淺層膨脹土及其纖維改良土的剪切強度特性

段君義，吳俊江，粟雨，呂志濤，林宇亮，楊果林

(1.南昌大學 工程建設學院，江西 南昌 330031；2.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075)

膨脹土作為具有濕脹干縮特征的特殊土，在我國多達26個省市區(qū)廣泛分布，超過3億人生活在膨脹土地區(qū)[1].受膨脹土脹縮變形特性的影響，膨脹土地區(qū)工程構筑物的工程災害十分突出.其災害往往具有長期性、反復性及難治理性，會造成巨大的社會經(jīng)濟損失[2].

氣候環(huán)境的復雜變化會影響土體中水分的蒸發(fā)、遷移及滲流行為，進而改變土體力學特性，這是引發(fā)膨脹土工程災害的重要原因之一[3].與膨脹土邊坡工程災害密切關聯(lián)的膨脹土通常位于大氣影響深度內(nèi)(一般小于3 m).肖杰等[4-5]開展直剪試驗研究，發(fā)現(xiàn)淺層膨脹土黏聚力的顯著降低是引發(fā)膨脹土邊坡滑塌破壞的關鍵原因.張坤勇等[6]也得到類似的結論.對于膨脹土路堤或地基工程而言，考慮到氣候引起的地下水位波動和地表人為活動荷載的影響，引發(fā)其工程災害的膨脹土深度一般不超過10 m.可見，膨脹土工程災害具有淺層性[7-8].李彥龍等[9]結合凍融試驗和直剪試驗，研究凍融作用下水分遷移對淺層膨脹土剪切強度的影響，指出凍融作用下淺層膨脹土的黏聚力下降是導致膨脹土剪切強度劣化的主要原因.準確掌握淺層膨脹土的力學特性是識別與治理膨脹土工程災害的前提.淺層膨脹土由于上覆土體層較薄，其往往處于低應力(低圍壓)狀態(tài).低圍壓下土體的力學特性與高圍壓下的情況不同[10]，存在明顯的剪切強度非線性現(xiàn)象.連繼峰等[11]基于統(tǒng)計原理的Chauvenet判別準則，得到低應力下膨脹土剪切強度的非線性階段與線性階段的應力閾值.Chen等[12-13]建立考慮剪切強度非線性的邊坡數(shù)值模型，實現(xiàn)膨脹土剪切強度隨豎向應力的動態(tài)分布.

現(xiàn)有研究主要采用直剪試驗研究膨脹土剪切強度非線性，實際上，三軸剪切試驗能更好地模擬膨脹土的低圍壓狀態(tài)，但利用三軸剪切試驗開展與之相關的研究較少.同時，膨脹土的力學特性與其含水狀態(tài)相關[14]，有關高、低圍壓下膨脹土剪切強度差異及其非線性與土體中水的質量分數(shù)的關系尚不明確.此外，為了避免淺層膨脹土隨時間推移而出現(xiàn)反復脹縮變形、持續(xù)裂隙及溜塌破壞等問題和繼而發(fā)展成膨脹土工程災害的情況，實際工程中通常會對淺層膨脹土進行改良處理[15-16].往膨脹土內(nèi)摻入纖維是工程實踐中常用的改良措施之一[17].Wang等[18-20]指出摻入適量的纖維可使膨脹土剪切行為由脆性破壞向延性破壞轉變，并創(chuàng)新性結合疊加法和能量法推導了纖維-土的界面作用模型，建立將纖維加筋效應視為作用在土體上的壓應力的新型數(shù)值分析方法.然而，有關低圍壓下纖維改良膨脹土的剪切強度特性的研究尚不多.

本研究以京沈高鐵遼西段廣泛分布的侏羅系膨脹性風化巖層膨脹土為對象，開展高、低圍壓下膨脹土三軸剪切試驗，分析淺層膨脹土的剪切強度特征及其非線性.在此基礎上，以摻入聚丙烯纖維為例，探討低圍壓下纖維改良膨脹土的剪切行為及加固機制，以期為膨脹土地區(qū)工程災害評估與治理提供理論依據(jù)和工程指導價值.

