木質(zhì)素纖維改良黃土抗剪強度的試驗研究

董超凡，張吾渝*，孫翔龍，解邦龍

(1.青海大學土木工程學院，青海 西寧 810016；2.青海省建筑節(jié)能材料與工程安全重點實驗室，青海 西寧 810016)

青海省位于青藏高原東北部，黃土分布較為廣泛，所占面積約為2.48萬km2。黃土具有孔隙大、遇水易濕陷等性質(zhì)，使得黃土內(nèi)部結(jié)構(gòu)易發(fā)生破壞[1-2]，從而導致工程事故的發(fā)生。因此，工程中常采用水泥、石膏、粉煤灰和石灰等改良劑對黃土進行改良，有效提高了土體的力學性能[3]。但傳統(tǒng)的改良劑在生產(chǎn)和養(yǎng)護過程中會產(chǎn)生能源消耗和環(huán)境污染等問題[4]。因而，選用一種高效且綠色環(huán)保的改良劑尤為重要。木質(zhì)素作為工業(yè)副產(chǎn)品，通常被直接排放至江河或濃縮后燃燒，導致資源浪費和環(huán)境污染[5-6]。因此，開發(fā)和利用木質(zhì)素，不僅能保護環(huán)境還能夠?qū)①Y源利用最大化。

目前國內(nèi)外利用木質(zhì)素對土體性能進行改良的研究逐漸深入，如Tingle等[7]、Santoni等[8]和Indraratna等[9]利用木質(zhì)素對土體進行改良，結(jié)果發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素改良土的力學性能、水穩(wěn)性和抗侵蝕能力均有顯著的提高；劉釗釗等[10]結(jié)合濕化崩解試驗和掃描電鏡測試探討了木質(zhì)素改良黃土的持水性和水穩(wěn)性及其作用機制，結(jié)果表明木質(zhì)素具有填充孔隙和膠結(jié)土顆粒的作用；張濤等[11]通過對木質(zhì)素改良路基粉土進行無側(cè)限抗壓強度及微觀等試驗，結(jié)果表明改良土抗剪強度隨木質(zhì)素摻量的增加而提高；劉松玉等[12-13]通過對木質(zhì)素改良土進行無側(cè)限抗壓試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素能夠有效地增強改良土的抗剪強度，但當木質(zhì)素摻量超過一定值時，會降低改良土的抗剪強度。因此，利用木質(zhì)素對土體進行改良具有一定的可行性。

三軸試驗是研究土體力學特性的重要手段，目前針對土體力學特性的研究已較為深入，如董山等[14]對黃土進行了三軸壓縮試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著壓實度的增加，壓實黃土試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角均呈上升趨勢；胡田飛等[15]對粉質(zhì)黏土進行了三軸試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在凍融循環(huán)作用下，隨著壓實度的升高，粉質(zhì)黏土試樣的黏聚力逐漸減小，內(nèi)摩擦角逐漸增大；鞏立國等[16]對黃土進行了三軸固結(jié)不排水剪切試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著圍壓的增大，飽和黃土的破壞應力增大；盧游等[17]對殘積土進行了三軸固結(jié)不排水剪切試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)殘積土原狀樣的黏聚力大于重塑樣，而內(nèi)摩擦角則反之；肖成志等[18]對粉土進行了靜三軸試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)壓實度對粉土應力-應變曲線的影響較大，壓實度越高，應力-應變曲線的峰值越高，且隨著壓實度的增加，土體黏聚力顯著提高，但內(nèi)摩擦角變化不明顯；陳誠等[19]對木質(zhì)素纖維改良軟黏土進行了UU三軸試驗和掃描電鏡試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素纖維對土顆粒的搭接作用能夠增強土體的強度。由于各學者的試驗用土及試驗條件不同，上述研究得到了不同的試驗結(jié)果，且針對木質(zhì)素纖維改良黃土力學性質(zhì)的相關(guān)研究開展得較少，因此為了更深入地了解木質(zhì)素纖維對改良黃土力學性質(zhì)的影響，本文開展了木質(zhì)素纖維改良黃土抗剪強度的試驗研究。首先采用木質(zhì)素纖維對西寧地區(qū)黃土進行改良，以壓實度、木質(zhì)素纖維摻量和圍壓為變量進行不固結(jié)不排水三軸剪切試驗，明確壓實度和木質(zhì)素纖維摻量對改良黃土抗剪強度的影響規(guī)律；然后通過掃描電鏡試驗，從微觀角度解釋木質(zhì)素纖維改良黃土的作用機理；最后通過對木質(zhì)素纖維改良黃土進行室內(nèi)側(cè)限浸水壓縮試驗，對木質(zhì)素纖維改良黃土的可行性進行評價，從而為西寧地區(qū)黃土加固方法提供理論依據(jù)。

