棕櫚纖維加筋粉質(zhì)黏土力學(xué)性能試驗(yàn)研究*

吳靖江，潘世起，陳小羊，張 鵬，沈笑秋，鄭元?jiǎng)?/p>

(1.中國(guó)建筑第七工程局有限公司，河南 鄭州 450004； 2.鄭州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

0 引言

自Henri Vidal于1969年發(fā)現(xiàn)土體內(nèi)部摻加加筋材料可提高土體抗剪強(qiáng)度后，加筋土技術(shù)在世界范圍內(nèi)引起廣泛討論和關(guān)注，起初的加筋材料多為土工膜和土工布等土工合成材料，直至20世紀(jì)80年代，纖維才被用作加筋材料引入加筋土技術(shù)中[1]。

目前，已有學(xué)者對(duì)纖維加筋土進(jìn)行了研究，如高磊等[2]通過三軸固結(jié)不排水試驗(yàn)研究了玄武巖纖維對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響，并給出了使抗剪強(qiáng)度提升效果最優(yōu)的纖維摻量；Botero等[3]在粉土中摻加再生滌綸樹脂纖維，并進(jìn)行不固結(jié)不排水試驗(yàn)，結(jié)果表明再生滌綸樹脂纖維可有效改善加筋土抗變形能力；安寧等[4]以聚丙烯纖維作為加筋材料，研究了加筋后黃土抗剪強(qiáng)度和抗崩解性。此外，部分學(xué)者研究了聚乙烯纖維[5]、聚酯纖維[6-7]、玻璃纖維[7-10]及碳纖維[11]等對(duì)土體的加筋效果，結(jié)果表明摻加纖維材料可提高土體抗剪性能、抗壓性能、抗拉性能、脹縮性能和承載力等。植物纖維多由植物廢料經(jīng)簡(jiǎn)單加工制成，材料成本較低，其中黃麻纖維、秸稈纖維等應(yīng)用較多。Wang等[12]將黃麻纖維作為加筋材料，通過室內(nèi)三軸試驗(yàn)，探討了不同加筋條件下加筋土性能變化；武立林等[13]研究了劍麻纖維對(duì)砂土和黏土的加筋效果，結(jié)果表明劍麻纖維可提高土體性能；彭麗云等[14]研究了玉米秸稈對(duì)粉土的加筋效果。

綜上所述，合成纖維和植物纖維均可對(duì)土體起較好的加筋效果。但目前對(duì)植物纖維加筋材料的研究相對(duì)較少，對(duì)于臨時(shí)加固工程而言，如基坑開挖時(shí)的臨時(shí)性地基處理、隧道施工期開挖面周圍土體的臨時(shí)加固等，由于植物纖維具有可降解性，無須考慮加固材料長(zhǎng)期存在對(duì)環(huán)境的影響，且由于粉質(zhì)黏土具有多孔隙性、水敏感性強(qiáng)等特點(diǎn)，顆粒間水分不易揮發(fā)，使土顆粒之間的結(jié)構(gòu)性連接減弱，導(dǎo)致土體承載力下降，易造成工程安全問題。

基于此，本文采用棕櫚纖維作為粉質(zhì)黏土加筋材料，通過開展三軸固結(jié)不排水試驗(yàn)，研究棕櫚纖維對(duì)粉質(zhì)黏土的加筋作用，并結(jié)合掃描電子顯微鏡(SEM)，從微觀角度解釋棕櫚纖維加筋機(jī)理。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

試驗(yàn)用土最大干密度為1.86g/cm3，最優(yōu)含水率為14.0%，粒徑≥0.075mm的土粒含量為18.54%，粒徑<0.075mm的土粒含量為81.46%，液限為27.5%，塑限為17.1%，塑性指數(shù)為10.4。

