椰絲纖維加筋對鈣質(zhì)砂強度影響的試驗研究與機理分析

寇海磊,黃佳明,袁景泉,張 鵬,洪 波,劉家輝

(1.中國海洋大學工程學院,山東 青島 266100;2.海軍后勤部專項工程建設辦公室,北京 100841;3.中國海洋大學環(huán)境科學與工程學院,山東 青島 266100)

引 言

我國在南海地區(qū)的領海面積約為210萬km2,接近我國領?？偯娣e的一半,南海地區(qū)是我國領土的重要組成部分,不僅有豐富的海洋油氣礦產(chǎn)資源、海洋能資源和熱帶亞熱帶生物資源,還是我國港口航運和對外貿(mào)易的主要通道,具有重要的戰(zhàn)略意義。作為南海資源開發(fā)建設的先決條件,大規(guī)模的島礁基礎工程有待于建設和防護。鈣質(zhì)砂是南海島礁地基表面常見的一種巖土介質(zhì),具有易破碎和強度低的特點,對其建設利用和工程防護帶來了很大的難題[1]。傳統(tǒng)的海岸帶防護工程大多采用混凝土構(gòu)件或拋石建設,雖然滿足了海岸帶的防護需求,但是這些“硬”式防護材料成本較高,且龐大沉重的結(jié)構(gòu)造成了運輸過程中的困難,在建設過程中往往會對海灘地貌帶來負面影響,加劇海灘的侵蝕破壞和退化,造成嚴重的環(huán)境問題[2-3],因此并不適合南海島礁的防護建設,尋找適用于南海島礁防護的新方法勢在必行。

纖維加筋補強土體是一種有效而又經(jīng)濟的土體改良技術,是指按照一定質(zhì)量比將適長的纖維細絲與土料充分拌合形成的一種土工復合材料。纖維細絲具有容易拌合及分散性好等優(yōu)點,在土體中可以通過限制其變形來增加整體的強度,具有近似各向同性的力學性質(zhì)以及良好的工程性質(zhì)[4]。Rong等[5]通過直剪試驗研究了加筋砂的抗剪性能,認為加筋可以提高砂土材料的粘聚力和內(nèi)摩擦角。Akbulut等[6]在土中摻入橡膠、聚乙烯、聚丙烯等纖維材料,發(fā)現(xiàn)特定的纖維摻量和長度可以增強土的阻尼系數(shù)和彈性模量。唐朝生等[7]將不同摻量的聚丙烯加入到軟土中,進行了無側(cè)限抗壓強度試驗,結(jié)果表明土體的無側(cè)限抗壓強度隨纖維摻量增加而成倍提高。宋金巖等[8]采用三軸試驗研究了玻璃纖維加筋松散砂土的性能,發(fā)現(xiàn)隨著纖維含量的增加,加筋砂體的內(nèi)聚力不斷增加,但是內(nèi)聚力的增加數(shù)值與纖維含量并不成線性關系。雖然人工合成纖維具有強度高和耐腐蝕性的優(yōu)勢,但其生產(chǎn)過程會對環(huán)境造成污染,使用過程難以降解,不具備綠色、環(huán)保、經(jīng)濟等特點[9]。近年來,利用自然界豐富的植物纖維代替人工合成纖維加固土體引起了學者們的興趣。Alrashidi等[10]向水泥土中加入了纖維素纖維,發(fā)現(xiàn)纖維對水泥土的裂隙發(fā)育有抑制作用。Prabakar等[11]發(fā)現(xiàn)向高孔隙率、低強度和高壓縮性的軟土摻入劍麻纖維能夠顯著提高軟土的抗剪強度參數(shù)。吳燕開等[12]通過無側(cè)限抗壓試驗和直剪試驗,研究了不同纖維含量和不同長度的劍麻纖維對加筋復合土體強度的影響規(guī)律,發(fā)現(xiàn)劍麻纖維的最優(yōu)加筋含量為0.4%,最優(yōu)纖維長度為5mm時加筋復合土體的強度最高。馬強等[13]通過三軸試驗,分析棕麻纖維含量對加筋土強度的影響規(guī)律,發(fā)現(xiàn)棕麻纖維加筋土的抗剪強度隨纖維含量的增加先增大后減小,最優(yōu)加筋含量為1.2%。魏麗等[14]對麥秸稈加筋鹽漬土的力學性能進行了試驗研究,試驗結(jié)果表明麥秸稈纖維加筋不僅能提高土的黏聚力,還能增強土的抗變形能力。

