棕櫚加筋黃土剪切強度特性及細觀結(jié)構(gòu)

唐 皓, 李華華, 劉馳洋, 吳冠男, 段 釗,3

(1.西安科技大學地質(zhì)與環(huán)境學院, 西安 710054；2.陜西省煤炭綠色開發(fā)地質(zhì)保障重點實驗室，西安 710054； 3.西安建筑科技大學土木工程學院，西安 710055)

近年來，纖維加固土技術(shù)快速發(fā)展，由于其對土體有良好的改良效果，被大量運用到土體加固中。試驗結(jié)果顯示，纖維加筋作用可以抑制土體裂隙發(fā)育，增強土體韌性，提升土體抵抗變形能力，提高土體強度[1]，而且土體中的纖維分布均勻、與土顆粒充分接觸，可以使纖維土的力學性接近各向同性，增強土體整體性[2-5]。目前，隨著全球環(huán)境與能源問題日漸凸顯，人們愈發(fā)關(guān)注環(huán)保材料在工程中的應(yīng)用。在復合材料中使用植物纖維如竹纖維、棕椰纖維、木纖維和麻纖維(劍麻、苧麻、亞麻等)等成為人們研究的熱點[6]。棕櫚是一種中強高伸天然纖維，其楊氏模量、斷裂伸長率和斷裂強度范圍分別是0.44～1.09 GPa、14.68%～23.45%和89～222 MPa，其具有產(chǎn)量高、提取工藝簡單、成本低及良好力學性能等特點[7]。

纖維加筋土是一類優(yōu)良的工程材料，對其力學特性的研究目前已成為巖土界一個熱門的研究課題。唐朝生等[8-9]針對人工合成材料加筋土的力學性能進行了研究。高磊等[10]的研究顯示，玄武巖纖維摻量與長度合適時，加筋紅黏土剪切強度可以得到提高，并探討了纖維與土體間的作用方式。郝建斌等[11]通過對麥秸稈加筋土的研究發(fā)現(xiàn)，麥秸稈加筋作用可以提升黏性土的抗剪強度和抗變形能力，并通過CT掃描技術(shù)解釋其加筋作用機理。李麗華等[12]通過開展玻璃纖維加筋砂土直剪試驗發(fā)現(xiàn)，玻璃纖維加筋砂土剪切強度與破壞韌性顯著提高。王宏勝等[13]研究發(fā)現(xiàn)，纖維加筋市政污泥抗剪強度明顯提升。沈飛凡等[14]對聚丙烯纖維膨潤土的研究發(fā)現(xiàn)，適量聚丙烯纖維有助于抑制膨潤土體的變形，纖維加筋土黏聚力顯著高，但內(nèi)摩擦角變動不大?，F(xiàn)階段對加筋土的研究主要集中在砂土、黏土、軟土與膨脹土，對于黃土的研究比較少，特別是將棕櫚纖維作為加筋材料改性黃土的研究更少。

為探究棕櫚纖維對黃土剪切強度的影響，以陜西涇陽黃土為實驗材料，通過一系列直剪試驗，對照非加筋重塑黃土，探討了棕櫚纖維摻量與長度對黃土剪切強度的作用規(guī)律，并運用偏光顯微鏡，觀察纖維加筋土的細觀結(jié)構(gòu)并分析其作用機理。

1 直接剪切試驗方案

1.1 原材料

1.1.1 黃土

試驗所用的黃土為陜西涇陽南塬Q2黃土，土樣呈深黃色，土質(zhì)緊密、均勻，含少量大孔隙。試驗前，對黃土進行風干、篩分剔除黃土中的雜物、烘干、粉碎，然后過2 mm孔篩篩選。為保證干燥，預處理試樣放置于保鮮膜內(nèi)保存。其基本物理性質(zhì)如表1，重塑黃土黏聚力c=32.27 kPa、內(nèi)摩擦角φ=28.62°。

