棕櫚纖維加筋土強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究

張洪東，李海峰，李賀勇，劉瑾，胡恬靜，張化鵬，趙寧寧

（1.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310000；2.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211100；3.浙江華東工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引言

作為一種良好的天然防滲材料，黏土因具備成本低、易取材等特點(diǎn)，在垃圾填埋、礦山復(fù)綠、水利工程等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用（楊倩，2016；韓貴雷和賈偉杰，2019）。同時(shí)，黏土存在壓縮性大、固結(jié)沉降周期長(zhǎng)、遇水變形、失水收縮后產(chǎn)生干裂縫等不良工程特性。隨著各類工程建設(shè)項(xiàng)目的逐漸增多，土巖邊坡在強(qiáng)烈的構(gòu)造活動(dòng)及持續(xù)降雨、流水、自重應(yīng)力場(chǎng)等內(nèi)外營(yíng)力作用的耦合下，常發(fā)生崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，破壞了生態(tài)環(huán)境，造成了難以估量的經(jīng)濟(jì)損失及人員傷亡，因此亟需對(duì)黏土的不良工程地質(zhì)特性進(jìn)行改良，以滿足工程實(shí)際需要，減少自然災(zāi)害發(fā)生（王進(jìn)，2016；張欣等，2018）。

目前已有大量的土體改良技術(shù)被付諸實(shí)踐，方法主要包括物理加固法和化學(xué)加固法。纖維加筋技術(shù)作為一種物理加固方法，是指將纖維材料以一定比例均勻分散至土體內(nèi)部，形成一種新型的土工復(fù)合材料，即纖維加筋土，從而達(dá)到優(yōu)化土體工程性能的目的。其中，天然纖維運(yùn)輸方便、價(jià)格低廉，有利于降低施工成本。同時(shí)，天然纖維分散性好，能在土體中均勻分布，進(jìn)而在各個(gè)方向上發(fā)揮加筋作用，克服了傳統(tǒng)土工合成材料須根據(jù)間距進(jìn)行布設(shè)，導(dǎo)致土體存在軟弱結(jié)構(gòu)面的缺點(diǎn)，與其他加固材料相比，發(fā)展前景廣闊。因此，纖維加筋技術(shù)在巖土工程領(lǐng)域不斷發(fā)展壯大，已成為常見的可持續(xù)土加固技術(shù)之一（何忠明等，2019；Fagone et al.,2017），也是近年來研究的熱門方向。

Aymerich et al.（2016）研究了靜載荷和沖擊彎曲載荷作用下大麻纖維加筋土的承載能力、抗裂性和能量吸收性能，試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)纖維的摻入可有效改善土體的強(qiáng)度指標(biāo)；Hejazi et al.（2012）通過對(duì)不同種類的天然纖維加筋土進(jìn)行與無側(cè)限抗壓與直剪試驗(yàn)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，天然纖維提高了土體的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度，使試樣應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系由應(yīng)變軟化轉(zhuǎn)為應(yīng)變硬化型；劉建龍等（2018）發(fā)現(xiàn)棉纖維對(duì)黃土的變形破壞模式具有顯著影響，即素黃土存在明顯剪切破壞面，而部分纖維隨機(jī)分布的加筋土試樣沒有明顯破壞面，表現(xiàn)為“裂而不斷”的特點(diǎn)；李陳財(cái)?shù)龋?015）經(jīng)研究得出麥秸稈通過與土體混合時(shí)通過摩擦作用與土體在受剪時(shí)協(xié)同變形而提高上海黏土的抗剪強(qiáng)度并顯著提高加筋土的黏聚力。

對(duì)于纖維加筋土體研究，加筋率和干密度等影響著纖維的加筋效果，因而一直被研究者重點(diǎn)關(guān)注，并對(duì)二者的作用效果進(jìn)行了一系列系統(tǒng)研究。曹智民和璩繼立（2019）指出，棕櫚纖維可顯著提高上海黏土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與延性，且其提高幅度與加筋率密切相關(guān)；李貝貝等（2014）通過研究不同纖維摻入量下土樣的直剪試驗(yàn)強(qiáng)度與抗壓試驗(yàn)強(qiáng)度，得出加筋黏土的最佳加筋率；Wang et al.（2016）研究了干密度與加筋率對(duì)膨脹土抗剪性能的影響，證明干密度與加筋率均能顯著影響土體內(nèi)聚力大小，而土體抗剪強(qiáng)度在加筋率達(dá)到峰值后逐漸減弱；劉思奇等（2016）根據(jù)極差分析方法，研究了不同因素對(duì)木質(zhì)纖維加筋土抗剪強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明含水率>壓實(shí)度>加筋率。

