黃麻纖維加筋黃土動力特性研究

劉繼鵬，張 哲

(1.河南工程學(xué)院土木工程學(xué)院，鄭州 451191;2.鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，鄭州 450001)

0 引 言

目前針對黃土改良技術(shù)頗多，多采用物理或化學(xué)手段改良黃土，消除其不良特性[1]。物理手段一般采用水泥、固廢等材料改良黃土，但水泥及部分固廢材料(粉煤灰、礦渣)具有潛在的毒性[2-3]，會對土壤及地下水造成一定的污染。化學(xué)手段雖然可以達(dá)到良好的處理效果，但該手段具有耗能大、污染土壤等缺點(diǎn)，不符合綠色環(huán)保的理念。因此，使用一種既有效加固黃土，又可有效降低環(huán)境污染的材料是我國踐行綠色環(huán)保理念的必行之路。近年來，纖維加筋技術(shù)被廣泛推廣到巖土工程領(lǐng)域中，其具有施工簡單、造價(jià)低、材料來源廣、對土壤污染小等優(yōu)勢，目前得到許多巖土學(xué)者的關(guān)注[4]。李華華[5]使用棕櫚纖維加筋黃土，結(jié)果表明當(dāng)棕櫚纖維質(zhì)量摻比達(dá)到0.6%～0.8%時(shí)，改良黃土抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大。朱敏等[6]研究指出當(dāng)聚丙烯纖維質(zhì)量摻比為0.5%時(shí)，改良后黃土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值提高2.1倍。張軍[7]研究滌綸紗線加筋黃土的靜力特性，試驗(yàn)結(jié)果表明滌綸紗線對黃土的靜力特性有顯著提高。但目前眾多學(xué)者多從抗剪強(qiáng)度、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度或靜力特性等角度研究，針對纖維加筋黃土動力特性的研究較少，隨著黃土地區(qū)“一帶一路”公路與鐵路建設(shè)如火如荼，靜力特性的研究已無法滿足實(shí)際工程建設(shè)的需要，且長期動荷載作用會對公路與鐵路路基性能造成一定危害，路基易發(fā)生裂縫、蠕變、液化、不均勻沉降等現(xiàn)象，因此從動力特性角度出發(fā)研究纖維加筋黃土不僅可以減少動荷載對路基的損傷，還可以有效提高路面行車安全，為黃土地區(qū)公路與鐵路路基建設(shè)提供理論參考。

上述研究表明纖維材料用于土體加固具有可行性，可有效提高土體強(qiáng)度。目前針對纖維材料的選取較為廣泛，黃麻纖維[8]、劍麻纖維[9]、棕絲纖維[10]、玻璃纖維[11]等都具有加筋黃土的潛力，但黃麻纖維來源廣，價(jià)格低，同時(shí)具有強(qiáng)度高、抗拉及散水快等優(yōu)勢[12]，被廣泛用于各種行業(yè)(紡織業(yè)、制漿造紙、建筑等)，素有“黃金纖維”之稱。因此，本文采用黃麻纖維加筋黃土，利用動三軸設(shè)備開展不同黃麻纖維質(zhì)量摻比加筋黃土的動力特性研究，系統(tǒng)分析不同黃麻纖維質(zhì)量摻比加筋黃土的動應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、阻尼比、動彈性模量變化。研究成果可為黃麻纖維加筋黃土動力特性方面的研究提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)用土

試驗(yàn)用土選自西安市某在建高層建筑基坑內(nèi)，取土深度為地下4 m，土體呈黃褐色，土質(zhì)較為均勻，可歸為Q3黃土。按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)[13]規(guī)定對黃土基本物理性能進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，結(jié)果見表1。黃土顆粒以粉粒為主，占黃土總質(zhì)量的70%。

表1 黃土的基本物理性能Table 1 Basic physical properties of loess

1.2 黃麻纖維

圖1 黃麻纖維Fig.1 Jute fiber

黃麻纖維選自西安當(dāng)?shù)厥袌?，由多條平行股組合而成，如圖1所示。黃麻纖維長度為12 mm，直徑為7 μm。纖維的抗拉強(qiáng)度為4.9 GPa，彈性模量、伸長率和密度分別為230 GPa、2.1%和1.8 g/cm3。

