黃原膠和棕櫚絲纖維對(duì)上海黏土抗壓強(qiáng)度的影響

曹智民， 璩繼立

(上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院， 上海 200093)

1 研究背景

上海地區(qū)的土質(zhì)屬于較為典型的天然軟黏土，嚴(yán)學(xué)新等[1]調(diào)查發(fā)現(xiàn)，上海地區(qū)埋深75 m內(nèi)主要以黏性土層為主，黏土有著含水率高、強(qiáng)度低、孔隙比大、壓縮性高等不良工程性質(zhì)，而且還具有明顯的流變性和觸變性等不良特點(diǎn)[2]。上海的高層建筑、地鐵隧道、高架工程等工程建設(shè)一般都會(huì)穿越軟黏土層，如果不對(duì)土質(zhì)進(jìn)行相應(yīng)的加固處理，在外荷作用下極易發(fā)生較大的壓縮變形，產(chǎn)生不均勻沉降，無法滿足實(shí)際工程的強(qiáng)度和變形要求[3]。目前，許多加固土體的材料已經(jīng)廣泛用于工程中，其中水泥和石灰是最常用的加固材料，然而水泥和石灰雖然能有效加固土體，但也同時(shí)帶來很嚴(yán)重的環(huán)境問題。因此，為了減少水泥對(duì)環(huán)境的影響，已經(jīng)有很多學(xué)者通過在土中添加天然綠色的環(huán)保材料對(duì)土質(zhì)進(jìn)行改良，朱墨沙等[4]通過在上海黏土中添加石灰粉及建筑垃圾碎末，發(fā)現(xiàn)石灰粉對(duì)增強(qiáng)土體強(qiáng)度有顯著效果，魏麗等[5]通過在鹽漬土中添加麥秸稈，發(fā)現(xiàn)麥秸稈能有效增強(qiáng)土的力學(xué)性能；Adili等[6]通過在砂質(zhì)粉土中添加紙莎草纖維發(fā)現(xiàn)對(duì)提高砂質(zhì)粉土的內(nèi)摩擦角和黏聚力有顯著效果；璩繼立等[7]通過在土中添加納米二氧化硅和玄武巖纖維，并對(duì)不同加筋率的試樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)，得到兩種材料的最優(yōu)加筋率。因此尋找適宜的加筋材料及最優(yōu)配合比不僅能拓寬加筋材料的種類，對(duì)我國的生態(tài)文明建設(shè)也具有技術(shù)指導(dǎo)意義。

黃原膠為多糖物質(zhì)，通常用作食品添加劑和流變改良劑[8]，其最顯著的特征是其假塑性(恢復(fù)能力)[9]，在低濃度(大多數(shù)食品中為0.5%)下具有較高黏度，同時(shí)黃原膠有很高的穩(wěn)定性，耐鹽、酶、酸及高溫[10-11]。實(shí)際工程中，黃原膠能對(duì)流變性能進(jìn)行較好控制，因此一直在石油工業(yè)中作為鉆井液增黏劑使用[12]，同時(shí)，黃原膠也常用作混凝土的添加劑增加黏度[13]。眾多學(xué)者曾通過添加黃原膠對(duì)不同土質(zhì)進(jìn)行研究：Chang等[14]通過在砂、黃土、高嶺土、黏土中添加黃原膠后發(fā)現(xiàn)，由于黃原膠能與黏土質(zhì)土體通過氫鍵相互作用，因此黃原膠對(duì)級(jí)配良好的土有著更好的加固效果，且用于加固土體最經(jīng)濟(jì)有效的含量為1.0%～1.5%；Rashid等[15]通過在紅土中添加黃原膠，發(fā)現(xiàn)黃原膠能夠顯著提升土體強(qiáng)度，且黃原膠與土體的反應(yīng)主要在28 d內(nèi)發(fā)生。因此，本文通過將黃原膠作為添加劑對(duì)上海黏土進(jìn)行加固研究，探究其改良上海黏土的可行性。同時(shí)，本研究還選取了棕櫚絲作為另一種加筋材料，由相關(guān)文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，人們很早以前就將棕櫚運(yùn)用于生產(chǎn)生活中，棕櫚種植廣泛，容易獲得，目前主要用于床墊、毛刷及工業(yè)復(fù)合材料[16]，棕櫚作為綠色、環(huán)保的材料符合當(dāng)今生態(tài)文明建設(shè)的時(shí)代主題。陳曦等[17]曾對(duì)棕櫚纖維進(jìn)行腐解速度的研究，發(fā)現(xiàn)棕櫚纖維具有不易腐蝕、防水、隔熱、不易變脆等特性，通過結(jié)合李曉龍[18]的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，棕櫚纖維韌性強(qiáng)、剛度高、表面摩擦力大，是一種理想型的骨架材料。李貝貝等[19]、璩繼立等[20]通過選擇棕櫚片作為加筋材料，發(fā)現(xiàn)棕櫚片對(duì)上海黏土強(qiáng)度及變形能力的提高有顯著效果。

