纖維加筋黃土的三軸蠕變試驗(yàn)研究

汪國剛， 駱亞生， 李沛達(dá)， 趙耀斌

(西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，楊凌 712100)

黃土是第四紀(jì)堆積的以粉質(zhì)黏土顆粒為主，碳酸鹽含量高、具有大孔性、松軟沉積物豐富。黃土在世界范圍內(nèi)分布廣泛，是一種風(fēng)成的、不分層的礦床，主要由黃土狀土組成，富含風(fēng)運(yùn)輸?shù)挠倌啻笮〉V物和黏土顆粒。黃土主要存在于美國、英國、新西蘭、中國、比利時(shí)、泰國和伊朗等。黃土分布的總面積約1 300萬km2，占陸地面積的9.3%。在中國，黃土和黃土狀土的分布面積廣泛，在國土面積中占比較多，特別是西北各省市和黃河中游地區(qū)，西起賀蘭山、東到太行山，北起長城、南到秦嶺幾乎全部都被黃土覆蓋，在這些地區(qū)進(jìn)行工程建設(shè)，必然離不開與黃土打交道。不論將黃土作為建筑材料，地基，或者工作場地，都要求對其工程性質(zhì)進(jìn)行科學(xué)、全面的掌握以達(dá)到使工程安全可靠的目的。

黃土的蠕變特性是黃土地基沉降和失穩(wěn)的一個(gè)重要問題。胡連信等[1]通過對黃土的平面蠕變和三軸蠕變試驗(yàn)比較發(fā)現(xiàn)，小剪應(yīng)力情況下，前者蠕變較為明顯，大剪應(yīng)力情況下，后者蠕變較為明顯。王松鶴等[2]通過對原狀、重塑黃土的非飽和、飽和兩種情況進(jìn)行直接剪切蠕變試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，各狀態(tài)黃土均具有蠕變特性；在保證相同的試驗(yàn)條件時(shí)，飽和黃土的蠕變現(xiàn)象最為明顯，原狀黃土蠕變變形最小，蠕變速率最低。王鵬程等[3]通過三軸固結(jié)排水試驗(yàn)研究了不同圍壓和含水率條件下的重塑黃土蠕變情況，并建立兩種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停砻鼽S土的衰減蠕變特性表現(xiàn)最為顯著，當(dāng)周圍壓力較小、含水率較大的情況下，黃土蠕變的現(xiàn)象較為明顯。陳瓊等[4]通過不同加載方式研究了不同固結(jié)狀態(tài)下的黃土坡滑坡滑帶土的剪切蠕變特性發(fā)現(xiàn)，滑帶土呈現(xiàn)中等壓縮性土并說明滑帶土的剪切蠕變特性受加載路徑和加載后的孔隙比影響。葛苗苗等[5]對壓實(shí)黃土的長期蠕變試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，一維固結(jié)條件下的壓實(shí)黃土的蠕變變形明顯，蠕變變形隨含水率的升高而增大，壓實(shí)程度隨著含水率的升高而減小。龍建輝等[6]通過三軸剪切和直接剪切的蠕變實(shí)驗(yàn)，將不同的含水率條件和偏應(yīng)力條件下的原狀黃土的蠕變過程分為等速、加速、破壞蠕變?nèi)齻€(gè)階段，蠕變破壞時(shí)的變形程度隨著含水率的升高而增大。