1 試驗膨脹土

土樣為京沈高速鐵路遼西段沿線廣泛分布的侏羅系膨脹性風化巖層土，呈灰綠色的片狀小巖塊形態(tài)（強風化），但可輕易碾碎.經(jīng)過烘干、碾碎程序，再過2 mm篩得到膨脹土樣.其中，粒徑小于0.075 mm的土顆粒質量分數(shù)為80.7%.顆粒密度為2.701 g/cm3，最大干密度為1.712 g/cm3，最優(yōu)水的質量分數(shù)為20.7%，液限為45.5%，塑限為28.8%，蒙脫石質量分數(shù)為33.61%，陽離子交換量為437.8 mmol/kg，自由膨脹率為51.0%.

2 試驗方案

在目前大多數(shù)文獻/試驗規(guī)程中，測定土體抗剪強度參數(shù)時采用的圍壓或上覆荷載為100～400 kPa[21].然而，對于膨脹土邊坡工程而言，須關注的膨脹土深度基本集中在0～3 m，即土體圍壓較小[4,22].對于膨脹土路堤或地基工程而言，考慮到氣候環(huán)境和地表人為活動荷載的影響，須關注的土體深度則為0～10 m.綜上，淺層膨脹土實際典型圍壓基本小于150 kPa，遠低于目前試驗傳統(tǒng)采用的圍壓.為此，設置圍壓分別為10、30、60、100、150 kPa，開展膨脹土固結不排水三軸試驗，軸向應變剪切速率為0.08%/min.之后，增加圍壓至200、300、400 kPa以作對比，分析圍壓對膨脹土剪切強度特性的影響.按干密度為1.626 kg/m3和最優(yōu)水的質量分數(shù)為20.7%進行制樣，試樣尺寸直徑為39.1 mm，高度為80 mm，同時通過對具有最優(yōu)水的質量分數(shù)的試樣進行自然風干和抽氣飽和，可得水的質量分數(shù)分別為17.5%、24.4%的試樣.為了便于區(qū)分，將10～150 kPa稱為低圍壓段，100～400 kPa稱為高圍壓段.100～150 kPa為高、低圍壓段的重疊范圍，以確保高、低圍壓段的連續(xù)性.

考慮到實際工程中常采用纖維改良淺層膨脹土[23-24]，以聚丙烯纖維改良膨脹土為對象，進一步開展低圍壓下聚丙烯纖維改良膨脹土的固結不排水三軸試驗，以探討聚丙烯纖維長度及其摻入質量分數(shù)對改良膨脹土剪切強度特性的影響.這可以為遼西地區(qū)淺層膨脹土改良處理提供參考.根據(jù)等效圍壓理論，摻入纖維有助于提高土體圍壓，因此，纖維改良膨脹土的低圍壓范圍設定為30～150 kPa.所用聚丙烯纖維的主要技術參數(shù)如表1所示.表中，d為直徑，ρ為密度，f為抗拉強度，E為彈性模量，δ為極限伸長率，θ為熔點.

表1 聚丙烯纖維的主要技術參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of polypropylene fiber

聚丙烯纖維改良膨脹土三軸試樣按照干密度為1.626 kg/m3和最優(yōu)水的質量分數(shù)為20.7%進行制樣，改良土試樣均進行抽氣飽和處理.如圖1所示為試驗過程中的實物圖.綜合考慮已有文獻報道采用的纖維長度與摻入質量分數(shù)[17-18]以及纖維與膨脹土要滿足拌和均勻的要求，設置聚丙烯纖維長度L分別為3、6、9、12、15 mm，纖維摻入質量分數(shù)wf分別為0.1%、0.3%、0.5%、0.7%.其中，聚丙烯纖維摻入質量分數(shù)為聚丙烯纖維質量與膨脹土干土質量之比，其計算式如下：

圖1 試驗過程中的實物圖Fig.1 Physical images in test process

式中：mf為聚丙烯纖維質量，md為膨脹土的干土質量.

結合《土工試驗標準(GB/T 50123-2019)》[25]規(guī)定，同時考慮到很多實際膨脹土邊坡破壞是在大變形情形下發(fā)生的，試樣最大軸向應變設為20%.規(guī)定峰值強度為應力應變曲線上的應力峰值.當應力應變曲線上沒有出現(xiàn)應力峰值時，則取軸向應變?yōu)?0%時的應力為峰值強度.

