用于低層建筑地基的不同長度和摻量椰殼纖維加筋吹填海砂強度參數(shù)試驗研究

馬煒迪，李良勇，曹寶珠

(海南大學 土木建筑工程學院，海南 海口 570228)

填海造地是人類向自然拓展生產(chǎn)生活空間的一種有效手段，對沿海城市的社會發(fā)展，交通改善和經(jīng)濟增長都有極大的促進作用.低層房屋建筑是滿足人民生活需求、促進海南旅游娛樂業(yè)發(fā)展、符合海南環(huán)境保護要求的建筑形式，尤其是木結構低層建筑和裝配式輕鋼低層建筑，具有綠色環(huán)保、造價低廉、舒適度高的優(yōu)點，是未來人工吹填島上的主要建筑形式之一.目前，海南的人工吹填島的地基土大多為海砂，吹填海砂級配不良，黏粒含量少，壓實性能差，地基土強度不易達到標準，不宜直接作為基礎持力層.

纖維加筋是一種新型的土體加固技術，是指將分散的纖維均勻地摻入土體，達到提高了土體的力學性質的目的.過去20年中，國內外學者圍繞纖維加筋土進行了一系列研究工作，取得了大量成果：在土體中進行纖維加筋后，土體的抗拉強度和抗壓強度增大，承載力、破壞韌性和滲透性增加，因此纖維加筋技術是一種優(yōu)良的土體加固技術[1].同時，纖維在土體中彼此交織、互成網(wǎng)絡，使土體具有各向同性的特點，能夠避免傳統(tǒng)加筋方法存在潛在滑移面的不足[2].目前，常用的纖維加筋體以人工合成材料為主，國內外已有大量學者對人工合成纖維加筋土進行了研究.Akbulut[3]通過室內試驗對聚乙烯纖維加筋土的力學性能進行了研究，取得了一系列研究成果.張金利[4]通過多種試驗研究了聚丙烯纖維紅黏土的力學特性.唐朝生[5]進行了聚丙烯加固軟土試驗研究，研究了聚丙烯纖維加固軟土的效果和機制.雖然人工合成纖維材料具有強度高、耐腐蝕性強的特點，但其生產(chǎn)過程會對環(huán)境產(chǎn)生污染，增加碳排放量，不利于環(huán)境保護，經(jīng)濟性相對較差.近年來，用植物纖維代替人工合成材料摻入到土體中的加筋方法已成為熱門課題，Prabakar[6]和Sivakumar[7]對劍麻纖維加筋土進行了試驗研究和數(shù)值模擬分析.魏麗[8]對麥秸稈加筋鹽漬土的力學性能進行了試驗研究.吳燕開[9]以劍麻纖維作為加筋材料，研究了劍麻纖維不同長度和摻量對加筋土力學性能的影響.

椰殼纖維作為一種植物纖維，具有強度高、彈性好、重量輕、綠色環(huán)保的特點，與其他植物纖維相比，椰殼纖維含有的木質素更高，抗腐蝕能力更強，同時椰殼纖維在海南還具有原料豐富、易于獲取、價格低廉的優(yōu)點，是一種非常具有潛力的加筋材料，具有廣泛的應用前景.筆者使用椰殼纖維作為海南吹填海砂的加筋材料，通過直剪試驗確認了椰殼纖維加筋吹填海砂的有效性，研究了不同長度和不同摻量條件下椰殼纖維對吹填海砂抗剪強度和剛度的影響，為吹填海砂上低層建筑地基的加固處理提供了有價值的參考，也使原本大量廢棄處理的椰殼“變廢為寶”，有利于保護環(huán)境和節(jié)約成本，具有一定的現(xiàn)實意義.

1 試驗設計

1.1 試驗材料

1.1.1 椰殼纖維在研究椰殼纖維加筋土前，首先要清楚椰殼纖維本身的力學性能，Banerjee[10]的研究表明，椰殼纖維平均直徑為 135.7～204.2 μm，平均長度為 50～250 mm.本試驗采用的椰殼纖維提取自海南島所產(chǎn)椰子，為了得到海南省椰殼纖維的準確力學性能，從中隨機選取50根，經(jīng)測量得海南椰殼纖維平均直徑為150 μm.將這50根椰殼纖維長度均修剪至100 mm，然后通過50組拉伸試驗確定其力學性能，拉伸速率為20 mm·min-1，對試驗得到的極限抗拉強度和極限延伸率結果進行計算并取平均值，選擇一組最接近這兩個指標平均值的曲線作為椰殼纖維的代表曲線，結果如圖1所示.