棕櫚纖維類型為束狀單絲，截面為圓形，直徑為0.3～0.5mm，抗拉強(qiáng)度為89～222MPa，楊氏模量為0.44～1.99GPa。

1.2 試驗(yàn)方案

采用TSZ-3型應(yīng)變控制式三軸儀開展固結(jié)不排水試驗(yàn)。為研究相同圍壓下纖維摻量、長(zhǎng)度對(duì)加筋效果的影響，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)5種纖維摻量(0.1%，0.3%，0.5%，0.7%，0.9%)和4種纖維長(zhǎng)度(5，10，15，20mm)。設(shè)置素土組進(jìn)行對(duì)照，為獲取應(yīng)力包絡(luò)線，每種試驗(yàn)工況下設(shè)置4種圍壓(100，200，300，400kPa)。試驗(yàn)剪切速率為0.08mm/min，以應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰值應(yīng)力作為破壞點(diǎn)應(yīng)力，若無峰值，則選用15%應(yīng)變處的應(yīng)力作為破壞點(diǎn)應(yīng)力。

1.3 試件制備

根據(jù)JTG 3430—2020《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》中擾動(dòng)土制樣方法制備試件。將纖維材料切成所需長(zhǎng)度后與土樣干拌均勻，加水拌合至土樣最優(yōu)含水率，密封保存24h后進(jìn)行試件制備，拌合過程中對(duì)于出現(xiàn)的纖維纏繞成團(tuán)現(xiàn)象，進(jìn)行人工分散，確保纖維在拌合物中的均勻性。

采用直徑39.1mm、高80mm的三瓣模，分5層加料、擊實(shí)，進(jìn)一步確保纖維分布的均勻性，上下層間刮毛，以保證咬合緊密，擊實(shí)時(shí)確保擊實(shí)錘每次下落高度一致，使試件每層密實(shí)度相同，擊實(shí)度控制在90%。試件制備完成后，采用真空抽氣飽和方式，使試件飽和。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試件破壞形態(tài)

試件破壞時(shí)表現(xiàn)為中間大、兩端小的鼓脹狀態(tài)(見圖1)，且由兩端向中間均勻過渡，這是因?yàn)榧羟羞^程中三軸儀與試件兩端的摩擦力對(duì)土體兩端變形起一定限制作用。試件未出現(xiàn)明顯的裂縫和破壞面，外形整體較勻稱，發(fā)生塑性變形。

圖1 試件破壞形態(tài)

由經(jīng)處理后試件中心至上部的外輪廓線可知，加筋土試件橫向變形較素土小，這說明在受到外力作用時(shí)，土體內(nèi)部土顆粒之間發(fā)生滑動(dòng)，從而使纖維材料與土顆粒之間產(chǎn)生摩擦力，限制了土顆粒的橫向位移，起到約束土體變形、提高土體強(qiáng)度的作用。

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

以摻加10mm長(zhǎng)棕櫚纖維加筋土試件為例，不同圍壓下應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示。由圖2可知，各圍壓下試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化趨勢(shì)基本相同，為較弱的應(yīng)力強(qiáng)化型曲線；隨著應(yīng)變的發(fā)展，偏應(yīng)力達(dá)一定數(shù)值后，其增長(zhǎng)速度明顯減緩，且逐漸趨于穩(wěn)定，取15%應(yīng)變處對(duì)應(yīng)的應(yīng)力作為峰值應(yīng)力，可看出峰值應(yīng)力隨著圍壓的增加而增大；不同圍壓下的加筋土試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本在素土之上，表明棕櫚纖維的摻加可提高土體強(qiáng)度。

圖2 摻加10mm長(zhǎng)棕櫚纖維加筋土試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線

摻加5，15，20mm長(zhǎng)棕櫚纖維加筋土試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化規(guī)律與摻加10mm長(zhǎng)棕櫚纖維加筋土試件相似，不再贅述。

2.3 纖維摻量的影響

由試驗(yàn)結(jié)果可知，棕櫚纖維的摻加可提升土體性能，且提升效果與纖維摻量有關(guān)。以偏應(yīng)力峰值和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)作為對(duì)比依據(jù)，研究纖維摻量對(duì)土體性能的影響。