1 試驗材料與儀器

1.1 試驗材料

本試驗用黃土取自青海省西寧市城北區(qū)某場地，取樣深度為2 m，其基本物理性質(zhì)指標見表1。

表1 試驗所用黃土的基本物理性質(zhì)Table 1 Basic physical properties of loess used in the tests

本試驗所用的木質(zhì)素纖維如圖1所示，由山東某化工廠生產(chǎn)，白色，pH值呈中性，具有一定的芳香氣味，無毒性。

圖1 試驗所用的木質(zhì)素纖維Fig.1 Lignin fiber used in the tests

1.2 試驗儀器

本試驗采用的儀器為SLB-1型應力-應變控制式三軸剪切滲透試驗儀，如圖2所示。通過采用該儀器對木質(zhì)素纖維改良黃土進行不固結(jié)不排水三軸剪切試驗，得到土體的抗剪強度變化規(guī)律。

圖2 SLB-1型應力-應變控制式三軸剪切滲透試驗儀Fig.2 Apparatus of Model SLB-1 stress-strain controlled triaxial shear permeation test

2 試樣制備與試驗方案

2.1 試樣制備

按照《公路路基設(shè)計規(guī)范》(JTG D30—2015)[20]和《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB 50007—2011)[21]，我國填方基礎(chǔ)壓實度的設(shè)計要求為≥90%，根據(jù)填方基礎(chǔ)所在位置及要求的不同，壓實度會有所提高，因此本試驗采用最優(yōu)含水率wOP以及90%、92%、94%和96% 4種壓實度制備試樣，各壓實度下的孔隙比分別為0.99、0.95、0.91和0.87。

將黃土碾碎放入溫度為105℃的烘箱中烘12 h后過篩，由于木質(zhì)素纖維與黃土混合時會發(fā)生團聚現(xiàn)象，故將混合后的土樣再次過篩，使木質(zhì)素纖維和黃土摻和均勻，配制試驗所需土樣并靜置24 h。為了保證試樣的壓實度，將土樣分5層倒入三瓣膜逐層擊實并刮毛，控制木質(zhì)素纖維摻量分別為0%、1%、3%、5%和7%，制備不同壓實度木質(zhì)素纖維改良黃土的標準試樣，該標準試樣的直徑為39.1 mm，高度為80 mm。

2.2 試驗方案

采用不固結(jié)不排水三軸剪切試驗，對試樣施加一定的圍壓后進行剪切試驗。本次試驗圍壓控制為30 kPa、60 kPa、90 kPa和120 kPa，剪切速率為0.8 mm/min，控制應變?yōu)檩S向應變的20%。當試樣的應力-應變曲線出現(xiàn)峰值，則取主應力差峰值作為破壞點；若無峰值，則取軸向應變?yōu)?5%時的主應力差作為破壞點。試樣的制備方法、試驗所施加圍壓及剪切速率均按照《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)[22]中的規(guī)定進行操作和設(shè)定，每組試驗制作3個試樣，做3組平行試驗，共計240個試樣。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 木質(zhì)素纖維改良黃土的應力-應變曲線

選取圍壓為30 kPa時木質(zhì)素纖維改良黃土試樣的應力-應變曲線進行分析。不同壓實度和木質(zhì)素纖維摻量下改良黃土試樣的應力-應變曲線，如圖3所示。