由圖1可知，椰殼纖維受拉曲線分為3個階段，最初直線部分為線彈性區(qū)、中間曲線部分為屈服平臺區(qū)、最后直線部分為強化區(qū)，極限延伸率為0.251，極限抗拉強度為98.36 MPa，5%延伸率所對應的應力為59.98 MPa.通過線性回歸計算得到椰殼纖維的初始模量為2.14 GPa，通過角平分線法得到拉伸曲線屈服點的應變?yōu)?.036，對應的應力為54.58 MPa；強化點的應變?yōu)?.214，對應的應力為91.35 MPa.Toledo[11]在試驗中測試了椰殼纖維的抗拉性能，得出椰殼纖維的極限延伸率率為 0.15～0.4，極限抗拉強度為108～252 MPa，略大于本次試驗的極限抗拉強度，可能由于不同地區(qū)、不同品種椰殼纖維抗的拉強度差異所導致的.水鋒[12]對海南省椰殼纖維進行了拉伸試驗，得出海南椰殼纖維的極限延伸率為0.28，極限抗拉強度為93.78 Mpa，屈服點為0.03，強化點的為0.23，與本次試驗結果基本吻合.

此外，耐久性是植物纖維加筋土需要處理的重要問題，纖維素是控制植物纖維強度和耐腐蝕性的重要指標，李欣欣[13]的研究結果表明，椰殼纖維的化學成分是36%～43%的纖維素、41%～45%的木質素、0.15%～0.25%的半纖維素和3%～4%的果膠和可溶性物質，椰殼纖維的纖維素含量高，材料本身的耐久性較好.采用植物纖維作纖維加筋材料時往往需要經(jīng)過一定的處理，對椰殼纖維一般采用NaOH進行浸泡處理.經(jīng)過NaOH浸泡后，椰殼纖維的細胞發(fā)生塌縮，導致細胞壁變厚，表面的纖維素含量大大增加，耐久性和強度均得到提升[14]，因此，經(jīng)過處理后的椰殼纖維的耐久性良好，能夠滿足纖維加筋土的使用要求.

1.1.2 吹填海砂吹填海砂取自位于?？跒澄骱０毒嗪０毒€約1.6 km處的南海明珠人工島施工現(xiàn)場，取土深度為0.7 m.按照《土工試驗規(guī)程》的方法，對吹填海砂進行顆粒分析和標準貫入試驗，級配曲線如圖2所示，特性參數(shù)如表1所示.

表1 吹填海砂基本物理性質指標

由圖2和表1可知這種吹填海砂顆粒粒徑在0.25～0.5 mm之間的占總質量的70%以上，不均勻系數(shù)Cu小于5，級配不良.標準貫入錘擊數(shù)為13，屬于中軟土～中硬土，承載能力一般較低.

1.2 試驗方案椰殼纖維強度高、耐久性好；天然吹填海砂本身承載能力較低，難以滿足低層建筑地基要求.因此采用椰殼纖維加筋吹填海砂具有很高的實用價值，纖維加筋土的強度參數(shù)受到纖維本身長度和摻量的影響較大，為了驗證椰殼纖維加筋土的有效性，研究椰殼纖維長度和摻量對加筋土力學性能的影響并找出椰殼纖維加筋吹填海砂的最佳參數(shù)，分別對素土、4種不同長度和4種不同摻量的椰殼纖維加筋土進行了直剪試驗，其中摻量是指椰殼纖維質量與素土質量的比值.除去1組重復試驗，共設計8種工況下的直剪試驗，每種工況都進行3組平行試驗以保證試驗結果的可靠性，具體試驗分組如表2所示.每組直剪試驗都分別在100 kPa、200 kPa、300 kPa和400 kPa的垂直壓力下進行，剪切速率為0.24 mm·min-1，直到百分表讀數(shù)持續(xù)停止或緩慢下降時終止試驗.

