劍麻纖維長度對海砂力學性能的影響

王 成，劉春輝，劉翔寧，張 俊，盧龍玉，張夢子

(1.煙臺大學土木工程學院，山東 煙臺 264005；2.天津大學建筑工程學院，天津 300350)

目前常用的加固砂土的方法有生物、化學和物理三種。生物方法需要控制的變量因素較多，在實際工程中操作困難；化學方法是利用化學溶液或膠結(jié)劑灌入土中，使土顆粒膠結(jié)，提高土體強度，通常會造成地下水污染等環(huán)境問題；物理方法是在砂土中添加土工織物、土工格柵及土工布等材料，通過人工或機械方式將其拌和均勻進行加固。纖維加固是物理加固中常見的一種方法，將纖維以分散形式隨機分布于土體中, 纖維與砂土之間盤互交錯，彼此相連，互成網(wǎng)絡(luò)，纖維土表現(xiàn)出各向同性的性質(zhì)，備受國內(nèi)外學者的關(guān)注。近年來，國內(nèi)外學者就纖維加筋砂土進行深入研究。BABU等[1]對纖維增強砂土進行三軸壓縮試驗，發(fā)現(xiàn)纖維能夠提高砂土的抗剪強度。MARANDI等[2]研究隨機分布棕櫚纖維影響粉砂土強度和延性，結(jié)果顯示纖維加入能夠提高試樣的峰值強度和殘余強度，但棕櫚纖維在提高粉砂土延性的同時會降低其剛度。TANG等[3]采用無側(cè)限抗壓強度(UCS)試驗研究聚丙烯短纖維增強水泥穩(wěn)定黏性土的強度和力學性能，利用掃描電鏡(SEM)對土壤基質(zhì)和表面進行分析,結(jié)果表明，影響纖維土性能提高的因素主要是土中的結(jié)合材料、纖維體周圍的法向應(yīng)力、界面的有效接觸面積和纖維表面粗糙度等。有研究報道[4-6]用聚丙烯纖維分別處理膨脹土、石灰土、軟土，結(jié)果顯示土體力學性能均有提高。王宏勝等[7]研究纖維加筋市政污泥的剪切強度特性，分析在不同固結(jié)壓力下纖維摻量對污泥排水固結(jié)后的含水率及干密度的影響。唐朝生等[8]發(fā)現(xiàn)在黏性土中的含砂量對纖維加筋土的強度有重要影響，添加砂的纖維土，在受到荷載時，砂的存在會增大土樣受到剪切破壞時破壞面的粗糙程度，增加纖維與土之間的相對滑動阻力，進而提高土的力學性能。趙瑩瑩等[9]對內(nèi)蒙古風沙土進行纖維加固并測試其強度特性，發(fā)現(xiàn)纖維摻入的風沙土內(nèi)摩擦角幾乎不變,但黏聚力與纖維長度和纖維摻量成正比。鐘漢林等[10]研究隨機分布纖維影響煙臺海砂土力學性能，發(fā)現(xiàn)纖維長度、纖維摻量、圍壓及密實度對砂土的抗剪強度在一定范圍內(nèi)均有不同程度的影響。

上述研究成果展示了纖維加固各種土質(zhì)均取得較好的進展，充分表明纖維加筋是一種優(yōu)良的土質(zhì)改良技術(shù)。但需要指出的是，已有研究基本上都是以內(nèi)陸砂土為研究對象，針對海洋砂土研究較少。本文將重點針對纖維長度對海砂力學參數(shù)的影響進行討論。

本研究所選的天然劍麻纖維屬于綠色纖維材料，具有質(zhì)地堅硬、彈性強、拉伸性好和耐摩擦等優(yōu)點之外, 還具有耐腐蝕性和耐低溫性能。良好的性能使得劍麻纖維已廣泛地應(yīng)用于海上港口和海岸堤防等眾多工程的地基處理中。

