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浅议古代“泥檑”与现代“纤维加筋土”
【字体: 】  【发布日期:2022-07-08 12:22】  【来源:中国土工合成材料工程协会】  【作者:中国土工合成材料工程协会】

导读:“泥檑”是我国古代军事上的一种守城器具,由粘土和猪鬃、马尾等混合制成。其机理和现代“纤维加筋土”相类似:均为通过在碎散的土体中拌合、加入纤维材料后,形成具备一定强度、模量、形状的构件。
 
 
1.《武经总要》中的泥檑
  为确保城防安全,檑具是中国古代应用较多的守城器械,早在《周礼.秋官.职金疏》[1]中就记载它的存在:“雷,守城捍御之具”(注:书中“雷”同“檑”)。北宋前期为了军事上的需要组织编纂了兵书《武经总要》,该书包括军事理论与军事技术两大部分,其中记载在《武经总要前集·守城》中所载的檑具就有三种:“木檑、砖檑和泥檑”。

图1  《武经总要》封面
  《武经总要前集·守城》中记载“泥檑,用紧慢土调泥搀入猪鬃毛、马尾毛鬣30斤捣熟捍(杆)成长2、3尺、径5寸”。即以黏土调泥,每千斤泥加入猪鬃毛、马尾毛30斤,捣熟擀成,每檑长2、3尺,直径至少5寸;泥檑干透之后坚硬如铜铁,沉重如巨石,柔韧如皮质,从高空砸下纵经城墙碰撞仍然完好无损。制作工艺的关键是在泥土中加入猪鬃、马毛等纤维材料,使松散的泥土之间紧密连接、具有整体性。其机理和现代的“纤维加筋土”类似,即通过均匀掺入纤维加筋材料使碎散的土体构成具备一定强度、完整形状的整体。

图2  砖檑、泥檑等
2.现代纤维加筋土技术
  泥檑的加筋机理和现代的“纤维加筋土”类似,随着科技的进步,纤维加筋土技术在国内外的研究应用日益广泛。传统加筋土一般是由层铺的加筋材料和一定厚度的土体交叠而成,具有不均匀、筋土协同工作性差等问题,细观上为非均质的各向异性材料;纤维加筋土则是通过将一定比例的短纤维加筋材料与土体采用机械作用等方式充分拌合而成,和“纤维混凝土”有类似之处。
  目前纤维加筋土的加筋材料主要为各类人工制备材料,例如聚丙烯纤维、尼龙纤维以及碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维等。上述材料均具有良好的物理力学性质及抗腐蚀能力,掺入土体时具有良好的分散性、透水性和施工工艺简单等特点;通过加入的纤维材料与土体之间的紧密结合,可有效改善土体的工程性质和均匀性,提高加筋土体的强度、稳定性、模量和整体性。
  纤维加筋土的性能研究主要集中在强度特性、变形破坏特性[2][3]
  2.1纤维加筋土强度特性
  大量研究表明,在土体中掺入一定含量的纤维可以不同程度地提高土体强度。施利国、张孟喜等[4]研究人员将聚丙烯纤维作为加筋材料,以不同的纤维掺量对纤维加筋灰土进行了三轴试验,发现聚丙烯纤维加筋灰土的抗剪强度比普通灰土有明显提高。
  2.2强度特性影响因素
  目前,无侧限抗压强度试验和三轴剪切试验是研究纤维加筋土强度特性的主要方法。对纤维加筋土强度特性的影响因素较多,如纤维含量、纤维长度、纤维种类、纤维分布方式等。Cai[5]等在无侧限条件下,选用纤维掺量、石灰掺量和养护时间作为变量,对聚丙烯纤维加筋石灰土的抗压强度特性进行了研究,分析了这些变量对土的抗压强度的影响,结果表明: 增加纤维掺量和养护时间可提高土的无侧限抗压强度。Kumar等[6]为了改变加强膨胀土的强度性质,通过对聚酯纤维、粉煤灰、石灰改性等变量研究发现:在一定程度内,纤维掺量与无侧限抗压强度成正比。对于纤维加筋土强度的研究也应进一步开展大尺度模型试验、离心模拟试验等工作。
  2.3纤维加筋土变形破坏特性
  纤维加筋土的变形及破坏特性是衡量加筋土改良效果的重要因素之一。通过直剪试验、三轴压缩试验、拉伸强度试验、固结试验等方法对加筋土变形及破坏特性进行了大量研究工作。李广信[7]对纤维加筋土进行了单轴拉伸试验和厚壁圆筒试验研究,得出纤维可以有效增强土体韧性,且加筋土在变形破坏过程中其抗裂特性得以改善,较素土不易发生断裂。刘羽健[8]等对纤维加筋的固化黄土进行了无侧限劈裂抗拉强度试验及微观形貌试验,得出加筋长度及加筋率对劈裂抗拉强度影响显著。
 
3.结语
  (1) “泥檑”是加筋土技术在我国古代的应用,但知其然、更要知其所以然,应探究其内在机理,才能指导目前的相关研究和应用。
  (2) 纤维加筋技术对于提高土体的抗剪强度、抗压强度以及改善变形破坏特性具有显著效果。
  (3) 有关纤维加筋土技术的研究有待深入,相应的工程应用尚需开发推广。
 
  致谢:廊坊师范学院土木工程系张宏洲主任为本稿件提供了思路和建议,在此感谢。
 
参考文献 
[1] 熊武一,周家法主编.《军事大辞海·下》[M].北京:长城出版社,2000年5月.
[2] 金嘉林.天然纤维加筋土的强度特性研究[D]. 长安大学, 2020.
[3] 潘建勋. 纤维混掺加筋土力学性能研究[D]. 西南大学, 2020.
[4] 施利国, 张孟喜, 曹鹏. 聚丙烯纤维加筋灰土的三轴强度特性[J]. 岩土力学,2011,32(09): 2721-2728.
[5] Cai Y, Shi B, Ng CWW, etal.Effect of polypropylene fiber and lime admixture on engineering properties of clayey soil[J].Engineering Geology,2006,87 (3-4): 230-240.
[6]  Kumar A,Walia BS,Bajaj A.Influence of fly ash,lime,and polyester fibers on compaction and strength properties of expansive soil[J].Journal of Materials in Civil Engineering,2007,19(3): 242-248.
[7] 陈轮, 李广信.纤维加筋粘性土的抗拉和抗裂性能研究[J]. 地基处理,1992.3(2):25-31.
[8] 刘羽健, 姚志华, 王天. 纤维加筋固化黄土的抗拉强度及加筋机理[J]. 交通科技,2017(02): 103-106.
 
 
【撰稿:吕鹏、安逸飞  审核:刘伟超    编辑:许喜娟】
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