對于黃土地基的處理方法，莫過于加筋土的應(yīng)用，近年來，加筋土的地基處理方法得到重視和使用，地基處理的問題得到較大改良。張丹等[7]在膨脹土中摻入玄武巖纖維，進(jìn)行快剪試驗(yàn)和收縮試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，玄武巖纖維的摻入可以提高膨脹土物理力學(xué)性能，抑制膨脹土的蠕變變形，改善了膨脹土收縮時(shí)內(nèi)部應(yīng)變不均勻的情況，抑制了膨脹土裂隙的產(chǎn)生。高磊等[8]在黏土中摻入玄武巖纖維，通過直剪試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，土的黏聚力隨著纖維摻量的增加而增大，內(nèi)摩擦角在纖維摻量低于0.25%時(shí)變化不大，摻量在0.25%～0.35%時(shí)緩慢增加，大于0.35%時(shí)顯著增加。唐朝生等[9-10]在軟土中摻入聚丙烯纖維進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著加筋率的增加，軟土試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度升高，并且自行設(shè)計(jì)了一組可以量測單根纖維在試樣中的拉拔試驗(yàn)裝置，用于對各種條件下的摻入纖維的土樣進(jìn)行了纖維-土界面的拉應(yīng)力試驗(yàn)，量化了筋-土界面多種強(qiáng)度參數(shù)與試樣各種干密度、不同含水率之間的數(shù)量關(guān)系；依據(jù)所測纖維加筋土的筋-土界面強(qiáng)度計(jì)算出了相應(yīng)的纖維臨界長度。

加筋土技術(shù)的優(yōu)越性使得加筋土的應(yīng)用越來越廣泛，在各種路基和地基的工程應(yīng)用中都起到了良好的改善作用。因此，研究加筋土的蠕變特性不僅能對土的流變特性的相關(guān)研究加以補(bǔ)充，也能在加筋土的工程應(yīng)用中起到重要的指導(dǎo)意義。本研究主要通過應(yīng)變式三軸蠕變儀對楊凌某工地黃土進(jìn)行三軸固結(jié)排水試驗(yàn)研究，控制不同圍壓、含水率和纖維產(chǎn)量，得到該地區(qū)加筋黃土的蠕變特性，并模擬非飽和加筋黃土的Mesri蠕變模型。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)中所用土取自陜西省楊凌示范區(qū)某工地開挖邊坡，具有明顯的橫向節(jié)理，取土的深度為3 m左右，屬于第四紀(jì)晚更新世黃土，土樣基本物理指標(biāo)見表1，黃土試樣為非飽和重塑樣，試驗(yàn)中所用加筋材料為玄武巖短纖維，材料物理指標(biāo)見表2。

表1 土的物理指標(biāo)

表2 玄武巖纖維物理指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用儀器為溧陽永昌儀器廠的SR-6型應(yīng)變式三聯(lián)三軸剪切蠕變儀(圖1)。試驗(yàn)前標(biāo)定試驗(yàn)儀器，用砝碼(三個(gè)儀器誤差不同，根據(jù)儀器的標(biāo)定而定)平衡圍壓室的反力，保證試樣帽、濾紙、透水石與土樣之間接觸良好，試驗(yàn)中嚴(yán)格控制室內(nèi)溫度和濕度一致。

圖1 SR-6型三聯(lián)式三軸蠕變儀Fig.1 SR-6 triplet triaxial creep instrument

試樣均為重塑樣(圖2)，三層擊樣法制樣并刮毛，保證每層聯(lián)結(jié)緊密，干密度均控制為1.625 g/cm3，含水率為15%、18%和21%，在保濕缸中靜置24 h，保證水分?jǐn)U散均勻，試樣為中型三軸試樣，Φ6.18 cm×12.5 cm，試驗(yàn)方法為固結(jié)排水剪切試驗(yàn)。試樣參數(shù)見表3。

表3 試樣參數(shù)

圖2 重塑黃土樣Fig.2 Remolding the loess sample

試驗(yàn)采用分級加載的方式，每級荷載下穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為變形不大于0.01 mm/24 h，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)研究即加載24 h穩(wěn)定，偏應(yīng)力加載等級為50、100、200、300、400 kPa，破壞標(biāo)準(zhǔn)為當(dāng)前荷載作用下變形超過儀器量程(儀器限制)或總變形超過10%，加載中若達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)，則不再進(jìn)行下一級荷載加載。數(shù)據(jù)記錄點(diǎn)是0、0.5、1、2、3、4、5、10、15、20、25、30、60、90、120、180、240、300、360、420、480、600、720、1 440 min……圍壓控制在50、100、200 kPa。參考文獻(xiàn)[11-12]關(guān)于玄武巖加筋黃土的研究中可以看出加筋長度對加筋土有一定影響，但是效果并不是很明顯且離散性較大，通過預(yù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果也證明這一點(diǎn)，在張丹等[7]和陳曉雪等[13]對于6 mm玄武巖纖維加筋膨脹土成功研究之后，作者亦確定玄武巖短纖維的筋材長度為6 mm。加筋率控制為干土的質(zhì)量百分比，分別是0、0.25%、0.50%、1.00%。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系曲線