本研究選取黃原膠和棕櫚絲纖維作為加筋材料，以不同的加筋率探究其對(duì)上海黏土的加固效果及養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)加筋土的影響，通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，對(duì)素土、黃原膠土體混合物、棕櫚絲加筋土、黃原膠和棕櫚絲加筋土進(jìn)行對(duì)比分析，得到改良上海黏土的最合理的加筋配比，并對(duì)其進(jìn)行機(jī)理分析。

2 試驗(yàn)儀器、材料及試樣制備

2.1 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)均采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的PY-3型應(yīng)變控制式無側(cè)限壓縮儀。位移測(cè)量范圍為0～30 mm，測(cè)力計(jì)量力范圍為0～600 N，應(yīng)變速率為2.5 mm/min。

2.2 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)土樣取自上海市楊浦區(qū)某大型基坑施工現(xiàn)場(chǎng)，土樣取回后使其在自然條件下風(fēng)干并碾碎，使用前過2 mm土工篩。通過界限含水率試驗(yàn)和擊實(shí)試驗(yàn)分別測(cè)出土樣的液限和塑限及最佳含水率和最大干密度，其主要物理力學(xué)性質(zhì)見表1。本次試驗(yàn)添加的黃原膠選購于某品牌工業(yè)級(jí)黃原膠，試驗(yàn)添加的棕櫚絲纖維取自上海崇明島，取回后洗凈曬干，剪成絲狀備用，其物理性質(zhì)見表2。

表1 試驗(yàn)黏土的物理力學(xué)性質(zhì)

表2 試驗(yàn)用棕櫚絲纖維的物理性質(zhì)

2.3 試樣制備

本次試驗(yàn)樣品由4大組組成，分別為：素土、黃原膠土體、棕櫚絲加筋土、黃原膠和棕櫚絲加筋土。制備試樣中，選取1.0%、1.5%、2.0%的黃原膠、0.75%、1.00%、1.25%的棕櫚絲纖維同素土均勻混合，為減少偶然因素對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)生影響，試樣每組制備3個(gè)平行試件，試驗(yàn)共240個(gè)樣本。制備試樣時(shí)，在最佳含水率和最大干密度條件下配置混合料，樣品均使用高80 mm，直徑39.1 mm的同一圓柱體模具，分3次均勻加土，用擊實(shí)錘每次敲擊27次進(jìn)行擊實(shí)制備。對(duì)試塊兩端表面稍作修剪，以避免測(cè)試期間出現(xiàn)不均勻的應(yīng)力分布[14]。之后用保鮮袋將制備好的試塊密封置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)缸內(nèi)養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間分布為0、7、14、21、28 d。試樣的制備及養(yǎng)護(hù)均嚴(yán)格執(zhí)行《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40-2007)[21]。將4組樣品進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，并記錄每組試塊的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(UCS)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析和討論

