孔隙度與NaCl對(duì)纖維加筋土強(qiáng)度的影響

汪駿灃，璩繼立

(上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093)

上海市是中國(guó)的國(guó)際經(jīng)濟(jì)、金融、貿(mào)易、航運(yùn)、科技創(chuàng)新中心，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，上海地區(qū)土地供應(yīng)愈發(fā)緊張。上海市位于長(zhǎng)江三角洲沖積平原，是江、湖、海動(dòng)力作用條件下形成的廣袤堆積平原，地質(zhì)情況復(fù)雜。上海黏土具有含水量高，孔隙比大，壓縮性高等地質(zhì)性質(zhì)[1-2]。因此需要采用有效措施加固以滿足實(shí)際工程需求。

纖維加筋具有取材廣泛，經(jīng)濟(jì)可行，作用效果優(yōu)良等特點(diǎn)。不少學(xué)者做了關(guān)于纖維加固黏土的研究。何鈺龍[3]研究發(fā)現(xiàn)纖維加筋可以顯著提高黏性土的抗剪強(qiáng)度，并增加其塑性和韌性。王艷芳等[4]指出纖維是通過(guò)與土顆粒接觸面間的摩擦力來(lái)增加土體的黏聚力，限制土體變形的，因此纖維影響土體抗剪強(qiáng)度的主要因素是黏聚力。張軍[5]在三軸試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，纖維摻量并不是越多越好，單從提高抗剪強(qiáng)度方面考慮，確定最佳的纖維摻量為0.2%。Akbulut等[6]基于無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度結(jié)果，指出纖維長(zhǎng)度對(duì)強(qiáng)度的影響無(wú)明顯規(guī)律，黃麻、棕櫚絲、椰絲是較為常見(jiàn)的天然纖維，不少學(xué)者做了相關(guān)工作。黃麻纖維是最廉價(jià)的纖維之一，種植量和用途都廣泛，僅次于棉花。陸韜等[7]研究指出，黃麻纖維加筋上海黏土能夠提高其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，黃麻纖維加筋率為0.35%時(shí)，黏土的抗壓強(qiáng)度最高。黃曉如等[8]研究發(fā)現(xiàn)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨棕櫚纖維的長(zhǎng)度或含量的增加而增加。當(dāng)棕櫚纖維長(zhǎng)為20 mm，加筋率為0.50%時(shí)，土樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大。自然界中的椰絲木質(zhì)素含量較高，抗腐蝕性更強(qiáng)，常志璐等[9]采用椰絲作為加筋材料，發(fā)現(xiàn)粉砂土中加入雙聚材料和植物纖維，增強(qiáng)了土體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，降低了土體的滲透性。

在土中加入粉煤灰、石灰等可改善土體級(jí)配，減小孔隙度，因而在實(shí)際工程中得到大量運(yùn)用。固化土的強(qiáng)度隨干密度的增加而增大，在一定范圍內(nèi)隨固化材料摻量的增加而增強(qiáng)，這些結(jié)論已達(dá)成共識(shí)[10-14]。

Drake等[15]研究發(fā)現(xiàn)NaCl可以加速土體固化，減少養(yǎng)護(hù)試件從而使土體早期強(qiáng)度更高。Saldanha等[16]指出NaCl是提高無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最有效的鹽種。張少龍等[17]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)NaCl濃度低于0.5%時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度及彈性模量均隨溶液濃度的增加而增加。魏麗等[18]研究發(fā)現(xiàn)隨含鹽量的增加，固化土及纖維加筋固化土的抗壓強(qiáng)度先減小后增大，存在一個(gè)臨界含鹽量，為7%左右，鹽漬土存在鹽脹與吸濕軟化現(xiàn)象，纖維加筋作用可抵消高含鹽量引起的對(duì)固化土抗壓性能的破壞。

