余 沛，柴寿喜，王晓燕，张午斌，魏 丽

(1. 天津城市建设学院 天津市软土特性与工程环境重点实验室，天津 300384；2. 中水北方勘测设计研究有限责任公司 勘察院，天津 300222)

麦秸秆为天然草本纤维材料，化学成分主要为纤维素、半纤维素、木素和多戊糖，无机成分仅占 15%左右[1]，其外表面光滑，附着一层致密的角质层，而内表面组织较为疏松，没有角质层，有利于胶滴的湿润、扩散和渗透[2].现有的资料表明，麦秸秆遇水容易腐烂，因此作为加筋材料使用时，需考虑其防腐问题.实验表明，SH胶浸泡麦秸秆起到了防腐作用，提高了麦秸秆的抗拉能力和延展性能[3]；在一定程度上延长了麦秸秆在加筋土中的使用寿命.麦秸秆加筋丰富了滨海盐渍土的加筋方法，具有应用和推广的意义.

J.E.Barret(1958年)[4]在美国佛罗里达州开始利用合成纤维织物作为海岸块石护坡的垫层，一般认为这是加筋材料使用的开端；20世纪 60年代初，法国工程师 Henri Vidal提出了加筋土理论[5]，实验证实：在土中掺加一定量的纤维材料，可提高土的强度；Endo和Tsuruta(1969年)[6]现场测试了含有植物根系土的抗剪强度，研究了植物垂直根系对土抗剪强度的增强作用；Manbeian(1973年)[7]采用室内直剪试验分别研究了大麦、苜蓿、向日葵的根系对土抗剪强度的影响；周锡九等人[8]通过现场抗剪强度试验，研究了植物根系加筋土的强度特性与其他材料加筋土的强度特性基本吻合；陈昌富等人[9]通过草根加筋土的室内三轴试验，证实草根加筋土存在一个最优的加筋率；魏丽等人[3]探讨了麦秸秆的防腐方法，对麦秸秆的力学性能及微观结构进行分析，结果表明，麦秸秆适宜作加筋材料使用；李敏等人[10]采用麦秸秆作为加筋材料，与石灰共同加筋固化滨海盐渍土，提高了土的强度.

麦秸秆作为加筋材料赋予了盐渍土较高的力学性能，按材料学的观点，宏观性能取决于微观结构，而麦秸秆的加筋效应取决于麦秸秆的微观结构；现对有关筋土效应进行总结和比较，并对影响筋土作用的因素进行分析，探寻麦秸秆加筋土的加筋效应.

1 麦秸秆的加筋效应与影响因素

麦秸秆加筋盐渍土的加筋效应是由加筋材料与土之间的摩擦力完成的，结果是改变原土体的受力变形性能，从而达到补强的目的.麦秸秆加筋盐渍土时，在土中是无序分布的，相互弯曲交织的麦秸秆形成的约束空间阻止了土体受力所产生的位移，对土体有一定的补强作用[3].

1.1 麦秸秆的弯曲效应和交织效应

研究表明[11-12]，加筋土固结时，加筋材料会随之收缩，随着加筋土剪切变形的发展，收缩的筋材慢慢舒展开，待加筋材料完全恢复到原状时，土体已发生一定的变形，此时加筋材料才开始发挥作用.

天然麦秸秆具有一定的抗拉强度和延展性，当土承受外力而固结时，加筋材料在弯曲的凹侧将产生对土颗粒的压力和摩擦力，起到加固土体的作用.另外，麦秸秆均匀分布于土中，存在着很多交织点，当交织点处的土颗粒受力时，有产生位移的趋势，而此时交织的麦秸秆就会阻止这种位移.即任何一段麦秸秆的受力变形都牵动与之交织的各个方向的麦秸秆，从而形成空间受力区[3].加筋效应示意见图1.

图1 加筋麦秸秆的弯曲效应和交织效应示意

可见，麦秸秆产生的这种加筋效应是由于土体发生变形及麦秸秆本身的特性引起的，筋材对土的补强作用既来自筋土间的摩擦力和咬合力，更来源于筋材对土的空间约束作用.