椰絲作為一種植物纖維,與其它天然植物纖維相比含有更高的木質(zhì)素,因此具有強度高和彈性好以及更耐腐蝕性的特點,是一種非常有潛力的環(huán)保型加筋材料[15-16]。在實際工程中椰絲纖維利用率并不高,已有研究對椰絲纖維加筋低強度和易破碎的南海鈣質(zhì)砂的相關研究較少。本文通過控制椰絲纖維摻量,開展室內(nèi)不固結(jié)不排水三軸試驗,對不同椰絲纖維摻量的南海鈣質(zhì)砂應力-應變關系、峰值強度及變形模量的影響進行了研究,分析了椰絲纖維摻量對南海鈣質(zhì)砂強度的影響及其加固的機理,為南海島礁邊坡防護提供了有價值的參考,同時也使得南海地區(qū)大量廢棄未處理的椰子資源得以充分利用,對節(jié)約成本和保護環(huán)境具有一定的現(xiàn)實意義。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用砂為南海鈣質(zhì)砂,砂樣經(jīng)篩分后得到得粒徑級配曲線如圖1所示。實驗開始前選取通過孔徑為0.63 mm試驗篩的鈣質(zhì)砂作為所需加固的砂樣,如圖2所示,砂樣相關物理參數(shù)如表1所示。

表1 砂樣力學參數(shù)

圖1 砂樣顆粒級配曲線

圖2 試驗所用鈣質(zhì)砂Fig.2 Calcareous sand used in the test

所用纖維為自然風干狀態(tài)的椰絲纖維,如圖3所示,其具體參數(shù)如表2所示。試驗中需要把椰絲剪成10～15 mm長度的短纖維,通過控制椰絲纖維的不同摻量來研究其對鈣質(zhì)砂強度的加筋效果。

表2 椰絲纖維參數(shù)

圖3 試驗所用椰絲

1.2 試驗方法

采用濕搗法制備不同纖維摻量的土樣,為確保鈣質(zhì)砂與椰絲纖維更好的拌合,先將砂土與蒸餾水混合,水的重量為土體重量的22%,在該含水率下,纖維在土體的分布會更加均勻,根據(jù)質(zhì)量分數(shù)為0%、0.2%、0.5%、0.8%、1.1%、1.4%、和1.7%的纖維摻量,對應所需鈣質(zhì)砂的質(zhì)量為144.89、144.61、144.17、143.74、143.3、142.87和142.43 g,對應蒸餾水的體積為31.88、31.81、31.72、31.62、31.53、31.43和31.33 ml,將拌合好的土樣分三層裝入貼有橡皮膜的套筒中,采用統(tǒng)一的擊實錘從相同高度進行擊實,最終制得試樣尺寸為Ф39.1 mm×80 mm,質(zhì)量統(tǒng)一為176.77g。

本次研究采用全自動三軸儀(北京華勘科技有限公司生產(chǎn))開展不固結(jié)不排水(UU)三軸試驗,加載速度為0.80 mm/min?？紤]到南海島礁海岸帶屬于表層土體,設定不同纖維摻量下的各組試樣均在圍壓為50 kPa下進行三軸試驗,共進行7組試驗,通過控制纖維摻量研究椰絲纖維加筋鈣質(zhì)砂的力學特性及椰絲纖維摻量對加筋效果的影響。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 椰絲纖維加筋鈣質(zhì)砂應力應變關系

