纖維摻量對(duì)海洋砂土力學(xué)性能影響研究

張 俊,劉春輝,劉祥寧,盧龍玉,張夢(mèng)子

(煙臺(tái)大學(xué)土木工程學(xué)院,山東 煙臺(tái) 264005)

海洋砂土是指受海水侵蝕而沒有經(jīng)過淡化處理的砂土,多來自海水和河流交界的地方．近年來,大規(guī)模發(fā)展臨海工業(yè)和城市建設(shè),每年建筑用砂和填料的需求正日益增加．河砂雖然一直是建筑用砂資源的主要來源,但是河砂開采對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重影響,再加上國(guó)內(nèi)在沿海城市帶中,海綿城市建設(shè),以及圍海造陸等正日新月異,致使河沙已無法完全滿足建設(shè)的需求,因此更多的人把目光投到資源豐富的海洋砂土中．就山東省而言,其地理位置位于得天獨(dú)厚的黃渤海之濱,近年來大力發(fā)展的海岸帶建設(shè),濱海公路、海上碼頭等工程,在地基處理中就地取材所用的海砂在降低經(jīng)濟(jì)成本時(shí)還節(jié)約了河砂的使用,這使得海砂在市場(chǎng)規(guī)范前提下也越來越備受關(guān)注．然而天然海洋砂土結(jié)構(gòu)松散具有易沖刷、易液化的特點(diǎn),很少能直接用于工程建設(shè),因此大多數(shù)砂土需經(jīng)過加固處理．現(xiàn)階段,地基處理的方法主要包括換填墊層法、堆載預(yù)壓法、強(qiáng)夯法、碎石樁法、水泥土攪拌法、高壓旋噴注漿法、夯實(shí)水泥土樁法、水泥粉煤灰碎石樁法,以及纖維材料加固法等．具體工程中土體的加固方法主要依據(jù)砂土的性質(zhì)、加固方法的有效性與實(shí)用性以及工程造價(jià)等因素進(jìn)行選擇．

與前幾種加固方法相比,纖維材料加固方法在地基處理中的應(yīng)用理論體系并不完善．不同于傳統(tǒng)的土工加固,纖維材料加固是將一定比例的纖維與砂土充分拌和一起加固土體,由于纖維具有分散性好、易于拌和、資源豐富等優(yōu)點(diǎn),因此吸引了國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者的興趣．大量學(xué)者針對(duì)隨機(jī)分布纖維加固土體開展試驗(yàn)與理論研究．例如,胡小慶等[1]發(fā)現(xiàn)纖維顯著改善了土體的抗壓、抗剪和變形特性,且隨著纖維含量的增加,應(yīng)力應(yīng)變曲線趨于應(yīng)變硬化;孫舒等[2]基于試驗(yàn)手段探究聚丙烯纖維土的受力性能,發(fā)現(xiàn)纖維土的破壞模式變?yōu)楣拿浧茐?纖維對(duì)土體的內(nèi)摩擦角的影響較小,但對(duì)土體的黏聚力影響較大;馬強(qiáng)等[3]用粽麻纖維加固砂土,總結(jié)了纖維加固砂土的作用機(jī)理;唐朝生等[4]發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維可以提高土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗裂性;鐘漢林等[5]做了劍麻纖維加固海洋砂土的試驗(yàn),結(jié)果顯示,纖維長(zhǎng)度、摻量均能影響土的抗剪強(qiáng)度．國(guó)外,AHMAD等[6]發(fā)現(xiàn)隨機(jī)分布纖維可顯著提高砂土的剪切強(qiáng)度;CONSOLI等[7]研究了相對(duì)密度對(duì)纖維加固砂土力學(xué)特性的影響;GRAY等[8]發(fā)現(xiàn)隨機(jī)分布纖維比定向的織物層具有更好的加固效果;NOORZAD等[9]發(fā)現(xiàn)隨機(jī)分布纖維提高土體的剪切模量．總結(jié)現(xiàn)有文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn),隨機(jī)分布纖維可以顯著提高土的峰值抗壓強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度與延性,且能夠顯著降低峰后強(qiáng)度損失．

然而,現(xiàn)階段試驗(yàn)主要關(guān)注聚合物類纖維與玻璃纖維等人工合成纖維加固土的力學(xué)特性,少有試驗(yàn)研究天然有機(jī)纖維對(duì)海洋砂土的強(qiáng)度與模量特性的影響．為完善纖維加固土的研究理論體系,本文選取對(duì)環(huán)境污染小、儲(chǔ)量豐富、可再生、耐腐蝕的劍麻纖維[10-11],進(jìn)行不同圍壓下的三軸試驗(yàn)研究,將纖維摻量作為本試驗(yàn)的研究變量,詳細(xì)分析隨機(jī)分布劍麻纖維摻量對(duì)海洋砂土強(qiáng)度與模量特性的影響．