盡管國(guó)內(nèi)外對(duì)加固不良地質(zhì)條件土體的研究很多，但缺乏對(duì)加固土體的工程力學(xué)性質(zhì)的數(shù)據(jù)評(píng)估。Consoli等[19]考慮孔隙度、石灰含量作為評(píng)估硅酸鹽水泥處理過(guò)的土壤無(wú)側(cè)向抗壓強(qiáng)度的參數(shù)，指出壓實(shí)石灰土與孔隙度、石灰含量之間存在直接關(guān)系。Consoli等[20]做了大量關(guān)于此的研究，發(fā)現(xiàn)石灰土混合物的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與孔隙度/石灰指數(shù)之間存在非線性關(guān)系。本文通過(guò)以纖維和NaCl加固纖維加筋土的無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)，研究了不同石灰含量(0%、3%、5%、7%)，不同纖維種類(黃麻、棕櫚絲、椰絲)，不同干密度(1.4 g/cm3、1.5 g/cm3、1.6 g/cm3)，是否添加NaCl對(duì)纖維加筋土強(qiáng)度的影響，探尋土體強(qiáng)度與孔隙度、石灰含量的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上研究土體強(qiáng)度與孔隙度/石灰含量(η/Liv)指數(shù)的關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗(yàn)用土取自上海市郊區(qū)在建項(xiàng)目，取自地下2 m處，按《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[21](GB/T 50123—2019)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。試件膠結(jié)劑Ca(OH)2是一種成熟的工業(yè)產(chǎn)品，產(chǎn)自河南萬(wàn)源，密度為2.24 g/cm3；添加的NaCl為試驗(yàn)級(jí)用品，純度超過(guò)99.5%，密度為2.165 g/cm3；本實(shí)驗(yàn)所添加的各種纖維(黃麻、棕櫚絲、椰絲)的物理力學(xué)性質(zhì)如表2所示。

表1 上海黏土的物理性質(zhì)

表2 纖維物理性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)儀器

國(guó)家電力公司南京電力自動(dòng)化設(shè)備總廠南京水利電力儀器工程有限責(zé)任公司生產(chǎn)的PY-3應(yīng)變控制式無(wú)側(cè)限壓縮儀。儀器主要指標(biāo)：位移測(cè)量范圍為0 mm～30 mm；測(cè)力計(jì)量范圍為0 N～600 N；升降速率為2.3 mm/min～2.7 mm/min；外形尺寸為235 mm×150 mm×476 mm。

1.3 試樣制備

按不同干密度(1.4 g/cm3、1.5 g/cm3、1.6 g/cm3)、材料(黃麻、棕櫚絲、椰絲)共制備9組，每組試樣配合比如表3所示。每個(gè)配合比試樣制作3個(gè)平行樣品，以確保測(cè)試結(jié)果的可重復(fù)性。為下文表述方便，按添加材料不同分為4類：不添加NaCl和纖維(NSNF)、單獨(dú)添加NaCl(WSNF)、單獨(dú)添纖維(NSWF)、同時(shí)添加NaCl和纖維(WSWF)。

(1) 土塊經(jīng)過(guò)烘干、錘擊、2 mm土工篩篩選備用。

(2) 為控制變量，統(tǒng)一用剪刀將天然纖維剪成10 mm小段，將纖維分3次加入土中，攪拌與土混合均勻。

(3) 將土和石灰混合，輕輕攪拌直至得到均勻的顏色。

(4) 試樣的含水率為最優(yōu)含水率，NaCl先加入水中充分溶解，再加入土樣中，將溶液與土混合均勻。

(5) 其配制好土樣裝入聚乙烯袋中，粘貼標(biāo)簽并密閉養(yǎng)護(hù)24 h。

(6) 將按配合比配好并養(yǎng)護(hù)后的土樣分三次放入三瓣膜中，用擊實(shí)錘擊實(shí)，通過(guò)控制錘擊次數(shù)控制試件質(zhì)量得到所需干密度，制備好的試件高80 mm，直徑39.1 mm。

(7) 將制備好的試件用聚乙烯袋包裹，用標(biāo)簽標(biāo)記，放置在養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)等待其固化，養(yǎng)護(hù)天數(shù)均為7 d。

表3 試件的組成成分(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))

1.4 試樣方法

依照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[21](GB/T 50123—2019)測(cè)定試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 不同纖維加筋土作用效果比較