3 試驗結果與分析

3.1 圍壓對膨脹土剪切強度特性的影響

如圖2～4所示為水的質量分數(shù)分別為17.5%、20.7%、24.4%時膨脹土的應力應變曲線.圖中，σ1-σ3為主應力差，ε 為應變.可以看出，膨脹土的應力應變曲線表現(xiàn)為明顯的應變軟化特征.為了量化表征應變軟化特征，定義剪切強度衰減率表達式如下：

圖2 水的質量分數(shù)為17.5%時膨脹土的應力應變曲線Fig.2 Stress-strain curve of expansive soils with water mass fraction of 17.5%

圖3 水的質量分數(shù)為20.7%時膨脹土的應力應變曲線Fig.3 Stress-strain curve of expansive soils with water mass fraction of 20.7%

圖4 水的質量分數(shù)為24.4%時膨脹土的應力應變曲線Fig.4 Stress-strain curve of expansive soils with water mass fraction of 24.4%

式中：λ 為膨脹土的剪切強度衰減率，τp、τr分別為膨脹土的峰值強度、殘余剪切強度.

根據(jù)式（2）可以得出膨脹土剪切強度衰減率λ 與圍壓 σ3的關系，如圖5所示.圖中，w為水的質量分數(shù).可以看出，隨著圍壓增大，膨脹土剪切強度衰減率呈減小趨勢.其原因是在低圍壓狀態(tài)下，土顆粒間的相互作用(包括咬合力、摩擦力及基質吸力)在剪切過程中發(fā)揮著主導作用，一旦剪切變形增至較大，土顆粒間的相互作用隨即被破壞.低圍壓對土顆粒之間的相互作用(包括咬合力、摩擦力)的增強效應不明顯，使得試樣剪切應力隨應變增大而迅速下降，出現(xiàn)應變軟化現(xiàn)象.當圍壓較大時，圍壓對土顆粒間的相互作用的增強效應顯著，在剪切過程中土顆粒相互作用雖然被破壞，但圍壓引起的增強效應仍在剪切過程中繼續(xù)發(fā)揮作用，使得在剪切變形較大時試樣仍可保持著較大剪切應力.此外，土體中較低的水的質量分數(shù)意味著基質吸力較高[26]，較高的基質吸力可以提高土顆粒間相互作用在剪切過程中所發(fā)揮的貢獻，這可用于解釋土體中水的質量分數(shù)越低，剪切強度衰減率越高的現(xiàn)象.具體地，當圍壓為30 kPa時，水的質量分數(shù)為17.5%、20.7%和24.4%時的剪切強度衰減率分別為64.3%、55.0%和30.2%.可見，隨著圍壓和水的質量分數(shù)的減小，膨脹土剪切強度應變軟化現(xiàn)象更顯著.

圖5 膨脹土的剪切強度衰減率隨圍壓的變化Fig.5 Variation in shear strength attenuation of expansive soils with cell pressure

由圖2～4還可知，膨脹土峰值強度隨著圍壓增大而提高，這意味著高圍壓狀態(tài)下土體抵抗變形的能力更大[27-28].因此，可以考慮在膨脹土邊坡上采用具有預壓功能的坡面支護結構(如預應力錨索、螺旋錨)，以增大坡面之下的土體圍壓，提高淺層膨脹土的剪切強度和改善膨脹土邊坡的穩(wěn)定性.此外，對路基結構而言，在路基兩側坡面施加側向壓力(如路基兩側對拉的預應力錨索、施加預拉力的筋材)，可以提高路基填料的承載能力與抗變形性能，進而提升路基穩(wěn)定性[29-30].

采用最大剪應力面(p′,q)的應力變化來表示不同圍壓下膨脹土的應力路徑：

式中：σ1為最大軸向應力.

以p′為橫坐標，q為縱坐標，根據(jù)前述膨脹土的應力應變曲線可以得到不同圍壓下的(p′,q)，將其連成直線便可得到Kf強度線，如圖6所示.假定Kf強度線的斜率為k0，截距為a，則其與總應力抗剪強度參數(shù)(黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ)的關系可以表示為

圖6 高、低圍壓段下膨脹土Kf強度線Fig.6 Strength line Kf of expansive soil under high and low cell pressure sections

根據(jù)式（5）、（6）可以得到高、低圍壓段分別對應的土體抗剪強度參數(shù)c、φ.