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)中砂土為煙臺(tái)地區(qū)典型的海洋砂土,取自煙臺(tái)大學(xué)海水浴場(chǎng),顆粒級(jí)配曲線如圖1．由顆粒級(jí)配曲線得,不均勻系數(shù)[12]Cu=D60/D10=4.42,曲率系數(shù)[12]Cc=D302/(D60×D10)=0.42,故砂土的級(jí)配較差(Cu≥5且Cc=1～3是良好級(jí)配)．經(jīng)比重試驗(yàn)測(cè)得,本試驗(yàn)中所采用海洋砂土的比重Gs=2.16．試驗(yàn)所用纖維為劍麻纖維(圖2),該纖維具有儲(chǔ)量豐富、可再生、耐腐蝕以及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn),被廣泛用于海洋、漁業(yè)、軍事等各個(gè)行業(yè),其基本的物理力學(xué)參數(shù)見表1．

1.2 試驗(yàn)方案

為探究隨機(jī)分布劍麻纖維摻量對(duì)海洋砂土的力學(xué)性能的影響,針對(duì)7種不同纖維摻量(0%(純砂土)、0.3%、0.6%、0.9%、1.2%、1.5%和1.8%)的試樣開展三軸試驗(yàn)．由于土與纖維的其他參數(shù)同樣會(huì)影響纖維加固海砂土的力學(xué)性能,本研究中采用控制變量法,將其他參數(shù)保持恒定,通過僅改變纖維摻量的方法開展分析．試驗(yàn)中控制纖維長(zhǎng)度FL為12 mm,試樣的相對(duì)密度Dr=60%,每種纖維摻量分別施加100 kPa、200 kPa和300 kPa的圍壓,共21組試樣,試驗(yàn)方案見表2．本次試驗(yàn)采用應(yīng)變控制式三軸儀(圖3)進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn),加載速率為0.50 mm/min．

圖1 砂土顆粒級(jí)配曲線

圖2 劍麻纖維

表1 劍麻纖維的物理力學(xué)參數(shù)

圖3 三軸儀

表2 試驗(yàn)方案

1.3 試樣制備

試樣的均一性以及纖維在試樣中分布的均勻性嚴(yán)重影響試驗(yàn)結(jié)果．由于在試樣制備過程中,纖維容易積聚成團(tuán),且飽和后纖維容易出現(xiàn)漂浮現(xiàn)象,嚴(yán)重影響試樣的均勻性,因此選擇合適的制樣方法非常關(guān)鍵．現(xiàn)階段,纖維與砂土的拌和方法有多種,例如干砂與濕纖維拌和法,干纖維與濕砂拌和法以及干纖維與干砂拌和后加水法等．基于試樣的預(yù)制備與現(xiàn)有研究可知,海砂土含水率為10%時(shí),纖維在拌和過程中能夠較為均勻地分布在海砂土中,且能夠防止試樣在轉(zhuǎn)移過程中出現(xiàn)纖維飄浮．因此,本試驗(yàn)采用上述拌和方法進(jìn)行試樣的制備．

為防止試樣在轉(zhuǎn)移過程中發(fā)生擾動(dòng),試樣采用凍結(jié)法進(jìn)行制備,試樣直徑為39.1 mm,高度為80 mm．具體方法如下:首先,根據(jù)確定好的相對(duì)密度(60%),將水與干砂混合攪拌均勻,待充分拌和后加入纖維進(jìn)行攪拌,直至纖維均勻分布在海砂土中;然后,將拌和好的纖維土分三層擊實(shí),每個(gè)試樣的制備控制相同的擊實(shí)高度和擊實(shí)次數(shù),將制備好的試樣放入冰箱冷凍5 h,取出冷凍好的試樣,將其裝入橡皮膜中并安裝好儀器;最后讓試樣在常溫下充分融解后開始試驗(yàn)．

2 試驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 偏應(yīng)力q和軸向應(yīng)變?chǔ)诺年P(guān)系