3.1 黃原膠對(duì)土樣強(qiáng)度的影響

圖1為不同含量黃原膠土體在7 d養(yǎng)護(hù)齡期下的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖。由圖1可見：素土和黃原膠土體的軸向應(yīng)力與軸向應(yīng)變曲線呈倒“V”型，黃原膠土體的抗壓強(qiáng)度明顯高于素土。在同一養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)，相對(duì)于素土，黃原膠含量為1.0%和2.0%的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加量不高，含量為1.5%的黃原膠土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度卻有顯著提高。與素土相比，黃原膠土體軸向應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)黾拥乃俣让黠@快于素土，1.5%含量的黃原膠土體到達(dá)峰值應(yīng)力的時(shí)間更快；當(dāng)黃原膠土體的軸向應(yīng)力到達(dá)峰值后，曲線較素土下降更快，呈現(xiàn)較低的殘余強(qiáng)度，且黃原膠含量越高，曲線下降段越為陡峭。說明黃原膠對(duì)提升土體的強(qiáng)度確有效果，但黃原膠的加入也降低了土體的延性，且黃原膠含量越高，土體延性越差，脆性破壞越明顯。

表3 試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值 %， kPa

圖2為養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)黃原膠土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響。由圖2可見，素土和黃原膠土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增大，并且黃原膠土體的抗壓強(qiáng)度均大于素土。表4為不同含量黃原膠在不同養(yǎng)護(hù)齡期下與素土抗壓強(qiáng)度的倍數(shù)關(guān)系表。由表4可見在每個(gè)養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)，1.5%的黃原膠土體提高土體抗壓強(qiáng)度的效果最為明顯。

表4 不同含量黃原膠在不同養(yǎng)護(hù)齡期下與素土抗壓強(qiáng)度的倍數(shù)關(guān)系表

綜上可見：黃原膠的加入能夠有效提升土體的抗壓強(qiáng)度，當(dāng)黃原膠含量為1.5%時(shí)，對(duì)土樣強(qiáng)度的提升最為明顯，但是黃原膠的加入也使得土體的延性降低，呈現(xiàn)出較低的殘余強(qiáng)度，黃原膠含量越高，脆性破壞越顯著。從微觀層次看，黃原膠粉末相對(duì)于土顆粒更加均勻且有著更小的粒徑，在土中摻入黃原膠能夠填充土顆粒間的空隙，使得土顆粒排列更加緊湊，大孔隙的尺寸及數(shù)量顯著減小，提高了土體的密實(shí)性，從而提高了土體的強(qiáng)度。但是隨著黃原膠含量的增加，過多的黃原膠單體吸附水形成高度黏稠的懸浮液填充了土顆粒間的空間，增加了土體中孔隙的總體積[15]，土體強(qiáng)度將出現(xiàn)下降，本文2.0%黃原膠含量的土體強(qiáng)度較1.5%黃原膠含量降低也說明了存在一個(gè)最優(yōu)含量使得土體的加固效果最為有效。同時(shí)黃原膠的加入降低了土體的塑性指數(shù)，使得土體的延性降低，土體更易發(fā)生脆性破壞。

3.2 棕櫚絲纖維對(duì)土樣強(qiáng)度的影響

圖3為不同含量棕櫚絲加筋土在7 d養(yǎng)護(hù)齡期下的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖。由圖3可見：棕櫚加筋土的軸向應(yīng)力與軸向應(yīng)變曲線呈倒“V”型。在同一養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)，棕櫚絲加筋土的抗壓強(qiáng)度均明顯高于素土。當(dāng)素土軸向應(yīng)力達(dá)到峰值應(yīng)力后，棕櫚加筋土軸向應(yīng)力繼續(xù)上升，1.0%加筋率提升土體強(qiáng)度的效果優(yōu)于0.75%和1.25%加筋率的土體；在回落階段，棕櫚加筋土的下降速度較素土慢，呈現(xiàn)較高的殘余強(qiáng)度，1.0%加筋率的棕櫚絲加筋土回落速度最慢。說明添加棕櫚絲纖維不但能有效提高土體強(qiáng)度，同時(shí)也能提高延性，有效抑制土體的變形。