通過標準三軸試驗，得到海砂應(yīng)力-應(yīng)變曲線、軸向應(yīng)變5%時偏應(yīng)力值作為破壞點應(yīng)力路徑下的莫爾應(yīng)力圓、纖維長度與彈性模量、割線模量的關(guān)系，對纖維加筋在海砂工程應(yīng)用具有較大的參考價值。

1 試驗步驟

1.1 海砂性質(zhì)

本文使用的海砂取自于煙臺大學東門海水浴場，粒徑主要分布在0.1～2 mm之間。按照土工試驗方法標準[11]，計算不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)。砂樣篩分數(shù)據(jù)見表1。

表1 海砂的篩分數(shù)據(jù)

1.2 劍麻纖維的特性

本研究使用的劍麻纖維長度(FL)分別為0、6、12、18 mm，平均直徑約為0.18 mm，密度為 0.014 g/cm3，拉伸強度為537 MPa，拉伸模量為22 GPa,斷裂伸長率為2.5%,具有很大的柔韌性。

2 試驗方案

2.1 試樣的制備

將煙臺海砂過篩放入烘箱烘烤8 h，試驗選取的纖維含量為0.6%，對應(yīng)的FL分別是0(未加入纖維)、6、12、18 mm。試驗過程中，根據(jù)確定好的相對密度60%，稱量干砂157.2 g，纖維0.94 g，水15.72 g，準備好的干砂在加入纖維之前先用水拌和均勻，此時砂土含水率達到10%。根據(jù)現(xiàn)有研究，砂土含水率為10%時，纖維在拌和過程中能夠較為均勻地分布在砂土中，且能夠防止試樣在轉(zhuǎn)移過程中出現(xiàn)纖維漂浮[12]。為保證試驗在砂樣裝入三軸儀的過程中不受干擾變形，本次試驗直接將拌和好的海砂倒入直徑39.1 mm、高度80 mm的三軸儀上制備，分3層擊實。研究開展12組試驗，方案數(shù)據(jù)見表2。

表2 試驗方案

2.2 試驗方法

試驗采用TCK-1型應(yīng)變控制式三軸儀(圖1)進行三軸壓縮試驗，加載速率為0.80 mm/min。選取的劍麻纖維如圖2。試驗中采取100、200和300 kPa的圍壓，試驗破壞點的取值以偏應(yīng)力(σ1-σ3)的峰值點作為破壞點，無峰值點時，按5%軸向應(yīng)變相應(yīng)的偏應(yīng)力作為破壞強度值。

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖3為各個圍壓下不同F(xiàn)L的應(yīng)力應(yīng)變曲線。由圖3(a)可知，當FL=0 mm(未摻入纖維)時，隨著軸向應(yīng)變的增加，偏應(yīng)力逐漸增大，在應(yīng)變達到4%時，對應(yīng)圍壓為100 kPa的試樣偏應(yīng)力達到峰值。而圍壓為200、300 kPa的試樣，在軸向應(yīng)變達到4%時，偏應(yīng)力尚未達到峰值，隨著軸向應(yīng)變的增加，偏應(yīng)力進一步增大，且圍壓為300 kPa時對應(yīng)的偏應(yīng)力比圍壓為200 kPa時對應(yīng)的偏應(yīng)力提高幅度更為明顯，說明圍壓能夠提高純砂樣的抗剪強度。

分析圖3(b)—(d)可知，當軸向應(yīng)變達到5%時，試樣(FL=6、12、18 mm)對應(yīng)的偏應(yīng)力表現(xiàn)出繼續(xù)增長趨勢，這一結(jié)果表明海砂中加入劍麻纖維能夠提高海洋砂土偏應(yīng)力的峰值點。

對比圖3(a)—(d)可以觀察到，隨著FL的增加，砂土的應(yīng)力幅值有著顯著變化，不同圍壓下，試樣的強度隨著圍壓的增大而增大，當軸壓較小時，圍壓對強度的影響也比較小，這是因為較小軸向應(yīng)變下，纖維與土之間還沒有相對滑動趨勢或相對滑動，劍麻纖維還沒有發(fā)揮其作用。隨著軸向應(yīng)變的增大，纖維與砂土之間的摩擦力成為傳力路徑，軸向變形越大，圍壓對偏應(yīng)力的影響也越大。