由于過大的應(yīng)變會(huì)導(dǎo)致試樣在達(dá)到峰值應(yīng)力前喪失使用功能,因此本文將15%應(yīng)變定義為峰值應(yīng)變．圖4為不同圍壓下,纖維摻量wf為0%、0.3%、0.6%、0.9%、1.2%、1.5%和1.8%試樣的偏應(yīng)力與軸向應(yīng)變的關(guān)系曲線．由圖4(a)可以看出,對(duì)于wf=0%的試樣而言,隨著軸向應(yīng)變的增加,偏應(yīng)力逐漸增大,在應(yīng)變達(dá)到5%時(shí),圍壓為100 kPa與圍壓為200 kPa所對(duì)應(yīng)的偏應(yīng)力達(dá)到峰值;對(duì)于圍壓為300 kPa的試驗(yàn)工況,偏應(yīng)力隨著圍壓的增大逐漸增大．由圖4(b)可以看出,對(duì)于wf=0.3%的試樣而言,由于摻入纖維量較少,低圍壓下(σc′=100 kPa),在應(yīng)變?yōu)?0%時(shí),其偏應(yīng)力達(dá)到峰值;而在高圍壓下(σc′=200 kPa和σc′=300 kPa),對(duì)偏應(yīng)力隨著應(yīng)變的增大而增加．由圖4(c)—(g)可以看出,偏應(yīng)力隨著軸向應(yīng)變的增大逐漸增大,且在應(yīng)變達(dá)到15%時(shí)偏應(yīng)力仍未達(dá)到峰值．但需要指出,在下述分析中,對(duì)于應(yīng)變達(dá)到15%時(shí)偏應(yīng)力仍在增加的試樣,其峰值偏應(yīng)力為15%應(yīng)變對(duì)應(yīng)的偏應(yīng)力．由圖4還可以看出,試樣偏應(yīng)力幅值會(huì)隨著圍壓的增大而增大．

對(duì)于本文研究的海洋砂土而言,低圍壓下(σc′=100 kPa)纖維摻量wf=1.2%時(shí)為最優(yōu)纖維摻量,而在高圍壓下(σc′=200 kPa與σc′=300 kPa),纖維摻量會(huì)顯著影響偏應(yīng)力幅值,即隨著wf的增大偏應(yīng)力逐漸增大．

2.2 圍壓和纖維摻量之間的關(guān)系

圖5是圍壓分別為100 kPa、200 kPa與300 kPa時(shí)不同纖維摻量試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線．從圖5可以看出,摻加纖維后試樣的偏應(yīng)力峰值較純砂試樣顯著增大;纖維的摻入不但增大試樣的剪應(yīng)力峰值,還可以改變其應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)規(guī)律,即對(duì)于純砂試樣與纖維摻量較小的試樣(小于0.6%),其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線表現(xiàn)出很強(qiáng)的非線性,而對(duì)于纖維摻量較大的試樣,應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)為近似線彈性．

圖4 各個(gè)纖維摻量試樣在不同圍壓的應(yīng)力應(yīng)變曲線

由圖5(a)可以看出,在圍壓為100 kPa的情況下,纖維摻量為1.2%的試樣偏應(yīng)力與峰值偏應(yīng)力最大．說明在圍壓為100 kPa的情況下,纖維加固海砂土的最優(yōu)摻量為1.2%．由圖5(b)和圖5(c)可知,在圍壓為100 kPa與200 kPa下,纖維加固海砂土的偏應(yīng)力峰值(15%軸向應(yīng)變對(duì)應(yīng)的偏應(yīng)力)隨著纖維增加而增大,纖維摻量為1.8%時(shí)15%應(yīng)變對(duì)應(yīng)的偏應(yīng)力最大,即最優(yōu)纖維摻量為1.8%．由上述試驗(yàn)結(jié)果可以看出,圍壓同樣會(huì)顯著改變纖維加固海砂土的應(yīng)力應(yīng)變特性．

劍麻纖維能夠提高海洋砂土的抗剪強(qiáng)度,主要原因如下:(1)纖維促進(jìn)了海砂土顆粒之間的聯(lián)結(jié),使得海砂土的整體性提高,當(dāng)海砂土體受到軸向荷載時(shí),纖維與海砂土體之間咬合摩擦力和海砂土與海砂土顆粒之間咬合摩擦力共同分擔(dān),纖維使荷載得到有效的分散,從而提高了海砂土體強(qiáng)度;(2)隨著纖維摻量的增加海砂土體與纖維的接觸面積增加,增加了二者之間的摩擦阻力,導(dǎo)致海砂土的強(qiáng)度會(huì)隨著纖維的摻加而增加;(3)劍麻纖維本身就是良好的綠色纖維材料,具有質(zhì)地堅(jiān)硬、彈性、拉伸性和耐摩擦等優(yōu)點(diǎn),纖維土在受荷載時(shí),纖維會(huì)充分發(fā)揮其性能．但需要注意,過大的纖維摻量會(huì)導(dǎo)致纖維在海砂土中拌和困難,纖維易纏繞在一起,形成薄弱點(diǎn)或者薄弱面．