分級加載的應(yīng)力應(yīng)變曲線通常采用陳氏法或Boltzmann的線性疊加原理，陳氏法比較復(fù)雜，需考慮每級荷載下回彈參數(shù)，本試驗(yàn)未進(jìn)行回彈試驗(yàn)，因此采用Boltzmann線性疊加原理對試驗(yàn)曲線進(jìn)行處理。

2.1.1 偏應(yīng)力影響

加筋黃土試樣蠕變變形符合典型的蠕變曲線類型，可分為4階段：瞬時(shí)彈性、衰減蠕變、等速蠕變和加速蠕變階段。在施加偏應(yīng)力的短時(shí)間內(nèi)，試樣即產(chǎn)生彈性變形，蠕變變形與時(shí)間呈單調(diào)遞增的關(guān)系，在小偏應(yīng)力下，蠕變后期變形增加緩慢，大偏應(yīng)力下，蠕變后期變形相對較快。試樣的蠕變變形與偏應(yīng)力呈單調(diào)遞增的關(guān)系，蠕變速率也隨著偏應(yīng)力增大而加快，蠕變從瞬時(shí)彈性階段逐漸向加速蠕變階段過渡，如圖3所示為含水率為18%、圍壓力100 kPa的不同加筋率應(yīng)力-應(yīng)變-時(shí)間曲線。

圖3 不同加筋率應(yīng)力-應(yīng)變-時(shí)間曲線Fig.3 Curves of different reinforcement ratio stress-strain-time

2.1.2 加筋率影響

對比圖3中圍壓100 kPa，初始含水率18%的不同加筋率的應(yīng)力-應(yīng)變-時(shí)間曲線，可以看出，在黃土中加入適當(dāng)摻量的玄武巖纖維，顯著地控制了黃土土樣的蠕變變形，這是因?yàn)榻畈脑谕林惺艿綉?yīng)力影響時(shí)，不僅表現(xiàn)出握裹作用力，抑制土樣變形，還能形成纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，包括平面纖維網(wǎng)結(jié)構(gòu)和空間纖維網(wǎng)結(jié)構(gòu)，增加土樣的抗變形能力。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以計(jì)算出，0.25%、0.50%、1.00%的加筋率相對于素土所減小的變形分別維持在30%、25%、23%左右，在圖3中可以發(fā)現(xiàn)，本試驗(yàn)中各種加筋率下，試樣的蠕變變形均減小，而0.25%的加筋率比0.50%和1.00%的加筋效果更優(yōu)，0.50%加筋率試樣蠕變變形雖然小于1.00%加筋率的蠕變變形，卻非常接近，這就說明玄武巖纖維加筋黃土的蠕變變形并不是隨著加筋率的增加而單調(diào)減小，存在一個(gè)界限值，即最優(yōu)加筋率，當(dāng)加筋率超過最優(yōu)加筋率時(shí)，加筋的效果逐漸減弱，這是因?yàn)榧咏盥蔬^高，土體中的筋材并不是完全均勻分散于土體中，部分筋材聚集成團(tuán)形成軟弱面，筋材之間的作用力小于筋土之間的作用力，造成此現(xiàn)象，而且玄武巖纖維本身成絮狀狀態(tài)，摻入土中易聚集成團(tuán)。

2.1.3 含水率影響

含水率一直是影響黃土各項(xiàng)工程性質(zhì)的關(guān)鍵性因素，含水率因素不僅顯著影響著原狀黃土的力學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)性，而且對于重塑非飽和黃土，當(dāng)含水率越高時(shí)，黃土的次生結(jié)構(gòu)性也就越低[14]。纖維土中含水率升高時(shí)，筋-土界面自由水增多，潤滑效果增強(qiáng)，界面的摩擦力減小，并且水膜的變厚使得土的吸力減小、顆粒間作用力減小，重塑土的次生結(jié)構(gòu)性減小，這些作用力均能削弱筋-土界面作用力，因此，纖維加筋土的含水率越高，纖維對土的抗變形能力效果越低[15]。