觀察破壞后的試樣，發(fā)現(xiàn)纖維沒有出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，可知，試樣在破壞時纖維是被拔出而沒有被拉斷，因此只須考慮纖維與土的摩擦力與黏聚力，不必考慮纖維自身的抗拉斷能力。

3.2 纖維長度與峰值強度關(guān)系

圖4為纖維長度與峰值強度的關(guān)系圖。由圖可知，隨著FL的增加，峰值強度隨之增加。圍壓為300 kPa時，F(xiàn)L=18 mm的峰值強度是FL=6 mm的1.32倍，是FL=0 mm的1.57倍。原因是砂粒之間是松散的， 纖維可以很好地對砂粒起著固定作用，纖維越長，則固定的砂粒越多，減少了砂粒之間的滑動，所以FL的增加提高了整體抗剪強度。在FL=18 mm的纖維土中，圍壓為300 kPa的峰值強度是圍壓為200 kPa的1.41倍，是圍壓為100 kPa的1.93倍。在低圍壓下，砂土本身無黏聚力，隨著圍壓的增加，砂樣孔隙比降低，增加了砂顆粒間的咬合力，試樣變得更密實,抗剪強度也得到相應(yīng)的提高。

圖4 峰值強度與纖維長度所對應(yīng)的曲線

3.3 不同纖維長度對應(yīng)的應(yīng)力路徑

應(yīng)力路徑下煙臺海砂的莫爾應(yīng)力圓如圖5所示。將抗剪強度與法向應(yīng)力的關(guān)系通過擬合可得表3中形式為y=ax+b的線性關(guān)系，其中a代表內(nèi)摩擦角的正切值，b代表黏聚力。從表3中可得，F(xiàn)L的增加，黏聚力有了明顯的提高。當FL為6 mm時，黏聚力提高了1.47%; FL為12 mm時，黏聚力提高了29.81%; FL為18 mm時，黏聚力提高了60.24%?？梢奆L為18 mm時對應(yīng)的黏聚力要大于纖維含量為6、12 mm及不含纖維(FL=0 mm)時砂樣所對應(yīng)的黏聚力。

圖5 不同纖維長度對應(yīng)的標準三軸莫爾圓

表3 抗剪強度與法向應(yīng)力關(guān)系

3.4 圍壓與彈性模量E0、割線模量E50之間的關(guān)系

彈性模量E0為應(yīng)力-應(yīng)變曲線初始直線段的斜率，割線模量E50為50%峰值強度對應(yīng)的割線模量。圖6顯示的是圍壓與E0和E50的關(guān)系，結(jié)果表明對于不同的FL，E0和E50都隨著圍壓的增加而增大。同一圍壓下纖維加筋試樣的E0和E50隨著FL的增加呈現(xiàn)增加的趨勢。

4 結(jié) 論

(1)劍麻纖維的加入提高了海洋砂土的抗剪強度，軸向應(yīng)變較小時纖維并未發(fā)揮作用，此時纖維的長度對應(yīng)力影響較小，隨著軸向應(yīng)變增大，纖維與土之間的摩擦力使得偏應(yīng)力顯著提高。

(2)試樣的抗剪強度隨FL的增加而增加，當圍壓控制在300 kPa時,FL為18 mm的試樣的抗剪強度分別是不摻加纖維(FL=0 mm)和FL為6 mm時的1.57、1.32倍。FL對抗剪強度的影響特別顯著。

(3)根據(jù)不同F(xiàn)L下的應(yīng)力路徑可知，隨著FL的增加，砂土的黏聚力顯著增大。

(4)在摻入FL尚未達到臨界值時，F(xiàn)L不影響圍壓與彈性模量、割線模量之間關(guān)系。