表2 直剪試驗分組

1.3 試樣制備直剪試樣直徑61.8 mm，厚度20 mm，所有試樣均按照吹填現(xiàn)場取樣時測定的天然含水率3.7%配置，將椰殼纖維修剪至所需的長度，然后按照擬定的摻量摻入并充分攪拌均勻.為避免不同試樣密度不同對試驗結果產(chǎn)生影響，所有試樣均采用同一個環(huán)刀，試樣質量控制在136 g±0.5 g，保證每組試樣密度為1.56 g·cm-3.

2 結果分析

按照上述試驗方法，對表2中各組試樣進行了直剪試驗，相關結果如表3所示.

表3 直剪試驗分組

圖3 不同垂直應力條件下剪切應力-位移曲線

圖3給出了第4組直剪試驗不同垂直應力條件下的剪切應力-位移曲線，由圖3可知，吹填海砂在垂直應力較小時，砂顆粒間的相互作用較小，剪應力的增長非常緩慢，而隨著垂直壓力的增大，剪應力提升速度明顯增大，這是由于垂直壓力增大導致砂顆粒間摩擦力增大，同時也會提高纖維-土界面的摩擦作用，椰殼纖維更不容易從海砂中拔出，增強了椰殼纖維的加筋效果.因此，椰殼纖維加筋土在所受的垂直應力較小時，加筋效果不明顯，隨著試樣所受垂直應力的增大，加筋效果也越來越好.

圖4 第4組直剪試驗剪切面俯視圖圖5 第4組直剪試驗剪切面?zhèn)纫晥D

圖4和圖5為第4組直剪試驗在400 kPa垂直壓力下的剪切破壞面.從圖5中可以看出，部分椰殼纖維從剪切面中伸出，沒有被剪斷，說明部分椰殼纖維從土體中被拔出.將所有破壞后試樣中的椰殼纖維清理出后發(fā)現(xiàn)，各組試樣剪切面情況相似，都存在大部分椰殼纖維長度不變，只有少數(shù)被拉斷的現(xiàn)象.說明本次試驗中試樣在剪切破壞過程中既存在拉斷破壞，也存在椰殼纖維被拔出的失效破壞，但總體上以纖維拔出的失效破壞為主.因此，椰殼纖維加筋吹填海砂的抗剪強度主要由纖維-土界面摩擦作用控制.需要指出的是：纖維-土界面摩擦作用受到椰殼纖維長度、直徑、表面粗糙度和土體顆粒組成、含水率、密度、正應力等多個因素的影響[15]，具體的椰殼纖維吹填海砂加筋作用機理有待進一步研究.

2.1 椰殼纖維長度為了研究椰殼纖維長度對椰殼纖維加筋土剪切過程和剪切強度參數(shù)的影響，選取1、2、4、7和8組的試驗結果為代表進行分析.

圖6給出了椰殼纖維加筋土試樣在400 kPa垂直應力、不同纖維長度條件下的剪切應力-位移曲線，剪切應力-位移曲線的斜率可以反映出椰殼纖維加筋土受力時抵抗變形的能力，體現(xiàn)了椰殼纖維加筋土的抗剪剛度的大小.由圖6可知，在剪切位移小于0.6 mm時，椰殼纖維加筋土與素土試樣的抗剪剛度無明顯差異，這是由于椰殼纖維的抗剪剛度較小，在剪切位移較小時，纖維與土之間的相對位移較小，纖維還不能發(fā)揮加筋作用，而隨著剪切位移的逐漸增加，椰殼纖維逐漸開始發(fā)揮作用，所有椰殼纖維加筋土的抗剪剛度和最大剪應力均明顯大于素土.當剪切位移小于4 mm時，不同長度椰殼纖維加筋土的抗剪剛度差別較小，當剪切位移達到4 mm且椰殼纖維長度在5 cm內時，椰殼纖維加筋土的抗剪剛度和最大剪應力隨著椰殼纖維長度的增大而增大.當椰殼纖維長度達到8 cm時，其抗剪剛度和最大剪應力反而略小于椰殼纖維長度為1 cm的椰殼纖維加筋土，但仍大于素土.