表1 黃土的基本物理性質(zhì)指標

1.1.2 棕櫚纖維

試驗棕櫚纖維如圖1，采用廣西產(chǎn)天然棕櫚纖維，為當季收割后密封置于陰涼處儲藏備用。

圖1 棕櫚纖維Fig.1 Palm fiber

1.2 試樣制備

將棕櫚纖維長度剪切為1.0、1.5、2.0 cm三個梯度，棕櫚纖維摻量劃分成0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%五個質(zhì)量百分比。試樣制備時，控制加筋黃土試樣含水率為天然含水率14.2%。首先確定制備各個環(huán)刀所用土、水與筋材的重量，然后將稱取的棕櫚纖維與干土混合均勻，為攪拌均勻，先將一部分素土均勻撒在干燥的托盤底部，接下來將一部分棕櫚纖維均勻地撒在素土上攪拌，以此往復，待棕櫚纖維和素土均勻攪拌，然后再用噴壺噴灑一定質(zhì)量的蒸餾水并充分攪拌30 min，最后裝入塑料保鮮袋內(nèi)密封，并放置恒濕容器中浸潤24 h備用。

1.3 試驗方法

儀器采用ZLB-1型三聯(lián)直剪蠕變儀如圖2所示，按照《土工試驗規(guī)程》(SL 237—1999)要求，進行環(huán)刀制樣，稱取環(huán)刀試樣所需土量，制備成5個環(huán)刀樣，裝入試驗機，分別在 100、200、300、400 kPa法向應(yīng)力σ下進行剪切，剪切速率為0.8 mm/min。

圖2 ZLB-1型三聯(lián)直剪蠕變儀Fig.2 ZLB-1 triple straight shear creeper

2 試驗成果及分析

2.1 對剪切強度的影響

圖3為棕櫚纖維長度1.0 cm的剪應(yīng)力-剪應(yīng)變關(guān)系。可見，隨著垂直荷載改變，較非加筋重塑黃土試樣而言，加入棕櫚纖維后的改良黃土剪切強度提升顯著。非加筋土試樣在低法向應(yīng)力(100 kPa)下，曲線呈現(xiàn)先升高后下降的現(xiàn)象，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)應(yīng)變軟化型，隨著法向應(yīng)力的增大(200、300、400 kPa)，應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而增加，曲線持續(xù)上升，故其應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈應(yīng)變硬化型；而當法向應(yīng)力為100、200、300、400 kPa時，加筋黃土應(yīng)力-應(yīng)變曲線皆應(yīng)變硬化型。結(jié)果分析表明：加筋黃土的抗剪特性發(fā)生了根本性的轉(zhuǎn)變，棕櫚纖維可以增加土體破壞時的應(yīng)變，有利于提升黃土的韌性，使其抑制大變形的能力得到提升。纖維長度為1.5、2.0 cm 應(yīng)力-應(yīng)變規(guī)律與1.0 cm相似。

圖3 1.0 cm長度的棕櫚纖維加筋土剪切位移-剪應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.3 Curve of shear displacement-shear stress of palm fiber reinforced soil with a length of 1.0 cm

2.2 對剪切強度指標的影響

由圖4可見，纖維的摻量以及長度對加筋黃土的黏聚力有較強的影響，添加纖維后，黏聚力有了明顯的提升，隨著纖維長度與摻量的增提高而提高。加筋黃土內(nèi)摩擦角普遍高于非加筋土，內(nèi)摩擦角隨著纖維摻量的提高先上升后下降。

由圖4(a)知，纖維長度為1.0、1.5、2.0 cm，摻量從0.2%提升至1.0%時，黏聚力分別從38.25 kPa 增加到43.12 kPa、40.93 kPa增加到45.22 kPa和43.09 kPa增加到46.15 kPa，增幅分別為12.73%、10.55%和7.10%，可見加筋黃土黏聚力隨著纖維摻量的提升而提升。當纖維長度為1.0、1.5、2.0 cm，摻量為1.0%時，加筋黃土黏聚力分別為43.13、45.22、46.15 kPa，較非加筋土，加筋黃土黏聚力分別提高了33.65%、40.12%、43.01%?？梢娂咏铧S土的黏聚力隨著纖維的長度提高而提高。