1)偏應(yīng)力峰值

為更好地分析棕櫚纖維摻加后對(duì)土體偏應(yīng)力峰值的影響，引入加筋效果系數(shù)Rσ[15]：

(1)

不同纖維長(zhǎng)度下加筋效果系數(shù)隨纖維摻量的變化曲線如圖3所示。由圖3可知，偏應(yīng)力峰值隨著纖維摻量的增加基本表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢(shì)；以纖維長(zhǎng)度為10mm、圍壓為200kPa的加筋土試件為例，當(dāng)纖維摻量由0.1%增至0.7%時(shí)，加筋效果系數(shù)由1.13升至1.25，當(dāng)纖維摻量進(jìn)一步增至0.9%時(shí)，加筋效果系數(shù)下降至1.14。

圖3 加筋效果系數(shù)隨纖維摻量的變化曲線

2)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

根據(jù)試驗(yàn)得到的偏應(yīng)力峰值，可繪制棕櫚纖維加筋土試件在各圍壓下的Mohr-Coulomb應(yīng)力圓及其強(qiáng)度包絡(luò)線，從而得到相應(yīng)的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，如圖4所示。

圖4 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨纖維摻量的變化曲線

由圖4可知，棕櫚纖維加筋土試件黏聚力較素土試件有所提高；隨著纖維摻量的增大，加筋土試件黏聚力整體表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢(shì)；當(dāng)纖維長(zhǎng)度為5，10，15，20mm時(shí)，纖維摻量為0.7%時(shí)的加筋效果最優(yōu)，黏聚力分別提高了24%，31%，22%，10%；纖維摻量對(duì)土體內(nèi)摩擦角的影響較小，內(nèi)摩擦角變化幅度在2°以內(nèi)。

3)纖維摻量影響機(jī)制

由試驗(yàn)結(jié)果可知，棕櫚纖維的摻加可提高土體偏應(yīng)力峰值和黏聚力，且隨著纖維摻量的增加，偏應(yīng)力峰值和黏聚力基本表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢(shì)，這表明對(duì)于棕櫚纖維加筋土力學(xué)性能提升而言，纖維摻量存在最優(yōu)值。

在纖維長(zhǎng)度一定的情況下，摻入土體的纖維會(huì)隨機(jī)分布在土顆粒骨架之間，由于土顆粒對(duì)纖維具有包裹作用，使纖維與土顆粒之間產(chǎn)生黏結(jié)和摩擦作用，這種作用的強(qiáng)弱主要取決于纖維與土顆粒的有效接觸面積。

當(dāng)纖維摻量較低時(shí)，纖維與土顆粒的有效接觸面積較小，纖維對(duì)土體性能的提升作用不明顯。隨著纖維摻量的增加，纖維與土顆粒的接觸面積增大，黏結(jié)力與摩擦力增大，纖維之間相互搭接交織成網(wǎng)的概率增大，纖維網(wǎng)受剪時(shí)產(chǎn)生的拉筋作用使土體性能得到進(jìn)一步提升。當(dāng)纖維摻量超過最優(yōu)摻量時(shí)，此時(shí)由于纖維過多，導(dǎo)致其無法均勻分散在土體內(nèi)部，且纖維之間互相纏繞成團(tuán)的概率增大，無法形成有效的纖維網(wǎng)而限制土顆粒在外荷載作用下的位移，導(dǎo)致土體強(qiáng)度降低。纖維纏繞而成的纖維團(tuán)會(huì)在土體內(nèi)部形成不利界面，當(dāng)受外荷載作用時(shí)，在不利界面處可能產(chǎn)生滑移、塌陷等，也會(huì)導(dǎo)致土體偏應(yīng)力降低。

