棕櫚纖維加筋植被混凝土三軸試驗研究

潘 波，丁 瑜 ，黃曉樂，高 峰，許文年，劉大翔

(1.三峽大學土木與建筑學院，宜昌 443002；2.三峽大學,防災減災湖北省重點實驗室，宜昌 443002；3.三峽地區(qū)地質災害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，宜昌 443002)

0 引 言

植被混凝土是一種常用的邊坡生態(tài)防護基材，近年來已在水電、交通和市政等領域獲得廣泛應用，取得良好的實施效果[1]。作為人工改良土體，植被混凝土基材良好的強度、抗沖刷性能可滿足工程防護要求，其多孔結構特征有利于植被生長，快速實現(xiàn)坡面生態(tài)防護的目的[2]。實際工程中，由于灌溉養(yǎng)護和降雨影響，部分基材可能因干濕循環(huán)作用而降低強度，發(fā)生錯動、脫落。國內外相關研究表明，纖維加筋可顯著改善土體力學性能，提高土體強度[3-8]。在植被混凝土基材中摻入纖維，探索加筋基材在不同干濕循環(huán)條件下的強度變化規(guī)律，這將對提升和改進邊坡生態(tài)防護工程技術具有重要的現(xiàn)實意義。

對于工程中常見的各類土體，纖維加筋有助于提高和改善土體的物理力學性能。李廣信等[3]發(fā)現(xiàn)，摻入聚酯纖維不僅能顯著提高黏性土的抗剪強度，還能增加黏性土在拉應力作用下的塑性和韌性。棕櫚纖維除提高黏性土的抗剪強度外，還能明顯增強土的抗變形能力[4]。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，黏性土摻入纖維后，土體內摩擦角變化較小，但黏聚力隨纖維摻量增加而明顯增大[5]。對于膨潤土，聚酯纖維可顯著提高土體的抗拉強度，并使膨潤土的破壞模式由脆性轉化為塑性[6]。Roustaei等[7]發(fā)現(xiàn)，在凍融土體中加入纖維，可在一定程度上降低凍融循環(huán)對土體造成的破壞。在水泥土中摻入聚丙烯纖維后，土樣的抗剪強度明顯提高，脆性破壞也得到改善[8]。

目前，有關生態(tài)護坡基材加筋的研究報道較少[9]。為此，選取棕櫚纖維作為植被混凝土基材的加筋材料，采用三軸試驗分析干濕循環(huán)作用下加筋基材的抗剪強度及應力-應變關系，探討不同的纖維摻入量對加筋基材抗剪強度及抗變形能力的影響。本研究可為改良基材配置，改進植被混凝土生態(tài)防護技術提供必要的數(shù)據(jù)和依據(jù)。

1 實 驗

1.1 試驗材料

植被混凝土基材由種植土、水泥、有機質、活化添加劑等材料配制而成。試驗用種植土選用宜昌本地黃棕壤，土樣取回后經(jīng)風干碾碎，過2 mm篩備用，其基本物理性質見表1。試驗用水泥為宜昌華新水泥生產(chǎn)制造廠生產(chǎn)的 P·C 32.5復合硅酸鹽水泥。有機質為當?shù)啬静募庸S的棕樹鋸末，風干后過2 mm篩備用?；罨砑觿楹睗欀巧鷳B(tài)科技有限公司生產(chǎn)的潤智生態(tài)劑。試驗用棕櫚纖維為宜昌五峰深山百寶莊的天然特級棕絲，其物理力學參數(shù)見表2。

表1 土樣物理性質指標Table 1 Physical properties of soil

Note:Cuis curvature coefficient,Ccis nonuniform coefficient.