1.2 水平加筋作用

在土体中的一定部位铺设水平方向的加筋材料，将土压实后，土与加筋材料密切结合，形成筋土复合体，它们共同受力、协调变形.

由于麦秸秆的弹性模量大于土的弹性模量，且变形具有协调性，在加筋土样表面施加荷载时，加筋材料与土之间产生较大的摩阻力，限制了加筋土的变形，相当于在土样侧面施加了约束力，这样在筋土交界面上产生了一个平行于界面的切向力，如图2所示.

图2 加筋土三轴试样的受力分析

由图2c可知，试样侧面除了承受3σ外，还有一个同3σ方向一致、分布形式相同的Δ3σ的作用，当加筋层数增多时，Δ3σ值增大，这是一个显著的增量，会起到增大3σ的作用.若使试样破坏，只有增大1σ，这样土体的抗剪强度就提高了[13-14].

试验表明水平加筋层数越多，加筋土强度提高就越大，从而减小了土体的侧向变形，起到加筋的目的.

1.3 加筋率与加筋长度的影响

傅华等人[15]的试验结果表明，对于同一种加筋材料，加筋层数越多，加筋层间距越小，加筋效果越明显.陈昌富等人[13]以狗尾草为研究对象，每层加筋量分为 8 种情况，分别为 0.2，0.4，0.5，0.6，0.8，1.0，1.2，1.4 g/层.试验得出结论：加筋材料含量为 0.8 g/层的主应力差值增长最快.当加筋层数一定时，加筋土中存在一个最优加筋率，当加筋过多时，它们相互交织不能保证筋材与土体充分接触，反而因加筋材料间的相对错动而减弱了加筋效应.可见，在最优加筋率条件下，加筋材料产生的加筋效应使土体的强度最大.

李敏等人[10]发现麦秸秆的长短在加筋土中也有一定的影响，试验研究表明：掺加长10 mm麦秸秆加筋土的抗压强度优于掺加长 20 mm 麦秸秆的；适宜加筋率为0.3%～0.4%.不同长度麦秸秆加筋土的抗压强度随加筋率的变化见图 3，加筋率为 0.1%和 0.2%时，10 mm长度与20 mm长度麦秸秆加筋土的无侧限抗压强度近乎相等；0.2%后，10 mm长度加筋土的无侧限抗压强度均高于20 mm长度的.因为麦秸秆的表面光滑，加筋率太高时，较长的麦秸秆易在土中形成薄弱面，影响加筋土的整体性，降低强度.

图3 不同长度麦秸秆加筋土的抗压强度随加筋率的变化曲线

1.4 麦秸秆形状的影响

Hoe I. Ling，M. ASCE等人[16]通过动态离心模型试验，分析了长短形状不一的筋材加固挡土墙的加筋效应；李朝晖等人[17]通过研究轮胎条外观比(即长宽比)对抗剪强度的影响，表明大形状轮胎条加筋土有更高的抗剪强度.可见，加筋材料形状的不同影响了加筋效应，麦秸秆作为加筋材料的一种，也是如此.

加筋麦秸秆的形状可分为圆筒状、半圆弧状和四分之一圆弧状.杨继位[18]通过试验表明加筋麦秸秆的形状对加筋土无侧限抗压强度有较大影响.掺加半圆弧状麦秸秆相对于掺加圆筒状麦秸秆，加筋土的无侧限抗压强度提高了8%；掺加四分之一圆弧状麦秸秆相对于掺加半圆弧状麦秸秆，加筋土的无侧限抗压强度提高了7%.

由此可见，不同形状的麦秸秆在土中产生的加筋效应是不同的，当加筋麦秸秆为四分之一圆弧状时，加筋土的无侧限抗压强度最大.

2 麦秸秆加筋盐渍土的强度增长原理

在相同的条件下，掺加适量麦秸秆的盐渍土与素盐渍土的力学性能相比分析如下.

