基于核磁共振與無側(cè)限抗壓試驗對纖維加固紅黏土的宏微觀特性研究

呂超，馬曉凡，王穎

(1. 廣西桂禹工程咨詢有限公司，廣西 南寧530023；2. 河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京210098)

紅黏土作為一種常見的問題土，因其具有孔隙比大、塑性高以及壓縮性好等特點(diǎn)，在工程建設(shè)中常會發(fā)生邊坡失穩(wěn)、地面沉降等問題，從而需要對紅黏土進(jìn)行加固。常見的加固材料有石灰、水泥和粉煤灰等傳統(tǒng)加固材料[1?3]。研究表明，傳統(tǒng)硬性加固材料可以有效提高紅黏土的抗壓和抗剪強(qiáng)度特性。然而，在實際應(yīng)用當(dāng)中發(fā)現(xiàn)，這些硬性材料加固后的紅黏土在受力后表現(xiàn)出明顯的脆性破壞。從而，一些學(xué)者通過在土體中加入柔性材料來減小脆性破壞的程度。纖維作為一種新型柔性材料，具有易分散、強(qiáng)度高、韌性好等特點(diǎn)，正在越來越多的被應(yīng)用于土體加固當(dāng)中。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，在土體中添加纖維可以顯著改善土的強(qiáng)度特性，加固后的土體還具有一定的韌性，可以減小土體失水開裂和地震作用下的脆性破壞[4?6]，并能夠起到一定的阻裂作用[7]。TANG 等[8]采用隨機(jī)分布的聚丙烯纖維來改善土壤的拉伸性能,研究成果表明，纖維加筋顯著提高了土體的峰后強(qiáng)度，使土體的脆性拉伸破壞變得更具韌性。吳燕開等[9]進(jìn)行了一系列室內(nèi)試驗，研究了不同長度和含量的劍麻纖維對加筋黏土的抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度影響，并提出了最優(yōu)纖維長度和含量。楊莉莉等[10]通過控制纖維的含量和長度，研究了波形聚丙烯纖維對砂質(zhì)黏性紫色土的加固效果，提出波形纖維為0.3%時，加筋土抗壓強(qiáng)度到達(dá)峰值。不同因素對加筋土強(qiáng)度特性的影響主要包括含水率、密度、纖維含量以及纖維長度，其中含水率對加筋土強(qiáng)度特性的影響最大，纖維長度的影響最小[11]。在纖維加固機(jī)理方面，大量學(xué)者認(rèn)為纖維的加筋效果主要取決于纖維?土界面的力學(xué)作用，即界面黏聚力和摩擦力[12?13]。以上研究主要針對的是纖維加固后土體的宏觀表現(xiàn)特征，而土體的微觀特征決定了土體的強(qiáng)度、滲透性等特性，從而需要對土體的微觀特性進(jìn)行深入研究。X射線衍射儀和顯微鏡常被用來觀察土體的微觀結(jié)構(gòu)，以上方法可以直觀觀察到土體內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)與形態(tài)分布，但其觀察范圍比較局限，很難對土體整體進(jìn)行觀察。近年來，巖土體核磁共振測試技術(shù)因其具有直觀、準(zhǔn)確、對結(jié)構(gòu)無損等優(yōu)點(diǎn)，正越來越多地被應(yīng)用于巖土體微觀結(jié)構(gòu)的研究當(dāng)中[14?16]。劉勇健等[17]對原狀土和三軸試驗后土樣進(jìn)行核磁共振試驗，分析了三軸剪切過程中軟土的孔隙大小，孔徑分布和孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)變化特征。呂擎峰等[18]采用核磁共振分析測試技術(shù)，對不同配比的固化鹽漬土的微觀特征進(jìn)行分析測試研究。王卉等[19]對不同條件下的黏土進(jìn)行核磁共振微觀特性分析，并與壓汞試驗結(jié)果進(jìn)行對比分析，表明2種方法在孔隙孔徑分布的探究上具有一致性。張世民等[20]對核磁共振技術(shù)在非凍結(jié)孔徑分布分析中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，表明核磁成像技術(shù)可直接地觀察土體剖面的孔隙分布情況，并提出今后可將該技術(shù)應(yīng)用于滲流引起的土顆粒遷移問題研究。聚丙烯纖維具有價格低、易分散以及加固效果好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于土體加固當(dāng)中，也取得了大量的研究成果。而對于聚丙烯加筋土的微觀特性研究還比較缺乏，因而對其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的研究具有重要意義。本文采用低場核磁共振分析測試儀器，對不同含量聚丙烯纖維加固后紅黏土的微觀特性進(jìn)行測試，研究了加筋土的T2譜、孔徑分布、孔隙度以及T2譜峰面積，并采用無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗，研究了不同含量纖維加固紅黏土的抗壓強(qiáng)度。研究成果可為加筋土宏微觀特性的聯(lián)系提供一定的參考依據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗中使用的紅黏土取自于廣西省大新縣喬苗水庫工程現(xiàn)場，顏色呈棕紅色，詳細(xì)物理力學(xué)性質(zhì)如表1 所示，紅黏土的粒徑分布曲線如圖1 所示。為了解該地區(qū)紅黏土的礦物組成成分，對其進(jìn)行了XRD 礦物成分分析測試，得到如圖2 所示衍射峰值圖。使用的加筋材料為聚丙烯纖維，詳細(xì)物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表1 紅黏土物理力學(xué)性質(zhì)Table 1 Physical and mechanical properties of red clay