圖4為養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)棕櫚絲加筋土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響。由圖4可見，素土和棕櫚絲加筋土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增大，并且在各個(gè)齡期內(nèi)，棕櫚絲加筋土的抗壓強(qiáng)度均大于素土。表5為不同含量棕櫚絲在不同養(yǎng)護(hù)齡期下與素土抗壓強(qiáng)度的倍數(shù)關(guān)系表。由表5可見棕櫚絲的加入對(duì)提升土體抗壓強(qiáng)度有顯著作用，1.0%含量提高土體強(qiáng)度的效果最為明顯。

表5 不同含量棕櫚絲在不同養(yǎng)護(hù)齡期下與素土抗壓強(qiáng)度的倍數(shù)關(guān)系表

圖1不同含量黃原膠土體在7d養(yǎng)護(hù)齡期下應(yīng)力應(yīng)變曲線 圖2養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)黃原膠土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

圖3不同含量棕櫚絲加筋土在7d養(yǎng)護(hù)齡期下應(yīng)力應(yīng)變曲線 圖4養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)棕櫚絲加筋土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

綜上可見：棕櫚絲作為一種新型環(huán)保的加筋材料，能有效提升土體的抗壓強(qiáng)度，改善效果明顯優(yōu)于黃原膠，同時(shí)棕櫚絲的加入提高了土體的延性，增強(qiáng)了土的抗變形能力。棕櫚絲加筋土的抗壓強(qiáng)度主要由土與土、土與棕櫚絲、棕櫚絲與棕櫚絲間的摩擦力決定。當(dāng)棕櫚絲加筋土在外荷作用下產(chǎn)生變形時(shí)，土與土、土與棕櫚絲、棕櫚絲與棕櫚絲間的摩擦力為阻止這種變形而發(fā)生相應(yīng)改變，其改變的大小主要由筋材的含量決定[22]。當(dāng)加筋率較小時(shí)，土與筋材間的接觸面積較小，摩擦力也就較小，隨著加筋率的增大，摩擦力也隨之增大，加筋土的強(qiáng)度也就越大；然而，筋材的加入雖然能提高摩擦力，但對(duì)土顆粒間的孔隙率也有較大影響[22-23]，當(dāng)加筋率較大時(shí)，過多的筋材容易在土中發(fā)生重疊，無法保證筋材與土之間有效接觸，減弱了土顆粒間的聯(lián)結(jié)，降低了土的強(qiáng)度；加筋率適宜時(shí)，棕櫚與土間的摩擦力能夠得到充分發(fā)揮，筋材間的相互交錯(cuò)形成空間約束作用[24]，保證了試塊的完整性，提高了土的強(qiáng)度和延性，一定程度上減小了試塊發(fā)生脆性破壞的可能。

3.3 黃原膠和棕櫚絲纖維對(duì)土樣強(qiáng)度的綜合影響

圖5為不同含量黃原膠和棕櫚絲加筋土樣在7 d養(yǎng)護(hù)齡期下的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖。由圖5可以看到：在7 d養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)，黃原膠和棕櫚絲加筋土的抗壓強(qiáng)度均大于素土。當(dāng)黃原膠含量為1.0%時(shí)，添加1.0%棕櫚絲纖維，試塊的抗壓強(qiáng)度最大；當(dāng)黃原膠含量為1.5%時(shí)，添加0.75%棕櫚絲纖維，試塊的抗壓強(qiáng)度最大；當(dāng)黃原膠含量為2.0%時(shí)，添加1.0%棕櫚絲纖維，試塊的抗壓強(qiáng)度最大，且三者相比，1.5%黃原膠0.75%棕櫚絲加筋土的抗壓強(qiáng)度最大。相對(duì)于素土，黃原膠含量為1.0%時(shí)，棕櫚絲加筋率0.75%、1.0%、1.25%達(dá)到峰值應(yīng)力的速度略快于素土，且棕櫚絲含量越高，下降速度更加緩慢，1.25%加筋率的試塊最為明顯；黃原膠含量為1.5%時(shí)，棕櫚絲加筋率0.75%、1.0%、1.25%達(dá)到峰值應(yīng)力的速度均比素土要快，下降趨勢(shì)也較素土更加緩慢；黃原膠黃原膠含量為2.0%時(shí)，棕櫚絲加筋率0.75%、1.0%、1.25%達(dá)到峰值應(yīng)力的速度略慢于素土，且下降速度較素土略快。

