椰纖維加筋對(duì)路基膨脹土工程性質(zhì)改善效應(yīng)研究

李松峰， 陳軍鋒

(1.山西工程職業(yè)學(xué)院 地測(cè)工程系， 山西 太原 030000； 2.太原理工大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院， 山西 太原 030024)

膨脹土具有吸水膨脹、失水收縮、浸水承載力衰減、干縮裂隙發(fā)育等特性，在中國(guó)的廣西、云南、湖南、河南、湖北、四川、陜西、河北、安徽、江蘇等省均有不同程度的分布，用膨脹土填筑的路基因其特殊的工程性質(zhì)致使質(zhì)量問(wèn)題頻繁出現(xiàn)，不均勻沉降、坍塌、滑塌等現(xiàn)象常見(jiàn)報(bào)道，路面結(jié)構(gòu)也因此產(chǎn)生變形乃至破壞[1-2]。

對(duì)膨脹土進(jìn)行加筋處理是改善膨脹土工程性質(zhì)的一種常用手段，目前用于土體加筋的纖維主要有人工合成纖維和自然纖維兩種。人工合成纖維諸如塑料土工格柵、玻纖土工格柵等在中國(guó)已經(jīng)被普遍采用[3-5]，而自然纖維由于其易降解、成本低和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)近年來(lái)也得到廣泛關(guān)注。王冰[6]將黃麻纖維摻入膨脹土，探討了纖維加筋對(duì)土強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響規(guī)律，分析了黃麻纖維在土中的分布角度和纖維摻加量對(duì)加筋效果的影響；徐福增[7]以木纖維為加筋材料，利用直剪儀研究了含水率對(duì)木纖維加筋土抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律；黃曉如[8]通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)、無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)，比較了未加筋和加筋條件下土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、軸向應(yīng)變和模量，研究了含水率對(duì)不同加筋條件下棕櫚加筋土抗壓強(qiáng)度和變形的作用規(guī)律，并從能量吸收能力角度探討含水率和加筋條件對(duì)加筋土強(qiáng)度和變形的影響。

椰纖維是用100%的天然椰子殼制成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，主要成分為木質(zhì)素和纖維素，同時(shí)含有少量膠質(zhì)和半纖維素酶，有低伸長(zhǎng)率、高抗拉強(qiáng)度和高耐腐蝕性等特點(diǎn)，盡管椰纖維在公路路基領(lǐng)域存在一定的應(yīng)用[9-10]，但仍然缺少系統(tǒng)的研究。該文將通過(guò)浸水膨脹試驗(yàn)、CBR試驗(yàn)和大型直剪試驗(yàn)，研究椰纖維加筋對(duì)路基膨脹土工程性質(zhì)的改善效應(yīng)，并考慮不同類(lèi)型椰纖維、加筋位置、加筋層數(shù)的影響，為椰纖維加筋在路基中的應(yīng)用提供進(jìn)一步的支撐依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料

室內(nèi)試驗(yàn)用膨脹土來(lái)自湖北省南部某高速公路現(xiàn)場(chǎng)，氣候潮濕，取樣深度為路床底面以下1.5～2.0 m，該膨脹土中石英含量較高，同時(shí)還含有蒙脫石、伊利石、赤鐵礦、方解石等礦物。土的具體物理性質(zhì)如表1所示，塑性指數(shù)為42，按照塑性圖分類(lèi)，該土屬于高塑性黏土(CH)，自由膨脹率達(dá)到了91%，說(shuō)明該土具有較高的膨脹性，若直接用于路基填筑，容易對(duì)路基-路面整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。

表1 試驗(yàn)用膨脹土物理性質(zhì)