由圖3分析，結(jié)合吳旭陽等[23]通過歸一化黃土應力-應變曲率及應力-應變曲線擬合斜率對黃土剪應變硬化-軟化分類的研究，得到以下結(jié)論：在不同壓實度下，隨著木質(zhì)素纖維摻量的增加，改良黃土試樣的應力-應變曲線由硬化型向軟化型轉(zhuǎn)變，當木質(zhì)素纖維摻量為0%～3%時，改良黃土試樣的應力-應變曲線呈現(xiàn)一般硬化型或弱硬化型；當木質(zhì)素纖維摻量為5%～7%時，改良黃土試樣的應力-應變曲線基本一致，呈現(xiàn)弱軟化型，且隨著壓實度的增加，該現(xiàn)象變得更明顯。這可能是由于隨著木質(zhì)素纖維摻量的增加，改良黃土試樣內(nèi)部的木質(zhì)素纖維逐漸產(chǎn)生聚集現(xiàn)象，顆粒間咬合作用降低，顆粒間產(chǎn)生相對滑動，同時隨著壓實度的改變，土顆粒重新排列，導致試樣應力-應變曲線類型的轉(zhuǎn)變。

圖3 圍壓為30 kPa時不同壓實度和木質(zhì)素纖維摻量 下改良黃土試樣的應力-應變曲線Fig.3 Stress-strain curves of modified loess specimens with different compaction degrees and lignin fiber dosing under 30 kPa of circumferential pressure

為了更直觀地反映木質(zhì)素纖維改良黃土試樣的抗剪強度隨壓實度的變化，對三軸剪切試驗結(jié)果進行了整理分析，得到不同圍壓(30 kPa、60 kPa、90 kPa、120 kPa)時不同木質(zhì)素纖維摻量下改良黃土試樣的抗剪強度隨壓實度變化的擬合曲線，見圖4。

圖4 不同圍壓和木質(zhì)素纖維摻量下改良黃土試樣的 抗剪強度隨壓實度變化的擬合曲線Fig.4 Fitted curves of shear strength compaction of modified loess specimens under different circumferential pressure with different lignin fiber dosing

由圖4可以看出：

(1) 隨著壓實度的增加，木質(zhì)素纖維改良黃土試樣的抗剪強度逐漸升高，這與肖成志等[18]的研究結(jié)果一致，其原因為壓實度的增加，使得試樣內(nèi)部土顆粒間的排列更緊密，土顆粒間相互作用力增強；隨著木質(zhì)素纖維摻量的增加，試樣的抗剪強度逐漸升高，且當木質(zhì)素纖維摻量達到5%時，試樣的抗剪強度達到最大值，這可能是由于一定摻量的木質(zhì)素纖維會增加土顆粒間的聯(lián)結(jié)，導致試樣的抗剪強度提高，而過多木質(zhì)素纖維的摻入可能會使木質(zhì)素纖維產(chǎn)生聚集現(xiàn)象，破壞木質(zhì)素纖維與土顆粒間的聯(lián)接方式，顆粒間接觸面減少，導致試樣內(nèi)部土顆粒間的咬合作用減弱，土顆粒間更易產(chǎn)生相對滑動，從而導致試樣的抗剪強度降低。

(2) 隨著圍壓的增加，相同木質(zhì)素纖維摻量下改良黃土試樣的抗剪強度逐漸增大，其原因為圍壓增加使試樣的體積壓縮程度逐漸升高，土顆粒相互靠近，顆粒間相互作用力加大，試樣的剪脹變形現(xiàn)象逐漸減弱。木質(zhì)素纖維摻量為0%時不同圍壓下黃土試樣的變形如圖5所示。

圖5 木質(zhì)素纖維摻量為0%時不同圍壓下黃土試樣 變形圖Fig.5 Deformation of loess specimens under different circumferential pressure with 0% lignin fiber dosing