表2 纖維基本物理力學參數(shù)Table 2 Basic physical and mechanical parameters of fiber

1.2 試驗方案

根據(jù)實際工程，種植土、水泥、有機質、活化添加劑分別按質量比100∶8∶6∶4來配制植被混凝土基材?；闹凶貦袄w維的摻量按纖維與混合料干質量之比設置為0.2%、0.4%、0.6%和0.8%，不摻入纖維的基材作為空白對照樣。根據(jù)上述設計配合比，先將各材料初步混合，加入自來水直至基材含水量為20%時將混合料拌和均勻。再按摻入量分批加入棕櫚纖維，攪拌時間不少于5 min，使棕櫚纖維在基材中分布均勻。

制樣時，所有試樣干密度均控制為1.35 g·cm-3，試樣模具為高80 mm、內徑39.1 mm的圓柱形模具。根據(jù)模具尺寸，稱取拌合均勻的纖維加筋基材混合料，將其均勻分成3份，依次加入模具內，分層擊實。每組試樣制作3個平行樣，置于溫度25 ℃、相對濕度為90%的養(yǎng)護箱中養(yǎng)護7 d。隨后，將試樣取出，在室內抽真空飽和48 h(測得試樣飽和含水量為29.85%)。將飽和后的試樣放入電熱鼓風干燥箱中，在50 ℃溫度下脫濕至含水量為5%，此為1次干濕循環(huán)。分別考慮0次、5次、10次干濕循環(huán)，對比和分析不同干濕循環(huán)次數(shù)對試樣三軸剪切力學性能的影響。

實際工程中，邊坡坡面的植被混凝土基材固結、排水作用不明顯，故采用不固結不排水(UU)三軸剪切試驗測試基材強度。試驗所用儀器為南京土壤儀器廠生產(chǎn)的TSZ30-2.0應變控制式三軸儀。試驗時，圍壓分別設置為10 kPa、30 kPa和50 kPa，剪切速率為4.5 mm/min。破壞標準取偏應力峰值點，當無峰值點時取軸向應變達20%時的偏應力。

2 結果與討論

2.1 試樣破壞特征

三軸試驗過程中，空白對照樣強度達到峰值后，隨剪切變形急劇下降，剪切破裂面快速擴展貫通。試樣破裂面角度為58°～63°(圖1)。圖1(a)從左至右分別為0次、5次和10次干濕循環(huán)后空白對照樣的照片，可以看出，隨干濕循環(huán)次數(shù)增加，剪切破裂面較為規(guī)整，破裂角變化不明顯，試樣鼓脹變形微弱，呈現(xiàn)出典型的脆性破壞特征。棕櫚纖維加筋試樣在破壞前期會產(chǎn)生少量細小的豎向裂縫，隨著軸向應力增加，豎向裂縫的數(shù)量及寬度隨之增加，破壞的剪切面開始形成。圖1(b)從左至右分別為0次、5次和10次干濕循環(huán)后加筋試樣的照片，可以看出加筋試樣達到破壞時的剪切變形明顯大于空白對照樣，剪切變形過程伴隨明顯的鼓脹變形特征。加筋試樣的剪切破壞特征，說明纖維加筋對基材有側向約束作用，明顯改善了基材抗剪切破壞的變形能力[10]。對比發(fā)現(xiàn)，空白對照樣和纖維加筋基材的破壞特征有明顯差異，空白對照樣的破壞均為脆性破壞，而棕櫚纖維加筋試樣則趨向于延性破壞。

圖1 不同干濕循環(huán)次數(shù)下的試樣破壞照片F(xiàn)ig.1 Damage photos of samples with different dry and wet cycles

棕櫚纖維加筋試樣中，纖維與土體相互作用、纖維與纖維間的交織作用對基材起到加筋作用，纖維之間會互相阻擋各自的位移，增強試樣的整體性[11]，改善了基材的剪切力學性能。棕櫚纖維加筋基材剪切面照片如圖2所示。加筋試樣受到剪切作用時，離散分布的纖維可顯著增大試樣的側向約束力，因而試樣破壞表現(xiàn)為由脆性破壞向延性破壞發(fā)展。此外，加筋試樣破壞后，在棕櫚纖維加筋基材的剪切面，部分離散的纖維被剪斷或拔出，未被拔出的部分被周圍土體緊緊包裹。一方面，由于剪斷或一端被拉脫的棕櫚纖維增加了破裂面粗糙度，另一方面，大量未剪斷和拔出的纖維仍作用于剪切破裂面，加筋試樣剪切破壞后的殘余強度明顯高于空白對照樣。

圖2 棕櫚纖維加筋基材剪切面照片F(xiàn)ig.2 Shear plane photos of palm fiber reinforced substrate