由圖6可知，膨脹土Kf強度線在低圍壓段和高圍壓段明顯不同，表明膨脹土剪切強度具有明顯的非線性[5].同時，水的質量分數(shù)越高，膨脹土剪切強度非線性程度越大，但當土體中的水的質量分數(shù)低于其最優(yōu)水的質量分數(shù)時，水的質量分數(shù)變化對膨脹土剪切強度非線性的影響相對較小.采用高圍壓段試驗所得的抗剪強度參數(shù)，會導致低圍壓段膨脹土的黏聚力偏大，內(nèi)摩擦角偏小，膨脹土的真實抗剪強度將被高估.以水的質量分數(shù)24.4%為例，低圍壓段膨脹土的黏聚力被高估了225.7%，內(nèi)摩擦角被低估了42.5%.可見，在評估膨脹土抗剪強度參數(shù)前，應當明確膨脹土的實際圍壓和水的質量分數(shù)情況.

3.2 膨脹土剪切強度非線性的表征

與真實的強度包絡線相比，采用庫侖破壞準則會導致土體的剪切強度被高估，特別是在低圍壓狀態(tài)下，如圖7所示.圖中，τ、σ 分別為剪切面上剪應力、法向應力.上述試驗結果也證明了這一點.須說明的是，若土體試樣沒有浸沒在水中，則黏性土試樣具有自立性，即能夠保持形狀而不坍塌.其原因是沒有浸沒在水中的土體屬于三相非飽和土，空氣會以不連通的氣泡形式存在于土體空隙內(nèi)，其表面張力使得土體內(nèi)部水分受到拉力，形成有效圍壓，從而為土體提供一定的強度而保持其穩(wěn)定，使得土體宏觀上具有表觀黏聚力，表現(xiàn)為具有一定程度的抗拉強度.Lade[31]針對洛杉磯地區(qū)的5類黏性土開展零圍壓狀態(tài)下的黏聚力測試試驗，該5類黏性土的自由膨脹率為70%～110%.其將制作好的試樣放在500 mL玻璃燒杯中，然后往燒杯中加水，水面高出試樣頂部1 cm，完全浸沒的試樣被視為基本處于零圍壓狀態(tài).其試驗結果顯示水分逐漸滲入試樣內(nèi)部，試樣表面持續(xù)出現(xiàn)土體剝落，導致試樣直徑減小，直至試樣坍塌破壞，各試樣基本在30 min內(nèi)完全崩解破碎成泥漿.以上現(xiàn)象表明零圍壓狀態(tài)下壓實黏性土的黏聚力為零，即認為土體強度包絡線經(jīng)過圖7中的坐標原點.

圖7 庫侖破壞準則強度包絡線與真實強度包絡線的差異Fig.7 Difference between strength envelope under Coulomb failure criterion and true strength envelope

根據(jù)三軸試驗結果無法直接得到膨脹土試樣剪切面上的剪應力與法向應力，為此，利用冪函數(shù)先描述不同圍壓狀態(tài)下的(p′,q)，其具體表達式[31]為

式中：pa為大氣壓力，取值為101.3 kPa；A、B為無量綱的冪函數(shù)參數(shù).

對式（7）兩邊取對數(shù)，其可轉換成

根據(jù)式（8）可 知，A為p′/pa=1 時q/pa的值，B為p′/pa-q/pa在雙對數(shù)坐標系下的擬合直線斜率.

基于最小二乘法原理，利用式（8）擬合不同圍壓狀態(tài)下的(p′/pa，q/pa)，結果如圖8所示.可以看出，在不同水的質量分數(shù)情況下，相關系數(shù)R2均大于0.98，接近于1.00，可見，冪函數(shù)可以較好地表征膨脹土剪切強度非線性.隨著圍壓減小，膨脹土剪切強度非線性增大，因此，對于處于低圍壓狀態(tài)的膨脹土，其抗剪強度參數(shù)的確定必須考慮其剪切強度的高度非線性現(xiàn)象.

圖8 膨脹土剪切強度非線性特征的冪函數(shù)擬合結果Fig.8 Fitting nonlinear characteristics of shear strength of expansive soil by power function

在實際工程應用中，也可根據(jù)膨脹土實際所處的圍壓狀態(tài)，采用冪函數(shù)曲線上的對應點切線來表示庫侖破壞準則下的強度包絡線.假定對應切線的斜率為k′，截距為a′，則真實抗剪強度參數(shù)可以通過如下公式確定：

式中：k′、a′分別為某圍壓(對應橫坐標點為p′/pa)下冪函數(shù)曲線的切線的斜率和截距，cc、φc分別為對應圍壓狀態(tài)時膨脹土的黏聚力和內(nèi)摩擦角.

