凍融作用下秸稈纖維加筋土力學(xué)特性研究

劉 鷺

（福建省建筑科學(xué)研究院有限公司，福建福州 350000）

0 引言

秸稈纖維加筋是一種優(yōu)良的土質(zhì)改良技術(shù)，具有成本低廉、生態(tài)環(huán)保、加固效果優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，引起了學(xué)者們的關(guān)注[1-2]。眾多學(xué)者針對不同的秸稈纖維加筋土的力學(xué)特性，包括無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度以及CBR 等進(jìn)行了廣泛研究。Bouhicha 等[3]采用麥秸稈纖維加固四種不同類型土，認(rèn)為麥秸稈纖維在黏土中加固效果更顯著；Adili 等[4]采用紙莎草纖維加筋土體，結(jié)果表明在纖維摻量10%的工況下，土體的抗剪強(qiáng)度提高最為明顯。Prabakar 和Sridhar[5]研究不同加筋率和長度的劍麻纖維對土體強(qiáng)度的影響，認(rèn)為纖維有效提高黏土破壞時(shí)最大偏應(yīng)力；Vinod 等[6]采用椰殼纖維加固軟土，試驗(yàn)結(jié)果表明1%為最佳摻入比，且加固效果在高壓下更明顯。

由上述研究成果可知，秸稈纖維能很大程度提高土體的抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度以及承載力。但在實(shí)際工程中，季節(jié)和晝夜的溫度變化會引起纖維土的凍結(jié)和融化，進(jìn)而導(dǎo)致加筋土的強(qiáng)度劣化，影響工程質(zhì)量。已有學(xué)者開始探討凍融循環(huán)下秸稈纖維土的強(qiáng)度變化，例如Güllü 和 Khudir[7]研究了3 次凍融循環(huán)下不同含量的劍麻纖維土的抗壓強(qiáng)度，可以發(fā)現(xiàn)纖維含量為0.75 %的纖維土的抗凍融性能最優(yōu)；Dong 等[8]探究了凍融下不同纖維含量的甘蔗纖維加筋膨潤土的力學(xué)特性，得出凍融下加筋膨潤土的抗壓強(qiáng)度隨著纖維含量的提高而衰減變緩。但需要指出的是，目前的研究重點(diǎn)多局限于凍融作用下秸稈纖維摻量或長度等因素對加筋土力學(xué)參數(shù)的影響，而對凍融下秸稈纖維加筋機(jī)理缺乏深入探討。

本文采用棉花秸稈纖維為土體加筋材料，通過對經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)的試樣進(jìn)行無側(cè)限抗壓試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)，得到凍融循環(huán)下秸稈纖維土強(qiáng)度演化規(guī)律。通過掃描電鏡，得到凍融前后纖維土和素土的微觀變化，并結(jié)合相關(guān)宏觀力學(xué)特性分析，得到一些新的發(fā)現(xiàn)。

1 試驗(yàn)材料與方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土取自位于鹽城某基坑黏土，其物理特性見表1。試驗(yàn)采用的纖維為棉花秸稈纖維，其平均直徑為0.102 mm，長度為1 mm，其物理力學(xué)特性見表2。

表1 土的物理力學(xué)性質(zhì)

表2 秸稈纖維的物理力學(xué)特性

1.2 試樣制備

土樣取回風(fēng)干后，過2 mm 篩。試驗(yàn)中選取三種不同的纖維摻量，分別為干土質(zhì)量的0%、0.2%、0.4%。在試驗(yàn)過程中，首先將纖維與土進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，使得纖維均勻分散在土中。其次，當(dāng)纖維分散均勻后，在土中噴灑入適量的水配制到纖維土的最大含水率。將土樣裝入密封袋中24 h，確保土樣中的水分均勻分布。最后，制備兩種不同尺寸的試樣。無側(cè)限抗壓試驗(yàn)是稱取適量的土樣，分五層倒入內(nèi)徑39.8 mm、高80 mm 的擊實(shí)桶內(nèi)進(jìn)行擊實(shí)。直剪試驗(yàn)則分三層倒入內(nèi)徑61.8 mm、高20 mm 的環(huán)刀內(nèi)進(jìn)行擊實(shí)。

將上述試將制備好的試樣用塑料薄膜密封好，以防水分蒸發(fā)。凍融循環(huán)試驗(yàn)方案為將試樣放入-20℃的恒溫箱凍結(jié)12 h 后，放入20℃的室溫融化12 h，以上為一次凍融循環(huán)[9-10]。分別凍融循環(huán)至0、3、5、10、15、20 次。