棕櫚纖維作為一種天然材料，具有產(chǎn)量大、易獲取，同時(shí)具備分散性佳、防腐性好、抗拉裂性能好、內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松多孔等特點(diǎn)（張有等，2016）。因此分布于土體內(nèi)部的棕櫚纖維除了可以起到良好的抗壓與抗變形作用外，其自身結(jié)構(gòu)還能長(zhǎng)期維持完整性及透氣性，保證了土體加固的可靠性與持久性，降低了施工后的維護(hù)成本。因此，本文以棕櫚纖維為加筋材料，基于無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)與直接剪切試驗(yàn)，研究了干密度和加筋率對(duì)纖維加筋土強(qiáng)度特性的影響，并分析了其固土機(jī)理，以期研究結(jié)果為棕櫚纖維加固土體的理論研究與工程實(shí)踐提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)材料為黏土與棕櫚纖維。黏土取自于浙江省麗水市某基坑，棕櫚纖維采購自當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)。將黏土烘干碾碎后過2 mm土工篩備用，過篩后的土見圖1a，其物理性質(zhì)見表1。將當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)購買的原始棕櫚纖維剔除雜質(zhì)，剪成長(zhǎng)度為20 mm的短切棕櫚纖維備用。棕櫚纖維見圖1b，棕櫚纖維物理力學(xué)參數(shù)見表2。

圖1 試驗(yàn)材料浙江黏土（a）和棕櫚纖維（b）照片

表1 試驗(yàn)用黏土的物理參數(shù)

表2 棕櫚纖維的物理性質(zhì)

1.2 試樣制備

本文通過測(cè)試含水率一定時(shí)，不同干密度與加筋率下黏土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度以探究干密度與加筋率對(duì)棕櫚纖維改良黏土強(qiáng)度的影響。本次試驗(yàn)設(shè)置了干密度與加筋率（纖維與干黏土質(zhì)量百分比）兩個(gè)影響因素，采用土體最優(yōu)含水率20%進(jìn)行試驗(yàn)。黏土的干密度（ρ）分別設(shè)置為1.55 g/cm3、1.6 g/cm3、1.65 g/cm3，棕櫚纖維率（WPF）分別置為0、0.2%、0.4%、0.6%。

在試樣制備過程中，首先取適量烘干過篩后的黏土加水，混合均勻后裝入塑料袋密封，靜置24 h后取出土樣，依照試驗(yàn)方案加入不同含量的棕櫚纖維，混合均勻后倒入模具，壓實(shí)至指定尺寸并靜置一段時(shí)后脫除模具，在恒溫25℃下養(yǎng)護(hù)24 h后進(jìn)行試驗(yàn)。黏土與纖維拌合物及試樣見圖2。

圖2 纖維與土拌合物照片（a）；無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)試樣照片（b）；直接剪切試驗(yàn)試樣照片（c）

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用的是南京寧曦土壤儀器有限公司生產(chǎn)的TSZ 全自動(dòng)三軸儀，剪切速率為0.8 mm/min，采樣步長(zhǎng)為5%，軸向應(yīng)變達(dá)12%時(shí)停止試驗(yàn)。試樣直徑為39.1 mm，高度為80 mm。

1.3.2 直接剪切試驗(yàn)

直接剪切試驗(yàn)采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的ZJ 型應(yīng)變控制式直剪儀，試驗(yàn)過程中施加的垂直四級(jí)荷載分別是100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa，剪切過程中應(yīng)變速率為2.4 mm/min，若未出現(xiàn)明顯峰值強(qiáng)度，則取剪切位移達(dá)到400 mm時(shí)的抗剪強(qiáng)度為峰值強(qiáng)度。試樣直徑為61.8 mm，高度為20 mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

表3列出了不同干密度與加筋率下試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度（σc）。從表中可以看出，試樣抗壓強(qiáng)度隨黏土密度的增加而持續(xù)增強(qiáng)。當(dāng)加筋率不超過0.4%時(shí)，試樣抗壓強(qiáng)度隨加筋率增大而增大，當(dāng)加筋率超過0.4%時(shí)，試樣抗壓強(qiáng)度隨加筋率的增大而減小。