基于上述分析可知,在100 kPa圍壓下,砂粒之間結(jié)構(gòu)相對(duì)較為松散,纖維對(duì)砂粒起著固定作用,有效地阻止砂粒間的滑動(dòng)與分離,隨著纖維摻量的增多,纖維固定的砂粒也就越多,其抗剪強(qiáng)度隨之越高,但纖維摻量超過1.2%時(shí),纖維與砂在制樣時(shí)拌和難以達(dá)到完全均勻,纖維易纏繞一起,纖維與纖維之間的滑動(dòng)從而使其抗剪強(qiáng)度有所降低．因此,在100 kPa圍壓下,纖維為1.2%時(shí)偏應(yīng)力峰值最大．但在200 kPa與300 kPa圍壓下,纖維與砂連成網(wǎng)絡(luò),互為一體,在纖維摻量超過1.2%時(shí),纖維與砂之間成為纖維-砂彈性聚合體,隨著軸向應(yīng)變?cè)龃?纖維砂的抗剪強(qiáng)度會(huì)進(jìn)一步增大,一定范圍內(nèi)其應(yīng)力應(yīng)變曲線將保持不變．

2.3 圍壓和峰值強(qiáng)度qpeak的關(guān)系

圖6為不同纖維摻量試樣的峰值強(qiáng)度與圍壓的關(guān)系曲線．由圖6可知,試樣的峰值強(qiáng)度都隨圍壓的增大而線性增大,但擬合直線的斜率存在顯著差異,摻加纖維試樣的擬合直線斜率明顯大于純砂試樣,說明摻加纖維后試樣的峰值強(qiáng)度隨圍壓的增長(zhǎng)速率較純砂的增長(zhǎng)速率大,即對(duì)本文研究的海洋砂土而言,摻加纖維后海砂土的峰值強(qiáng)度對(duì)圍壓變化更加的敏感．比較圖6(a)—(g)可以發(fā)現(xiàn),在相同圍壓下,與純砂(纖維摻量0%)試樣相比,纖維的摻入顯著提高了試樣的峰值強(qiáng)度,試樣纖維摻量由0.3%增加到1.8%時(shí)纖維峰值強(qiáng)度有所提高,且增大程度顯著．

圖5 不同纖維摻量試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線

2.4 圍壓和彈性模量割線模量的關(guān)系

圖7為7種纖維摻量試樣的初始彈性模量E0和割線模量E50(50%峰值強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的割線模量,反應(yīng)土的平均剛度)與圍壓的關(guān)系曲線．從圖中發(fā)現(xiàn),7種纖維摻量的試樣的E0和E50都隨圍壓的增加而增大,且基本呈現(xiàn)線性關(guān)系．比較圖7(b)—(g)可發(fā)現(xiàn),相同圍壓下,不同纖維摻量試樣的E50基本相同,說明纖維摻量對(duì)海洋砂土的割線模量E50影響不大;相同圍壓下,不同纖維摻量試樣的E0存在顯著差異,即隨著纖維摻量的增加先增大后減小．

圖6 不同纖維摻量試樣的峰值強(qiáng)度和圍壓的關(guān)系曲線

圖7 不同纖維摻量試樣的彈性模量和割線模量與圍壓的關(guān)系曲線

3 結(jié) 論

本文基于室內(nèi)三軸壓縮試驗(yàn),探究劍麻纖維摻量對(duì)海砂土的力學(xué)性能的影響,主要分析了不同纖維摻量下試樣的強(qiáng)度與模量特性,得到以下結(jié)論:

(1)劍麻纖維的摻加顯著提高了煙臺(tái)海洋砂土的峰值強(qiáng)度,約束了土體的變形,且在本文研究的纖維摻量范圍內(nèi),圍壓增大試樣峰值強(qiáng)度不斷提高．

(2)三軸試驗(yàn)中纖維加固海砂土試樣出現(xiàn)明顯的應(yīng)變硬化現(xiàn)象,隨著纖維摻量的增加,應(yīng)變硬化現(xiàn)象愈加明顯．

(3)圍壓對(duì)劍麻纖維加固海砂土的應(yīng)力應(yīng)變特性存在顯著影響,在100 kPa圍壓下,最優(yōu)纖維摻量為1.2%;在200 kPa與300 kPa圍壓下,最優(yōu)纖維摻量為1.8%．

(4)纖維摻量對(duì)割線模量E50的影響不大,但顯著影響初始彈性模量E0,E0表現(xiàn)出隨著纖維的增加先增加后減小的現(xiàn)象．