室內(nèi)試驗(yàn)采用的椰纖維為廣東某公司的椰纖維產(chǎn)品，選擇了3類(lèi)產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比，分別為普通椰纖維、石灰椰纖維和硅灰椰纖維(圖1)，后兩類(lèi)椰纖維是在普通椰纖維的基礎(chǔ)上分別采用石灰水和硅灰水進(jìn)行浸泡、風(fēng)干處理形成的特殊椰纖維。椰纖維的平均長(zhǎng)度為80 mm左右，平均直徑為20 μm，該文中上述3類(lèi)椰纖維的代號(hào)分別為NC、LC和SC。為了使椰纖維不易散落，采用聚丙烯纖維將椰纖維包裹綁扎。

圖1 椰纖維示意圖

2 試驗(yàn)過(guò)程

通過(guò)浸水膨脹試驗(yàn)、CBR試驗(yàn)和大型直剪試驗(yàn)研究椰纖維加筋對(duì)路基膨脹土工程性質(zhì)的改善作用。為了設(shè)置椰纖維，采用了擾動(dòng)土進(jìn)行試驗(yàn)，且浸水膨脹試驗(yàn)與CBR試驗(yàn)都采用了較大的圓柱體試樣，直徑約為100 mm，高度為200 mm，不同的椰纖維加筋方案如圖2所示，每層椰纖維的厚度為10 mm，從而可以分析層數(shù)和加筋位置的影響。約定BC代表未加筋試樣，BC+NC/3代表H/3處采用普通椰纖維加筋的試樣，BC+NC/3+NC/2代表H/3處和H/2處采用普通椰纖維加筋的試樣，依此類(lèi)推。為了取得更好的壓實(shí)質(zhì)量，首先將膨脹土放入制樣模具中進(jìn)行多層壓實(shí)，壓實(shí)度控制為93%左右，將椰纖維小心地設(shè)置在指定位置，然后再進(jìn)行下一層的壓實(shí)。膨脹力和膨脹率測(cè)定的試驗(yàn)過(guò)程參照GB 50112—2013《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》[11]，CBR試驗(yàn)過(guò)程參照J(rèn)TG E40—2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[12]。

圖2 各個(gè)加筋方案對(duì)應(yīng)的椰纖維類(lèi)型和位置

大型直剪試驗(yàn)試樣的尺寸為300 mm×300 mm×150 mm，椰纖維被設(shè)置在試樣的中間深度。采用1.25 mm/min的應(yīng)變速率進(jìn)行剪切，剪切過(guò)程中關(guān)閉排水閥門(mén)，法向應(yīng)力分別為24.63 kPa、49.27 kPa和98.54 kPa。取剪應(yīng)力與水平位移關(guān)系曲線上的峰值或穩(wěn)定值作為抗剪強(qiáng)度，如無(wú)明顯峰值，則取水平位移達(dá)到試樣直徑的1/10處的剪應(yīng)力作為抗剪強(qiáng)度。

上述所有試驗(yàn)均進(jìn)行了3次平行試驗(yàn)，結(jié)果取平均值。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 膨脹特性

膨脹力指在保持體積不變時(shí)，膨脹土由于浸水膨脹產(chǎn)生的最大應(yīng)力。圖3為不同膨脹土試樣膨脹力與飽和時(shí)間的關(guān)系。

圖3 膨脹土試樣的膨脹力曲線

從圖3可以看出：BC試樣的膨脹力隨著飽和時(shí)間的增加幾乎呈指數(shù)增長(zhǎng)，膨脹力最大達(dá)到約68 kPa趨于穩(wěn)定；單層加筋條件下，NC、SC、LC分別使最大膨脹力從67.87 kPa減少到49.28 kPa(27.74%)、48.79 kPa(28.1%)和32.13 kPa (52.66%)；從雙層加筋來(lái)看，總體效果比單層加筋更好，但仍然是采用石灰椰纖維的改善效果最佳，NC、SC、LC分別使最大膨脹力從67.21 kPa減少到32.99 kPa(50.90%)、16.06 kPa(76.10%)和12.17 kPa(81.89%)。膨脹力減少是由于椰纖維與土顆粒之間產(chǎn)生了摩擦阻力，阻礙了土顆粒的相對(duì)位移，提高了土的抗拉強(qiáng)度，從而顯著降低膨脹力。