1.3 黃麻纖維加筋黃土的制備

纖維加筋土樣制備的關(guān)鍵是防止纖維互相糾纏，保證纖維均勻分布在土體內(nèi)。目前多采用干法和濕法[14]制備纖維加筋土樣。干法是將纖維與黃土混合均勻后按最優(yōu)含水率(16.5%，質(zhì)量分?jǐn)?shù))向土樣中加蒸餾水并充分?jǐn)嚢?。濕法是將蒸餾水、纖維、黃土同時(shí)倒入攪拌器內(nèi)并均勻攪拌，其中蒸餾水按總蒸餾水質(zhì)量均分三次倒入。但經(jīng)過前期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)使用干法制備纖維加筋土樣的效果并不理想，黃麻纖維與黃土無法均勻混合，纖維在土體內(nèi)出現(xiàn)聚集的現(xiàn)象。因此，本試驗(yàn)采用濕法制備纖維加筋土樣，該方法可以使黃麻纖維均勻分布在土體內(nèi)，同時(shí)可以減少攪拌過程中對黃麻纖維的損傷[15]。拌和后的纖維加筋土樣用保鮮膜密封，靜止24 h，使水分均勻分布在土樣內(nèi)。按照最大干密度1.72 g/cm3進(jìn)行重塑土樣的制作。定義黃麻纖維摻比m為黃麻纖維與黃土質(zhì)量比，分別按照m=0%、m=0.1%、m=0.2%、m=0.3%、m=0.4%配置不同纖維質(zhì)量摻比的重塑土。將重塑土按3層擊實(shí)且每層質(zhì)量相等，并按照80 mm(高)×39.1 mm(直徑)的尺寸進(jìn)行制作。重塑后的土樣置于恒溫、恒濕條件下養(yǎng)護(hù)28 d。

1.4 動三軸試驗(yàn)及微觀表征

不同纖維質(zhì)量摻比下的加筋黃土動三軸試驗(yàn)在英國制造的10 Hz、25 kN型儀器上完成，采用頻率為1 Hz的等幅正弦荷載。為研究不同質(zhì)量摻比黃麻纖維加筋黃土動力特性，分別在圍壓σ3=100 kPa、σ3=200 kPa、σ3=300 kPa下進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。進(jìn)行動彈性模量試驗(yàn)時(shí)，在不排水條件下分10級施加循環(huán)荷載。采用JSM-7500 F型掃描電子顯微鏡觀察黃麻纖維加筋黃土微觀形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 圍壓及纖維質(zhì)量摻比對動應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響

不同圍壓及纖維質(zhì)量摻比下黃土動應(yīng)力-應(yīng)變(σd-εd)關(guān)系曲線如圖2所示。在黃麻纖維質(zhì)量摻比相同的試樣中，隨著圍壓逐漸增大，曲線變陡，彈性變強(qiáng)。與素黃土(m=0%)的動應(yīng)力-應(yīng)變曲線相比，黃麻纖維的摻入使黃土的動應(yīng)力-應(yīng)變曲線更加陡峭，彈性特征更加明顯。隨黃麻纖維質(zhì)量摻比的增加，相同動應(yīng)變條件下所需的動應(yīng)力增大，當(dāng)黃麻纖維質(zhì)量摻比達(dá)到0.3%時(shí)，破壞試樣所用動應(yīng)力達(dá)到最大值，即此質(zhì)量摻比下黃麻纖維與黃土顆粒在動荷載作用下可承受較大的動應(yīng)力。當(dāng)黃麻纖維質(zhì)量摻比大于0.3%時(shí)，動應(yīng)力值呈下降趨勢，即質(zhì)量摻比0.3%為黃麻纖維的最優(yōu)摻比。當(dāng)黃麻纖維質(zhì)量摻比不斷增加(0%～0.3%)時(shí)，黃麻纖維與黃土顆粒會產(chǎn)生一定的摩擦力，在動荷載作用下使黃土內(nèi)部顆粒相對位移減少[16]，進(jìn)而重塑黃土能承受較大的動應(yīng)力，但當(dāng)黃麻纖維摻量超過0.3%時(shí)，過多的黃麻纖維在土體內(nèi)部會使黃麻纖維之間接觸面積增大，從而使黃麻纖維與土顆粒接觸面積減少，而黃麻纖維之間所產(chǎn)生的摩擦力比土體顆粒與黃麻纖維間產(chǎn)生的摩擦力要小，對重塑土樣強(qiáng)度及抗變形能力影響較小[17]，因此重塑黃土所承受的動應(yīng)力值降低。