3.2 木質(zhì)素纖維改良黃土的掃描電鏡測試

為了進一步研究木質(zhì)素纖維對黃土改良加固的作用機制，對不同壓實度條件下木質(zhì)素纖維改良黃土試樣進行觀測倍數(shù)為100倍、500倍、1 000倍和2 000倍的掃描電鏡試驗，并選取100倍和500倍從整體上分析試樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，選取1 000倍和2 000倍從局部觀測試樣的微觀結(jié)構(gòu)及物質(zhì)的變化。

控制壓實度為94%，不同木質(zhì)素纖維摻量下改良黃土試樣放大100倍的掃描電鏡圖像，見圖6。

圖6 壓實度為94%時不同木質(zhì)素纖維摻量下改良 黃土試樣放大100倍的掃描電鏡圖像Fig.6 Scanning electron microscope images of modified loess specimens with 94% compaction and different lignin fiber dosing at 100x magnification

由圖6可見，隨著木質(zhì)素纖維摻量的增加(0%～5%)，土顆粒與木質(zhì)素纖維之間的聯(lián)結(jié)作用增強，這與陳誠等[19]發(fā)現(xiàn)土顆粒與木質(zhì)素纖維之間形成較好的搭接導致試樣強度升高的規(guī)律一致，但當木質(zhì)素纖維摻量為7%時，由于木質(zhì)素纖維摻入量較多，導致木質(zhì)素纖維產(chǎn)生團聚現(xiàn)象，顆粒間的聯(lián)接被破壞形成架空體系，使得試樣結(jié)構(gòu)強度降低，這與前文中分析的結(jié)果一致。

由于木質(zhì)素纖維摻量為5%時改良黃土試樣的抗剪強度最高，故對該摻量時不同壓實度下改良黃土試樣進行掃描電鏡分析，其放大500倍的掃描電鏡圖像見圖7。

圖7 木質(zhì)素纖維摻量為5%時不同壓實度下改良黃土 試樣放大500倍的掃描電鏡圖像Fig.7 Scanning electron microscope images of modified loess specimens with 5% lignin fiber dosing at different compaction levels at 500x magnification

由圖7可見：隨著壓實度的提高，土顆粒間孔隙逐漸減小，排列更加緊密，咬合作用逐漸增強，土骨架的聯(lián)結(jié)方式發(fā)生由點-點接觸逐漸向點-面、面-面接觸轉(zhuǎn)變；同樣，由于壓實度的提高，顆粒與木質(zhì)素纖維之間的聯(lián)結(jié)也更加緊密，在宏觀上表現(xiàn)為試樣抗剪強度的增加。

為了更直觀地解釋在相同壓實度下木質(zhì)素纖維摻量為7%時改良黃土試樣抗剪強度較木質(zhì)素纖維摻量為5%時有所降低的原因，選取這兩種木質(zhì)素纖維摻量下的改良黃土試樣放大1 000倍進行局部掃描電鏡分析，其結(jié)果見圖8。

圖8 木質(zhì)素纖維摻量為5%和7%時改良黃土試樣局部 放大1 000倍的掃描電鏡圖像Fig.8 Scanning electron microscope images of modified loess specimens with 5% and 7% lignin fiber dosing at 1 000x magnification

由圖8可知：當木質(zhì)素纖維摻量為5%時，改良黃土試樣內(nèi)部的木質(zhì)素纖維分布較為均勻，木質(zhì)素纖維與土顆粒間搭接較好且聯(lián)結(jié)緊密，有較好的拉結(jié)作用，對試樣抗剪強度的提升有顯著作用[見圖8(a)]；當木質(zhì)素纖維摻量為7%時，由于木質(zhì)素纖維摻量的增加致使木質(zhì)素纖維產(chǎn)生了團聚現(xiàn)象，導致土顆粒間出現(xiàn)架空現(xiàn)象，因此弱化了土顆粒間的接觸，最終導致試樣抗剪強度的降低[見圖8(b)]。

改良黃土試樣內(nèi)部木質(zhì)素纖維局部放大2 000倍的掃描電鏡圖像，見圖9。

圖9 改良黃土試樣內(nèi)部木質(zhì)素纖維局部放大2 000 倍的掃描電鏡圖像Fig.9 Scanning electron microscope image of partial view of lignin fiber inside the modified loess specimen at 2 000x magnification

