试验结果与固结试验结果对比................................44

4.5 本章小结......................................................45

第五章圆管状与四分之一圆弧状麦秸秆加筋土的三轴试验对比............46

5.1 四分之一圆弧状麦秸秆加筋土强度试验分析........................46

5.1.1 土应力-应变关系...........................................46

5.2 筋材形状对加筋效果影响的对比..................................48

5.2.1 应力-应变关系变化.........................................48

5.2.3 试样破坏形态..............................................51

5.2.4 内摩擦角变化..............................................51

5.2.5 参数M的变化..............................................52

5.3 本章小结......................................................53

第六章结论与展望 .................................................55

6.1 结论 ..........................................................55

6.2 展望 ..........................................................56

参考文献........................................................57

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.....................61

致谢...........................................................62

第一章绪论

1.1 引言

上海市位于中国大陆海岸线中部长江口，土质属于典型的长江三角洲沉积粘

土，具有含水率高、孔隙比大、结构性强、渗透性小等特点，但随着上海逐步发

展为中国的经济、科技、工业、金融、贸易、会展和航运中心，为此对四通八达

的交通管网及高楼林立的城市建筑都提出了更高的要求，这使得对上海土质的充

分认识及研究更具有深远的意义。

加筋土作为一种复合材料及新型加固土技术，被称为“岩土工程界的一场革

命”，它具有施工简单、造价低廉、性能稳定的特点，为岩土工程提供了一种经

济而实用的加固手段。加筋增强土体的基本原理是：在软弱土中加入抗拉筋材，

通过筋土界面间的相互影响作用，约束土体的侧向变形，使土的抗压强度和筋材

的抗拉性能结合起来，从而改变了原软弱土体性状，使力学性能得到改善，提高

了土体的整体强度。

工程中常用土工格栅、土工膜、合成纤维等作为加筋材料，以提高土的强度

和抗变形能力。在中国古代的就出现了以天然植物纤维作为加筋材料的加筋土，

如竹子、树枝、草等，胶结固化材料多为糯米浆液[1]，经历了上千年的天然土工材

料加筋土工程——“万里长城”（西北地区的土质长城）至今屹立不倒；敦煌莫高

窟附近的佛塔也是在土中混入一些竹片、芦苇和麦秸杆，用夯锤分层夯实而成[2]。

这些事实便是极好的证明。

J．E．Barret(1958 年)[ 3]在美国佛罗里达州，首次在工程中运用加筋材料，将

合成纤维织物作为海岸块石护坡的垫层，奠定了加筋材料使用的开端；而法国工

程师 Henri vidal 在1965 年将加筋土这一概念以及其具体设计理论系统的提出，才

使加筋土的技术被逐步应用。最初加筋材料以金属为主，因金属材料较高的成本

以及容易被腐蚀等缺点，限制了材料的应用范围。

随着人们对加筋土认识的不断加深，各种类型的土工合成材料已逐渐运用于

实际工程中。在土体的内部或不同材料层之间置入合成橡胶、纤维以及塑料等人

工聚合物，将其制成所需的加筋材料，使材料具有排水、防渗或反滤的作用。上

世纪 80 年代初，是加筋土工程中运用土工合成材料在国内的开端，随着对加筋土

研究的深入，至90 年代中期时，加筋土的应用覆盖范围已十分广泛，在加筋土桥

台、各种道路工程的软弱地基处理、加筋挡土墙、加筋陡坡等各类工程中发挥了

重要的作用。但是，我国地质情况多种多样，不同区域的特质特征有着明显的差

异，对于针对不同区域各类土质建立详尽的试验研究，对因地制宜的进行施工指

麦秸秆加筋上海粘土强度特性的试验研究

导还有很多的工作要做。

1.2 研究的目的和意义

1.2.1 研究目的

对于工程性质并不优秀的粘土，在以往的工程实践中已经出现了各种改善土

质的方法，如掺加石灰以改善土体的稳定性，铺设土工格栅以增强土体的抗变形

能力等。近年来，随着人们对加筋材料选取思维的突破，及绿色环保概念与各工

程学科的逐步渗透，各类天然植物纤维作为天然加筋材料，越来越多的受到关注，

但目前国内外对此方向的试验研究还处于逐步积累阶段，因此，还没有相对成熟

完善的理论体系，并且基于各不同区域土质本身的差异，要从点发展到面的适用

性来看，仍需持续的、大量的试验数据积累。本文选取上海地区典型粘土与天然

纤维材料——麦秸秆共同作用，构成加筋土，研究其强度、变形特性，为今后的

工程应用提供指导。

1.2.2 研究意义

天然纤维麦秸秆的力学性能和表面特性相较于其它加筋材料比较独特，则必

然导致此类加筋土的筋土作用方式和强度增长规律与土工格栅、合成纤维等其他

加筋土有所不同。因此，研究麦秸秆加筋土强度特性涉及的加筋补强机制和应力

应变特性等科学问题具有理论意义。

麦秸秆一直作为数量巨大的农业废弃物而没有很好的体现其价值，但通过已

有的对麦秸秆本身性质的试验研究表明，其本身具有良好的拉伸能力，考虑它作

为一种加筋材料，掺加到上海典型的粘土中，改善粘土低强度和大变形问题，达

到提高加筋土的强度和抗变形能力，满足作路堤填料、建筑地基要求的目的，丰

富地基处理的方法，为麦秸秆寻找经济环保型的工程应用出路，避免露天堆放或

焚烧引起的环境污染问题，拓宽现有加筋材料的种类，提出新型轻质路堤的建设

构想，降低路堤工程造价。通过包括物理方法、物理化学方法或化学方法在内的

各种方法对土体进行改性加强，提高其强度、水稳性和耐久性，使之满足不同类

型和使用功能的工程建设要求，是对土质工程应用改造的发展之路。

麦秸秆源于大地，又回归自然，以农业废弃物麦秸秆作加筋材料，减少了焚

烧或造纸带来的环境污染。以麦秸秆作为加筋材料既拓宽了现有加筋材料的种类，

又做到了工程应用上的经济环保性。研究工作可为人类和谐发展的绿色工程建设

模式探寻可行性。

1.3 加筋技术的研究概况

1.3.1 加筋技术的定义及起源

（1）加筋土技术的定义

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摘要：

摘要上海地区的地基土属于典型的长江三角洲沉积粘土，有含水率高、孔隙比大、结构性强、渗透性小等特点，力学性能较为复杂，尤其是地下工程涉及到隧道、基坑等工程的设计及施工都需考虑土体强度和变形特征规律。因此，研究这类土的物理性质及开发、改善、加强这类土的新方法，具有重要的理论及工程应用价值。麦秸秆作为一种天然纤维材料，具有无污染、改善土质强度的优点。研究掺加麦秸秆的加筋土的工程特性，在拓宽加筋材料，提高土体稳定性等方面具有重要意义。本文通过对麦秸秆加筋土进行常规固结试验和三轴固结不排水（CU）压缩试验，得出一些基本规律，论文主要研究内容及成果如下：1、完成了不同加筋率的麦秸秆加筋土在筋材形状为圆管状...

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