圖2 不同圍壓及纖維質(zhì)量摻比下黃土的σd-εd關(guān)系曲線Fig.2 σd-εd relationship curves of loess with different surrounding pressures and fiber mass ratios

2.2 圍壓及纖維質(zhì)量摻比對動彈性模量-動應(yīng)變關(guān)系的影響

不同圍壓及纖維質(zhì)量摻比下黃土動彈性模量-動應(yīng)變(Ed-εd)關(guān)系曲線如圖3所示。黃麻纖維的摻入可以有效提高黃土動彈性模量，不同纖維質(zhì)量摻比下黃土的動彈性模量均大于素黃土(m=0%)。動彈性模量與動應(yīng)變呈負(fù)相關(guān)，即隨動應(yīng)變的增加，動彈性模量降低。同時(shí)動彈性模量與圍壓呈正相關(guān)，在相同應(yīng)變下，圍壓越大動彈性模量越大。隨黃麻纖維質(zhì)量摻比不斷增加，動彈性模量呈先增大后減小的趨勢。不同圍壓，相同應(yīng)變(εd=1.5%)條件下,黃麻纖維質(zhì)量摻比為0.3%的黃土較素黃土(m=0%)動彈性模量分別增加330%、185%、200%，圍壓的增加使黃麻纖維與土體顆粒之間的摩擦力增大，纖維加筋黃土不易被拉裂，同時(shí)也提高了土體的黏聚力，土體顆粒之間接觸更加緊密，使得在循環(huán)荷載作用下土體不易被破壞，進(jìn)而提高土體剛度[18]。

圖3 不同圍壓及纖維質(zhì)量摻比下黃土的Ed-εd關(guān)系曲線Fig.3 Ed-εd relationship curves of loess with different surrounding pressures and fiber mass ratios

2.3 圍壓及纖維質(zhì)量摻比對阻尼比-動應(yīng)變關(guān)系的影響

阻尼比是土動力特性重要的參數(shù)，表示在土體振動過程中能量的吸收與消散，間接表示土體抗震能力[19]。阻尼比λ由應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線(見圖4)求得，公式如式(1)所示。

(1)

圖4 滯回曲線示意圖Fig.4 Diagram of hysteresis curve

式中：λ為阻尼比；AC為滯回圈面積；AL為陰影區(qū)三角形面積(如圖4所示)。

通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可得到不同圍壓及不同纖維質(zhì)量摻比下黃土阻尼比-動應(yīng)變(λ-εd)關(guān)系曲線,如圖5所示。黃麻纖維摻入可使黃土阻尼比下降，但當(dāng)m=0.1%時(shí)黃土較素黃土(m=0%)阻尼比下降幅度較小，可能原因?yàn)辄S麻纖維質(zhì)量摻比較少時(shí)，顆粒與纖維間產(chǎn)生較小的摩擦力，對黃土抗震能力及剛度無較大貢獻(xiàn)。隨著動應(yīng)變不斷增加，阻尼比呈非線性上升趨勢；應(yīng)變在0%～0.4%區(qū)間內(nèi)，阻尼比增長幅度較大，之后隨著應(yīng)變的增加，土-土顆粒與土-纖維間的重新排列形成相對穩(wěn)定的土體結(jié)構(gòu)，能量消耗速率較為固定，進(jìn)而導(dǎo)致阻尼比變化平緩。相同應(yīng)變，不同圍壓條件下，素黃土(m=0%)阻尼比最大，m=0.3%時(shí)黃土阻尼比最小，不同圍壓下最大阻尼比較最小阻尼比下降幅度均值分別為91%、120%、100%，表明黃麻纖維質(zhì)量摻比達(dá)到0.3%時(shí)，土體內(nèi)部顆粒與黃麻纖維間的摩擦作用增強(qiáng)，顆粒之間位移減少，土體結(jié)構(gòu)增強(qiáng)，進(jìn)而阻尼比達(dá)到最小。同時(shí)發(fā)現(xiàn)圍壓對重塑黃土阻尼比影響較小，但仍可以觀察出圍壓增加，阻尼比降低的趨勢，可能原因是圍壓越大，土體越密實(shí)，土體內(nèi)部孔隙減少，土-土顆粒與土-纖維間的接觸面積增大，咬合作用增強(qiáng)，在動荷載作用下，變形較小，不易發(fā)生錯位，導(dǎo)致能量損失減小，阻尼比降低。