由圖9可見，在木質(zhì)素纖維上有少量黃土顆粒與木質(zhì)素纖維緊密聯(lián)結(jié)而形成的結(jié)合物，這些結(jié)合物的生成有效地增強了土顆粒間的聯(lián)結(jié)能力。

3.3 木質(zhì)素纖維改良黃土的抗剪強度指標

內(nèi)摩擦角和黏聚力是土體抗剪強度研究的兩個重要參數(shù)，為了進一步研究壓實度和木質(zhì)素摻量對改良黃土力學性質(zhì)的影響，采用摩爾-庫侖理論對木質(zhì)素纖維改良黃土試樣的抗剪強度進行分析，計算出其內(nèi)摩擦角和黏聚力。不同壓實度和木質(zhì)素纖維摻量下改良黃土試樣的抗剪強度指標，見表2。

表2 不同壓實度和木質(zhì)素纖維摻量下改良黃土試樣的抗剪強度指標Table 2 Shear strength index of modified loess specimens with different compaction degrees and lignin fiber dosing

由表2可知，在同一種木質(zhì)素纖維摻量下，改良黃土試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角所呈現(xiàn)的結(jié)果與董山等[14]的研究一致，均隨壓實度的增加而增加，這主要是由于隨著壓實度的增加，木質(zhì)素纖維與土顆粒之間的聯(lián)接更加緊密，增強了土體的聯(lián)結(jié)力，同時由于壓實度的增加，使得土顆粒之間、土顆粒與結(jié)合物之間以及結(jié)合物與結(jié)合物之間的距離不斷縮小，導致分子間的接觸點增多，土顆粒間的黏聚作用和咬合作用增強，進而導致試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角升高。

將所得到的試驗數(shù)據(jù)進行線性擬合，得到不同木質(zhì)素纖維摻量下壓實度與改良黃土試樣黏聚力、內(nèi)摩擦角的關(guān)系圖見圖10和圖11，擬合參數(shù)見表3。

圖10 不同木質(zhì)素纖維摻量下壓實度與改良黃土 試樣黏聚力的關(guān)系圖Fig.10 Relationship between compactness and cohesion of modified loess specimens under different lignin fiber dosing

圖11 不同木質(zhì)素纖維摻量下壓實度與改良黃土 試樣內(nèi)摩擦角的關(guān)系圖Fig.11 Relationship between compactness and friction angle of modified loess specimens under different lignin fiber dosing

由圖10和圖11可見，木質(zhì)素纖維改良黃土試樣黏聚力和內(nèi)摩擦角均隨壓實度的增加，呈線性遞增關(guān)系。

根據(jù)以上的關(guān)系曲線圖可知，木質(zhì)素纖維改良黃土黏聚力和內(nèi)摩擦角均隨壓實度變化而變化且滿足一次函數(shù)關(guān)系。為此，本文建立了壓實度與木質(zhì)素纖維改良黃土黏聚力和內(nèi)摩擦角的抗剪強度公式，庫侖在試驗的基礎(chǔ)上提出的庫侖公式可表示為

τf=c+σtanφ

(1)

土體黏聚力和內(nèi)摩擦角與壓實度的函數(shù)關(guān)系表示為

φ=A+Bk

(2)

c=C+Dk

(3)

因此,由將壓實度作為自變量的土體抗剪強度公式可表示為

τf=c(k)+σtanφ(k)

(4)

其中:A、B、C、D為擬合參數(shù)。

不同木質(zhì)素纖維摻量下改良黃土試樣黏聚力及內(nèi)摩擦角隨壓實度變化的擬合參數(shù)，見表3。

表3 不同木質(zhì)素纖維改良黃土試樣黏聚力及內(nèi)摩擦角隨壓實度變化的擬合參數(shù)Table 3 Fitting parameters of cohesion and internal friction angle of modified loess specimens with compaction degree under different lignin fiber dosing

由表3相關(guān)系數(shù)R2結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，擬合直線與原始數(shù)據(jù)的相關(guān)性較好。