試驗結(jié)果取試樣軸向應變≤20%的數(shù)據(jù)進行分析研究。圖4為不同椰絲加筋含量鈣質(zhì)砂的軸向應力與軸向應變的關系曲線。由圖4可以看出,在不同椰絲摻量加筋的鈣質(zhì)砂在軸向應變達到15%時軸向應力均趨于穩(wěn)定,在最大應力后出現(xiàn)剪切軟化的現(xiàn)象。不同椰絲纖維摻量的加筋鈣質(zhì)砂強度差異顯著。無椰絲纖維加筋的鈣質(zhì)砂強度最小,最大應力只有12 kPa,0.2%椰絲摻量的加筋鈣質(zhì)砂應力達到38 kPa,0.5%椰絲摻量的加筋鈣質(zhì)砂應力達到59 kPa。當椰絲摻量為0.8%時,加筋鈣質(zhì)砂的強度與之前較低摻量相比增加明顯,應力達到127 kPa,是0.5%椰絲摻量的2.2倍。當椰絲摻量為1.1%時,加筋鈣質(zhì)砂的應力達到194 kPa;當椰絲摻量為1.4%時,加筋鈣質(zhì)砂的應力達到了本次試驗中最大,為293 kPa;當椰絲摻量為1.7%時,加筋鈣質(zhì)砂的最大應力為246 kPa。與無椰絲纖維加筋的鈣質(zhì)砂相比,椰絲摻量增加至0.2%、0.5%、0.8%、1.1%、1.4%和1.7%時,椰絲纖維加筋鈣質(zhì)砂的最大應力分別增加了3.2、4.9、10.6、16.2、24.4及20.5倍。椰絲纖維可以促進砂顆粒間的接觸,增強砂顆粒之間摩擦,因此鈣質(zhì)砂在加入椰絲纖維后強度有了明顯的提升。

圖4 不同纖維含量砂樣軸向應力與軸向應變關系

2.2 纖維摻量對峰值強度及破壞應變的影響

圖5表示不同椰絲摻量加筋的鈣質(zhì)砂達到峰值強度及其所對應的破壞應變,其中峰值強度為土體所能達到的最大應力,破壞應變?yōu)橥馏w達到最大應力時刻的初始應變。當達到峰值強度后,椰絲纖維摻量為0%、0.2%、0.5%、0.8%、1.1%、1.4%和1.7%的加筋鈣質(zhì)砂的峰值強度分別為12、38、59、127、194、293和246 kPa,此時不同椰絲纖維摻量的加筋鈣質(zhì)砂破壞應變分別為6%、8%、10%、14%、17.6%、14.8%和12.4%,隨著椰絲摻量的增加,峰值強度及其所對應的應變呈現(xiàn)回轉(zhuǎn)趨勢,當加筋鈣質(zhì)砂中的椰絲纖維摻量較低時,增加椰絲纖維摻量可以增大加筋鈣質(zhì)砂的強度,椰絲纖維摻量為1.4%時,椰絲纖維加筋鈣質(zhì)砂的峰值強度最大,為293kPa,繼續(xù)增加到1.7%時,峰值強度有所降低,說明椰絲纖維的含量存在一個最佳摻量。椰絲纖維加筋鈣質(zhì)砂的破壞應變隨著椰絲纖維摻量的增加先增大后減小,與當椰絲纖維摻量為1.4%時,加筋鈣質(zhì)砂的破壞應變達到最大,為17.6%,是無椰絲纖維加筋鈣質(zhì)砂的2.9倍,這是因為一定數(shù)量的椰絲纖維在鈣質(zhì)砂中交織形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),共同承擔外界力的作用,從而提高砂土整體的穩(wěn)定性。