膨脹率為在一定壓力條件下，浸水膨脹穩(wěn)定后，試樣增加高度與原高度的比。圖4為不同膨脹土試樣膨脹率與飽和時(shí)間的關(guān)系，壓力設(shè)置為50 kPa。由圖4可知：盡管各類(lèi)試樣的曲線形態(tài)有差異，但大體上可以將膨脹率隨時(shí)間的變化劃分為3個(gè)階段：① 指數(shù)增加階段，曲線斜率保持相對(duì)恒定甚至增加，這個(gè)階段通常出現(xiàn)在30 min內(nèi)，土快速吸水，膨脹程度占整個(gè)膨脹過(guò)程的60%～80%；② 緩慢增加階段，該階段通常出現(xiàn)在24 h(1 440 min)以內(nèi)，膨脹率曲線斜率逐漸減??；③ 穩(wěn)定階段，膨脹土充分吸水，趨于飽和。

圖4 膨脹土試樣的膨脹率曲線

從圖4可以看出：?jiǎn)螌蛹咏顥l件下，NC、SC、LC分別使最大膨脹率從5.49%下降到3.6%(34.43%)、3.21%(41.53%)和1.23%(77.60%)，雙層加筋條件下，NC、SC、LC分別使最大膨脹率從5.49%下降到1.2%(78.14%)、0.96%(82.51%)及0.3%(94.54%)。

圖5為不同加筋方案對(duì)膨脹力比和膨脹率比的影響，其中膨脹力比為加筋后膨脹力與加筋前膨脹力的比值，膨脹率比為加筋后膨脹率與加筋前膨脹率的比值。通過(guò)比值可以更直觀地了解膨脹力與膨脹率的降低。

圖5 膨脹土的膨脹力比曲線和膨脹率比曲線

由圖5可以看出：在所有加筋條件下，上述兩個(gè)比值都小于1，說(shuō)明所有椰纖維加筋方案都起到了改善膨脹性能的作用，其中對(duì)膨脹率的改善作用更加明顯。普通椰纖維與硅灰椰纖維的效果接近，但是石灰椰纖維的效果更加顯著。

3.2 加州承載比RCBR

圖6為不同加筋方案對(duì)飽和RCBR值的影響。從圖6可見(jiàn)膨脹土的飽和RCBR值在加筋后快速增加。單層加筋條件下，NC、SC、LC分別使RCBR值(2.5 mm貫入度)從1.49%上升至4.39%、4.84%及5.95%；雙層加筋條件下，NC、SC、LC分別使RCBR值(2.5 mm貫入度)從1.49%上升至4.61%、5.03%及6.49%?？傮w來(lái)看，采用椰纖維加筋后膨脹土的RCBR值可以達(dá)到上路堤的要求，其中采用石灰椰纖維加筋的膨脹土RCBR值達(dá)到了下路床要求。

圖6 膨脹土在不同貫入度下的RCBR值

石灰椰纖維可以更有效地提高膨脹土RCBR值是由于石灰在浸水飽和過(guò)程中與膨脹土發(fā)生了水化反應(yīng)和膠凝反應(yīng)，水化反應(yīng)指石灰在水中生成Ca2+，再與土體的膠體顆粒表面含有的 Na+、K+進(jìn)行離子置換，從而減小了土顆粒之間的距離，增強(qiáng)了土的黏聚力；而凝結(jié)作用指膨脹土中的SiO2和Al2O3與石灰、水發(fā)生反應(yīng)后逐步硬化凝結(jié)，在土顆粒外形成一層穩(wěn)定的保護(hù)膜，提高了土的整體性。由此可見(jiàn)石灰椰纖維加筋從物理和化學(xué)兩個(gè)角度改善了膨脹土的工程性質(zhì)。