(1)麦秸秆加筋盐渍土后，加筋土的强度和抗变形能力较素盐渍土有显著的增强.天然麦秸秆所具有的力学特性决定了它与土的协调变形能力较强，能适应较大的土体变形.在SH胶中浸泡后，隔断了麦秸秆与水的接触通道，使麦秸秆的抗腐蚀性得到增强，其抗拉强度和延伸率也有所提高.杨继位[18]所做试验表明，石灰能提高加筋土的无侧限抗压强度，而麦秸秆起到抗拉作用，麦秸秆的加筋作用与石灰的固化作用相结合，提高了滨海盐渍土的抗压性能.

(2)从经济和施工角度考虑，SH胶具有价格低廉、无毒性、渗透性强等优点；用 SH胶浸泡麦秸秆后对麦秸秆起到很好的渗透、吸附及封闭作用，浸胶3 d后适宜投入工程使用.因此，选择天然草本纤维材料麦秸秆加筋盐渍土与其他材料相比，能有效地降低工程成本；同时拓宽现有加筋材料的种类，丰富了盐渍土的加筋固化方法[10].

(3)根据未加筋盐渍土和加筋盐渍土三轴试验结果分析得知[19-20]：在土中加入纤维材料，加筋土的c值有较大提高，如图4所示.

由图 4可知，加筋后的土的强度提高了.根据莫尔-库仑强度理论，加筋并未改变土的成分和颗粒级配，可以假定加筋前后盐渍土的内摩擦角保持不变，得到加筋土处于极限平衡状态下的数学表达式

式中：φ 为未加筋土的内摩擦角；c′为加筋土的准黏聚力.比较加筋前后盐渍土的极限平衡条件，加筋土比未加筋土多了一项c′引起的强度增量，即准黏聚力有了很大的提高.

3 用于加筋盐渍土麦秸秆的物理性能要求

(1)掺入的麦秸秆的质量必须符合加筋材料的要求.防腐处理后的麦秸秆既不能降低其原有的物理力学性质，又要设法延长麦秸秆在加筋土中的使用寿命.

(2)麦秸秆加筋盐渍土时，要注意防腐的处理，不宜直接加入.要注意不同长度和不同形状的麦秸秆对土体的强度影响不同，需通过试验分析择优选取.

(3)麦秸秆浸泡于 SH胶中时，要控制浸泡的时间，浸胶 1，3，7，14，21，28 d 后的麦秸秆质量变化曲线见图5.试验表明，浸胶7 d时麦秸秆对SH胶的吸附基本饱和，浸胶3 d与7 d相比差距较小.因此，综合考虑施工条件与施工工艺，选用浸胶3 d的麦秸秆较为适宜[10].

图5 麦秸秆的质量增加率随浸胶时间的变化曲线

4 麦秸秆加筋土在工程中的应用

4.1 在古代工程中的应用

麦秸秆为天然草本纤维材料，具有一定的拉力和延伸率，在工程应用中，人们将芦苇、长纤维的麦秸、稻草等用于砌筑墙面、加固地基等.它们的直径、长短不一，随机地掺加到土中，与土形成一个完整的复合体.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)能保留至今，不能不说是个奇迹；敦煌莫高窟附近的佛塔即为在土中混入一些竹片、芦苇和麦秸，用夯锤分层夯实而成[20].这些事实表明，采用天然草本纤维做加筋材料是可行的.

4.2 在现代民用建筑中的应用

陈嘉等人[21]采用在土体中掺和麦秸秆，形成纤维土坯的原材；在土中掺和麦秸秆，麦秸秆与土的摩擦和黏结可以约束土体，提高土体的抗变形性能.在房屋的抗震设计中，墙体的变形能力是房屋抗倒塌的重要指标.使用土质材料的房屋，在新疆广大农村地区得到广泛应用，其优越的建筑物理性能和环保性，得到村镇居民的青睐.现在仍有部分农村利用加有树根、稻草或麦秸秆的黏土、砖块来修建住宅.