圖6為不同養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)黃原膠和棕櫚絲加筋土樣的影響曲線圖。從圖6可以看出：黃原膠棕櫚絲加筋土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增大，并且在各個(gè)齡期內(nèi)，黃原膠和棕櫚絲加筋土的抗壓強(qiáng)度均大于素土。表6為不同含量黃原膠和棕櫚絲在不同養(yǎng)護(hù)齡期下與素土抗壓強(qiáng)度的倍數(shù)關(guān)系表。由表6可見，1.5%黃原膠0.75%棕櫚絲對(duì)土樣提升幅度最大，并且其延性較素土也有顯著提高。因此，最優(yōu)加筋方案是1.5%黃原膠和0.75%棕櫚絲纖維。

圖5 不同含量黃原膠和棕櫚絲加筋土樣在7d養(yǎng)護(hù)齡期下的應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖6 不同含量黃原膠和棕櫚絲纖維加筋土樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化

表6 不同含量黃原膠和棕櫚絲在不同養(yǎng)護(hù)齡期下與素土抗壓強(qiáng)度的倍數(shù)關(guān)系表

由圖5、6可以看出，當(dāng)試塊達(dá)到峰值應(yīng)力后，相較于黃原膠土體，土體的強(qiáng)度和延性均有明顯提升；相較于棕櫚絲加筋土，抗壓強(qiáng)度得到顯著提高。可以看出，在土體中同時(shí)加入黃原膠和棕櫚絲纖維，可提高土體的抗壓強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度和抗裂性。棕櫚絲纖維摻入黃原膠土體混合物后，因?yàn)辄S原膠吸附水形成高度黏稠的懸浮液，棕櫚絲在土體中處于雜亂均勻分布，在豎向荷載作用下，土體產(chǎn)生相對(duì)位移，棕櫚絲在黏稠懸浮液作用下相互交織，在土體中形成空間約束作用，約束了土體的變形和位移的產(chǎn)生，增強(qiáng)了土體的抗壓強(qiáng)度；同時(shí)黃原膠土體混合物的密實(shí)度也較大地增強(qiáng)了棕櫚絲纖維在土樣中的抗拉能力，當(dāng)土樣在復(fù)雜應(yīng)力作用下，棕櫚絲能夠承擔(dān)很大一部分的拉應(yīng)力，增強(qiáng)了土體的抗變形能力，可有效防止試塊的瞬間破壞，提高了土體的延性，呈現(xiàn)出較高的殘余強(qiáng)度。

4 結(jié) 論

(1)黃原膠作為加筋材料提高了土體的抗壓強(qiáng)度，但同時(shí)也增大了土體的脆性。

(2)棕櫚絲纖維作為加筋材料能夠有效提升上海黏土的抗壓強(qiáng)度，同時(shí)提高了土體的延性。

(3)黃原膠和棕櫚絲纖維同時(shí)作為加筋材料提高了上海黏土的抗壓強(qiáng)度，且強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期成相關(guān)。與黃原膠土體相比，提高了土體的抗壓強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度，減小了發(fā)生脆性破壞的可能，與棕櫚絲加筋土相比，提高了土體的抗壓強(qiáng)度。

(4)當(dāng)土中加入1.5%黃原膠、0.75%棕櫚絲纖維時(shí)，土體抗壓強(qiáng)度最大，且在齡期為28 d時(shí)達(dá)到最大值，與素土相比，強(qiáng)度提高了48%。

從上述結(jié)論中可以看出，將黃原膠、棕櫚絲纖維作為加筋材料，可以有效改善上海黏土的工程性質(zhì)，同時(shí)拓寬加筋材料的種類。本研究只是提供了增強(qiáng)上海黏土強(qiáng)度的一種方法，但是在實(shí)際工程中，還需對(duì)諸如施工工藝、防腐時(shí)間等可行性進(jìn)行系統(tǒng)研究。