表3 不同密度和加筋率試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

2.1.1 應(yīng)力應(yīng)變曲線分析

含水率下變密度與變加筋率條件下的應(yīng)力應(yīng)變曲線見圖3。從圖3可以看出，對(duì)于不同密度的試樣，其軸向應(yīng)力與軸向應(yīng)變曲線整體呈拋物線型，纖維土抗壓強(qiáng)度高于素土。在相同含水率與密度下，相比于素土，加筋率為0.2%的試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增量較小，加筋率為0.4%的試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度卻有顯著提高；在達(dá)到峰值強(qiáng)度之前，相同含水率與干密度下，隨著加筋率的增大，素土與加筋土峰值強(qiáng)度均隨應(yīng)變迅速增大，但素土在軸向應(yīng)力到達(dá)峰值后，其應(yīng)力應(yīng)變曲線較棕櫚纖維加筋土下降更快，呈現(xiàn)出較小的殘余強(qiáng)度。說明棕櫚纖維在提升土體的強(qiáng)度的同時(shí)，還使試樣的應(yīng)力應(yīng)變特性由應(yīng)變軟化型逐漸過渡為應(yīng)變硬化型，即棕櫚纖維的摻入導(dǎo)致試樣呈現(xiàn)出壓硬性，試樣破壞多為變形控制而非強(qiáng)度控制，而素土一般表現(xiàn)為小應(yīng)變下的強(qiáng)度破壞。

圖3 不同密度與加筋率下試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線

由于素土多表現(xiàn)為脆性破壞，而纖維摻入土體后，在黏土顆粒間相互連接形成類似于不規(guī)則的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。纖維間相互搭接，共同受力，使每根纖維受力更加均勻。當(dāng)單根纖維在外荷載作用下產(chǎn)生位移趨勢(shì)時(shí)，必然受到臨近交接纖維的阻礙，外荷載通過相互交織的纖維不斷傳遞，由試樣內(nèi)各個(gè)方向的棕櫚纖維共同承擔(dān)。纖維加筋土是土與纖維共同構(gòu)成的復(fù)合體，二者通過摩擦力與黏結(jié)力結(jié)合，纖維具備較高的縱向彈性模量，在外荷載作用下與土體協(xié)同變形，增加了試樣的整體穩(wěn)定性（彭麗云和王劍燁，2017；陸韜和璩繼立，2020）。纖維對(duì)土體的增強(qiáng)作用除了源于筋土間的摩擦力與黏結(jié)力，還與纖維在土體中彼此構(gòu)成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對(duì)土的約束作用相關(guān)（唐皓等，2020）。

試樣變形較小時(shí)，加筋土受到外荷載作用較小，試樣未發(fā)生破壞，棕櫚纖維變形量較小，其加筋性能未能得到充分發(fā)揮，故此時(shí)加筋率對(duì)其應(yīng)力-應(yīng)變曲線影響偏??；棕櫚纖維因具有較高的延性，在外荷載作用下僅發(fā)生彎曲而不產(chǎn)生破壞，當(dāng)試樣變形較大時(shí)，說明棕櫚纖維在較大的外荷載作用下發(fā)生了較大的變形，棕櫚纖維抗壓性能得到充分發(fā)揮。

加筋率較低時(shí)，試樣內(nèi)的纖維排布較為分散，難以產(chǎn)生交織點(diǎn)，無法形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，隨著加筋率以及外荷載的增加，大量隨機(jī)分布的纖維在試樣內(nèi)部逐步交織纏繞并包裹土顆粒，形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，纖維與纖維及纖維與土顆粒接觸點(diǎn)增多，摩擦力增大，限制了土顆粒位移與試樣變形，從而增強(qiáng)了土體抗壓強(qiáng)度。

2.1.2 峰值強(qiáng)度分析

圖4反應(yīng)了試樣峰值強(qiáng)度變化與干密度和加筋率的關(guān)系。圖中可以看出，相同干密度下，加筋率為0.4%時(shí)，試樣峰值強(qiáng)度達(dá)到最高，當(dāng)土體加筋率超過0.4%后，土體峰值強(qiáng)度反而隨加筋率增大而減小。而相同加筋率下，干密度為1.65 g/cm3時(shí)試樣峰值強(qiáng)度達(dá)到最大。

圖4 不同干密度與加筋率下試樣的抗壓強(qiáng)度

當(dāng)素土在外荷載作用下產(chǎn)生變形時(shí)，土顆粒間的摩擦力為阻止土體變形而持續(xù)增大，阻礙了土顆粒位移，從而減小了試樣變形。隨著干密度的增大，單位體積內(nèi)土顆粒數(shù)量增多，土顆粒排列更緊密，接觸點(diǎn)更多，試樣內(nèi)孔隙減少。在外荷載作用下，土顆粒受相鄰顆粒阻礙，位移被限制，延緩了試樣的破裂變形過程，因此應(yīng)力強(qiáng)度峰值逐漸增大。