4.3 加筋盐渍土与道路工程应用

选用天然草本纤维材料麦秸秆加筋滨海盐渍土，不仅可以拓宽加筋材料的种类，还可以丰富加筋土理论，为开发盐渍土地区的加筋土技术提供理论支持.将麦秸秆浸泡在高分子材料 SH胶中进行防腐处理后，可服务于滨海盐渍土地区的高等级公路路堤工程建设.

刘孔杰等人[22]的研究表明，滨海盐渍土道路经常出现路面盐胀、翻浆、溶陷和腐蚀以及路基次生盐渍化等病害.盐渍土用作路基填料应做改性处理，否则其膨胀性不能满足规范要求；葛新等人[23]利用风积沙掺加盐渍土克服了盐渍土的翻浆问题；周琦[24]通过多种固化方案，对滨海盐渍土进行了改良试验研究，使其能够满足公路工程建设的需要；魏丽[25]由麦秸秆加筋土离心模型试验的初步方案及疲劳试验总结，发现麦秸秆、石灰、粉煤灰及 SH胶加筋固化后，一方面增加了半刚性基层的抗弯强度和抗变形能力，减轻半刚性基层开裂；另一方面麦秸秆加筋土近似均质土体，能阻止或延缓裂缝的出现与发展，使路堤的抗疲劳特性提高，进而延长路面的使用寿命；杨继位[18]通过无侧限抗压强度试验证实，以最优条件加筋的麦秸秆加筋土可改善加筋土体的水稳定性，提高加筋土的抗压强度和抵抗变形的能力.

5 未来的研究问题

在加筋土作用机理研究中已有比较成熟的理论方法，但理论滞后于实践.加筋土技术作为一项新的土工工程技术，在实际施工中，耦合作用机理的不明确性、设计理论的盲目性、施工技术的缺乏针对性、检测技术的片面性等，使加筋土技术潜伏着较大的安全隐患和工程浪费[26-27]，这些都制约着麦秸秆更加广泛地推广应用.因此还有待于从事麦秸秆资源开发利用的专家、技术人员们不懈地研究与探索，使麦秸秆的应用技术更加成熟.

(1)纤维加筋土技术虽已应用于地基工程中，但对于纤维加筋机理的认识仍不完整，对于纤维加筋土的设计也缺乏统一的方法.如何延长麦秸秆在土体中的防腐时间，以及进一步提高筋材使用寿命，并考虑筋材在填土中的耐久性问题还需要进一步探索.

(2)传统的加筋土分析方法都是建立在加筋土极限平衡理论的基础上，即假设破裂面，利用加筋材料从土中拔出或拉断，来分析加筋土的抗拉强度和黏着破坏时的承载力，但无法分析研究结构的变形机制.目前亟待解决的问题是准确测试和评价麦秸秆形态以及麦秸秆加筋盐渍土的真实性能；如何定量地解释麦秸秆的掺入与其他成分发生的组合、叠加效应的影响，这些有待于在以后的工作中进行深入研究.

(3)筋、土的弹性模量差异较大，因此需要进行大量试验研究.如何在试样制备中真实反映麦秸秆在土中的实际分布，考虑如何克服两者之间的差异变形，促使两者发挥出最大承载潜能，尚存在一定技术上的困难，还有待于以后进一步研究.

6 结 语

(1)麦秸秆的加筋效应主要是由加筋土的加筋作用及破坏模式所带来的加固效果两者形成的，由于加筋的存在改变了土的微结构.麦秸秆加筋盐渍土时，与土形成复合体，由于摩擦作用使土的抗剪强度和抗变形能力有了提高.

(2)麦秸秆特有的成分和表面特性，赋予其具有一定的抗拉力和延伸率.天然麦秸秆良好的物理力学性能很好地适应了土体的变形，提高了加筋土的抗压强度，拓宽了现有加筋材料的种类，丰富了滨海盐渍土的加筋固化方法.

(3)滨海盐渍土存在盐胀、溶陷等工程地质问题，用麦秸秆做加筋材料可应用于加筋滨海盐渍土及地基工程中.

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