1.3 試樣測試

無側(cè)限抗壓試驗(yàn)采用YYW-2 型應(yīng)變式無側(cè)限抗壓儀，加載速率為2.4 mm/min，當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行至軸向應(yīng)變20%時(shí)，停止試驗(yàn)。

直剪試驗(yàn)采用應(yīng)變式直剪儀進(jìn)行剪切。剪切過程中，分別施加100 kPa、200 kPa、300 kPa、400kPa軸向壓力，設(shè)定剪切速率為0.08 mm/min，記錄試樣剪切過程中的位移和測力計(jì)讀數(shù)?？辜魪?qiáng)度選擇土樣應(yīng)力-位移曲線的峰值。當(dāng)曲線無峰值時(shí)，取4 mm 位移對應(yīng)的應(yīng)力為抗剪強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖1為凍融作用下不同纖維摻量的加筋土抗壓強(qiáng)度變化，可以發(fā)現(xiàn)素土和纖維土抗壓強(qiáng)度整體都呈指數(shù)下降趨勢。在前3 次凍融循環(huán)中，素土和加筋土的抗壓強(qiáng)度都下降劇烈。3～10 次凍融循環(huán)中，強(qiáng)度值下降變緩。10 次循環(huán)后強(qiáng)度下降波動(dòng)變化幅度較小，趨于穩(wěn)定。Boz 等[11]研究聚丙乙烯纖維加筋土以及 Ghazavi 等[12]研究玄武巖纖維土?xí)r發(fā)現(xiàn)，凍融循環(huán)至10 次后纖維土的抗壓強(qiáng)度趨于穩(wěn)定，與本次試驗(yàn)得到的規(guī)律相一致。

圖1 纖維土抗壓強(qiáng)度隨著循環(huán)次數(shù)的變化

同時(shí)，從圖1可看出，當(dāng)凍融0 次時(shí)，相對于摻量為0 的纖維土抗壓強(qiáng)度，摻量為0.2%和0.4%的纖維土的抗壓強(qiáng)度分別提高了6.4%和21.5%。經(jīng)過20 次凍融循環(huán)，相對于摻量為0 的纖維土抗壓強(qiáng)度，摻量為0.2%和0.4%的纖維土的抗壓強(qiáng)度分別提高26.8%和49%。經(jīng)歷20 次凍融循環(huán)后，纖維的摻入對凍土的抗壓強(qiáng)度提高更明顯。因而，在凍土中摻入棉花秸稈纖維能有效提高凍土的穩(wěn)定性。

2.2 黏聚力和內(nèi)摩擦角

黏聚力和內(nèi)摩擦角是評價(jià)土體抗剪強(qiáng)度的兩個(gè)重要指標(biāo)，圖2為凍融作用下不同纖維摻量的纖維土的黏聚力和內(nèi)摩擦角變化規(guī)律。

圖2 纖維土抗剪強(qiáng)度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的變化

從圖2（a）可得，隨著凍融次數(shù)增加，素土和纖維土的黏聚力均呈指數(shù)下降趨勢。有研究指出凍融作用破壞土體原有的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致土顆粒之間的間距增大，造成土體的黏聚力下降[13-14]。當(dāng)凍融至20 次后，相對于摻量為0 纖維土的黏聚力，摻量為0.2%和0.4%纖維土的黏聚力分別提高29.6%和50.2%。該值大于未凍融前的纖維加筋的抗壓強(qiáng)度提高值，凍融后纖維仍發(fā)揮優(yōu)良加筋作用。

圖2(b)為不同纖維摻量的纖維土的內(nèi)摩擦角隨著凍融次數(shù)增加的變化，從圖2(b)可以發(fā)現(xiàn)，隨著凍融次數(shù)增加，素土和纖維土的內(nèi)摩擦角均呈指數(shù)增加趨勢。凍融作用后的導(dǎo)致土顆粒之間具有更多的接觸點(diǎn)，有利于摩擦力的發(fā)揮, 因此內(nèi)摩擦角增大[15-16]。凍融20 次后，相對于摻量為0 纖維土的內(nèi)摩擦角，摻量為0.2%和0.4%的纖維土的內(nèi)摩擦角分別提高9.17%和15.19%。 結(jié)合圖2(a), 發(fā)現(xiàn)無論是凍融后纖維土的黏聚力還是內(nèi)摩擦角，均明顯高于素土，說明凍土摻入棉花秸稈纖維能有效提高土的抗剪性能，和圖1得到結(jié)論相一致。