2.2 應力-應變關系

不同干濕循環(huán)次數(shù)下，三軸試驗得到的應力-應變關系曲線(σ3=30 kPa)如圖3所示。當軸向應變較小時，0次干濕循環(huán)下，試樣的應力-應變曲線近似重合，說明各摻量下試樣的初始剛度接近相同[12]。5次干濕循環(huán)后，空白對照樣初始剛度明顯降低，10次后空白對照樣、0.6%和0.8%摻量下的試樣初始剛度降幅較大。分析認為，基材在干濕循環(huán)作用下產(chǎn)生脹縮現(xiàn)象，內部空隙增大，摻入適量纖維可有效抑制干濕循環(huán)的不利影響。然而過多摻入纖維也會形成“隔層”，增大基材試樣內部空隙，因此未摻纖維和纖維摻量較高試樣在試驗初期均呈現(xiàn)明顯的壓密特性[13]。隨著軸向應變的增加，空白對照樣在達到峰值強度后，偏應力迅速下降后持續(xù)減小。纖維加筋試樣的偏應力隨軸向應變的增加平緩上升，達到峰值強度后緩慢下降?？瞻讓φ諛討?應變曲線呈明顯應變軟化特征。摻入纖維后，試樣的應力-應變曲線由應變軟化型變?yōu)槿鯌冘浕停嚇于呄蛴谘有云茐?，表明纖維摻入能明顯改善植被混凝土基材的破壞形式，增強基材的抗變形能力[14]。

圖3 不同干濕循環(huán)次數(shù)下應力-應變曲線(σ3=30 kPa)Fig.3 Stress-strain curves under different dry and wet cycles(σ3=30 kPa)

2.3 峰值強度特征

試樣不同纖維摻量下的峰值強度與圍壓的關系如圖4所示。隨著圍壓的增加，試樣的峰值強度整體增大。分析認為，隨著圍壓的增加，試樣受到的側向約束力增大，達到破壞時所需的極限偏應力更大。由圖4(a)可見，0次干濕循環(huán)下，隨著纖維摻量的增大，加筋試樣的峰值剪切強度隨之增大，纖維摻量為0.8%時達到最大，較空白對照樣增大了35.23%(σ3=30 kPa)。5次干濕循環(huán)后(圖4(b))，試樣的峰值剪切強度與未干濕循環(huán)時相比均有所降低，且隨纖維摻量增加先增大后減小，在0.4%摻量時達到最大，與空白對照樣相比，峰值強度增加了64.35%(σ3=30 kPa)，亦說明纖維摻入存在最佳摻量。由圖4(c)可知，10次干濕循環(huán)后，試樣峰值剪切強度均大幅降低，數(shù)值上仍隨纖維摻量增加先增大后減小，在0.4%摻量時最大，對比空白對照樣增大了93.91%(σ3=30 kPa)。試驗表明，纖維摻入顯著提高了基材的抗剪強度，且纖維的摻量存在一個最優(yōu)值，超過最優(yōu)摻量時，纖維導致基材內部分隔，隨干濕循環(huán)次數(shù)增加，試樣內部結構破壞加劇，抗剪強度反而會有所下降。

圖4 不同干濕循環(huán)次數(shù)下峰值強度、圍壓與纖維摻量的關系Fig.4 Relationship between peak strength, confining pressure and fiber content under different dry and wet cycles

2.4 強度參數(shù)特征

不同干濕循環(huán)次數(shù)下，試樣黏聚力和內摩擦角與纖維摻量關系如圖5所示。試樣黏聚力在無干濕循環(huán)作用時隨纖維摻量增加而增大，摻量為0.8%時最大。但在5次和10次干濕循環(huán)條件下，黏聚力均隨纖維摻量的增加，表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，試樣的黏聚力在0.4%摻量時達到最大。而試樣在同等摻量下，黏聚力隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加均有所下降，由圖5(a)可知，在0.4%摻量時黏聚力降幅最小。這表明摻入適量的纖維可以大幅降低干濕循環(huán)的不利影響，顯著改善基材劣化和結構破損。