圖4 棕櫚纖維加筋率、長度與土體c、 φ的關(guān)系Fig.4 Relationship between palm reinforcement ratio, length and soil cohesion c, φ

由圖4(b)可知，纖維長度為1.0、1.5、2.0 cm，摻量從0.2%提升至1.0%過程中，內(nèi)摩擦角最小值分別為33.11°、33.10°和30.54°，都高于非加筋土的內(nèi)摩擦角；加筋黃土內(nèi)摩擦角隨著纖維摻量的增加先升高后下降，當纖維長度為1.0 cm時，內(nèi)摩擦角峰值為34.99°，較素土提升了22.3%；1.5 cm時峰值為35.11°，較素土提升了22.67%；2.0 cm時峰值35.25°，較素土提升了23.17%，當纖維長度為2.0 cm時，加筋黃土內(nèi)摩擦角峰值最大，提升效果最明顯。

2.3 纖維摻量的影響

由圖5可知，法向應(yīng)力為100、200、300、400 kPa時，對應(yīng)的剪切強度τ最大值分別為115.7、190、259.87、321.26 kPa。表明法向應(yīng)力的增大，可以提升纖維加筋土剪切強度。因為法向應(yīng)力的提高，導致在更大的垂直向下的壓力作用下，土顆粒與纖維接觸愈加充分、緊密，咬合力與摩阻力更強，隨著變形增大，纖維被拉緊受力，纖維將剪力一部分傳遞到土體的其他部分，抑制裂縫發(fā)展，使土體的剪切強度與韌性得到提高。

圖5 棕櫚纖維不同長度和摻量對應(yīng)的剪切強度關(guān)系曲線Fig.5 Corresponding shear strength relationship curves of different lengths and dosages of palm fibers

法向應(yīng)力為100 kPa時，最大剪切強度出現(xiàn)在2.0 cm、0.4%；當法向應(yīng)力是200、300 kPa時，最大剪切強度出現(xiàn)在1.5 cm、0.6%；當法向應(yīng)力是400 kPa時，最大剪切強度出現(xiàn)在2.0 cm、0.4%?？捎梢陨辖Y(jié)論知，無論法向應(yīng)力是100、200、300、400 kPa，最大剪切強度均出現(xiàn)在摻量為0.4%或者0.6%處。

當纖維摻量超過0.4%或者0.6%持續(xù)增加時，剪切強度卻漸漸下降。主要由于纖維長度的提升，加筋率不斷提升時，大量的纖維就會相互纏繞、重疊，纏繞的筋材不均勻分布，阻隔了土顆粒與纖維充分接觸，形成薄弱面，進而導致剪切強度下降。

然而當長度為1.0 cm時，隨纖維摻量的提高，剪切強度提升緩慢，最大剪切強度大都出現(xiàn)在靠后的點，如0.8%或者0.9%，這是因為纖維長度短，縱使摻量提高，相互間也不易纏繞，且能充分與土體混合，故土體和棕櫚之間的摩擦力能夠充分發(fā)揮。

3 纖維加筋土的細觀結(jié)構(gòu)及作用機理

通過上述研究，可以大致確定棕櫚纖維加固土的剪切強度得到了一定程度的提高，為進一步探尋其提高的內(nèi)在機理，現(xiàn)選取了長度為1.5 cm，摻量為0.2%、0.6%的纖維加筋土樣進行觀察。

由于試驗所用棕櫚纖維直徑為0.1～0.5 mm，多數(shù)集中在0.2～0.4 mm，直徑遠大于唐朝生等[15]所用聚丙烯纖維與高磊等[10]所用玄武巖，觀察放大倍數(shù)在200倍左右便能觀察出纖維表面形貌。偏光顯微鏡的放大倍數(shù)為20～600倍，掃描電鏡放大倍數(shù)為20～20 000倍，偏光顯微鏡與纖維所需要的細觀觀測最佳尺度較契合，且偏光顯微鏡觀察效率高，對土樣擾動小，借助偏光顯微鏡對土樣進行觀察的效果理想，能達到試驗目的要求，故選擇使用偏光顯微鏡進行觀察。