當水的質量分數(shù)為17.5%時膨脹土的冪函數(shù)參數(shù)A、B分別為1.073、0.762，當水的質量分數(shù)為20.7%時膨脹土的冪函數(shù)參數(shù)A、B分別為1.039、0.741，當水的質量分數(shù)為24.4%時膨脹土的冪函數(shù)參數(shù)A、B分別為0.920、0.691.可見，膨脹土剪切強度非線性程度與膨脹土的水的質量分數(shù)(飽和度)有關.膨脹土飽和度越高，其剪切強度非線性越明顯.須說明的是，對于超固結性膨脹土，土體內(nèi)部存在前期固結應力/殘存應力，即便不施加圍壓，土體由于受到內(nèi)部應力作用而仍具有一定的抗剪強度，表現(xiàn)出黏聚力[6].因此，對于超固結膨脹土，施加的圍壓并不等于土體實際受到的圍壓，這導致冪函數(shù)不適用于具有超固結性的膨脹土的剪切強度非線性表征，除非施加的圍壓大于膨脹土的前期固結壓力.然而，受濕脹干縮循環(huán)作用的影響，淺層膨脹土的內(nèi)部應力逐漸釋放、消除，趨近于0，使得施加的圍壓可視為土體實際受到的圍壓.因此，淺層膨脹土剪切強度非線性可采用冪函數(shù)描述.

3.3 低圍壓下聚丙烯纖維改良膨脹土剪切強度特性

3.3.1 低圍壓下纖維改良膨脹土的應力應變關系 濕脹干縮作用下膨脹土的裂隙行為會破壞土體整體性，導致土體強度衰減.對于淺層范圍內(nèi)的膨脹土，采用纖維改良可以抑制膨脹土裂隙發(fā)育，繼而改善膨脹土強度特性.以纖維摻入質量分數(shù)為0.3%，長度為3、9 mm為例，給出低圍壓狀態(tài)下聚丙烯纖維改良膨脹土的應力應變曲線，如圖9所示.可以看出，與圖3(a)的未摻入纖維時情況相比，摻入聚丙烯纖維后膨脹土的剪切強度明顯提高，這是由于聚丙烯纖維能夠在膨脹土試樣的剪切破壞面上承受拉力，提高了其剪切面上的抗剪阻力(見圖10).相比于未摻入纖維的情況，當纖維長度為3 mm時，膨脹土剪切強度提升幅度為19.1%～43.5%，但當纖維長度為9 mm時，剪切強度提升幅度僅為2.5%～18.3%.隨著圍壓提高，纖維改良膨脹土的剪切強度提升幅度表現(xiàn)出增長趨勢.

圖9 摻入質量分數(shù)為0.3%時聚丙烯纖維改良膨脹土應力應變曲線Fig.9 Stress-strain curve of expansive soil improved by polypropylene fiber with a mass fraction of 0.3%

圖10 破壞試樣剪切面上纖維受拉情況Fig.10 Tensile phenomenon of fiber on shear plane of failure sample

以上分析表明，膨脹土剪切強度的提高程度與圍壓、纖維長度有關.此外，與圖3(a)相比還可發(fā)現(xiàn)，在低圍壓狀態(tài)時膨脹土具有顯著的應變軟化特征，纖維摻入能夠明顯降低其應變軟化特征，提高其殘余剪切強度，甚至可以使得摻入纖維后膨脹土的應力應變曲線由應變軟化特征轉變?yōu)閼冇不驊兎€(wěn)定特征(如圖9中的纖維長度為9 mm、摻入質量分數(shù)為0.3%時的情況).

值得注意的是，纖維長度為3 mm時的改良膨脹土峰值強度高于纖維長度為9 mm時的改良膨脹土峰值強度，且兩者峰值強度的差異隨著圍壓增加而呈增大趨勢，如圖11所示.雖然采用長度為9 mm纖維的改良膨脹土的峰值強度相對較小，但其剪切強度衰減率(最大衰減率為7.6%)整體上小于摻長度為3 mm纖維的情況的(最大衰減率為23.3%).剪切強度衰減率與纖維長度、摻入質量分數(shù)及其纖維網(wǎng)狀結構形成密切相關.摻入纖維能夠提高膨脹土的殘余剪切強度，因此，在摻入纖維后，膨脹土剪切強度衰減率要低于未摻入纖維時的情況.