試驗(yàn)結(jié)果表明，使土體性能提升效果最優(yōu)的纖維摻量為0.7%。

2.4 纖維長(zhǎng)度的影響

纖維長(zhǎng)度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有一定影響，為此，通過對(duì)比偏應(yīng)力峰值和抗剪強(qiáng)度變化，研究纖維長(zhǎng)度對(duì)土體性能提升的影響。

1)偏應(yīng)力峰值

同樣引入加筋效果系數(shù)Rσ對(duì)偏應(yīng)力峰值進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖5所示。

圖5 加筋效果系數(shù)隨纖維長(zhǎng)度的變化曲線

由圖5可知，偏應(yīng)力峰值隨纖維長(zhǎng)度的增加基本表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢(shì)，以0.7%纖維摻量、200kPa圍壓下的加筋土試件為例，當(dāng)纖維長(zhǎng)度由5mm增至10mm時(shí)，加筋效果系數(shù)由1.16升至1.25，偏應(yīng)力峰值隨著纖維長(zhǎng)度的增加而增大；隨著纖維長(zhǎng)度的繼續(xù)增加，加筋效果系數(shù)逐漸降至1.12，偏應(yīng)力峰值逐漸減小。短纖維的加筋效果隨著纖維摻量的增加而增強(qiáng)。

2)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

纖維長(zhǎng)度對(duì)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響如圖6所示。由圖6可知，當(dāng)纖維摻量一定時(shí)，棕櫚纖維加筋土試件黏聚力隨著纖維長(zhǎng)度的增加總體表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢(shì)，但整體均大于素土試件；當(dāng)纖維摻量為0.1%，0.3%，0.5%，0.7%，0.9%時(shí)，纖維長(zhǎng)度為10mm時(shí)的加筋效果最優(yōu)，試件黏聚力分別提高了10%，14%，26%，31%，7%；纖維長(zhǎng)度對(duì)內(nèi)摩擦角的影響較小。

圖6 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨纖維長(zhǎng)度的變化曲線

3)纖維長(zhǎng)度影響機(jī)制

對(duì)于纖維長(zhǎng)度而言，同樣存在最優(yōu)值。在一定纖維摻量下，當(dāng)纖維過短時(shí)，由于纖維之間難以形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，纖維對(duì)土體性能的提升基本依靠纖維表面與土顆粒之間的摩擦力，而由于纖維過短，其與土顆粒的接觸面積有限，因此對(duì)土體性能的提升作用有限。由于纖維自身較柔軟，纖維過長(zhǎng)時(shí)易凝聚成團(tuán)，且不會(huì)因纖維長(zhǎng)度的增加而增大其與土顆粒的接觸面積。另外，當(dāng)纖維以團(tuán)狀聚合體出現(xiàn)時(shí)，同樣無法形成有效的纖維網(wǎng)，因此纖維過短、過長(zhǎng)均不利于加筋土性能提升。

當(dāng)纖維摻量較低時(shí)，短纖維(長(zhǎng)5mm)加筋效果較差，但隨著纖維摻量的增加，其加筋效果逐漸提升，甚至超過長(zhǎng)纖維(長(zhǎng)20mm)的加筋效果。這是因?yàn)殡S著纖維摻量的增加，短纖維形成的有效纖維網(wǎng)雖有限，但短纖維與土顆粒之間的有效接觸面積不斷增大，彌補(bǔ)了纖維過短的缺陷，使纖維與土顆粒之間的摩擦力不斷增大，從而使土體抗剪強(qiáng)度不斷增大。

由研究結(jié)果可知，使土體性能提升效果最優(yōu)的纖維長(zhǎng)度為10mm。

2.5 微觀分析

SEM下棕櫚纖維表面特征如圖7所示。由圖7可知，與合成纖維[16]表面不同，棕櫚纖維表面存在大量孔室及凹槽，可使土顆粒更易嵌入纖維表面，增強(qiáng)土體與纖維之間的黏結(jié)和摩擦作用，從而使植物纖維作為土體加筋材料在理論上具有更好的可靠性。