3.1 棕櫚纖維基本形貌

如圖6顯示，棕櫚纖維呈“圓柱形”，表面凹凸不平、粗糙、有平行于纖維長度方向的凸起條紋，條紋之間形成溝槽，且溝槽中有許多獨立的孔室。這些溝槽與孔室能夠使纖維與土顆粒之間的機械咬合力得到顯著提高，使土顆粒之間與纖維的摩擦力得到提高。同時，棕櫚纖維又是一種具有一定的韌度及硬度的材料[7]，在土中受力時不易被破壞，單根纖維在土中類似“鋼筋”，可使土體得到加固。

圖6 纖維表面形態(tài)特征圖Fig.6 Fiber surface morphology characteristics

3.2 棕櫚纖維加筋土界面作用

圖7(a)、圖7(b)是纖維摻量較小時，0.2%的土體，可以看到，大量的土顆粒黏附在纖維表面。這可能是因為纖維表面凹槽和孔室的存在，在制作樣品或者試驗過程中，土顆粒由于在摩擦和擠壓作用下，被鑲嵌進溝槽和孔室中。受到剪力時，纖維與土顆粒有相對滑動的趨勢，此時土顆粒緊緊包裹住纖維，鑲嵌顆粒與松散顆粒呈現(xiàn)咬合，進而增強了破壞面的摩擦力。

圖7 棕櫚纖維加筋土中纖維的分布及表面特征Fig.7 Distribution and surface characteristics of fibers in palm fiber reinforced soil

當土樣在荷載作用下發(fā)生剪切變形或者破壞時，由于棕櫚纖維與土體彈性模量不同，纖維與土顆粒有相互錯動的趨勢進而產(chǎn)生摩擦力，纖維承受拉力，分擔一部分外部荷載。土體中纖維被拉動或者拔出時，既要克服土顆粒對纖維的黏結(jié)作用，還要克服土顆粒與纖維的摩擦力，因此產(chǎn)生的阻力提高了纖維加筋黃土的剪切強度，提高土體的力學性能。

圖7(c)為摻量0.6%的加筋土，由于纖維摻量提高，大量纖維在土體中隨機分布，其在土體內(nèi)部常形成一種交織的三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，此網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)如“雀巢”一般，纖維間相互搭接，共同受力，使得每根纖維受力更加均勻。當某根纖維受到外部荷載產(chǎn)生位移趨勢時，必然受到臨近交接纖維的阻擋，這使得外力通過交接纖維不斷傳遞，各個方向的纖維都能分擔外力。并且此網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)還能效地約束土體的變形和位移，提高土體的整體性和強度。故在“雀巢”結(jié)構(gòu)作用下，荷載作用下的加筋土體能夠更好地承受外力，使得土樣整體的剪切強度提高。但當纖維摻量進一步增加時，反而導致薄弱面的產(chǎn)生，造成剪切強度的降低。

4 結(jié)論

通過對棕櫚纖維加筋土進行直接剪切試驗以及對土樣細觀結(jié)構(gòu)研究，得出結(jié)論如下。

(1)棕櫚纖維加筋土與非加筋土相比，加筋土剪切強度提升效果顯著。棕櫚纖維的加入，使黃土的抗剪特性發(fā)生根本性變化，應(yīng)力應(yīng)變曲線由應(yīng)變軟化型轉(zhuǎn)變成應(yīng)變硬化型。

(2)棕櫚纖維摻入后，黏聚力提升幅度較大，隨著纖維長度與摻量的增加而增加。加筋黃土的內(nèi)摩擦角提升不明顯，普遍高于非加筋土，隨著纖維摻量的增加升高后降低。

(3)通過偏光顯微鏡對纖維加筋土的細觀結(jié)構(gòu)觀察發(fā)現(xiàn)，棕櫚纖維表面粗糙，且有溝槽與許多獨立的孔室，在摩擦和擠壓作用下，土顆粒被鑲嵌進溝槽和孔室中，改善復合材料界面性能，提高土顆粒與加筋材料間的摩擦力；隨著纖維摻量的增加，纖維間相互交織，形成“雀巢”式網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增強土體整體性和剪切強度。