圖1 紅黏土粒徑分布曲線Fig.1 Grain size distribution curve of red clay

表2 聚丙烯纖維物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of polypropylene fiber

圖2 XRD衍射曲線Fig.2 XDR curves

1.2 試驗設(shè)備

試驗中使用的微觀分析測試儀器為蘇州紐邁公司生產(chǎn)的MacorMR12-150H-I 型低場核磁共振分析儀，主要包括核磁共振測量系統(tǒng)以及核磁共振分析系統(tǒng)。該核磁共振分析儀磁場強(qiáng)度為0.5T，磁體溫度32 ℃。

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗采用的是南京土壤儀器廠生產(chǎn)的YYW-2 型應(yīng)變控制式無側(cè)限壓力儀,試驗過程中控制應(yīng)變速率為2.4 mm/min。

1.3 試驗方案

為研究不同含量纖維加固后紅黏土的微觀特性，試驗中選取纖維含量為0%，0.1%，0.2%，0.3%和0.4%(與土體質(zhì)量的百分比)，控制試樣含水率為35%，密度為1.90 g/cm3。在制樣前，首先將取回的原狀土烘干碾碎，后稱取一定量的干土，并采用噴灑法將對應(yīng)質(zhì)量的水與土體混合，接著用保鮮膜將土樣包裹放入保濕缸內(nèi)養(yǎng)護(hù)24 h。制樣過程中，首先將稱取好的纖維與土體均勻混合，接著分3層稱取相應(yīng)質(zhì)量的土體和纖維，依次放入制樣模具內(nèi)，采用分層擊實的方法進(jìn)行制樣，為使得分層土體連接更為緊密，對分層界面進(jìn)行刮毛處理。制好的試樣直徑為39.1 mm，高度為80mm，制樣完成后，將制好的試樣用保鮮膜包裹養(yǎng)護(hù)24 h后進(jìn)行測試。

在進(jìn)行核磁共振測試前，對試樣進(jìn)行飽和處理，測試過程中，先采用FID 序列找到中心頻率，接著通過CPMG 序列確定試驗所采用的參數(shù)，最后使用標(biāo)準(zhǔn)油樣進(jìn)行定標(biāo)。本次測試過程，采用儀器的參數(shù)為：射頻中心頻率，12 MHz；90°射頻脈沖寬度，3.8 μs；180°射頻脈沖寬度，10.4 μs；采樣等待時間，250μs；采樣間隔，500 ms；模擬增益，20；累加采樣次數(shù)，32；回?fù)軅€數(shù)，500。

2 試驗結(jié)果

2.1 T2譜與孔徑分布

核磁共振在進(jìn)行測試時，對主磁場施加一定頻率的射頻脈沖，使得樣品中的自旋氫核從低能態(tài)躍遷至高能態(tài)。射頻脈沖停止后，在主磁場的作用下，橫向宏觀磁化矢量逐漸縮小到0，縱向宏觀磁化矢量從0逐漸回到平衡狀態(tài)，這個過程稱為核磁弛豫。核磁弛豫又可分解為2個部分：縱向弛豫(T1)和橫向弛豫(T2)。由于T1測量時間很長，從而在試驗中常采用T2來研究試樣內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)特征。試樣內(nèi)部氫質(zhì)子在磁場作用下其能量釋放速度和強(qiáng)度不同，從而可間接反映巖土孔隙結(jié)構(gòu)特征。T2與孔徑之間關(guān)系如式1所示。

式中：V為孔隙體積；S為孔隙比表面積；ρ2為表面弛豫強(qiáng)度；T2譜值與孔隙體積成正比。

本文采用核磁共振對不同含量纖維加固后的紅黏土進(jìn)行測試，得到如圖3所示T2譜圖。

圖3 不同含量纖維加固紅黏土T2譜圖Fig.3 T2 spectrum of red clay reinforced with different contents of fiber