干濕循環(huán)對空白對照樣和纖維加筋試樣的摩擦角影響較小，僅有小幅的波動(圖5(b))。導致這一現(xiàn)象的原因在于：采用的種植土中黏粒的含量極低，干濕循環(huán)對基材內部顆粒物之間的摩擦作用影響較低，故基材的內摩擦角變化不大[15]。

圖5 不同干濕循環(huán)次數(shù)下黏聚力和內摩擦角與纖維摻量的關系Fig.5 Relationship between fiber content, cohesion and internal friction angle under different dry and wet cycles

3 基材軟化特性及應力-應變模型

3.1 基材軟化特性

由上述分析可得，基材的破壞模式為應變軟化型，對于基材的軟化特性，采用應力相對軟化系數(shù)[16]來表征。應力相對軟化系數(shù)K可按式(1)計算。

(1)

式中，qp為基材的峰值剪切強度；qr為基材的殘余剪切強度，取應變?yōu)?0%時對應的偏應力。由式(1)可知，K值越小，基材的殘余強度越接近于峰值強度，說明基材的軟化特性越不明顯。

圖6 不同應力下應力相對軟化系數(shù)K與纖維摻量的關系Fig.6 Relationship between relative softening coefficient K and fiber content under different stress

各試樣的應力相對軟化系數(shù)K隨纖維摻量變化的關系如圖6所示?？傮w上，K值隨圍壓的增加整體上減小，說明圍壓對軟化特性影響明顯。相同纖維摻量下，5次干濕循環(huán)后，K值均有所增大；而10次干濕循環(huán)后，K值繼續(xù)增大，但增幅均小于5次后的增幅，且存在個別K值為負。分析認為，干濕循環(huán)作用下，基材內部結構遭到破壞，導致其峰值強度和殘余強度降低，殘余強度減小幅度較大。隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，基材峰值強度和殘余強度逐漸減小，但峰值強度減小幅度大于殘余強度，基材軟化特性隨干濕循環(huán)增加有少許降低。

相同干濕循環(huán)次數(shù)下，纖維加筋基材與空白基材相比，K值均大幅減小。說明纖維加筋可大幅提升基材的殘余強度，降低基材的軟化特性。隨纖維摻量增加，K值呈小幅的波動，纖維摻量大小對基材的軟化特性影響不明顯。

3.2 應力-應變模型

空白對照樣與纖維加筋試樣的應力-應變曲線具有明顯的軟化特征。對于軟化型應力-應變關系，可以采用原南京水利科研院模型進行描述[17-18]，即:

(2)

式中，σ1為軸向應力;σ3為圍壓;ε1為應變百分比；a、b和c為試驗確定的擬合參數(shù)，與峰值強度qp、殘余強度qr和峰值應變εp有以下關系：

(3)

根據(jù)各試樣試驗結果，由峰值強度qp、殘余強度qr和峰值應變εp可分別確定參數(shù)a、b和c，擬合值如表3所示，由式(2)即可得到相應的擬合曲線。由于篇幅所限，圖7僅給出部分代表性試樣的擬合結果。由圖7可知，不同圍壓下所得的應力-應變曲線與模型擬合結果基本吻合。

圖7 應力-應變曲線試驗值與模型計算值Fig.7 Test value of stress-strain curve and the calculated value of the model

根據(jù)表3確定的參數(shù)，各試樣擬合結果的相關系數(shù)平方值R2均在0.90以上，因此，植被混凝土基材空白對照樣及棕櫚纖維加筋試樣應力-應變曲線可采用式(2)描述。

表3 各參數(shù)的擬合值(σ3=30 kPa)Table 3 Fitted values of parameters(σ3=30 kPa)

4 結 論

(1)棕櫚纖維摻入植被混凝土基材中可以將基材的應力-應變曲線由應變軟化型轉化為弱應變軟化型，基材的破壞模式由脆性破壞向延性破壞發(fā)展。

(2)干濕循環(huán)作用下，棕櫚纖維的最佳摻量為0.4%；低于最佳摻量時，抗剪強度隨摻量增加而增大，高于最佳摻量時，抗剪強度隨摻量增加而減小。

(3)纖維摻入可顯著提高基材殘余強度，降低了基材的軟化特性；采用原南京水利科研院模型可較好地描述棕櫚纖維加筋基材的應力-應變關系。