不同加筋率下棕櫚纖維再試樣內(nèi)部的分布存在較大差異（圖5）。加筋率過低時(shí)，纖維在試樣內(nèi)部零散分布，纖維間無法形成交織點(diǎn)或交織點(diǎn)數(shù)目過少，不構(gòu)成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，試樣中部分區(qū)域仍保持為素土狀態(tài)，纖維對(duì)土顆粒位移的阻擋作用受限。當(dāng)加筋率超過0.4%時(shí)，試樣內(nèi)單位體積內(nèi)筋材的絕對(duì)數(shù)量相對(duì)較大，筋材在土中大量重疊甚至交織成團(tuán)，由于筋材與土顆粒的摩擦力大于筋材與筋材的摩擦力，導(dǎo)致土與筋材的摩擦作用難以充分發(fā)揮。纖維的重疊纏繞，在土體內(nèi)部形成局部薄弱面，同時(shí)將導(dǎo)致纖維部分裸露在試樣外部，無法保證筋材與土的有效接觸，減弱了土顆粒間的聯(lián)結(jié)，破壞試樣均勻性和整體性，削弱了加筋作用。在適宜加筋率下，棕櫚纖維與土的摩擦作用得到了最大程度的發(fā)揮，筋材間相互交織形成空間網(wǎng)絡(luò)但未交織成團(tuán)，纖維與土顆粒緊密結(jié)合，使試樣保持了較大的完整性，進(jìn)一步提高了試樣的抗壓強(qiáng)度和延展性能，使試樣的破壞模式由脆性破壞逐步過渡為韌性破壞。

圖5 不同加筋率下棕櫚纖維分布示意圖

2.2 直接剪切試驗(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)結(jié)果

通過對(duì)干密度與不同加筋率的試樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)，并依據(jù)庫倫定律得到不同條件下的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，分析了干密度與加筋率對(duì)棕櫚纖維加固土體抗剪強(qiáng)度特性的影響。各組試樣的基本參數(shù)與直剪試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 各組試樣的基本參數(shù)和直剪試驗(yàn)結(jié)果

2.2.2 抗剪強(qiáng)度參數(shù)分析

試樣黏聚力與內(nèi)摩擦角隨干密度與加筋率的變化規(guī)律見圖6和圖7。從圖中可以看出，試樣在摻入纖維后，黏聚力有了明顯的提高，以干密度為1.65 g/cm3的試樣為例，未添加纖維時(shí)，其黏聚力為67.10 kPa，加筋率為0.6%時(shí)，其黏聚力為94.85 kPa，黏聚力增加了41.35%。但在干密度密度相同的條件下，試樣的內(nèi)摩擦角隨加筋率的增大變化不明顯，僅在2.62°～4.19° 內(nèi)波動(dòng)，且內(nèi)摩擦角不完全隨加筋率增加而增加，二者未表現(xiàn)出明顯的正相關(guān)或負(fù)相關(guān)。隨著干密度的增大，素土試樣的黏聚力產(chǎn)生了一定程度的增大。例如密度為1.65 g/cm3的素土與密度為1.55 g/cm3的素土相比，黏聚力增加了12.72%，但內(nèi)摩擦角未隨試樣干密度增加而出現(xiàn)明顯變化規(guī)律。說明試樣干密度與加筋率主要對(duì)試樣的黏聚力產(chǎn)生作用，即加筋率與試樣干密度通過增大土顆粒間黏聚力以提高土體抗剪強(qiáng)度，加筋率與干土密度越大，越大黏聚力值越高，從而土體抗剪強(qiáng)度越大，反之亦然。

圖6 黏聚力與干密度和加筋率的關(guān)系

圖7 內(nèi)摩擦角與干密度和加筋率的關(guān)系

對(duì)于素土，隨著試樣干密度增大，土體孔隙比減小，在剪應(yīng)力作用下，土顆粒咬合作用增大，膠結(jié)程度增大，更難以產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)，不易被剪壞，因此抗剪強(qiáng)度隨干密度增大而增大。對(duì)于加筋土，試樣干密度不僅影響粒間作用，還影響土顆粒與纖維的相互作用。由于制備干密度較大的土樣需要較大的壓實(shí)功，使土顆粒施加在筋材表面的正壓力相應(yīng)增大，即棕櫚纖維與土顆粒的接觸面積增加，界面摩擦力亦隨之增大（柴壽喜和石茜，2013）。因此，棕櫚纖維加筋土的抗剪強(qiáng)度隨試樣的干密度增加而增加。