圖7 棕櫚纖維表面特征

當(dāng)纖維摻量較低時(shí)，纖維對(duì)土體的加筋作用主要依靠自身與土顆粒之間的一維黏結(jié)和摩擦作用。當(dāng)纖維摻量為0.1%時(shí)，視野范圍內(nèi)的纖維材料較少，且被周圍的土體緊緊包圍，如圖8a所示。當(dāng)受外荷載作用時(shí)，由于纖維和土體的彈性模量不同，土體變形會(huì)使纖維和土顆粒之間形成相對(duì)運(yùn)動(dòng)，需通過摩擦力抵抗相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，從而對(duì)土體抗剪強(qiáng)度等起一定提升作用，這種作用的強(qiáng)弱主要取決于纖維與土顆粒的有效接觸面積。

圖8 綜櫚纖維增強(qiáng)粉質(zhì)黏土作用機(jī)理

隨著纖維摻量的增加，視野范圍內(nèi)的纖維材料雖逐漸增多，但纖維之間的離散程度較高，因此少有纖維相互搭接現(xiàn)象，如圖8b所示。由于纖維摻量的增加，纖維與土顆粒的有效接觸面積增大，從而使纖維的黏結(jié)和摩擦作用增大，可進(jìn)一步提升土體性能。

當(dāng)纖維摻量進(jìn)一步提高時(shí)，纖維在土體內(nèi)隨機(jī)分布，使纖維之間相互搭接，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，如圖9所示。當(dāng)有外荷載作用時(shí)，纖維產(chǎn)生的相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)會(huì)被相互搭接的纖維阻攔，進(jìn)而將纖維與土顆粒之間的摩擦力分散至周圍纖維上，提高其受力上限。此外，由于纖維摻量的增加，纖維與土顆粒的有效接觸面積進(jìn)一步增大，使纖維一維作用能力增強(qiáng)。同時(shí)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成會(huì)增強(qiáng)其對(duì)土顆粒位移的限制作用，提升加筋土抗變形能力。

圖9 棕櫚纖維局部抱團(tuán)

當(dāng)纖維摻量繼續(xù)增大時(shí)，此時(shí)由于纖維摻量過高，在土體內(nèi)部難以分散均勻，會(huì)出現(xiàn)局部抱團(tuán)現(xiàn)象，反而不利于土體性能的提升。

3 結(jié)語

通過開展室內(nèi)三軸固結(jié)不排水試驗(yàn)，研究了不同纖維摻量和長(zhǎng)度下的棕櫚纖維加筋土三軸剪切特性，主要得出以下結(jié)論。

1)棕櫚纖維加筋粉質(zhì)黏土后，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線為較弱的應(yīng)力強(qiáng)化型曲線，偏應(yīng)力峰值及黏聚力均較素土有所提升，且在低圍壓作用下提升現(xiàn)象更明顯。

2)加筋土偏應(yīng)力峰值及黏聚力隨著棕櫚纖維摻量的增加基本表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)纖維摻量為0.7%時(shí)，纖維加筋效果最優(yōu)。相比之下，纖維摻量對(duì)內(nèi)摩擦角的影響較小。

3)棕櫚纖維長(zhǎng)度對(duì)土體性能提升具有一定影響。加筋土偏應(yīng)力峰值及黏聚力隨著纖維長(zhǎng)度的增加基本表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)纖維長(zhǎng)度為10mm時(shí)，纖維加筋效果最優(yōu)。相比之下，纖維長(zhǎng)度對(duì)內(nèi)摩擦角的影響較小。

4)通過對(duì)棕櫚纖維及加筋土的SEM微觀分析，進(jìn)一步闡述了棕櫚纖維作為土體加筋材料的可行性，同時(shí)從微觀角度解釋了棕櫚纖維對(duì)土體一維、三維加筋作用機(jī)理。

5)在本試驗(yàn)范圍內(nèi)，使粉質(zhì)黏土加筋效果最優(yōu)的棕櫚纖維摻量為0.7%，長(zhǎng)度為10mm。