圖1為不同種類纖維和石灰含量對(duì)黏土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。由圖1可以看出，在不添加任何添加劑的情況下，素土試樣的抗壓強(qiáng)度最低，隨著石灰的加入，土體強(qiáng)度不斷增高，添加7%的石灰含量，土體抗壓強(qiáng)度提高了3.5倍。三種纖維加筋土，也呈現(xiàn)相同的規(guī)律，顯然，三種纖維均能提高土體抗壓強(qiáng)度，其中黃麻纖維提高2.3倍，棕櫚絲提高1.4倍，椰絲提高1.3倍，黃麻纖維提高抗壓強(qiáng)度幅度最大，棕櫚絲次之，椰絲最小。這可能的原因是，纖維在固化土中形成空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，同時(shí)纖維與土壤顆粒之間產(chǎn)生摩擦力，限制土體的橫向變形。而黃麻的抗拉強(qiáng)度與彈性模量均大于棕櫚絲和椰絲，可以更加有效限制土體裂縫的產(chǎn)生；棕櫚絲呈圓柱狀，與土體的接觸面積小，且柔韌性差，不易形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；而添加椰絲的試樣在破壞時(shí)破壞面與水平面夾角為60°左右，呈現(xiàn)剪切破壞，這可能是對(duì)于椰絲加筋土而言，纖維加筋率在一定范圍內(nèi)是合適的，實(shí)驗(yàn)中0.5%的摻量過(guò)高，纖維與土體不能充分接觸發(fā)揮纖維的加筋作用，同時(shí)由于纖維之間相互錯(cuò)動(dòng)，纖維網(wǎng)的橫向約束能力對(duì)土體的約束作用不僅沒(méi)有增強(qiáng)，反而減弱，導(dǎo)致椰絲纖維的加筋效果并不理想。

圖1 不同種類纖維加筋土抗壓強(qiáng)度對(duì)比

2.2 NaCl對(duì)纖維加筋土的影響

NaCl對(duì)纖維加筋土的影響見(jiàn)圖2—圖5。

圖2 NaCl加固纖維加筋土抗壓強(qiáng)度對(duì)比(無(wú)石灰)

圖3 NaCl加固纖維加筋土抗壓強(qiáng)度對(duì)比(3%石灰含量)

圖4 NaCl加固纖維加筋土抗壓強(qiáng)度對(duì)比(5%石灰含量)

圖5 NaCl加固纖維加筋土抗壓強(qiáng)度對(duì)比(7%石灰含量)

從圖2—圖5中可以看出，NSNF組與WSNF組無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度差距并不明顯，可見(jiàn)在單獨(dú)添加NaCl的情況下，NaCl加固黏土作用并不顯著。這是由于NaCl雖然能加速土體固結(jié)，但同時(shí)也會(huì)造成鹽脹和吸濕軟化，降低土體強(qiáng)度。

WSWF組抗壓強(qiáng)度最大，可見(jiàn)黃麻纖維和NaCl二者可以協(xié)調(diào)作用，纖維加筋土可以抵消含鹽量引起的鹽脹與吸濕軟化對(duì)固化土抗壓性能的影響。

在干密度較小時(shí)，NaCl對(duì)土體的早期抗壓強(qiáng)度影響不大，這是由于干密度較小時(shí)，土體中間存在大量空隙，NaCl并不能與土體顆粒充分接觸。在干密度1.6 g/cm3的條件下，不添加石灰，WSWF組比NSWF組強(qiáng)度提高8.2 kPa；3%石灰，WSWF組比NSWF組強(qiáng)度提高13.2 kPa；5%石灰，WSWF組比NSWF組強(qiáng)度提高39.1 kPa；7%石灰，WSWF組比NSWF組強(qiáng)度提高49.6 kPa；可見(jiàn)NaCl對(duì)土體的加固作用隨著石灰含量的提高而增強(qiáng)。

2.3 孔隙度對(duì)纖維加筋土抗壓強(qiáng)度的影響

孔隙度對(duì)纖維加筋土抗壓強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖6。

圖6 黃麻纖維加筋土Qu和石灰含量的關(guān)系曲線

孔隙度η的計(jì)算方法如公式(1)所示，是關(guān)于干密度的函數(shù)ρd的函數(shù)。試件的目標(biāo)干密度計(jì)算方法如下：將試件中所含烘干黏土、石灰、NaCl、纖維的質(zhì)量之和，除以試件的體積；公式(1)中符號(hào)S、L、C、F分別代表試件中黏土、石灰、NaCl、纖維的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)；ρS、ρL、ρC、ρF分別代表黏土、石灰、NaCl、纖維的密度。

(1)

從圖6中可以看出不同干密度纖維加筋土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與石灰含量之間呈線性關(guān)系，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著石灰含量的增加而提高。