對比圖3(b)和圖4中加筋率為0.25%、周圍壓力為100 kPa下的各級含水率的應(yīng)力-應(yīng)變-時(shí)間曲線，可以看出隨著含水率的升高，各級偏應(yīng)力下加筋土的蠕變變形均增大，這與重塑素土的三軸剪切蠕變曲線相符合，21%的含水率的加筋試樣達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)較15%和18%含水率更早，蠕變速率也更大，其中15%含水率試樣在600 kPa才達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)。為了較為明顯地看出加筋效果與含水率的關(guān)系，做0.25%加筋率下的加筋效果(素土應(yīng)變與加筋土應(yīng)變之差/素土應(yīng)變)關(guān)于含水率的關(guān)系圖，如圖5所示。從圖5中可以明顯看出加筋對蠕變變形的抑制效果隨著含水率的升高而降低，并且在低偏應(yīng)力下這種現(xiàn)象更明顯，這與眾多學(xué)者所得結(jié)論一致。

圖4 不同含水率應(yīng)力-應(yīng)變-時(shí)間曲線Fig.4 Curves of different moisture content stress-strain-time

圖5 加筋效果與含水率關(guān)系Fig.5 Relation between reinforcement effect and moisture content

2.1.4 圍壓的影響

圍壓不僅能反映地基所處的深度，而且對于加筋土，玄武巖纖維的摻入可以有效改變土樣在各種荷載下的受力形式，并優(yōu)化其受力結(jié)構(gòu)，高加筋率、高圍壓、高應(yīng)變情況下，土體不至于發(fā)生脆性破壞[15]。

同樣，為了將加筋的效果與周圍壓力的大小聯(lián)系在一起，做0.25%加筋率下的加筋效果與圍壓的關(guān)系圖(圖6)，可以看出，周圍壓力的升高，加筋的效果也就增大，并且偏應(yīng)力越大，這種增大效果越明顯。對比圖3(b)和圖7中三級圍壓下加筋率為0.25%、含水率為18%的應(yīng)力-應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系曲線，可以看出，低圍壓下，土樣達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)時(shí)沒有明顯的等速蠕變和加速蠕變階段，直接從衰減蠕變階段過渡到試樣破壞；隨著圍壓的升高，在各級偏應(yīng)力下加筋土的蠕變變形減小，這是因?yàn)楦邍鷫合?，試樣處于擠密狀態(tài)，筋材與土的摩擦力更大，筋-土界面作用力更強(qiáng)，其中200 kPa的試樣在600 kPa偏應(yīng)力下才達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 加筋效果與圍壓關(guān)系Fig.6 Relation between reinforcement effect and confining pressure

圖7 不同圍壓應(yīng)力-應(yīng)變-時(shí)間曲線Fig.7 Curves of different confining pressure stress-strain-time

2.2 加筋黃土Mesri蠕變模型的模擬

描述土體蠕變特性的模型一般采用Singh-Mitchell模型或Mesri模型以及其他經(jīng)驗(yàn)蠕變模型，Singh-Mitchell模型受到20%～80%應(yīng)力水平范圍限制，而Mesri模型不受其限制，而且公式中各主要參數(shù)均有明確的物理意義。通過對比本文采用經(jīng)典Mesri蠕變模型[16]，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用雙曲線函數(shù)來描述，應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系采用冪函數(shù)來描述，其蠕變方程即為：

(1)

式(1)中：D1為應(yīng)力水平，D1=(σ1-σ3)/(σ1-σ3)f，(σ1-σ3)f為破壞偏應(yīng)力；Eu為初始切線模量，Eu=d(σ1-σ3)/dε︱ε=0；Su為與破壞偏應(yīng)力相關(guān)的參數(shù)，Su=1/2(σ1-σ3)f,Rf為擬合比；t1為單位參考時(shí)間，取t1=1 min；m為參數(shù)。