從圖6中還可以看出：各個(gè)加筋方案下RCBR值隨貫入度的變化趨勢(shì)都比較一致，其中當(dāng)貫入度大于7.5 mm時(shí)，石灰椰纖維加筋土的RCBR值基本不再變化，而普通椰纖維加筋土和硅灰椰纖維加筋土的RCBR值則持續(xù)隨著貫入度的增加而減小。

3.3 抗剪強(qiáng)度

圖7為椰纖維加筋土抗剪強(qiáng)度變化圖。

由圖7可以看出：加筋使得膨脹土的抗剪強(qiáng)度大幅提升，當(dāng)法向應(yīng)力為24.63 kPa時(shí)，NC、SC、LC分別使抗剪強(qiáng)度從55.56 kPa上升至101.11 kPa (82%)、102.22 kPa (84%)、108.88 kPa(96%)；當(dāng)法向應(yīng)力增加至49.27 kPa時(shí)，相對(duì)法向應(yīng)力為24.63 kPa，BC及NC、SC、LC加筋下的抗剪強(qiáng)度分別上升為60.88 kPa(9.6%)、112.22 kPa (10.99%)、114.44 kPa (11.96%)、126.6 kPa(16.27%)，而當(dāng)法向應(yīng)力增加至98.54 kPa時(shí)，相對(duì)法向應(yīng)力為49.27 kPa，BC及NC、SC、LC加筋下的抗剪強(qiáng)度分別上升為66.77 kPa(9.67%)、128.31 kPa (14.34%)、131.11 kPa (14.56%)、138.88 kPa (9.70%)。這表明，對(duì)于抗剪強(qiáng)度而言，椰纖維類(lèi)型的影響不明顯，采用石灰處理和硅灰處理都沒(méi)有明顯提高椰纖維改善抗剪強(qiáng)度的效果。

圖7 椰纖維土工織物對(duì)膨脹土抗剪強(qiáng)度的影響

圖8為椰纖維加筋土內(nèi)摩擦角和黏聚力變化圖。由圖8可以看出：NC、SC、LC分別使內(nèi)摩擦角從8.63°增加到了20.60°、21.35°和22.09°，使黏聚力從52.35 kPa增加到了103.51 kPa、105.23 kPa、114.00 kPa，椰纖維加筋膨脹土已經(jīng)屬于強(qiáng)度較高黏性土的范疇。

圖8 椰纖維對(duì)膨脹土試樣內(nèi)摩擦角和黏聚力的影響

關(guān)于椰纖維加筋土的耐久性，由于椰纖維含有較多的木質(zhì)素，能夠抵抗溫度變化造成的不利影響，不易腐蝕，根據(jù)文獻(xiàn)[13-14]，可以使用5～10年，耐久性較好，最后椰纖維自然降解，不會(huì)造成環(huán)境污染。

4 結(jié)論

(1) 在所有加筋條件下，膨脹力比和膨脹率比都小于1，說(shuō)明幾種椰纖維加筋方案都起到了改善膨脹性能的作用，其中對(duì)膨脹率的改善作用更加明顯。普通椰纖維與硅灰椰纖維的效果接近，石灰椰纖維的效果更加顯著。

(2) 總體來(lái)看，采用椰纖維加筋后膨脹土的RCBR達(dá)到了上路堤的要求，其中采用石灰椰纖維加筋的膨脹土RCBR達(dá)到了下路床要求。

(3) 石灰椰纖維加筋可從物理和化學(xué)兩個(gè)角度改善膨脹土的性能，既通過(guò)椰纖維與土顆粒之間產(chǎn)生的摩擦阻力減少土顆粒之間的相對(duì)移動(dòng)，還可以通過(guò)水化反應(yīng)和膠凝反應(yīng)提高土的黏聚力和整體性。

(4) 加筋使得膨脹土的抗剪強(qiáng)度大幅提升，但椰纖維類(lèi)型對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響不明顯。