附著于纖維的土顆粒達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，纖維端部被土顆粒緊密包裹，在外力作用下，纖維被緊密包裹的部位形成錨固區(qū)而不易被拔出。當(dāng)試樣在外荷載作用下發(fā)生剪切變形或破壞時(shí)，棕櫚纖維的錨固作用（圖8）對(duì)試樣抵抗變形破壞產(chǎn)生了正向影響。即棕櫚纖維四周被大量土顆粒包裹，錨固于試樣內(nèi)部棕櫚纖維與土彈性模量的差異導(dǎo)致二者存在相互錯(cuò)動(dòng)的趨勢(shì)，隨著剪切盒的持續(xù)移動(dòng)進(jìn)而產(chǎn)生摩擦力，錨固于土體的纖維在試樣發(fā)生破壞時(shí)將承受一定的拉力，起到分擔(dān)部分外部荷載的作用。

圖8 錨固作用纖維示意圖

當(dāng)試樣持續(xù)發(fā)生剪切破壞，需克服土顆粒對(duì)纖維的黏結(jié)和土顆粒與纖維摩擦力的雙重作用，使土體中纖維被拉動(dòng)或拔出。隨著加筋率的增大，土顆粒與纖維接觸點(diǎn)增多，接觸面積增大，筋/土界面作用增強(qiáng)。當(dāng)加筋率較低時(shí)，纖維與土顆粒點(diǎn)數(shù)量接觸較少，承擔(dān)外荷載作用的纖維數(shù)量較少，筋/土界面作用效果不明顯。

土體的內(nèi)摩擦角主要受礦物成分，顆粒大小與級(jí)配、顆粒形狀和排列、黏性土的離子和膠結(jié)物種類等內(nèi)部因素及加載速率、應(yīng)力狀態(tài)等外部因素影響（李廣信，2016；奚靈智等，2019）。而棕櫚纖維加筋屬于物理作用，其存在不改變土體自身屬性與外部環(huán)境作用，即纖維未能在試樣內(nèi)部形成更大的土團(tuán)粒，也不能增加土顆粒間的咬合力，因此棕櫚纖維土內(nèi)摩擦角未發(fā)生顯著變化。

與抗壓破壞不同的是，試樣的剪切破壞主要發(fā)生于剪切破裂面而非試樣整體破壞，因此加筋率越大，單位剪切破壞面上纖維分布數(shù)量越多，由于纖維彈性變形能力較好，在剪應(yīng)力作用下產(chǎn)生彎曲變形而不產(chǎn)生破壞，承擔(dān)了部分外力作用，同時(shí)，其彎曲的凹側(cè)面部分阻擋了土顆粒位移，外荷載作用越大，纖維彎曲程度越大，彎曲的纖維數(shù)量越多，更多的土顆粒位移被阻礙，使試樣難以產(chǎn)生剪切破壞。因此加筋率與土體抗剪強(qiáng)度呈正相關(guān)。

3 結(jié)論

本文采用無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與直接剪切試驗(yàn)對(duì)不同密度的棕櫚纖維加筋土與未加筋土進(jìn)行測(cè)試，研究了加筋率與干密度對(duì)棕櫚纖維加筋黏土的影響，得出如下結(jié)論。

（1）在相同壓實(shí)狀態(tài)（含水率和干密度相同）下，當(dāng)棕櫚纖維加筋率范圍為0～0.4%時(shí)，試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨棕櫚加筋率的增加而增加，且逐漸由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性破壞。當(dāng)棕櫚加筋率超過0.4%時(shí)，試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨加筋率增大而減小。該現(xiàn)象表明，在加筋率不超過0.4%時(shí)，較高的加筋率有利于提高土體抗壓強(qiáng)度與穩(wěn)定性。但超過最優(yōu)加筋率，試樣中大量分布的纖維對(duì)加筋效果造成不利影響。

（2）相同密度和含水率條件下，纖維主要通過提高試樣黏聚力來增大試樣抗剪強(qiáng)度，加筋率對(duì)試樣內(nèi)摩擦角大小影響較小。

（3）隨著干密度的增大，單位體積的土顆粒排列更緊密，土顆粒摩擦作用也隨之增大，顆粒在外荷載作用下的位移受到限制，提升了土體的抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度與抗變形能力。