圖11 纖維改良膨脹土的剪切強度峰值及衰減規(guī)律Fig.11 Peak strength of fiber improved expansive soil and its attenuation characteristics

由于纖維的密度和直徑是常數(shù)，當纖維摻入質量分數(shù)相同時，改良土中纖維長度較短的纖維根數(shù)多于纖維長度較長的纖維根數(shù).在圖9中，長度為3 mm的纖維根數(shù)是長度為9 mm的纖維根數(shù)的3倍，長度為3 mm的纖維根數(shù)遠遠多于長度為9 mm的纖維根數(shù)，如圖12所示.因此，大量的長度為3 mm的纖維容易交織形成纖維網(wǎng)結構，而長度為9 mm的纖維由于根數(shù)少而難以形成有效的纖維網(wǎng)狀結構，這便導致?lián)饺腴L度為3 mm纖維后的改良膨脹土的峰值強度高于摻入長度為9 mm纖維的情況.不過，對于長度為3 mm的纖維，其與膨脹土的黏結長度較短，較短的纖維無法在大變形情況下持續(xù)維持纖維-土體之間的錨固性能.因此，在摻長度為3 mm纖維的改良膨脹土中，纖維與土體之間的黏結作用會隨著試樣軸向應變增加而逐漸破壞失效，這可以解釋摻長度為3 mm纖維的改良膨脹土在達到峰值強度之后，其后續(xù)強度明顯衰減的現(xiàn)象.對于長度為9 mm纖維，由于纖維長度較長，纖維與土體之間的黏結長度較長，故隨著試樣軸向應變的增加，摻長度為9 mm纖維的改良膨脹土沒有出現(xiàn)明顯的強度衰減特征，甚至呈現(xiàn)出輕微的應變硬化現(xiàn)象.

圖12 纖維改良膨脹土機理示意圖Fig.12 Strengthening mechanism of fiber improved expansive soil

3.3.2 低圍壓下纖維長度及其摻入質量分數(shù)對膨脹土峰值強度的影響 如圖13所示為纖維長度L及其摻入質量分數(shù)wf對膨脹土峰值強度 τp的影響.可以看出，當wf較低時(wf=0.1%)，膨脹土中的纖維根數(shù)非常少，難以形成有效的纖維網(wǎng)狀結構，同時，剪切面上的纖維數(shù)量也十分有限.因此，當wf較低時，纖維長度對改良膨脹土峰值強度的影響不大.當wf增至0.3%時，較短纖維對應的根數(shù)較多，其中，長度為3 mm纖維的根數(shù)最多，纖維相互搭接，可形成有效的纖維網(wǎng)狀結構（見圖14），增加土體內(nèi)部的傳力性能[32]，從而顯著提高了膨脹土的峰值強度.其他較長纖維由于根數(shù)較少，仍不能形成有效的纖維網(wǎng)，故長度大于3 mm的纖維對膨脹土峰值強度改善效果仍不大.隨著wf繼續(xù)增加(wf≥0.5%)，較 長纖維的網(wǎng) 狀結構逐漸形成，使得較長纖維的加筋作用得以發(fā)揮，因此，wf增加到一定程度后，纖維改良膨脹土的峰值強度會隨著纖維長度的增加而增大.

圖13 纖維長度及其摻入質量分數(shù)對膨脹土峰值強度的影響Fig.13 Effects of fiber length and mass fraction on peak strength of expansive soil

當wf過高時，隨著纖維長度增加，膨脹土峰值強度趨于穩(wěn)定或略有降低(見圖13(d)).其原因是纖維的抗拉能力逐漸發(fā)揮了出來，達到了其抗拉極限，同時，纖維在拉伸變形過程中出現(xiàn)了摩擦破損，甚至拉斷破壞的現(xiàn)象(見圖15)，導致纖維抗拉性能有所下降，降低了纖維對土體強度的貢獻[32-33].此外，過長的纖維在土體中容易發(fā)生彎曲和扭轉現(xiàn)象[18].在加載作用下，改良膨脹土試樣的變形會引起纖維幾何形狀的變化，繼而可能會弱化纖維與土體的界面強度，這也是過長纖維無法進一步有效提升膨脹土峰值強度的重要原因.因此，結合纖維拌和均勻性目的，建議工程實踐中采用的纖維長度為6～12 mm、摻入質量分數(shù)為0.5%～0.7%.