從圖3中可以看出，加入不同含量纖維紅黏土的T2譜的形態(tài)基本保持一致，均出現(xiàn)一個峰值，且在弛豫時間為1 ms 附近到達(dá)信號強(qiáng)度峰值，表明不同含量纖維加固土內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)分布相似，只是各個配比下試樣中孔隙所占的比例有所不同，從而信號峰值強(qiáng)度有所不同。其中，未加纖維的素土試樣的峰值信號強(qiáng)度最低，而隨著纖維含量的增加，加固后紅黏土峰值信號強(qiáng)度表現(xiàn)出先增加后減小的趨勢。在纖維含量達(dá)到0.2%之前，試樣信號幅值強(qiáng)度保持增加趨勢，且纖維含量從0.2%增加到0.3%，信號強(qiáng)度增幅最大，纖維含量達(dá)到0.2% 后，加筋土信號幅值峰值強(qiáng)度開始減小。

對所采集到的試樣內(nèi)部的T2譜采用核磁共振處理系統(tǒng)進(jìn)行后處理得到孔徑分布圖。不同含量纖維加固后紅黏土的內(nèi)部孔徑分布曲線如圖4 所示。從圖4中可以看出，纖維的加入對素土內(nèi)部孔徑分布的特征的影響較小，試樣內(nèi)部的孔徑主要分布在0.01 μm 到0.05 μm 之間，且孔徑為0.02 μm左右的孔隙所占比例均為最大，約為試樣內(nèi)部總孔隙度的1.6%。加入0.2%纖維的加筋土中的總孔隙含量最多，其中纖維含量為0.3%的試樣中相對大孔隙含量占比最少，素土內(nèi)部相對大孔隙含量與加筋紅黏土相比所占比例最多。

圖4 不同含量纖維加固紅黏土孔徑分布Fig.4 Pore diameter distribution of red clay reinforced with different contents of fiber

2.2 孔隙度與T2譜峰面積

圖5為不同含量纖維加筋土的孔隙度和T2譜峰面積。從圖5 中可以觀察到，當(dāng)纖維含量小于0.2%時，試樣的孔隙度隨纖維含量的增加而增加，而當(dāng)纖維含量大于0.2%時，試樣內(nèi)部的孔隙度出現(xiàn)了快速減小，且當(dāng)纖維含量增加到0.3%后，加筋土的孔隙度變化開始減緩。其中，加筋土孔隙度在纖維達(dá)到0.2%時達(dá)到最大值43.35%。T2譜峰面積代表試樣內(nèi)部的總信號值，也可以反映出試樣內(nèi)部水分的多少。從圖5 還可以看出，T2譜峰面積隨著纖維含量的增加表現(xiàn)出先增加后緩慢減小的趨勢，T2譜峰面積在纖維含量達(dá)到0.2%時達(dá)到最大值，隨著纖維含量進(jìn)一步增加，試樣內(nèi)部孔隙度出現(xiàn)小幅度減小。這是因為在少量纖維加入土體中，土體與纖維之間以及纖維與纖維之間連接不夠緊密，從而在飽和過程中，有少量水分順著纖維在土體形成的滲流通道達(dá)到試樣內(nèi)部，同時也有一部分水分賦存在纖維表面，從而表現(xiàn)出加筋土內(nèi)部孔隙度隨纖維含量的增加而增大。而當(dāng)加入的纖維增多時，纖維與土體、土顆粒與土顆粒以及纖維與土體之間的距離受擠壓逐漸變小，且纖維也會充填部分相對大孔隙，從而試樣內(nèi)部總體孔隙度在纖維達(dá)到0.2%后開始減小。根據(jù)以上研究成果，可以推斷出在纖維含量達(dá)到一定含量后，試樣內(nèi)部的孔隙開始減小，在外力荷載作用下壓縮變形也會降低。從而，在實際工程應(yīng)用當(dāng)中，可將纖維作為一種加固材料，添加到軟土地基中，能夠在一定程度上起到減小地面沉降變形的作用。

圖5 不同含量纖維加固紅黏土的孔隙度和T2譜峰面積Fig.5 Porosity and T2 peak area of red clay reinforced with different contents of fibers