4 木質(zhì)素纖維改良黃土的濕陷性評價

濕陷性是黃土最主要的工程特性，其工程評價對濕陷性黃土具有十分重要的意義。為了探究木質(zhì)素纖維對改良黃土濕陷性的影響效果，對壓實度為90%時不同木質(zhì)素纖維摻量下改良黃土試樣進行了室內(nèi)側(cè)限浸水壓縮試驗，并計算濕陷系數(shù)δs,具體計算公式為

(5)

壓實度為90%時不同加載壓力和木質(zhì)素纖維摻量下改良黃土試樣的濕陷系數(shù)見表4，由于取樣深度為2 m，因此壓力加載至200 kPa[22]。

表4 壓實度為90%時不同加載壓力和木質(zhì)素纖維摻量下改良黃土試樣的濕陷系數(shù)Table 4 Wetting coefficients of modified loess specimens with different loading pressure and lignin fiber dosing at 90% compaction

由表4可知，壓實度為90%時不同加載壓力和木質(zhì)素纖維摻量下改良黃土試樣的濕陷系數(shù)均小于0.015，因此其不具有濕陷性。

在其他壓實度條件下，隨著壓實度的增加，改良黃土試樣的孔隙比變小，土體的結(jié)構(gòu)變得更加致密，同時由于木質(zhì)素纖維的加入，使得顆粒之間的聯(lián)結(jié)作用增強，濕陷性降低，并使得改良黃土的力學性質(zhì)得到改善，因此木質(zhì)素纖維改良黃土不具有濕陷性。

綜上可知，木質(zhì)素纖維對黃土進行改良具有可行性。

5 結(jié) 論

本文對木質(zhì)素纖維改良黃土進行了不固結(jié)不排水三軸剪切試驗，研究了壓實度和木質(zhì)素纖維摻量對改良黃土抗剪強度的影響規(guī)律，得到以下幾點結(jié)論：

(1) 通過對比不同壓實度和木質(zhì)素纖維摻量下改良黃土的抗剪強度，發(fā)現(xiàn)相同木質(zhì)素纖維摻量下改良黃土的抗剪強度隨壓實度的增加而顯著提升；相同壓實度下改良黃土的抗剪強度隨木質(zhì)素纖維摻量的增加而升高，且隨著圍壓增加改良黃土的抗剪強度逐漸升高；在最優(yōu)含水率條件下，過低或過高的木質(zhì)素纖維摻量對改良黃土的加固改良效果較差，西寧地區(qū)改良黃土的最優(yōu)木質(zhì)素纖維摻量為5%。

(2) 圍壓為30 kPa時不同木質(zhì)素纖維摻量的改良黃土應力-應變曲線結(jié)果表明，隨著壓實度的升高，木質(zhì)素纖維摻量低的改良黃土應力-應變曲線逐漸由應變硬化型向應變軟化型轉(zhuǎn)變，而木質(zhì)素纖維摻量高的改良黃土應力-應變曲線始終保持應變軟化型?？傮w來看，其他圍壓下，改良黃土試樣的應力-應變曲線均有此規(guī)律。

(3) 從電鏡掃描試驗結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，隨著木質(zhì)素纖維摻量的增加，改良黃土試樣內(nèi)部木質(zhì)素纖維與土顆粒之間的聯(lián)結(jié)更充分，且木質(zhì)素纖維與土顆粒之間會產(chǎn)生聚合物，但當木質(zhì)素纖維摻量過高時會產(chǎn)生木質(zhì)素纖維局部團聚的現(xiàn)象，導致改良黃土的抗剪強度降低；隨著壓實度的增加，土骨架的聯(lián)接方式由點-點接觸轉(zhuǎn)變?yōu)辄c-面、面-面接觸。

(4) 木質(zhì)素纖維改良黃土的黏聚力和內(nèi)摩擦角受壓實度的影響較顯著，黏聚力和內(nèi)摩擦角隨壓實度的升高呈線性上升趨勢。基于擬合結(jié)果，建立了以壓實度為自變量的木質(zhì)素纖維改良黃土的抗剪強度計算公式。