圖5 不同圍壓及纖維質(zhì)量摻比下黃土的λ-εd關(guān)系曲線Fig.5 λ-εd relationship curves of loess with different surrounding pressures and fiber mass ratios

2.4 微觀作用機(jī)理分析

通過對比不同纖維質(zhì)量摻比下黃土的微觀形貌(如圖6所示)，可以發(fā)現(xiàn)隨黃麻纖維質(zhì)量摻比的增加，纖維在土體內(nèi)分布更加均勻。當(dāng)纖維質(zhì)量摻比為0.3%時(shí)，黃麻纖維在土壤內(nèi)部分布效果達(dá)到最優(yōu)，纖維被膠結(jié)的土壤顆粒很好地包裹著。當(dāng)纖維質(zhì)量摻比大于0.3%時(shí)，黃麻纖維之間出現(xiàn)互相糾纏的現(xiàn)象，團(tuán)聚纖維在動荷載作用下不能有效發(fā)揮抗變形能力，最終導(dǎo)致纖維加筋黃土動彈性模量、阻尼比下降。黃麻纖維加筋黃土的改良主要依據(jù)黃麻纖維與土顆粒之間的界面相互作用，發(fā)生膠結(jié)與摩擦是纖維加筋黃土的關(guān)鍵。當(dāng)土體在動荷載作用下發(fā)生變形時(shí)，纖維與土顆粒之間的擠壓效應(yīng)增強(qiáng)，纖維與土顆粒之間的相對滑移可能性降低，纖維對土顆粒的約束效應(yīng)增強(qiáng)[20]。

圖6 不同纖維質(zhì)量摻比下黃土的SEM照片F(xiàn)ig.6 SEM images of loess with different fiber mass ratios

3 結(jié) 論

(1)黃麻纖維加筋黃土與素黃土的動應(yīng)力-應(yīng)變曲線均表示為應(yīng)變硬化。隨著黃麻纖維質(zhì)量摻比不斷增加，動應(yīng)力先增大后減少，黃麻纖維質(zhì)量摻比達(dá)到0.3%時(shí)，動應(yīng)力達(dá)到最大值。圍壓的增加會使動應(yīng)力-應(yīng)變曲線變陡，彈性變強(qiáng)。

(2)黃麻纖維的摻入可有效提高黃土的動彈性模量，不同圍壓下的黃土動彈性模量隨動應(yīng)變的增加而下降，且圍壓與動彈性模量呈正相關(guān)。

(3)阻尼比隨動應(yīng)變增長，出現(xiàn)先劇增后平緩的趨勢。黃麻纖維的摻入可使黃土阻尼比下降。不同圍壓對黃土阻尼比影響較小，但仍可以觀察出圍壓增加，阻尼比降低的趨勢。

(4)通過SEM照片可以發(fā)現(xiàn)，隨黃麻纖維質(zhì)量摻比的增加，纖維在土體內(nèi)分布更加均勻，當(dāng)質(zhì)量摻比達(dá)到0.3%時(shí)，纖維在土體內(nèi)部分布效果達(dá)到最優(yōu)。當(dāng)質(zhì)量摻比大于0.3%時(shí)，過多纖維的摻入導(dǎo)致纖維在土體內(nèi)部形成一定團(tuán)聚現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致黃土抗變形、剛度指標(biāo)下降。