圖5 加筋鈣質(zhì)砂處于峰值強度時的應力應變

2.3 纖維摻量對割線模量的影響

割線模量是在單向受力條件下,土體應力-軸向應變曲線上相應于50%最大應力的點與原點連線的斜率,反映了土體的平均剛度。椰絲纖維加筋鈣質(zhì)砂的割線模量可按照公式(1)進行計算。不同椰絲纖維摻量加筋鈣質(zhì)砂的割線模量數(shù)值如圖6所示。椰絲纖維摻量為0%、0.2%、0.5%、0.8%、1.1%、1.4%和1.7%的加筋鈣質(zhì)砂對應的變形模量分別為0.78、0.79、1.04、1.50、1.53、2.85和1.97 MPa,椰絲纖維加筋鈣質(zhì)砂的割線模量隨纖維摻量的增加先增大后減小,當椰絲纖維摻量在0.5%以下時,椰絲纖維加筋鈣質(zhì)砂的割線模量與無椰絲加筋鈣質(zhì)砂相比變化不大;當椰絲纖維摻量為1.4%時,測得割線模量為本次試驗中最大,為2.85 MPa,是無椰絲加筋鈣質(zhì)砂的3.7倍;繼續(xù)增加椰絲摻量至1.7%時,椰絲纖維加筋鈣質(zhì)砂的割線模量有所降低,為1.97 MPa,是無椰絲加筋鈣質(zhì)砂的2.5倍。割線模量越大,砂土試樣剛度越大,說明鈣質(zhì)砂在加入椰絲后,抵抗變形的能力會得到提高。

圖6 不同纖維含量加筋鈣質(zhì)砂的割線模量

E50=σ′/ε′

(1)

式中,E50為土體的割線模量;σ′為土體50%的峰值強度值;ε′為該峰值強度值所對應的應變值。

2.4 纖維加筋機理分析

纖維加筋土體的機理示意圖如圖7所示。細長的椰絲纖維可以填充鈣質(zhì)砂之間的空隙,使得砂顆粒與砂顆粒以及砂顆粒與椰絲纖維能夠充分接觸,從而使得接觸面之間的界面力增加。接觸面之間的界面力可以分為椰絲纖維對鈣質(zhì)砂法向的壓力N和切向的摩擦力f,當土體承受外力時,接觸面之間的作用力增大以及椰絲纖維受拉使其對砂顆粒間的包裹更為緊密,壓力N增大,接觸面之間的摩擦力也隨之增大,從而發(fā)揮其加筋的作用。另外土體中均勻分布的椰絲纖維錯綜交織形成許多交織點,其中一根椰絲纖維受到的拉力P可以傳到交織點使錯綜的椰絲共同承擔P的作用,即任何一段椰絲纖維的受力變形都會受到與其交織的各個方向纖維的阻止,形成一個空間約束的作用。當超過最佳摻量時,纖維在土體中無法均勻分布,多余的纖維會在土體中集中形成隔斷層,導致纖維無法跟砂土充分接觸,因此會降低抗剪強度。

圖7 纖維加筋機理示意圖

3 結(jié)論

本文通過改變椰絲纖維摻量,在圍壓為50 kPa的條件下進行鈣質(zhì)砂的室內(nèi)不固結(jié)不排水三軸試驗,分析了不同椰絲摻量加筋鈣質(zhì)砂的各種強度指標的變化規(guī)律,所得結(jié)論如下:

(1)椰絲纖維填充鈣質(zhì)砂顆粒間的空隙因此增大了砂顆粒與砂顆粒、砂顆粒與椰絲之間的壓力和摩擦力,均勻分布的椰絲纖維還可以錯綜交織形成椰絲纖維網(wǎng)從而將顆粒連接成一個整體共同受力,形成一個空間約束,從而發(fā)揮其加筋效果。

(2)鈣質(zhì)砂的加筋效果并不是隨椰絲摻量越多越好,而是存在一個最佳摻量。本次試驗測得當椰絲摻量為1.4%時,加筋鈣質(zhì)砂的峰值強度和抵抗變形的能力最高,對應的峰值強度和變形模量分別為293 kPa和2.85 MPa;當椰絲摻量為1.1%時,加筋鈣質(zhì)砂的延性最好,對應的破壞應變?yōu)?7.6%。

(3)椰絲纖維作為一種加筋材料,可以有效提高鈣質(zhì)砂的強度和抵抗變形的能力,不同椰絲摻量加筋鈣質(zhì)砂的加筋效果在軸向應變大于10%時差異顯著。