2.3 強(qiáng)度分析

對加入不同含量纖維的紅黏土進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試，得到如圖6 所示抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果。從圖6中可以看出，試樣的抗壓強(qiáng)度隨纖維含量的增加表現(xiàn)出線性增加的趨勢，抗壓強(qiáng)度與纖維含量之間的線性關(guān)系為：y= 314.99x+ 319.41，R2=0.9916，式中x為纖維含量質(zhì)量百分比。加入不同含量纖維的紅黏土與素土相比分別增加了11.04%，17.15%，29.98%和39.78%。加入不同含量纖維的加筋土的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖7 所示。從圖7 中可以看出，未加入纖維的土體，與加入纖維的土體相比，在較小的應(yīng)變(應(yīng)變?yōu)?.5%)下達(dá)到峰值強(qiáng)度，且達(dá)到峰值強(qiáng)度后，試樣出現(xiàn)明顯的破壞，從而峰值后強(qiáng)度快速減小，表現(xiàn)出顯著的脆性破壞。而加入不同含量纖維的土體，加筋土達(dá)到峰值強(qiáng)度時對應(yīng)的應(yīng)變逐漸增加，且隨著纖維含量的增加，加筋土峰值后強(qiáng)度的減小程度逐漸減輕，試樣應(yīng)變硬化現(xiàn)象越來越明顯，試樣表現(xiàn)出韌性破壞特征。

圖6 不同含量纖維加固后紅黏土的抗壓強(qiáng)度Fig.6 Compressive strength of red clay reinforced with different contents of fibers

圖7 不同含量纖維加筋土應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.7 Stress-strain curves of soil reinforced with different contents of fiber

纖維的加入在土體中間產(chǎn)生了加筋作用，使得土顆粒之間受到纖維的錨固作用，且纖維與土體之間相互連接，顯著提高了土體內(nèi)部的黏結(jié)力和摩擦力，從而表現(xiàn)出土體強(qiáng)度隨纖維含量的增加而保持增加趨勢。除此之外，纖維之間相互纏繞連接，在土體內(nèi)部形成三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使得土體之間受到鎖固連接。在受到外力作用下，纖維能夠起到一定的支撐作用，提供一定的抗壓強(qiáng)度。且纖維形成的三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，能夠?qū)υ嚇邮軌鹤冃纹鸬揭欢ǖ南拗谱饔?，從而，加入含量較多纖維后的土體，在達(dá)到峰值強(qiáng)度后依舊保持較高的抗壓強(qiáng)度，試樣表現(xiàn)出應(yīng)變硬化現(xiàn)象。隨著纖維的加入增加，試樣的破壞程度也逐漸減輕(如圖8 所示)。從圖8 中可以明顯的看出，未加入纖維的素土，在受壓過程中，試樣內(nèi)部出現(xiàn)一條自上而下的貫穿斷裂面(圖8(a))，使得在達(dá)到峰值強(qiáng)度后試樣的強(qiáng)度快速衰減，且斷裂面兩邊土體形態(tài)基本保持完整，素土表現(xiàn)出明顯脆性破壞。而隨著纖維的加入，試樣的內(nèi)部破壞程度有明顯的減弱。試樣在受壓時，纖維起到明顯的限制變形作用，并增加了土體間的黏聚力，試樣內(nèi)部未形成明顯的貫通斷裂面，試樣整體表現(xiàn)出延性變形破壞，從而，在試樣達(dá)到峰值強(qiáng)度后，隨著應(yīng)變的進(jìn)一步增加，試樣依舊可以提供較高的抗變形能力，加筋土也表現(xiàn)出一定的韌性材料的特征。

圖8 不同含量纖維加固后紅黏土試樣破壞Fig.8 Failure of red clay reinforced with different content of fibers

3 結(jié)論

1) 加入不同含量纖維紅黏土的T2譜的形態(tài)基本保持一致，均在弛豫時間為1 ms附近出現(xiàn)峰值，且纖維含量為0.2%時，試樣內(nèi)部信號最強(qiáng)；不同含量纖維加筋土內(nèi)部的孔徑主要分布在0.01 μm 到0.05 μm 之間，且孔徑為0.02 μm 左右的孔隙所占比例均為最大；試樣的孔隙度和T2譜峰值面積隨纖維含量的增加表現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，且均在纖維含量為0.2%時到達(dá)最大值。

2) 纖維能夠明顯增加紅黏土的抗壓強(qiáng)度，加筋土的抗壓強(qiáng)度與纖維含量保持良好的線性增加關(guān)系；且隨著纖維含量的增加，試樣由脆性破壞逐漸表現(xiàn)為韌性破壞特征。

3) 纖維在土體中起到錨固作用，顯著增加了土體間的連接力，且均勻分散在土體內(nèi)部的纖維相互交叉連接形成了空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有效限制了土體的變形，從而增加加筋土抗壓強(qiáng)度并表現(xiàn)出韌性破壞特征。