2.4 石灰含量對(duì)纖維加筋土抗壓強(qiáng)度的影響

石灰含量對(duì)纖維加筋土抗壓強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖7。

Liv是石灰的體積含量，計(jì)算過(guò)程如公式(2)所示，VL、V分別代表石灰、試樣體積。

(2)

從圖7中可以發(fā)現(xiàn)土體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與孔隙度也呈線性關(guān)系，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著孔隙度的增加而降低。

圖7 黃麻纖維加筋土Qu和孔隙度的關(guān)系曲線

2.5 η/Liv與纖維加筋土抗壓強(qiáng)度的關(guān)系分析

對(duì)于上海黏土而言，土體抗壓強(qiáng)度與石灰含量正相關(guān)，與孔隙度負(fù)相關(guān)，可以猜想土體抗壓強(qiáng)度與η/Liv有關(guān)。為研究纖維加筋土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與η/Liv的關(guān)系，通過(guò)Origin軟件回歸曲線分析，擬合了添加黃麻、棕櫚絲、椰絲等纖維加筋石灰土混合物的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和η/Liv關(guān)系曲線，如圖8所示?？偨Y(jié)了8個(gè)不同配合比試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與孔隙度/石灰含量指數(shù)相關(guān)的公式，通用公式如公式(3)所示。

Qu=C·(η/Liv)D

(3)

式中：C、D為無(wú)量綱常數(shù)，C、D的取值詳見(jiàn)表4。

從圖8中可以看出所有試樣的抗壓強(qiáng)度隨著孔隙度的減小呈指數(shù)型增長(zhǎng)，這是由于石灰顆粒粒徑較素土顆粒小，可以均勻分布于土體結(jié)構(gòu)中，使混合土顆粒排布更為緊密，使其孔隙度減小。同時(shí)石灰的膠結(jié)作用使土體顆粒凝聚在一起?？紫抖仍叫。馏w密實(shí)度越大，使得纖維與土體顆粒之間的接觸面積增大，同時(shí)提高了土顆粒對(duì)于纖維的壓力。

圖8 纖維加筋土Qu和η/Liv的關(guān)系對(duì)比曲線

加入黃麻纖維的回歸曲線高于棕櫚絲，加入棕櫚絲的回歸曲線高于椰絲，這與2.1中“黃麻纖維提高抗壓強(qiáng)度幅度最大，棕櫚絲次之，椰絲對(duì)土體強(qiáng)度的增加貢獻(xiàn)最小”的結(jié)論一致，可見(jiàn)C、D是與添加纖維種類有關(guān)的無(wú)量綱常數(shù)。

添加NaCl的四組回歸曲線均分別高于不添加NaCl的四組曲線，這與2.2中“NaCl可以增強(qiáng)土體抗壓強(qiáng)度”的結(jié)論一致。

故而C、D是與NaCl、添加纖維種類相關(guān)的系數(shù)。綜上所述，C、D是與土中添加的材料相關(guān)的系數(shù)。雖然添加材料不同，8個(gè)回歸曲線的與試驗(yàn)數(shù)值的誤差均在允許范圍之類，R2為0.94～0.99，相關(guān)性較好，說(shuō)明此方程可以在一定范圍內(nèi)預(yù)測(cè)纖維加筋土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

表4 不同組分纖維加筋土強(qiáng)度公式系數(shù)值

3 結(jié) 論

本研究分析了不同石灰含量，不同干密度，不同種類的纖維加筋土混合物無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，得到以下結(jié)論：

(1) 纖維加筋土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與所添加纖維種類為有關(guān)，黃麻纖維對(duì)土體的改良效果最優(yōu)，椰絲對(duì)土體抗壓強(qiáng)度的增加貢獻(xiàn)最少。

(2) NaCl可以提高黏土的早期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，單獨(dú)摻加纖維提升黏土抗壓強(qiáng)度的幅度大于單獨(dú)摻加NaCl；同時(shí)加入NaCl和纖維，對(duì)黏土抗壓強(qiáng)度增益效果優(yōu)于單獨(dú)添加纖維和NaCl。

(3) 纖維加筋土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與孔隙度/石灰含量指數(shù)(η/Liv)呈非線性關(guān)系，η/Liv減小，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度指數(shù)增加；擬合了纖維加筋土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與η/Liv的公式，R2為0.94～0.99，相關(guān)性較好，該公式可以在一定范圍內(nèi)預(yù)測(cè)纖維加筋土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。