由于砂土幾乎沒有粘聚力，本次研究只對椰殼纖維加筋土的內摩擦角進行分析，結果如圖7所示.由圖7可知，椰殼纖維加筋土的內摩擦角均大于素土，在纖維摻量相同的條件下，當摻入的椰殼纖維長度小于5 cm時，加筋土的內摩擦角隨纖維長度的增大而增大，但增幅逐漸減小，椰殼纖維長度從1 cm增加到3 cm后，內摩擦角增加了2.51 °，椰殼纖維長度從3 cm增加到5 cm后，內摩擦角僅增加了1.25 °.當椰殼纖維達到8 cm時，椰殼纖維加筋土的內摩擦角與纖維長度為5 cm時相比反而減小，但仍大于素土.這是由于過長的纖維容易形成局部纖維團，難以在椰殼纖維加筋土中均勻分布，試樣受到直剪試驗尺寸效應的影響，此局部纖維團更容易產(chǎn)生.當纖維團位于剪切面時，剪切面上大量土顆粒被纖維團取代，導致界面摩擦系數(shù)減?。划斃w維團不在剪切面時，剪切面纖維含量過少，不能提供足夠的約束作用.因此，椰殼纖維長度不宜過長，加筋吹填海砂的最佳纖維長度為5 cm.

2.2 椰殼纖維摻量為了研究纖維摻量對椰殼纖維加筋土剪切過程和剪切強度參數(shù)的影響，選取1、3～6組的試驗結果為代表進行分析.

圖8給出了椰殼纖維加筋土試樣在400 kPa垂直應力、不同纖維摻量條件下的剪切應力-位移曲線.由圖8可知，在剪切位移小于0.6 mm時，椰殼纖維加筋土與素土試樣的抗剪剛度無明顯差異；當剪切位移達到1.2 mm時，椰殼纖維加筋土的抗剪剛度明顯大于素土.椰殼纖維加筋土的抗剪剛度和最大剪應力均隨椰殼纖維摻量的增大而增大.

將圖8與圖6進行對比分析，不同纖維長度條件加筋土的抗剪剛度在剪切位移達到4 mm時出現(xiàn)差異，而不同纖維摻量條件加筋土的抗剪剛度在剪切位移達到2 mm時就出現(xiàn)明顯差異.由此可知，不同摻量條件比不同長度條件在剪切位移更小的階段就開始影響椰殼纖維加筋土的抗剪剛度，說明椰殼纖維加筋土的初期剛度受摻量條件變化的影響更明顯.

圖9為椰殼長度不變時，吹填海砂內摩擦角隨椰殼纖維摻量的變化曲線.由圖9可知，當椰殼纖維摻量小于0.3%時，內摩擦角隨椰殼纖維摻量的增大而增大；當椰殼纖維摻量大于0.3%時，加筋土的內摩擦角與椰殼摻量0.3%時相比無明顯變化.這是由于椰殼纖維加筋土的加筋效果主要來源于纖維-土界面摩擦作用[16]，當椰殼纖維含量達到一定值時，椰殼纖維表面被大量土顆粒充分包裹，纖維與土之間的摩擦作用達到最大，此時再加入更多纖維已不能提升這種摩擦作用.

3 小 結

通過直剪試驗對不同長度和摻量椰殼纖維加筋吹填海砂的抗剪強度和剛度進行了研究，得到了以下結論：

1) 椰殼纖維加筋土的抗剪剛度、最大剪應力和內摩擦角均大于素土.當試樣密度為1.56 g·cm-3時，加筋土試樣以剪切面纖維拔出失效破壞為主，加筋效果隨椰試樣所受的垂直應力增大而增大.

2) 椰殼纖維長度為5 cm時，加筋土的剛度、最大剪應力和內摩擦角達到峰值，椰殼纖維長度為8 cm時，椰殼纖維加筋土的剛度、最大剪應力和內摩擦角降低，降低的幅度因直剪試樣的尺寸效應而表現(xiàn)得更加明顯.椰殼纖維加筋吹填海砂的最佳纖維長度為5 cm.

3) 椰殼纖維摻量為0.3%時，內摩擦角達到峰值，而抗剪剛度和最大剪應力隨摻量持續(xù)增大.為了在取得較好加筋效果的同時節(jié)約椰殼纖維用量，椰殼纖維摻量以0.3%為宜.

試驗結果表明：在吹填海砂中加入椰殼纖維是一種優(yōu)良的加筋方法，有效提升了土體的強度參數(shù)，椰殼纖維作為加筋材料來源豐富、綠色環(huán)保，具有廣闊的應用前景，為吹填海砂上低層建筑地基的加固處理提供了有價值的參考.