圖15 聚丙烯纖維損傷與破壞情況Fig.15 Damage and destruction of polypropylene fibers

3.3.3 低圍壓下纖維長度及其摻入質量分數(shù)對膨脹土抗剪強度指標的影響 如圖16所示為纖維改良膨脹土的抗剪強度參數(shù)(c、φ)隨摻入質量分數(shù)wf的變化，其中，抗剪強度參數(shù)根據(jù)式(5)、(6)計算得到.可以看出，當纖維長度不超過6 mm時，黏聚力隨著wf增加呈現(xiàn)出先增后減的變化規(guī)律.其中，當纖維長度為3 mm時，wf為0.3%對應的黏聚力最大.當纖維長度為6 mm時，wf為0.5%對應的黏聚力最大.當纖維長度大于6 mm時，黏聚力隨著wf增加而增大，且纖維長度越長，對應的黏聚力越大.總體上，內(nèi)摩擦角隨著wf增加呈增長趨勢.但與黏聚力的變化相比，纖維摻入對內(nèi)摩擦角的影響較小.黏聚力的變化范圍為35.8～81.8 kPa，最大增幅為115.3%.內(nèi)摩擦角的變化范圍為32.5°～41.8°，變化幅度為-5.8%～21.2%.可見，纖維摻入主要是提高膨脹土的黏聚力.在氣候環(huán)境引起的干濕循環(huán)作用下，邊坡淺層范圍內(nèi)的膨脹土會產(chǎn)生反復的濕脹干縮，導致膨脹土裂隙不斷發(fā)育和抗剪強度降低，引發(fā)邊坡淺層失穩(wěn).通過向淺層膨脹土內(nèi)摻入適量纖維，可以提高膨脹土的抗脹縮開裂能力及黏聚力，從而降低膨脹土邊坡發(fā)生淺層失穩(wěn)災害的風險[8].

圖16 纖維改良膨脹土抗剪強度參數(shù)隨纖維摻入質量分數(shù)的變化Fig.16 Variation in shear strength parameters of fiber improved expansive soil with fiber mass fraction

4 結論

（1）圍壓和水的質量分數(shù)均較低的狀態(tài)下膨脹土的應力應變曲線表現(xiàn)出明顯的應變軟化行為，膨脹土的殘余剪切強度遠小于峰值強度，當圍壓為30 kPa、水的質量分數(shù)為20.7%時，剪切強度衰減率高達55.0%.向膨脹土中摻入纖維與合理延長纖維長度可以有效提高其殘余剪切強度，如摻入質量分數(shù)為0.3%的長度為9 mm的纖維后膨脹土的剪切強度衰減率降至7.6%.

（2）淺層膨脹土具有明顯的剪切強度非線性，可采用冪函數(shù)描述，其非線性程度與土體中水的質量分數(shù)(飽和度)、圍壓有關.土體飽和度越高、圍壓越小，膨脹土剪切強度非線性越明顯.采用高圍壓段試驗結果將導致低圍壓段飽和膨脹土的黏聚力偏大225.7%、內(nèi)摩擦角偏小42.5%.

（3）纖維對膨脹土峰值強度的改善效果與土體內(nèi)的纖維網(wǎng)狀結構的形成有關，纖維長度及其摻入質量分數(shù)應以能否形成有效網(wǎng)狀結構為原則.纖維摻入主要以改善膨脹土的黏聚力為主，其中，黏聚力、內(nèi)摩擦角的最大增幅分別為115.3%、21.2%.值得注意的是，過長的纖維容易在土體中彎曲、扭轉，使得纖維-土體界面出現(xiàn)弱化現(xiàn)象.

（4）本研究從膨脹土工程災害淺層性出發(fā)，指出淺層膨脹土具有低圍壓特點，基于此，分析淺層膨脹土的剪切行為及其非線性，并開展纖維改良對淺層膨脹土剪切特性的影響與機理分析，可以為淺層膨脹土工程災害治理提供參考.另外，淺層膨脹土在氣候環(huán)境下還面臨著脹縮變形引起的裂隙行為，當前研究尚未考慮到這一點，今后將推進考慮裂隙特性的淺層膨脹土剪切特性研究工作.