式(1)可整理為

(2)

以含水率18%、圍壓100 kPa、纖維摻量0.25%試樣的試驗(yàn)結(jié)果為對象進(jìn)行計(jì)算。取初始蠕應(yīng)變參考時(shí)間t1=1 min，試樣在500 kPa的偏應(yīng)力下達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)，因此取(σ1-σ3)f=500，m可通過50、100、200、300、400 kPa的lnε-lnt曲線(圖8)的斜率確定，(σ1-σ3)f/Eu和Rf可由ε/D1-ε曲線(圖9)的截距和斜率確定，其中ε/D1-ε曲線為各個(gè)時(shí)間點(diǎn)和各個(gè)偏應(yīng)力下的數(shù)據(jù)通過線性擬合求得。

圖8 不同偏應(yīng)力下lnε-lnt曲線Fig.8 lnε-lnt curves under different stress levels

圖9 ε/ D1-ε線性擬合Fig.9 Linear fitting about ε/D1-ε

lnε-lnt曲線的方程分別為

50 kPa：y=-7.504 08+0.032 49xR2=0.934 18；

100 kPa：y=-6.256 52+0.045 56xR2=0.935 59；

200 kPa：y=-5.258 37+0.054 50xR2=0.989 85；

300 kPa：y=-4.402 01+0.055 37xR2=0.974 00；

400 kPa：y=-3.539 08+0.044 08xR2=0.935 32。

取m為5組線性方程斜率的平均值，即m=0.046 40。

由圖擬合可得線性方程為y=0.010 43+0.987 21x，R2=0.978 02，因此(σ1-σ3)f/Eu=0.010 43，Rf=0.987 21。

于是纖維加筋黃土在0.25%加筋率、100 kPa圍壓、18%含水率條件下的固結(jié)排水Mesri蠕變方程為

(3)

同樣地，可以得到0.25%加筋率、100 kPa圍壓、21%含水率條件下的固結(jié)排水Mesri蠕變方程[式(4)]和0.25%加筋率、200 kPa圍壓、18%含水率條件下的固結(jié)排水Mesri蠕變方程[式(5)]。

(4)

(5)

2.3 模型驗(yàn)證

將模型所作曲線與試驗(yàn)曲線做對比如圖10所示?？梢钥闯霰疚乃ǖ腗esri蠕變模型與試驗(yàn)吻合度高，僅在高偏應(yīng)力蠕變前期有所差異，因?yàn)樵撃Ｐ退ǖ某跏既渥儠r(shí)間為1 min，且未考慮非飽和土基質(zhì)吸力的影響。

圖10 擬合曲線與實(shí)測曲線對比Fig.10 Comparison between test values and fitting curves

3 結(jié)論

以楊凌某工地Q3黃土為研究對象，對其進(jìn)行各級加筋率、周圍壓力和含水率條件下的三軸剪切蠕變試驗(yàn)，對蠕變變形、加筋率、含水率和圍壓間的關(guān)系進(jìn)行的描述，并驗(yàn)證了玄武巖加筋黃土的Mesri蠕變模型，最終得到以下幾點(diǎn)結(jié)論。

(1)在黃土中摻入適當(dāng)摻量的玄武巖纖維可以顯著控制其蠕變變形，蠕變的抑制效果與加筋率無單調(diào)關(guān)系，存在最優(yōu)加筋率。

(2)含水率對于加筋黃土的蠕變有著重要影響，隨著含水率的升高，加筋土和素土的蠕變變形均增大，加筋對于黃土的蠕變抑制效果降低，即高含水率下加筋效果沒有低含水率下的加筋效果好，并且該現(xiàn)象隨著偏應(yīng)力的增加表現(xiàn)得更明顯。

(3)隨著圍壓的升高，加筋土的蠕變變形降低，加筋效果更好，該現(xiàn)象隨著偏應(yīng)力的增大表現(xiàn)得更明顯。

(4)模擬了加筋黃土的Mesri蠕變模型，經(jīng)驗(yàn)證，該模型與試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合度高，能準(zhǔn)確反映加筋黃土的三軸蠕變特性。