2.3 掃描電鏡（SEM）

圖3為素土和纖維土凍融前后的SEM 照片。相對于圖3(a)，凍融20 次后的素土出現(xiàn)明顯的孔隙和裂縫，見圖3(b)。這是由于土樣處于正負(fù)溫周期變化時(shí)，土中孔隙水凝固成冰后體積膨脹約9%，冰晶增長，體積膨脹，由此產(chǎn)生的膨脹力擠壓土顆粒，使得土顆粒不斷發(fā)生變形和位移[15-16]，造成土體出現(xiàn)孔隙和裂縫。微觀的孔隙和裂縫說明凍融后土骨架的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯的損傷，勢必導(dǎo)致土體宏觀強(qiáng)度下降。但有文獻(xiàn)指出，當(dāng)凍融循環(huán)至一定循環(huán)次數(shù)后，土骨架的結(jié)構(gòu)和孔隙的狀態(tài)逐漸趨于穩(wěn)定，因而力學(xué)性能也會趨于穩(wěn)定狀態(tài)[17-18]，和上述素土的力學(xué)特性呈指數(shù)上升或下降的變化趨勢相一致。

圖3(c)為未經(jīng)凍融循環(huán)的纖維土的微觀圖片。從圖3(c)可得，凍融前的土體密實(shí)。纖維表面被大量的黏土顆粒包裹著, 當(dāng)土體受荷載作用而使纖維受拉時(shí)，纖維與土之間的黏聚力和摩擦力會限制筋土界面相對錯(cuò)動(dòng)，從而發(fā)揮加固土體的作用[19]。同時(shí)，從圖3(c)看出，纖維與纖維存在明顯的交織點(diǎn)。當(dāng)纖維土中一根纖維受力時(shí)，周圍的其它纖維將一同受力，從而形成三維空間受力網(wǎng)，從而能進(jìn)一步限制土顆粒的位移，提高土體的強(qiáng)度[1，19]。

當(dāng)凍融至20 次時(shí)，從圖3(d)可以看出，包裹著纖維周圍的土體出現(xiàn)孔洞，則纖維與土體界面之間黏聚力和摩擦力會明顯下降，使得單根纖維的拉筋作用下降。當(dāng)纖維受力時(shí)，纖維與土之間相對滑動(dòng)較為容易產(chǎn)生，從而分擔(dān)外部荷載能力降低。同時(shí)，由圖3(d)可得，纖維與纖維之間相互交織，三維受力網(wǎng)仍發(fā)揮加筋作用。當(dāng)土體受力時(shí)，纖維受力網(wǎng)中一根纖維會帶動(dòng)周圍的纖維共同承受荷載，從而增強(qiáng)凍土的穩(wěn)定性。

圖3 凍融前后SEM 照片

3 結(jié)論

本文對經(jīng)歷不同凍融次數(shù)的棉花秸稈纖維土進(jìn)行無側(cè)限抗壓試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)以及掃描電鏡觀測，分析了凍融下纖維土宏觀力學(xué)特性和微觀結(jié)構(gòu)變化，得到以下結(jié)論：

（1）纖維土和素土的抗壓強(qiáng)度隨著凍融次數(shù)的增加均呈指數(shù)下降的趨勢，且素土的下降幅度明顯大于纖維土。當(dāng)凍融20 次后，對應(yīng)纖維摻量為0、 0.2%和0.4%三種情形，抗壓強(qiáng)度分別下降56.5%、25.5%和23.2%。

（2）纖維土和素土的黏聚力隨著凍融次數(shù)的增加均呈指數(shù)下降的趨勢，而內(nèi)摩擦角隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈指數(shù)上升的趨勢。凍融20 次后，纖維土的黏聚力和內(nèi)摩擦角均大于素土，摻入纖維能有效提高凍土的穩(wěn)定性。

（3）素土凍融后出現(xiàn)明顯的裂縫和孔洞造成宏觀力學(xué)性能下降。凍融后纖維土中包裹纖維的土體松動(dòng)，導(dǎo)致筋土界面的單根纖維拉筋作用下降，但是纖維與纖維之間的三維受力網(wǎng)相互交織，仍在凍土中發(fā)揮加筋作用。